Este programa foi marcado como "Limpo" pelo anfitrião.
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01 Introdução
Este é o segundo episódio de uma série de 8 partes.
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No episódio anterior, discutimos os predecessores dos PLCs, em particular a lógica de relés.
Neste episódio, discutiremos como a lógica de relés passou a ser expressa em software, em vez de componentes de hardware reais.
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Os tópicos a serem abordados incluem:
* Computadores iniciais na indústria.
* O primeiro PLC.
PC versus PLC - qual é a diferença no nome.
Quem são as principais marcas.
O que um PLC realmente parece.
Arquitetura de máquina.
Programas PLC.
O escaneamento.
Linguagens de programação PLC.
Popularidade relativa das linguagens de programação PLC em comparação com linguagens de programação de computadores mais convencionais.
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Computadores iniciais na indústria
Os computadores começaram a ser utilizados na indústria relativamente cedo.
Minicomputadores eram usados em algumas grandes indústrias para controlar coisas como usinas de energia elétrica.
Por exemplo, o DEC PDP8 era usado para controlar as máquinas de reabastecimento em usinas nucleares CANDU.
Elas carregavam e descarregavam combustível do reator, o que acontece continuamente em uma base diária enquanto o reator está em funcionamento.
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O primeiro computador baseado em microprocessador vendido no mercado comercial foi o MICRAL da França, baseado no Intel 8008.
Foi vendido como uma substituição de custo-efetivo para minicomputadores usados na indústria.
Antecedeu o que são geralmente considerados os primeiros computadores pessoais.
Para que você possa ver, a indústria não foi relutante em adotar novas tecnologias.
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No entanto, os microcomputadores eram sistemas complexos e de grande porte que não se encaixavam bem no chão da fábrica.
Eles tinham nichos específicos em sistemas integrados muito complexos, mas não eram adequados para controlar muitas máquinas individuais em uma fábrica que produzia itens como automóveis ou eletrodomésticos.
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O que era necessário era algo que se encaixasse em um compartimento elétrico padrão,
suportasse as temperaturas encontradas em uma fábrica,
resistisse a vibrações e ruídos,
fosse tolerante a flutuações de tensão,
se conectasse diretamente a sensores e atuadores.
e poderia ser facilmente programado por engenheiros, técnicos e trabalhadores especializados que estavam familiarizados com os processos a serem controlados, mas tinham pouca ou nenhuma experiência com computadores.
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Isso exigia um pacote integrado completo que abrangia hardware, software e distribuição de produtos através de varejistas de suprimentos industriais.
Algo que pudesse atender a esses critérios era o que era necessário para se tornar o PLC.
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09 História
Muitas histórias apontam para um desenvolvedor americano que se tornou Modicon.
No entanto, seu primeiro hardware era mais uma prova de conceito do que um produto comercial viável.
Na verdade, várias empresas nos EUA, na Europa e no Japão estavam trabalhando no problema e lançaram produtos comparáveis, todos por volta do mesmo período, no início da década de 1970.
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A ideia precedeu a implementação por vários anos.
Por exemplo, a General Motors pediu aos fornecedores de equipamentos de controle industrial, no meio da década de 1960, algum tipo de dispositivo de controle programável para substituir a lógica de relés.
Isso mostrou aos fornecedores potenciais que havia um mercado para esse tipo de coisa, e lhes deu uma ideia mais clara do que os clientes estavam procurando.
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O que tornou isso possível foi o desenvolvimento do primeiro microprocessador de 8 bits nesse período, combinado com processadores de fatias de bits prontamente disponíveis da indústria de minicomputadores e outros componentes.
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As pessoas sabiam o que fazer, o problema era esperar pelo desenvolvimento de hardware de componentes adequados.
Minicomputadores já eram utilizados na indústria, mas normalmente estavam localizados em salas de controle.
PLCs foram um esforço para tirar essa tecnologia das salas de controle e colocá-la no chão da fábrica.
13 PC vs PLC - O que a Nomeação Significa
Nos primeiros dias, esses sistemas eram conhecidos como PLC, que significa "Controlador Lógico Programável", ou PC, que significa "Controlador Programável".
Diferentes fornecedores favoreciam diferentes terminologias, mas ambas eram comuns.
Tenho um livro que, em determinado momento, foi um dos manuais de referência padrão para esta indústria, publicado em 1989, e se refere a eles como Controladores Programáveis, ou PCs.
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O termo PC também era usado para significar "Computador Pessoal", mas isso não era realmente um problema nos primeiros dias.
No entanto, uma grande empresa decidiu chamar sua entrada no mercado de computadores pessoais de "IBM PC", e de repente "PC" se tornou um termo genérico para computadores de mesa.
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Após uma longa luta para continuar se referindo aos seus produtos como "PCs", até os maiores fornecedores cederam e abandonaram a luta, passando a usar o termo "PLC".
Portanto, usarei o termo "PLC" nesta série de podcasts, mesmo ao falar sobre produtos que foram originalmente chamados de "PCs" no momento de seu lançamento.
16 Quem são as Marcas Principais
As empresas que vieram a dominar a indústria relativamente cedo, de modo geral, eram empresas que já fabricavam hardware elétrico industrial.
Estas eram
Siemens
Allen Bradley, conhecido posteriormente como Rockwell
Schneider
Mitsubishi
Omron
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Elas ainda são as empresas dominantes no negócio, embora existam muitas marcas menores, especialmente no final mais barato do mercado.
Todas elas eram fornecedoras de uma ampla gama de hardware de controle industrial, de modo que você poderia construir todas ou quase todas as partes do seu sistema de controle usando apenas seus produtos.
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Cada uma dessas vende um pacote integrado de hardware e software, incluindo software de desenvolvimento, que é completamente de propriedade exclusiva.
Se você pensou que o negócio de mainframes tinha muito bloqueio de fornecedor, não viu o mercado industrial.
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O que uma dessas coisas parece realmente?
Neste ponto, você provavelmente ainda está muito confuso quanto ao que é um PLC.
Tentarei descrever um em termos básicos, dando um exemplo de um.
Os mais simples e menores são chamados de PLCs "de sapato".
Esses são, basicamente, uma caixa retangular com um caso de plástico.
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Aqui estão as dimensões de um modelo de ponta baixa típico, um Mitsubishi FX3U-32M.
De acordo com as especificações no manual, tem 150mm de largura, 90mm de altura e 86mm de profundidade.
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Pode ser montado no painel em um compartimento elétrico ao encará-lo em uma barra DIN.
As barras DIN são sistemas de montagem padrão que utilizam uma tira de metal em formato de U com uma aba no topo de cada extremidade do U.
Você parafusa a barra DIN ao painel elétrico no compartimento e a maioria dos componentes industriais, como PLCs, blocos terminais, disjuntores e todo tipo de outras coisas, simplesmente encaixa nela e está pronto para ser conectado.
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Ao longo do topo e da base do PLC estão terminais aos quais você pode anexar fios de coisas que deseja sentir ou controlar na máquina, como botões de pressão, luzes de piloto, sensores de proximidade e válvulas.
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Os entradas estão no topo e as saídas na base.
O FX3U-32M tem 16 entradas e 16 saídas.
Esses I/O podem ser 24 volts DC ou 100 a 120 volts AC, dependendo do modelo.
Alternativamente, pode ter pequenos relés para saídas.
Embora a entrada/saída AC tenha dominado antes, 24V DC se tornou o padrão na maioria das indústrias há várias décadas, pois se interfere com dispositivos eletrônicos com mais facilidade e também permite fios mais baratos e compactos.
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Mais entradas e saídas podem ser adicionadas conectando módulos de entrada/saída adicionais ao PLC principal ao lado, na mesma barra DIN, até um total de 256 I/O.
A conexão é tipicamente feita por meio de cabos de fita curtos que se conectam ao módulo adjacente.
Esses módulos de I/O parecem com o PLC principal, mas apenas adicionam funcionalidade de I/O.
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Dentro do PLC estão um CPU, memória e firmware.
Este modelo possui 64K "passos" de memória, o que pode ser considerado quantas instruções você pode ter.
O programa roda na RAM, mas você pode adicionar um pequeno dispositivo de memória flash para salvar o programa.
Existe uma alavanca de ligar/desligar que permite iniciar ou parar o programa do usuário.
Existe uma porta que você pode usar para conectar o PLC a um computador portátil com um cabo para que você possa baixar seu programa para ele.
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A maior parte do mercado de PLCs é para esses estilos "caixa de sapatos".
No entanto, existem modelos maiores também que possuem mais entradas/saídas, mais memória, CPUs mais rápidas, etc.
Esses são destinados a tarefas como coordenar grandes linhas de montagem e coisas assim.
Esses são o que são chamados de sistemas de rack, onde o rack é uma caixa vazia que é aberta na frente e possui um ônibus de backplane correndo ao longo de trás.
Você conecta o CPU principal ao ônibus, normalmente na posição mais à esquerda, e então conecta módulos de I/O ao rack.
Os módulos de I/O são caixas altas e finas, totalmente fechadas, com os terminais de I/O ao longo da frente.
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Você deve ter uma ideia aproximada de sua aparência nesta fase, então vou deixar a descrição física de lado por enquanto e passar para os conceitos por trás de como eles funcionam na prática e o que os diferencia de algo como, digamos, um Raspberry Pi.
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Arquitetura de Máquina
Não é realmente o hardware que define o PLC.
Em vez disso, é a arquitetura do sistema de software.
Todos os PLCs que eu conheço têm um conjunto comum de recursos.
Tabela de Dados
Uma tabela de dados é simplesmente um bloco de memória que pode ou não ser subdividido em diferentes partes.
Toda a lógica, e todos, ou quase todos, os I/O funcionam escrevendo e lendo endereços na tabela de dados.
30 I/O
Todo ponto de entrada e saída mapeia para um endereço de memória fixo no PLC.
Para ler o estado de uma entrada, você lê o seu endereço de memória.
Para alterar o estado de uma saída, você escreve em seu endereço de memória.
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Esses I/O digitais aparecem como valores booleanos de um único bit.
A linguagem de programação do PLC possui instruções que permitem ler ou escrever diretamente em bits únicos sem precisar mascarar outros bits, como seria necessário se você estivesse usando uma linguagem de programação convencional.
Até agora, mencionei apenas I/O digitais, que são valores de ligar/desligar de um único bit.
32 Outros tipos de I/O
Muitos PLCs também possuem outros tipos de E/S, como
E/S analógica, que representam voltagens variáveis em vez de apenas valores on/off.
Por exemplo, você pode querer ler a temperatura de um termopar onde o nível de tensão varia com a temperatura.
Frequentemente, esses são mapeados na tabela de dados como valores de byte ou palavra.
33 Memória de Bit Interno ou Booleana
Haverá uma gama de memória de bit único ou booleana usada para o estado lógico interno.
Seu programa pode precisar gerar uma série de valores lógicos intermediários, e você os armazena nesses bits internos ou flags.
34 Temporizadores e Contadores
O controle de máquinas geralmente envolve sincronização e contagem.
Temporizadores e contadores são mapeados na tabela de dados.
Os presets e valores de temporizadores e contadores podem ser lidos como palavras, e haverá endereços de bits que indicam o status do temporizador ou contador, como se ele atingiu o preset e está "feito".
35 Valores Inteiros e de Ponto Flutuante
Haverá endereços de palavras onde palavras inteiras e de ponto flutuante podem ser armazenadas.
Se você precisar realizar algumas cálculos matemáticos e armazenar os resultados, os salvaria em uma palavra inteira ou de ponto flutuante.
36 Memória Tipada
Diferente de quando se programa algo como um PC onde você simplesmente tem um intervalo de bytes indiferenciados e é responsabilidade do software impor significado a eles, a memória da tabela de dados do PLC tem tipos e significados definidos, e o firmware do sistema impõe os métodos corretos de acesso à memória.
Tamanho da Tabela de Dados - 37
As tabelas de dados variam muito em tamanho.
Uma tabela de dados maior permite programas maiores e mais complexos.
Geralmente, novos PLCs terão tabelas de dados maiores que os mais antigos,
e PLCs mais caros terão tabelas de dados maiores que os mais baratos da mesma geração.
Exemplo - 38
Tendo escolhido um PLC atual como exemplo para dimensões físicas, eu escolho um antigo e obsoleto como exemplo de uma tabela de dados.
A série Siemens S5-100 era um PLC pequeno que vinha em vários tamanhos.
A versão básica S5-100 tinha o seguinte tamanho de tabela de dados.
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A entrada/saída digital tinha um máximo de 128 entradas e saídas juntas.
As entradas e saídas analógicas tinham um máximo de 8 juntas.
Memória de sinal ou bit era 1024.
Temporizadores - 16
Contadores - 16
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O S5-103 oferecia mais de tudo no mesmo pacote básico, mas, claro, a um custo mais alto.
A entrada/saída digital tinha um máximo de 256 entradas e saídas juntas.
Entradas e saídas analógicas tiveram um máximo de 32 juntas.
Memória de sinal ou bit foi 2048
Temporizadores - 128
Contadores - 128
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41 O Programa PLC
Um PLC vem com o que equivale a um sistema operacional e máquina virtual integrados.
Você, como programador, utiliza o software de desenvolvimento proprietário do fornecedor, geralmente chamado de "software de programação PLC", para escrever uma aplicação para ele.
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Você conecta então seu PC ao PLC usando um cabo de algum tipo, e baixa seu programa para ele.
O programa é armazenado na RAM do PLC.
Pode haver memória flash que serve de backup para a RAM quando há falta de energia, para que você não perca o programa.
Antes da disponibilidade da memória flash, uma bateria era tipicamente necessária para manter a memória RAM estática.
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Há apenas um programa no PLC.
Não há sistema de arquivos, apenas a memória do programa e a tabela de dados.
Quando o PLC é ligado, ele executa o programa que você escreveu.
Ele continua executando o programa até que você desligue a energia ou defina o interruptor de execução/parada na posição de parada.
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Volto para a programação mais tarde, mas precisávamos cobrir esses pontos básicos antes de eu poder descrever alguns conceitos adicionais que precisamos abordar.
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O Escaneamento - 45
Um aspecto fundamental a se entender sobre PLCs é o conceito de "escaneamento".
Isso funciona da seguinte maneira.
Existe um ciclo repetido chamado de escaneamento.
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Primeiro, o PLC lê todos os entradas físicas e atualiza os endereços de entrada correspondentes na tabela de dados.
Em seguida, ele executa o programa do usuário uma vez.
Finalmente, ele lê os endereços de saída na tabela de dados e os escreve nos correspondentes saídas físicas.
Então, ele repete o escaneamento a partir do passo 1.
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Um escaneamento pode levar de alguns milissegundos a centenas de milissegundos, dependendo do modelo do PLC.
PLCs mais antigos e mais baratos tendem a ser mais lentos.
No entanto, à medida que a tecnologia de circuitos integrados avançou, os programas ficaram mais rápidos.
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O PLC possui um temporizador de monitoramento.
Este é um temporizador que roda em segundo plano e reinicia no início de um escaneamento.
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Se um escaneamento demorar demais, o monitoramento disparará e parará o programa, definindo as saídas em um estado pré-estabelecido, seja desligando todas ou mantendo-as no último valor.
Isso é conhecido como "falhar" o processador.
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Uma falha de monitoramento pode ser causada por um programa muito longo, ou que utiliza muitas instruções muito lentas, ou, em alguns casos, pode ser devido a um bug no seu programa.
No entanto, esta última causa não é tão comum ou tão fácil de causar quanto você pode pensar quando se trata de falhas.
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51 Linguagens de Programação PLC
A chave para tudo isso é a maneira única como as linguagens de programação usadas em PLCs funcionam.
Primeiro, descreverei brevemente as duas principais linguagens de programação e, em seguida, explicarei como elas funcionam em um PLC como parte de um sistema completo.
52 Lógica de Escada
Existem várias linguagens de programação, mas a principal é chamada de lógica de escada.
Se você ouviu o episódio anterior, a palavra "escada" certamente soará familiar.
Quando as máquinas eram controladas por relés eletromecânicos, os diagramas elétricos que especificavam e documentavam os tipos de relés e as conexões entre eles eram chamados de "diagramas de escada".
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PLCs simplesmente tomam esses diagramas em escada e os reproduzem na tela do seu computador no software de programação utilizando os mesmos símbolos esquemáticos padrão.
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Você não precisa desenhar os símbolos como se fosse CAD.
Em vez disso, você simplesmente usa o teclado ou o mouse para dizer que deseja que esse símbolo seja inserido na localização atual do cursor ou que essa conexão seja estabelecida daqui para ali.
Quando o seu turno for concluído, o software verificará em algum momento se ele é sintaticamente correto.
Você segue então, subindo os degraus um após o outro até ter seu programa completo.
55 Lista de Instruções
Uma representação alternativa é algo chamado de "lista de instruções", embora vários fornecedores possam usar outros termos.
Este é um texto representativo que parece ser uma espécie de linguagem de montagem.
No entanto, na verdade é bem simples, apenas apresentado de uma maneira diferente. Alguns tipos de software de programação permitem alternar entre o modo escada e a lista de instruções, traduzindo automaticamente entre eles.
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Isso deve te dar uma ideia de como um PLC pode executar um diagrama esquemático.
Nas bastidores, o software de programação traduz o diagrama em uma lista de instruções, e então o PLC executa essas instruções em um interpretador ou compila-as para código de máquina e as executa.
57 Outras Linguagens de Programação
Existem outras linguagens de programação, mas elas são raramente vistas.
Não vou entrar em detalhes em termos de descrever cada uma, apenas mencioná-las brevemente.
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Uma se chama Diagrama de Função Sequencial.
Este é um tipo de diagrama de fluxo projetado para mostrar sequências complexas, incluindo as com caminhos alternativos ou paralelos.
O nome original é Grafcet, escrito como G R A F C E T.
Significa "Graphe Fonctionnel de Commande Étape Transition".
Além de ser uma linguagem de programação, também é uma excelente ferramenta de design e análise, mesmo que o PLC utilizado não a suporte.
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Outra é o Diagrama de Blocos de Função.
Esta é outra linguagem gráfica que se assemelha a diagramas de fluxo utilizados em indústrias de processos.
Supostamente é utilizada principalmente em indústrias como a de fabricação química.
No entanto, parece ser muito específica e a maioria das pessoas que utilizam PLCs nunca a viu, e muitas nem ouviram falar dela.
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Outra linguagem é o Texto Estruturado.
Isso é claramente derivado do Modula-2 e se parece muito com ele.
Se você não está familiarizado com o Modula-2, ele foi criado por Nikolas Wirth e pretendia ser o sucessor do Pascal, do qual foi derivado.
O Texto Estruturado parece ser muito amado por um pequeno número de acadêmicos, mas parece ter pouca aplicação prática no campo.
Você perde quase todas as instalações de monitoramento e depuração incorporadas em um PLC se o usar, então é meio sem sentido, exceto talvez para algumas aplicações de nicho.
Existem alguns outros idiomas também, principalmente os de propriedade privada, que frequentemente usam diagramas de fluxo ou algo semelhante.
61 Linguagens de PLC São Não Bloqueantes
O importante sobre um programa de PLC é que ele é executado de cima para baixo, da esquerda para a direita, sem parar ou bloquear.
Não há espera por entrada ou saída ou por uma chamada de sistema para retornar.
Cada degrau produz imediatamente um resultado que é escrito em um endereço de memória ou que habilita um temporizador ou contador.
Cada degrau é executado em cada varredura.
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Você pode reproduzir isso em uma linguagem tradicional de programação de computadores.
Na lógica de escada, isso é inerente à sintaxe e é muito difícil ou impossível fazer de outra maneira.
Darei um exemplo em Python do que quero dizer.
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a = (b ou c) e não d
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Se b ou c forem verdadeiros e d for falso, então a é definido como verdadeiro.
Se b e c forem falsos ou d for verdadeiro, então a é falso.
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Agora imagine que não estamos executando essa declaração uma vez, mas sim repetidamente.
Essa declaração nunca bloqueará a execução.
Ela sempre fornecerá um resultado imediatamente.
Agora, vamos modificar isso um pouco.
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a = (b ou a) e não d
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Observe que substituímos c por a.
Agora, o valor de a depende do valor anterior de a, bem como de b e d.
No entanto, uma vez que a se torne verdadeira, o valor de b deixa de importar, pois b está em uma condição "ou" com a.
Se executarmos isso repetidamente, apenas quando d for verdadeiro, go se tornará falso.
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Esta é uma circuito de botão de pressão padrão, também conhecido como "circuito selado", pois "sela" em torno da condição de início.
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b é o botão de início com um contato normalmente aberto.
d é o botão de parada com um contato normalmente fechado.
a é um relé com um de seus contatos sendo usado para mantê-lo acionado.
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Se você conectar isso com botões e relés reais ou programar em um PLC com lógica em escada, funcionaria da mesma maneira.
Um programa de PLC consiste em rungs de lógica, um após o outro, e o executa repetidamente, scan após scan, apenas pausando para atualizar sua entrada/saída.
71 Programação Assíncrona
Algumas de vocês podem estar pensando que essa varredura cíclica soa como a programação assíncrona que está na moda com aplicações de servidor web nos dias de hoje.
Essencialmente, é o mesmo princípio.
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Com programação assíncrona, seu programa nunca deve usar instruções de bloqueio e a execução prossegue em um ciclo repetido.
PLCs resolvem isso sem ter quaisquer instruções que bloqueiem, e muitos PLCs não permitem saltos para trás.
Trabalhadores em macacões nas fábricas estavam fazendo programação assíncrona há décadas antes que os "cool kids" soubessem disso.
73 das linguagens de programação PLC são linguagens visuais ou gráficas.
Se escada, Diagrama de Função Sequencial ou Grafcet e Diagrama de Blocos de Função soam como linguagens de programação visuais, elas são.
Na verdade, a escada é provavelmente uma das primeiras linguagens visuais em uso comercial.
A Wikipedia define uma linguagem de programação visual como:
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Na computação, uma linguagem de programação visual (sistema de programação visual, VPL, ou VPS), também conhecida como programação diagramática, programação gráfica ou codificação em blocos, é uma linguagem de programação que permite aos usuários criar programas manipulando elementos do programa graficamente, em vez de especificá-los textualmente. Uma VPL permite a programação com expressões visuais, arranjos espaciais de texto e símbolos gráficos, utilizados como elementos da sintaxe ou notação secundária. Por exemplo, muitas VPLs são baseadas na ideia de "caixas e flechas", onde caixas ou outros objetos na tela são tratados como entidades, conectados por flechas, linhas ou arcos que representam relações. VPLs são, geralmente, a base de plataformas de desenvolvimento de baixo código. Scratch é um exemplo de uma VPL.
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Fim da citação.
Como você pode ver, o que é legal hoje já estava no chão da fábrica há mais de 40 anos.
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Popularidade de Linguagens de Programação de PLC
PLCs são tão proprietárias quanto possível.
Praticamente todos os fornecedores têm sua própria abordagem proprietária para cada linguagem.
Como você pode programar qualquer PLC específico é determinado pelo software de programação daquele fornecedor.
Se o fornecedor não o apoiar, você não pode usá-lo.
Um único fornecedor pode ter várias linhas de produtos incompatíveis que precisam ser programadas de maneiras diferentes com softwares diferentes, embora isso não seja tão comum nos dias de hoje quanto era antes.
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Quase todos os PLCs suportam programação em Ladder.
Alguns suportam programação em lista de instruções, bem como em ladder.
Qualquer outra coisa é muito menos comum.
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A lógica ladder, aliás, está no Índice Tiobe.
Para quem não ouviu falar, o Índice Tiobe, ou T I O B E, é um site que lista a popularidade de diversos idiomas de programação com base em vários critérios.
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O primeiro da lista é o Python, atualmente com 19,98%.
O segundo é C, com 11,55%.
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Na redação deste script, a Ladder Logic estava na posição 46, com uma classificação de 0,28%, o que a colocou logo abaixo do Erlang e logo acima do Haskell.
Não tenho certeza se isso significa que a Ladder Logic não é tão obscura quanto você pensava, ou se o Erlang e o Haskell são, na verdade, mais obscuros do que você pensava.
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Resumo do Episódio 81
Neste episódio, cobrimos:
A história inicial dos computadores no controle industrial
A história inicial dos PLCs, incluindo como eles ganharam seu nome
Quem são as principais marcas
Como eles são fisicamente
82
Uma descrição básica da arquitetura da máquina abstrata
Uma olhada rápida no que é um programa PLC
O conceito de varredura
As principais linguagens de programação PLC
As menores linguagens de programação PLC
A popularidade relativa de cada uma das linguagens de programação
83
No próximo episódio, daremos uma olhada em um dos primeiros PLCs da era em que começaram a ser amplamente utilizados.
Este PLC foi extremamente bem-sucedido e foi o primeiro PLC utilizado por muitas empresas.
Este é o PLC Allen Bradley 2.
84
Este é o segundo episódio de uma série de oito partes.
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