Autómatos Programáveis

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1 MIEEC Automação Apresentação dos (versão 4.5 em 17 de Abril de 2008) José António Faria, Armando Jorge Sousa, Professores Auxiliares da FEUP 16 de Abril de 2009 Autómatos programáveis Exemplo de autómato programável Os autómatos programáveis são microcomputadores especialmente vocacionados para aplicações de controlo a eventos discretos (onde a interface com os processos físicos envolve, fundamentalmente, variáveis boolenas e o programa de controlo é baseado em operações lógicas).

2 Autómato TSX/Micro da Schneider Módulos para controlo de sistemas contínuos Nas aulas práticas serão utilizados autómato da gama TSX/Micro da Schneider. Trata-se de autómatos modulares, da gama média/baixa que suportam até cerca de 150 linhas de entrada/saída Para lidar com processos físicos que envolvam o controlo de variáveis contínuas, os autómatos dispõem de módulos especiais, por exemplo: cartas de entrada/saída analógicas; cartas de interface dedicadas, e.g., codificadores incrementais ou termopares; cartas de controlo PID, genéricas ou dedicados a aplicações particulares como o controlo de temperatura; módulos de amplificação de potência, por exemplo para controlo de velocidade e de posição de motores eléctricos. Autómato programável versus PC Linguagens de programação Relativamente aos computadores pessoais (PC s), os autómatos: são mais compactos e robustos (vibrações, humidade, poeiras, ruído electromagnético); oferecem uma linguagem de programação dedicada (operações lógicas ao bit, temporizadores, contadores,...) oferecem um sistema de I/O muito flexível (modular, múltiplas cartas, ligações simples) não dispõem de disco rígido nem de terminal de interface com o operador. Os autómatos podem ser programados recorrendo a vários tipos de linguagens: Gráficas (diagrama de contactos, e GRAFCET) Textuais (lista de instruções e texto estruturado) Na mesma aplicação, podem ser combinadas diferentes linguagens ao mesmo tempo que é possível converter os programas entre as várias linguagens.

3 Linguagens de programação Instruções No âmbito da disciplina, apenas serão utilizados: o texto estruturado (idêntico ao FEUPAutom) o GRAFCET (que será introduzido proximamente) Trata-se de duas linguagens standard definidas pela Norma IEC 1131 e que são suportadas pela maioria dos autómatos mais actuais. As linguagens de programação dos autómatos incluem instruções para executar: operações lógicas (AND, OR, NOT, ); operações activas ao flanco: operações de contagem (incrementar e decrementar); operações de temporização; operações aritméticas (inteiras e em vírgula flutuante); manipulação de dados (strings, tabelas, ) funções de comunicação em rede e ponto-a-ponto. Manuais Manuais No laboratório, encontra um conjunto de completo dos manuais do software PL7* para programação dos autómatos Micro/Schneider. No entanto, no âmbito de Automação, apenas os seguintes manuais são relevantes (os quais estão disponíveis na página da disciplina). * PL são as iniciais de programação lógica Apresentação PL7 Introdução ao ambiente de desenvolvimento de programas Manual PL7-vol1 Introdução à linguagem structured text (pag. 143 a 166) Introdução à linguagem Grafcet (pag. 167 a 210) Manual PL7-vol2 Descrição detalhada das instruções de programação (pag. 13 a 64) Descrição dos objectos (bits) de sistema (pag. 277 a 290)

4 IMPORTANTE No âmbito de Automação, não se justifica uma leitura exaustiva destes manuais e muito menos se justifica a sua impressão completa. Conceitos base de programação em Texto Estruturado Em vez disso, devem ser consultados pontualmente sempre que for necessário. Linguagens de programação Objectos do sistema Para uma apresentação das linguagens suportadas pelos autómatos TSX/Micro pode consultar Manual PL7-vol1 (pág. 111). Nas aplicações consideradas no âmbito da disciplina, dar-se-á especial atenção às operações lógicas (Manual PL7-vol1, pág. 143), as quais podem ser aplicadas aos seguintes system objects: Aqui apenas consideraremos a programação em Texto Estruturado, já conhecida do FEUPAutom. Nota: Na sua versão actual, o FEUPAutom apenas implementa um subconjunto das instruções dos autómatos. linhas de entrada, por exemplo linhas de saída, por exemplo bits de memória, por exemplo bits de sistema, por exemplo bits de temporizador, por exemplo bits de contador, por exemplo %I1.5; %Q2.3; %M20; %S4; %TM3.Q; %C2.D.

5 Exemplo inicial Controlo de iluminação (versão1) Para um primeiro contacto com algumas das principais funcionalidades da programação em texto estruturado, entre as quais: operações activas ao flanco contadores temporizadores... considere o seguinte exemplo de aplicação. Pretende-se acender a iluminação da sala representada na figura sempre que se encontrar alguém no seu interior. Para controlar as entradas e saídas da sala são utilizadas duas células fotoeléctricas colocadas junto ao acesso da sala. Emissores E 1 E 2 iluminação Célula1: %I1.1 Célula2: %I1.2 Detector: %I1.3 Iluminação: %Q2.1 R 1 R 2 Receptores detector Programa (versão1) Emissores E1 E 2 Controlo de iluminação (versão2) iluminação (* Detectar entrada de pessoa *) IF (RE %I1.1) AND (NOT %I1.2) THEN UP %C1; R1 R2 Receptores detector A iluminação também deve acender durante 15 seg se o botão de parede for premido. (* Detectar entrada de pessoa *) IF (RE %I1.1) AND (NOT %I1.2) THEN UP %C1; Célula1: %I1.1 Célula2: %I1.2 Detector: %I1.3 Iluminação: %Q2.1 (* Acende iluminação de estiver alguém presente na sala e não houver luz ambiente*) IF(%C1.V<>0) AND (NOT %I1.3) THEN %Q2.1:=TRUE; ELSE %Q2.1:=FALSE; Célula1: %I1.1 Célula2: %I1.2 Detector: %I1.3 Iluminação: %Q2.1 Botão: %I1.4 Emissores E 1 E 2 R 1 R 2 Receptores iluminação detector botão

6 Programa (versão2) Programa (v2) (* Detectar entrada de pessoa *) (igual ao anterior) (* Detectar entrada de pessoa *) (igual ao anterior) (* Acende iluminação de estiver alguém presente na sala e não houver luz natural*) IF(%C1.V<>0) AND (NOT %I1.3) THEN %Q2.1:=TRUE; ELSE %Q2.1:=FALSE; (* Dispara temporizador 15seg se o botão de iluminação for premido *) IF RE %I1.4 THEN START %TM0; ELSIF FE %I1.4 THEN DOWN %TM0; (* Acende iluminação se saída temporizador estiver activa *) IF (%TM0.Q)THEN %Q2.1:=TRUE; ELSE %Q2.1:=FALSE; O programa anterior (v2) contém um erro. Qual é esse erro? Se não conseguir descobrir o erros através da análise do código, teste o programa no FEUPAutom e recorrendo à forçagem das entradas. Endereçamento das linhas de I/O Endereçamento das linhas de I/O As linhas de entrada e saída estão agrupadas em canais. Cada canal dispõe de N linhas de entrada ou de saída. O endereço de cada linha de entrada ou saída é determinado pelo nº do canal (1 a 10) e pelo nº da linha dentro do canal (0..N-1).

7 Endereçamento das linhas de I/O No caso dos autómatos utilizados nas aulas práticas: o canal 1 está ocupado com uma carta de entradas com 16 linhas o canal 2 está ocupado com uma carta de saídas com 12 linhas. Ciclo de execução do programa Como tal, o autómato dispõe: das entradas I1.0 a I1.15 das saídas Q2.0 a Q2.11. Ciclo de execução do programa Fases do ciclo de execução Tal como acontece no FEUPAutom: os programas dos autómatos são executados em ciclo cada ciclo decompõe-se em 4 fases: leitura das entradas para a memória central; execução das instruções do programa; processamento interno (actualização dos temporizadores, bits de sistemas, ); actualização das saídas a partir da memória; 1ª fase: leitura das entradas 2ª fase: processamento do programa 3ª fase: processamento interno 4ª fase: actua lização das saídas

8 Fases do ciclo de execução Fases de leitura/escrita das entradas/saídas E PP I S E PP I S E T ciclo PP Este modo de funcionamento (leitura/escrita em bloco das entradas/saídas) reduz o tempo de execução dos ciclos e, portanto, melhora a rapidez de resposta do autómato porque: o acesso às cartas de entrada/saída é muito mais lento do que o acesso a memória RAM central. E: leitura entradas PP: processamento programa S: actualização saídas PI: processamento interno pois, como as cartas estão isoladas galvanicamente do CPU, a transmissão de dados é efectuada através de optoacopuladores (isto é, pares led/fototransistor) cuja velocidade de comutação é muito inferior à da memória RAM. Actualização das saídas Actualização das saídas Dado que as linhas de saídas apenas são actualizadas no final de cada ciclo, é possível executar várias instruções de escrita sobre a mesma saída ao longo de um ciclo de execução do programa como no exemplo ao lado. (* Início programa *) IF Botão_mover THEN motoron:=true; IF Detector_aberta THEN motoron:=false; IF Detector_incêndio THEN motoron:=false; (* Fim programa *) São frequentes as situações em que, ao longo de um mesmo ciclo, são dadas ordens contraditórias sobre uma dada saída, por exemplo: ligar no motor (se o botão estiver premido) e desligar o motor (se, simultaneamente, o detector de incêndio estiver activo) Como as saídas apenas são actualizadas no final de cada ciclo, as instruções de maior prioridade deverão ser colocadas no final do programa. (* Início programa *) IF Botão_mover THEN motoron:=true; IF Detector_aberta THEN motoron:=false; IF Detector_incêndio THEN motoron:=false; (* Fim programa *)

9 Temporizadores e Contadores Contadores e Temporizadores O autómato TSX/Micro oferece um conjunto de blocos de funções pré-definidos, (pre-defined function blocks), entre os quais os temporizadores e os contadores. Encontra uma descrição destas funções em Manual PL7-vol2: pag 33 temporizadores pag 42 contadores. Contadores Contadores O Autómato TSX/Micro dispõe de 32 contadores internos, C0 a C31. Para cada contador, há dois registos internos de 16 bits (words): o registo Preset que contém o valor final da contagem* o registo Value que contém o valor do contador Reset: R Ci registo Preset: Ci.P registo Value: Ci.V =? Ci.D Count Down: CD Ci Count Up: CU Ci * Semelhante ao Parallel Load do integrado utilizado no 1º trabalho prático

10 Contador Ci: sinais de entrada e saída Parametrização dos contadores Sinal activo ao nível Reset: R Ci Count Down: CD Ci registo Preset: Ci.P registo Value: Ci.V Valor fixado durante a parametrização do programa =? Count Up: CU Ci Ci.D =1 se Ci.P=Ci.V =0 se Ci.P<>Ci.V Os seguintes parâmetros são definidos no software de programação durante a fase de parametrização da aplicação: preset value (0 9999); modify (Y, N). O parâmetro modify autoriza, ou não, a alterar o preset value. Sinais activos ao flanco Manual contadores Para mais informações sobre os contadores deve ser consultado o respectivo manual (pag. 42).

11 Temporizadores Temporizadores O Autómato TSX/Micro dispõe de 64 temporizadores internos (TM0 a TM63) cuja implementação é idêntica à dos contadores. As principais diferenças residem no facto de: ser aplicado um sinal de clock à entrada de contagem a função de comparação que determina o valor do bit de saída depende do modo de disparo da temporização registo Preset: TMi.P registo Value: TMi.V? TMi.Q Clock Temporizador TMi: sinais de entrada e saída Modos de disparo dos temporizadores Clock registo Preset: TMi.P registo Value: TMi.V Base de tempo definida durante a parametrização (0,1s, 1s ou 10s) Valor fixado durante a parametrização do programa? TMi.Q Valor da saída depende do modo de disparo do temporizador: TP, TON ou TOFF Os temporizadores podem operar em três modos: TON, atraso à comutação ON TOF, atraso à comutação OFF TP, monoestável. If RE %I1.1 THEN START T1; I0.1 T1.Q T1.Q T1.Q T T T Modo Ton Modo Tof Modo Tp

12 Modos de disparo dos temporizadores Modo de operação TON O modo de operação é definido durante a fase de parametrização da aplicação. O modo de operação por defeito é o modo TON. Este modo é assim designado porque o sinal de saída do temporizador segue o sinal de entrada com um atraso na comutação ON. Neste modo de operação: o registo V (current value) é inicializado em 0 após o disparo do temporizador pelo comando START; de seguida, V é incrementado de acordo com a base de tempo BT seleccionada, até atingir o valor do registo P; o bit de saída Q toma o valor 1 desde esse instante e até o sinal de entrada regressar a 0. START IN T.V T.P T.Q... T B T Parametrização dos temporizadores Manual temporizadores Os seguintes parâmetros são definidos no software de programação durante a fase de parametrização da aplicação: modo de operação (TON, TOF, TP); base de tempo (1 min, 1 seg, 100mseg, 10 mseg); preset value (0 9999); modify (Y, N). Para mais informações sobre os temporizadores, em particular sobre os modos de operação TOFF e TP deve ser consultado o manual (pag. 33): PL7-Micro-Junior-Pro-Reference-Manual-vol2.pdf O valor da temporização resulta do produto entre a base de tempo e o preset value. O parâmetro modify autoriza, ou não, a alterar o preset value durante a execução do programa.

13 Manual Modo TP Manual Exemplo Indicações práticas Modo TP Indicações práticas Modo TP (* modo TP OK *) IF RE %I1.1 THEN DOWN %TM0; START %TM0; Antes do disparo do timer deve ser executada a instrução DOWN (* modo TP OK *) IF RE %I1.1 THEN DOWN %TM0; START %TM0; No caso TP, na condição de disparo, deve ser utilizado o modificador RE. Este modificador só pode ser aplicado a bits de entrada, saída e memória. (* modo TP não OK *) IF RE (%I1.1 AND %I1.2) THEN DOWN %TM1; START %TM1; Como tal, não é permitido: IF RE (%I1.1 AND %I1.2) THEN Nestes casos, deve ser utilizado um bit de memória auxiliar: %M0:= (%I1.1 AND %I1.2); IF RE %M0 THEN

14 Modo TON Indicações práticas Modo TON (* modo TON OK *) IF %I1.1 THEN START %TM2; IF(NOT %I1.1)THEN DOWN %TM2; (* modo TON OK *) IF (%I1.1 AND %I1.2) THEN START %TM3; ELSIF NOT %I1.1 THEN DOWN %TM3; No caso do modo TON, na condição de disparo, não é necessário o modificador RE, Como tal, é permitido disparar o timer directamente a partir de uma condição lógica: IF (%I1.1 AND %I1.2) THEN Modo TOF Indicações práticas Modo TOF (* modo TOF OK *) IF (%I1.1 AND %I1.2) THEN DOWN %TM4; START %TM4; Antes do disparo do timer deve ser executada a instrução DOWN

15 Modos TP, TON e TOF Indicações práticas Estados temporizados (* Modo TP *) IF RE %I1.1 THEN DOWN %TM1; START %TM1; (* Modo TON *) IF %I1.2 THEN START %TM2; IF %I1.5 THEN DOWN %TM2; (* Modo TOF *) IF %I1.3 THEN DOWN %TM3; START %TM3; Num programa gerado a partir de um gráfico de estados, para obter uma temporização a partir do instante em que um dado estado_i fica activo: - Seleccionar o modo TON IF estado_i THEN START %TMi; ELSE DOWN %TMi; - A saída %TMi.Q tomará o valor 1 quando tiver decorrido o tempo TMi.P x Base_de_tempo após a activação do estado_i e regressa a 0 quando o estado for desactivado. Indicações práticas Ciclo de execução inicial O bit de sistema %S13 toma o valor 1 no primeiro ciclo de execução do programa (equivalente ao bit s0 do FEUP Autom). Exemplos de programação em texto estruturado Exemplo: IF %S13 THEN (inicializações de variáveis)

16 Sistema de contagem de garrafas De seguida, serão apresentados alguns exemplos de programação em texto estruturado, com o objectivo de se familiarizar com as instruções desta linguagem, em especial as instruções de contagem e temporização. Numa linha de produção de garrafas, o tapete entra em movimento após o operador premir o botão de Start e imobiliza-se depois de terem sido detectadas 20 garrafas pela célula fotoeléctrica. Trata-se de exemplos simples para os quais, regra geral, não se justifica a construção de diagramas de estados. Célula Sistema de contagem de garrafas Detecção de garrafas tombadas (* Contagem por MW *) IF Start THEN TapeteOn:= TRUE; %MW0:=0; (* Contagem por Contador integrado *) IF Start THEN TapeteOn:= TRUE; RESET C1; (* Contagem por Contador com Preset = 20 *) IF Start THEN TapeteOn:= TRUE; RESET C1; Para detectar a presença de garrafas tombadas, é utilizada uma segunda célula conforme representado na figura. Quando é detectada uma garrafa tombada a sirene S é activada durante 5 segundos. IF RE Celula THEN %MW0:=%MW0+1; IF RE Celula THEN UP C1; IF RE Celula THEN UP C1; Célula 1 Célula 2 IF %MW0=20 THEN TapeteOn:=False; IF C1.V=20 THEN TapeteOn:=False; IF C1.D THEN TapeteOn:=False;

17 Detecção de garrafas tombadas Detecção de garrafas tombadas IF (RE Celula2) AND (NOT Celula1) THEN START TM1: ELSIF FE Celula2 DOWN TM1; Parametrização de TM1 Modo: TP Preset: 5 Base de tempo: 1 seg Na prática, as duas células nunca serão activadas simultaneamente (isto é, no mesmo ciclo de execução do autómato), o que pode originar falsas detecções de garrafas Célula 1 Sirene:=TM1.Q; tombadas. Célula 2 Tempo ciclo Detecção de garrafas tombadas Altere o programa anterior por forma a contemplar esta nova situação. Para isso: pode recorrer a uma temporização para ler as células no centro da garrafa (considere que a velocidade do tapete é de 0,5 ms -1 e que o diâmetro da garrafa é de 10 cm). ou analisar a evolução dos sinais das 2 células com base num gráfico de estados. Considere também a seguinte especificação adicional: se, entre duas garrafas tombadas, o número de garrafas em posição correcta for inferior 5 então o tapete pára imediatemente e a sirene é accionada até o operador pressionar o botão Start.