Todo controlador programável é construído em torno de um ciclo de varrimento: ler entradas, executar o programa do utilizador, escrever saídas e repetir indefinidamente enquanto a alimentação de 24 V estiver presente. A maior parte dessa memória de trabalho é SRAM rápida e volátil, que perde o seu conteúdo no instante em que a alimentação é removida — e, ainda assim, uma linha de produção espera que os seus contadores, relés de trinco, valores de receita e o relógio em execução sobrevivam ao desligamento noturno, a uma queda de tensão ou a um corte breve da rede, e uma máquina-ferramenta espera que os seus parâmetros, corretores de ferramenta e posições de referência zero dos eixos também sobrevivam. A retenção não é, portanto, uma funcionalidade opcional, mas um subsistema definido com o seu próprio perfil de carga e a sua própria economia de falha. Este primeiro artigo sobre a retenção com níquel-hidreto metálico para controladores PLC e comandos CNC explica exatamente o que deve ser lembrado e porquê, e disseca a carga de corrente muito baixa que mantém vivas uma SRAM CMOS e um relógio em tempo real quando a alimentação principal desaparece. Controladores reais ancoram a discussão: uma pequena família de PLC oferece ou RAM com um condensador para cerca de duas semanas de retenção a 25 °C, ou RAM com uma bateria para cerca de cinco anos; um PLC compacto amplamente utilizado baseia-se num supercondensador interno para aproximadamente 50 a 100 horas de retenção do relógio e numa placa de bateria opcional para até 200 dias; uma CPU de topo indica um tempo de reserva de cerca de seis semanas a 40 °C e áreas de dados retentivos medidas em megabytes; e os comandos CNC usam há muito células de lítio primário de 3,6 V, algumas com apenas uma janela de troca a quente de cinco minutos. Estes valores enquadram as três arquiteturas de retenção — condensador, bateria e memória totalmente não volátil —, cuja seleção e projeto o segundo artigo aborda.
Durante o funcionamento, a CPU executa o programa do utilizador — escrito nas linguagens IEC 61131-3 num PLC — a partir da memória de trabalho, atualizando em cada varrimento as imagens de entrada/saída, os indicadores internos, os temporizadores, os contadores e os registos de dados. A SRAM rápida é preferida para tal porque tem resistência de ciclos ilimitada e temporização de escrita rápida, mas é volátil: removendo a alimentação, os seus bits degradam-se em milissegundos. O código de programa é normalmente espelhado em flash, mas o estado em tempo real da máquina — contagens acumuladas, lotes parciais, valores de referência introduzidos pelo operador — existe apenas nesse armazenamento volátil.
Os controladores designam, portanto, intervalos retentivos (de trinco) cujo conteúdo deve sobreviver à perda de alimentação, distintos das etiquetas não retentivas que podem ser reiniciadas. Uma CPU modular moderna pode reter vários megabytes desses dados; o projetista marca quais etiquetas são retentivas e o hardware deve manter vivas precisamente essas células, e o relógio em tempo real, durante a interrupção.
O relógio em tempo real (RTC) mantém corretos os carimbos de data/hora, registos de eventos, rotinas agendadas e contadores de turno durante o corte de energia. É um circuito minúsculo — os projetos de placa usam chips RTC dedicados como o DS3231 ou o PCF2129 com uma entrada de reserva —, mas funciona continuamente e a sua precisão é especificada independentemente, geralmente dentro de algumas dezenas de segundos por mês a 25 °C (um PLC compacto cita mais ou menos 90 segundos por mês, uma família modular cerca de 27).
Como o RTC nunca para, o seu consumo em microampere é integrado ao longo de todo o intervalo sem energia e frequentemente domina o orçamento energético de retenção, juntamente com a corrente de standby da SRAM. Uma fonte capaz de manter uma SRAM grande durante dias, mas que não consegue também manter o oscilador a funcionar, continua a falhar a aplicação; por isso, o dimensionamento da retenção soma sempre a corrente de standby da SRAM, o RTC e qualquer circuito de supervisão, em vez de contar apenas a memória.
Um comando CNC aumenta a parada. Para além do programa ladder, armazena os parâmetros do sistema, a afinação dos servos, a geometria da ferramenta e as correções de desgaste, a compensação do erro de passo e, para eixos com codificadores absolutos, as posições de referência de retorno a zero da máquina. Perder esta memória com backup de bateria significa reintroduzir os parâmetros e refazer o homing de cada eixo — horas de parada especializada e o risco de uma colisão se uma correção for restaurada incorretamente. É por isso que os planos de manutenção CNC tratam a bateria de memória como uma peça de serviço crítica.
Os comandos populares usam pacotes de lítio primário — uma célula de 3,6 V e 1.750 mAh ou um pacote duplo de 6 V são itens de serviço comuns — e vários especificam uma janela curta, de minutos, na qual a célula gasta deve ser trocada com o comando ainda ligado, antes que a memória CMOS se degrade. Essa restrição de troca a quente é consequência direta da ausência de um reservatório de energia independente no projeto de retenção.
A indústria preserva a memória volátil de três formas. Um condensador ou supercondensador armazena carga suficiente para a SRAM e o RTC durante cortes curtos — um PLC pequeno obtém cerca de duas semanas de um condensador, um controlador compacto cerca de 50 a 100 horas de relógio de um supercondensador interno carregado durante o funcionamento —, com a vantagem de uma vida de ciclos essencialmente ilimitada e sem peça de serviço, mas a desvantagem de um horizonte medido em dias que diminui a alta temperatura. Uma bateria primária ou recarregável alarga a retenção a meses ou anos. A terceira via remove totalmente a memória volátil, recorrendo a flash, FRAM ou MRAM para que os dados de trinco sejam intrinsecamente não voláteis; uma família moderna de PLC modulares anuncia uma CPU sem bateria exatamente nesta base, e uma série compacta mantém o relógio durante dez dias a partir de um grande condensador carregado nos primeiros trinta minutos de funcionamento.
A primeira figura animada coloca em camadas os dados que um controlador deve reter; a segunda compara, qualitativamente, como as três arquiteturas preservam esses dados à medida que o tempo sem energia cresce de minutos a anos, mostrando os pontos de cruzamento em torno dos quais o projetista deve projetar.
A retenção tem duas fases elétricas. No instante da falha, um supervisor — um detetor de tensão e um watchdog da classe de um TPS3823 ou MAX6369 — deteta o barramento que colapsa, ativa um aviso não mascarável e concede à CPU um breve intervalo de manutenção, muitas vezes a partir de um condensador, para concluir o varrimento e descarregar os registos críticos no domínio retido. Depois disso, resta apenas a carga de standby ao nível de microampere da SRAM retida e do RTC, sustentada durante a longa interrupção pela fonte de retenção.
Esta divisão — uma fase de gravação ordenada curta e de corrente mais elevada, e uma fase de retenção muito longa e de corrente ultrabaixa — dita a seleção da fonte. Um condensador destaca-se na primeira, mas não consegue abranger meses; uma bateria abrange a longa cauda, mas tem de ser comutada de forma limpa e monitorizada; a memória não volátil trata da persistência, mas o flash tem uma resistência de escrita finita, que uma família de PLC quantifica em cerca de 100.000 atualizações, tornando-o menos adequado a dados reescritos em cada varrimento.
A análise produz uma especificação clara: uma fonte que sustente a carga de microampere somada de standby da SRAM e do RTC durante o intervalo sem energia alvo, à temperatura de pior caso; um reservatório de manutenção curto para a gravação ordenada na falha de energia; uma comutação limpa que nunca interrompa o barramento de retenção; uma vida de serviço previsível com uma estratégia de monitorização ou substituição; e, para a CNC, suporte para uma troca segura da bateria sem perder a memória. O segundo artigo transforma isto num projeto de retenção concreto e compara honestamente o níquel-hidreto metálico recarregável com os supercondensadores, o lítio primário e a memória totalmente não volátil; o terceiro mapeia a evidência da IEC 61131-2, EMC, normas ambientais e de bateria por detrás de um controlador em conformidade.
Reconhecer a retenção como um subsistema bifásico dominado por microampere é a mentalidade que separa um controlador que religa no estado correto, com a hora certa e as posições de eixo corretas, daquele que saúda o operador com uma memória limpa e um turno de produção perdido.
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