Sistemas de Controle: Especificação e Implantação

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1 Sistemas de Controle: Especificação e Implantação A NORMA IEC Anísio Chagas Bernardino Alves Outubro/2008 Parceria Apoio

2 Conceitos Um problema: Existem no mercado de automação nacional e mundial, dezenas de fabricantes de CLP s, cada um com sua arquitetura, rede de comunicação, linguagem e software de programação diferentes. À exceção de alguns poucos fabricantes que, por força do mercado, tiveram que desenvolver interfaces com outros Fornecedores, ainda a grande maioria permanece isolado, incomunicável com outras marcas. Isto obriga as indústrias a conviver com verdadeiras ilhas tecnológicas, em muitos casos possuindo CLP s de diferentes fabricantes ou, abrigando CLP s de mesmo fabricante mas com tecnologias diferentes por conta de diferentes versões instaladas.

3 Conceitos Fabricantes de CLP s fecham pacotes com Fornecedores de equipamentos maiores, onde a automação representa um custo minoritário no investimento total. Equipamentos tais como Filtros eletrostáticos, Prensas de Rolos, sistemas de lubrificação automáticos, máquinas CNC, sistemas de robotização, máquinas de pátio, etc. os exemplos são enormes e diversos. Ao Cliente final indústria só resta receber aquela solução caixa-preta e conseguir deste Fornecedor o máximo de treinamentos e documentação possíveis, para que consiga prosseguir com as manutenções necessárias após a aceitação definitiva.

4 Conceitos Como tentativa de alteração deste cenário, seja por pressão de Clientes, seja de alguns pequenos Fornecedores que não conseguiam acesso aos grandes fornecimentos, surgiu a exigência de padronização de linguagens que cumprissem com a maioria das exigências de software. Em 1992, somente após mais de 20 anos de criação do primeiro CLP, o IEC International Electrotechnical Commission publicou a norma IEC 61131, a qual estabeleceu padrões para Controladores Programáveis. Portanto a norma IEC se aplica a Controladores Programáveis e seus periféricos, tais como Ferramentas de Programação e Depuração, Equipamentos de Testes e Interfaces Homem-Máquina. Portanto a norma não se aplica a todos os componentes de um Sistema de Automação, atendo-se somente àqueles que compõem os Controladores.

5 Conceituação das partes A norma é dividida em 8 partes: Informações gerais (General Overview, Definitions) Requisitos de hardware (Hardware) Linguagens de programação (Programming Languages) Guia de orientação ao usuário (User Guidelines) Comunicação (Message Service Specifications) Comunicação via Fieldbus (Fieldbus Communication) Programação utilizando Lógica Fuzzy (Fuzzy Logic) Guia para implementação das linguagens (Implementation Guidelines)

6 Objetivos da Norma Estabelecer critérios e características para seleção e aplicação de Controladores Programáveis (CP s). Especificar os requisitos mínimos para funcionalidades, condições de trabalho, características construtivas, segurança geral e testes aplicáveis para os Controladores Programáveis e seus periféricos. Definir regras de semântica e sintaxe para as linguagens de programação mais comuns, para que os fabricantes possam expandir e adaptar estas regras para suas próprias implementações de CP s. Definir a comunicação entre CP s e outros Sistemas usando o MMS Manufacturing Message Specification, conforme norma ISO/IEC 9508.

7 Benefícios Redução de custos com implantação devido às diferentes tecnologias: treinamentos, debugging, manutenção de software, engenharia e consultoria. Foco na solução do problema e não na construção do software. Redução na dependência de Fornecedores de Consultorias e hardwares. Redução de Erros e Inconsistências na construção de lógicas. Soluções iguais para áreas iguais em diferentes indústrias ou em mesmas indústrias porém em lugares diferentes. Mudam algumas parametrizações, mas não o software. Usos de Bibliotecas padrões construídas por diferentes programadores.

8 IEC Parte 1 Informações Gerais A Parte 1 conceitua os CP s e as Linguagens de Programação, trazendo definições de termos como: - Sistemas de Automação; - Disponibilidade; - Desligamentos Falha-Segura (Fail-safe); - Entradas e Saídas conceituação e Tabelas-Imagens; - Linguagens Textuais x Gráficas; - Estações Remotas de E/S; - Reinicializações (Cold, Hot, Warm); - Tempos (scan, atrasos, tempo de resposta total, etc);

9 IEC Parte 1 Informações Gerais A parte 1 da norma define ainda as Características Funcionais de um CP, entre elas: - A Estrutura Funcional básica do hardware; - O processamento dos sinais: armazenamento do aplicativo e dados, leitura das Entradas, a execução da lógica de programação e as correspondentes respostas obtidas; - Comunicação entre CP s; - Interfaces Homem-máquina; - Programação, Depuração, Testes e Documentação; - Fontes de alimentação; - Confiabilidade e Disponibilidade; - Ergonomia. Nota: a especificação e formas de instalação é encontrada na parte 4.

10 IEC Parte 2 Requisitos de Equipamentos e Testes A parte 2 da norma estabelece requisitos funcionais de Segurança de Manuseio, proteções e recomendações contra Interferências eletromagnéticas e requisitos construtivos elétricos, mecânicos e ambientais. Outro ponto definido por esta parte da norma refere-se a memórias de backup: tipos, especificação, capacidades. Por conseqüência das definições de hardware, a parte 2 define também todos os testes necessários à certificação de um determinado CP conforme definido por esta norma.

11 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Conceitos Básicos A norma IEC em sua parte 3 tem por objetivo, entre outros: -Fornecer metodologias de construção de lógicas de programação de forma estruturada e modular, permitindo a quebra dos programas em partes gerenciáveis; -Definir 5 linguagens de programação, cada uma com suas características, de forma a cobrir a maioria das necessidades de controle atuais; -Permite o uso de outras linguagens de programação, desde que obedecidas as mesmas formas de chamadas e trocas de dados (Visual Basic, Flow Chart, C++, etc); -Abordagem e estruturação top-down e botton-up, fundamentada em 3 princípios: -Modularização; -Estruturação; -Reutilização;

12 IEC Linguagens de Programação - Modelo de Software

13 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Principais Conceitos: Configurações (Configurations): corresponde ao software necessário a um CP ou conjunto de CP s para que este(s) cumpra(m) suas funções de controle. A configuração define todos os elementos interagentes com suas configurações individuais e uma configuração total dada pelo resultado das diversas configurações. Recursos (Resources): qualquer elemento com capacidade de processamento dentro de uma configuração, capaz de executar programas. O recurso pode existir fisicamente (CPU do processador, interfaces de operação IHM, gateways de comunicação) ou virtualmente (uso ompartilhado de memórias de processamento por softwares distintos. Tarefas (tasks): controla a execução de programas ou blocos funcionais de forma periódica ou por disparo por eventos ( triggers )

14 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Unidade de Organização de Programas (POU): é a forma definida pela norma para se implementar o software do CP através da associação de variáveis e instruções, utilizando as linguagens da norma ou linguagens adicionais. Portanto, o software aplicativo do CP consiste na criação e associação de POUs entre si. POUs podem ser formadas a partir de associação de outras POUs, de forma a estruturar a programação e reutilizar o código. Estruturam-se em Programas, Blocos Funcionais e Funções, reutilizáveis mediante réplicas. Podem ser de fornecimento do fabricante do CP ou desenvolvidas pelo usuário.

15 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Programas (programs): construído a partir de Blocos Funcionais e Funções em qualquer das linguagens da norma. Pode acessar diretamente as Entradas e Saídas e comunicar com outros programas. Diferentes partes de um programa podem ser controladas por tarefas. Blocos Funcionais: Partes de programas hierarquizados e estruturados de forma a serem parametrizáveis e reutilizáveis. Os dados nos Blocos possuem persistência, mantendo-se inalterados entre cada execução do bloco. Exemplos de blocos funcionais são PID, temporizadores, contadores e blocos criados com funções específicas como controle de motores. Podem ser usados como partes integrantes de Blocos Funcionais mais complexos. Funções (Functions): funções ou procedimentos (procedures) são elementos de programação que, diferentemente de blocos funcionais, não possuem persistência, gerando resultados a cada execução. Exemplos de funções são blocos aritméticos, comparadores e lógicos.

16 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Variáveis Globais e Locais: Variáveis são declaradas de duas formas: localmente e globalmente. Uma variável é dita Global quando é declarada na Configuração ou no Recurso, passando a ser aceita por todas as partes dentro do nível declarado. Variáveis globais podem ser aceitas também por outras Configurações ou mesmo diferentes CP s, dede que devidamente declaradas em cada um deles.

17 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Comportamentos na Partida e Parada segundo a norma: Partida: - Quando uma configuração parte, todas as variáveis globais são inicializadas e todos os recursos são ativados; - Quando um recurso parte, todas as variáveis dentro do recurso são inicializadas e todas as tarefas são habilitadas; - Uma vez habilitadas as tarefas, todos os programas e blocos funcionais associados a esta tarefa serão executados uma vez, quando a tarefa estiver ativa; Parada: Quando uma configuração para, todos os recursos param; Quando um recurso para, todas as tarefas são desabilitadas interrompendo a execução de programas e blocos funcionais;

18 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : - Texto Estruturado (ST) - Lista de Instruções (IL) - Ladder Diagrams (LD) - Diagramas de Blocos Funcionais (FBD) - Funções Gráficas de Seqüenciamento (SFC) As duas primeiras linguagens acima são ditas TEXTUAIS por conterem instruções na forma de texto. As duas seguintes são ditas gráficas por possuírem representação na forma de símbolos. A linguagem SFC é normalmente tida como linguagem gráfica, porém também permite programações textuais.

19 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC :

20 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As linguagens definidas pela norma IEC : Instruction List (IL) LD A ANDN B Structured Text (ST) C:= A AND NOT B ST C Function Block Diagram (FBD) Ladder Diagram (LD) AND A C B A B C - -- / ( )

21 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As linguagens definidas pela norma IEC : Na figura anterior, as quatro linguagens descrevem a mesma lógica de programa. A escolha da linguagem de programação depende: - da formação do programador - do problema a resolver - do nível da descrição do problema - da estrutura do sistema de controle - da interface com outras pessoas/departamentos

22 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Texto Estruturado (ST) -Linguagem de alto nível; -Muito próxima de outras linguagens como C e Pascal, permitindo a programação de funções e blocos que ficariam de difícil solução com outras linguagens; -Adequada para: - Tomada de decisões; - Cálculos; - Uso de Algoritmos (IF-THEM-ELSE, CASE, REPEAT, WHILE-DO); - Excelente para criação de Blocos Funcionais complexos; - Outras.

23 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Texto Estruturado (ST)

24 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Lista de Instruções (IL) -Linguagem de baixo nível, semelhante ao Assembler; - Uso em pequenas aplicações ou otimizações de códigos ao nível de bits e variáveis; -Bastante eficiente e rápida ao nível de bits por se aproximar do código da CPU; -Linguagem pouco estruturada e de difícil compreensão se usada em grande escala; -Muito usada por pequenos fabricantes de CPs devido à simplicidade em pequenas aplicações e sem necessidade de uso de compiladores como as demais;

25 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Lista de Instruções (IL)

26 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Ladder Diagram (LD) -A mais popular, de fácil entendimento e visualização; -Baseada em Diagrama Elétrico de Contatos (diagrama trifilar) e graficamente próxima do entendimento do mantenedor; -Adequada para: -Controle/comando discreto de equipamentos e sinais; -Uso de lógicas sequenciais e combinacionais (Boole) And-Or-XOr com visualizaçao na forma de contatos de relés: / - -(G)- -Permite o uso de funções especiais como blocos PID, controles regulatórios, contadores e temporizadores; -Destaca graficamente o fluxo de energia entre os elementos;

27 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Ladder Diagram (LD)

28 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Diagramas de Blocos Funcionais (FBD) -Baseada em Diagramas Lógicos de Circuitos; -De fácil entendimento, desde que o mantenedor esteja familiarizado com representações gráficas das lógicas de Boole; -Bastante próxima do Ladder à exceção da representação gráfica e algumas funcionalidades específicas de cada linguagem; -Adequada para: -Controle/comando discreto de equipamentos e sinais; -Uso de lógicas sequenciais e combinacionais (Boole) And-Or-XOr com representação na forma de blocos lógicos; -Permite o uso de funções especiais como blocos PID, controles regulatórios, contadores e temporizadores;

29 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Diagramas de Blocos Funcionais (FBD)

30 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC) -Usada para descrever o comportamento seqüencial de lógicas; -Permite a programação em forma textual; -Estrutura as ações em partes a serem usadas de forma hierárquica e com abordagem top-down; -Promove ganhos de desempenho por só executar passos ativos na estrutura do programa; -Baseada no anterior padrão europeu Grafset; -Foi adotada pela norma ISA SP 88 para descrição de processos em batelada; -Fluxo de Informações normalmente de cima para baixo, podendo haver ramos que retornem a lógica para passos anteriores; -Fácil rastreabilidade de eventos;

31 IEC Parte 3 Linguagens de Programação As cinco linguagens definidas pela norma IEC : Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC)

32 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Exemplo de tipos de linguagens

33 IEC Parte 3 Linguagens de Programação Exemplo de tipos de linguagens

34 IEC Parte 4 Orientações para o usuário Esta parte apresenta as orientações necessárias para que os usuários (indústrias, empresas de engenharia, programadores e mantenedores, etc), possam adquirir e instalar os CPs e seus periféricos associados. Tratam-se portanto de diretrizes que permitem a esses usuários: - Especificar hardware e software necessários ao projeto; - Instalar, comissionar e certificar o sistema de automação instalado. - Formalizar a comunicação entre Fornecedores e usuários finais; Esta parte trata ainda de: - Requisitos Gerais de Instalação; - Condições ambientais e principais recomendações; - Uso de fiações corretas e aterramento(s); - Supressões de ruídos e transientes; - Interação com as normas IEC61508 e IEC que tratam de aplicação de CPs em sistemas de segurança.

35 IEC Parte 5 Comunicações Esta parte define o modelo de comunicação, seus blocos funcionais e mecanismos para relacionamentos entre CPs e demais dispositivos de Sistemas de Automação. Atualmente com o avanço do padrão OPC, a comunicação entre CP e outros sistemas de nível hierárquico superior (SCADA, PIMS, MÊS, ERP) tem sido delegadas a este padrão OPC, ficando a parte 5 da norma para as orientações para trocas de dados entre CPs. Esta parte define tecnicamente: - Os subsistemas de comunicação de um CP; - Blocos funcionais de comunicação; - Meios de comunicação entre diferentes tipos de redes de comunicação; - Comunicação da saúde (Health) do CP e estados internos

36 IEC Parte 7 Programação de controle FUZZY Face ao surgimento e uso crescente das lógicas nebulosas ou difusas (fuzzy logics), foi incorporado recentemente à norma a parte 7 que trata desse assunto. A norma define e estrutura o uso de linguagem utilizada em programação difusa Fuzzy Control Language (FCL). Composta de 6 tópicos, essa parte define: - O escopo e objetivo da programação Fuzzy; - Referências normativas; - Termos técnicos; - Integração da lógica Fuzzy com os CPs; - Semânticas e sintaxes da FCL; - 5 anexos contendo definições, exemplos práticos, símbolos, abreviações e sinônimos ;

37 IEC Parte 8 Implementação das Linguagens A parte 8 da norma trata de orientações necessárias à implementação de elementos comuns e linguagens de programação definidas na parte 3. Tem por objetivo: - Orientar usuários envolvidos com programação, configuração, instalação e manutenção de CPs; - Melhorar as práticas e a garantia de qualidade durante a construção dos softwares mediante sistematização de ferramentas; - Orientar quanto ao uso de linguagens adicionais; - Orientação quanto ao uso de variáveis globais e locais;

38 IEC Parte 8 Implementação das Linguagens A parte 8 da norma trata de orientações necessárias à implementação de elementos comuns e linguagens de programação definidas na parte 3. Tem por objetivo: - Orientar usuários envolvidos com programação, configuração, instalação e manutenção de CPs; - Melhorar as práticas e a garantia de qualidade durante a construção dos softwares mediante sistematização de ferramentas; - Orientar quanto ao uso de linguagens adicionais; - Orientação quanto ao uso de variáveis globais e locais;

39 A organização PLCOPEN A PLCOPEN é uma organização mundial responsável pela divulgação, intercâmbio de soluções e certificação de projetos que venham a utilizar a norma IEC A PLCOPEN possui internamente diversos grupos de trabalhos ou Comitês Técnicos (TC), cada um deles responsável pela gestão de processos relacionados à norma: TC1 Normas: trabalha na melhoria da IEC 61131, recebendo sugestões e modificações de colaboradores interessados; TC2 Funções: padroniza o uso de funções e blocos já definidos e debugados por outros programadores e fornecedores de softwares;

40 A organização PLCOPEN TC3 Certificação: licencia laboratórios ou certifica instalações que implantem sistemas de automação projetados e instalados de acordo com a norma IEC 61131; TC4 Comunicações: trabalha na relação entre a comunicação e as linguagens de programação, via IEC sobre a IEC ; TC5 Software Seguro: faz recomendações quanto ao uso da norma IEC com relação a seu uso em sistemas de segurança, em especial a utilização em conformidade com as norma de segurança IEC E 61511; TC6 XML: trabalha na especificação e divulgação da padronização da norma IEC para uso com a linguagem XML (extensible Markup Language);

41 A organização PLCOPEN Finalmente, a PLCOPEN possui Comitês promocionais, responsáveis pela divulgação, promoção, distribuição de materiais, newsletters, etc, além de eventos e encontros da comunidade de programadores, fabricantes e usuários da norma a nível mundial. Para consultas e participação dessa comunidade, consulte o site da organização:

42 OBRIGADO! Anísio Chagas Bernardino Alves (27) (27)

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