Protótipo de CLP Modular Baseado em Raspberry Pi e ESP32-S2 Utilizando Comunicação Modbus TCP/IP

Resumo

Este trabalho tem como objetivo a descrição da construção e testes de um protótipo de um Controlador Lógico Programável (CLP) modular, baseado em tecnologias de código aberto e menor custo. A proposta consiste na utilização de um Raspberry Pi 3 Model B como unidade central de controle (mestre) e um ou mais microcontroladores ESP32-S2 atuando como módulos de entrada e saída (escravos). O sistema é interligado via o protocolo de comunicação industrial Modbus TCP/IP, permitindo uma estrutura modular e escalável, aplicável a diferentes contextos educacionais e experimentais. O ambiente CODESYS é utilizado como plataforma de programação da lógica de controle, oferecendo compatibilidade com linguagens da norma IEC 61131-3, como Ladder e Blocos de Função. Durante os testes, o sistema demonstrou estabilidade na comunicação, boa responsividade e versatilidade na aplicação de lógica industrial. Este projeto contribui significativamente para a democratização do ensino de automação, além de apresentar um modelo funcional de CLP construído com ferramentas acessíveis para a expansão do conhecimento acerca da automação industrial no ambiente acadêmico. A metodologia considerou um Raspberry Pi  configurado com o sistema operacional Raspberry Pi OS e com o runtime do CODESYS em sua versão gratuita, transformando-o em um CLP programável com suporte a linguagens industriais como Ladder. Scripts personalizados permitiram a criação de um Access Point local, facilitando a conexão automática dos módulos ESP32 à rede. Os ESP32-S2 foram programados em C++, utilizando bibliotecas para Modbus, controle Wi-Fi e sinalização com LED RGB. Os módulos foram configurados com registradores Modbus para leitura e escrita de sinais digitais e analógicos, utilizando técnicas de filtragem (deadband) e geração de PWM. Toda a estrutura foi organizada fisicamente em uma caixa 3D projetada em Autodesk Inventor, com bornes de conexão e acesso simplificado aos componentes. Como resultado, os testes comprovaram a funcionalidade do sistema. A comunicação Modbus TCP/IP mostrou-se estável, com respostas rápidas e sem perdas de dados. Entradas digitais foram lidas com precisão e ruído minimizado por filtragem lógica e resistores. Entradas analógicas apresentaram boa linearidade após tratamento de ruídos leves. Saídas digitais acionaram relés, cargas e saídas analógicas foram simuladas por sinais PWM com controle de intensidade. O sistema demonstrou modularidade, permitindo a adição de novos módulos ESP32 facilmente. A integração com o ambiente CODESYS facilitou o mapeamento de variáveis e o monitoramento em tempo real, tornando o CLPi uma solução para aprendizado e experimentação em automação industrial no ambiente, também, acadêmico.