Benefícios da norma IEC aplicada a CLP s

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1 Benefícios da norma IEC aplicada a CLP s João Aristides Bottura Filho bottura@atos.com.br Abstract This article aims to show all the benefits and advantages the norm IEC ,and evaluating the necessity for more advanced hardware platforms to support it. Since the advent of PLC's, many languages have been used to write programs for machines and processes and the result of this lack of standardization reflects the need of trainings in different equipments and formation of specific maintenance teams for each manufacturer. The direct consequence, many times not recognized by the users, is the loss of time and money. To reduce this problem, a group formed in IEC (International Electro-technical Commission) defined some aspects for PLC's, such as characteristics of the hardware, installation, tests, communication and programming. Resumo O objetivo deste artigo é mostrar todos os benefícios e vantagens que a norma IEC trás, avaliando a necessidade de plataformas de hardware mais avançadas para suportá-la. Desde o advento dos CLP s, muitas linguagens têm sido utilizadas para escrever programas para máquinas e processos e o resultado desta falta de padronização acaba se refletindo na necessidade de treinamentos em diferentes equipamentos e formação de equipes de manutenção específicas para cada fabricante. A conseqüência direta, muitas vezes não percebida aos usuários, é a perda de tempo e dinheiro. Para atenuar este problema, um grupo formado na IEC ( International Electro-technical Commission ) definiu vários aspectos para os CLP s, tais como características do hardware, instalação, testes, comunicação e programação. 1. Introdução Entre as principais vantagens da norma podemos destacar a facilidade que o usuário tem em estruturar a programação em elementos funcionais ou POU s (Program Organization Units) e poder escolher a linguagem em que irá programar determinada parte do projeto. Além disso, utilizando um ambiente de programação universal, o aprendizado das linguagens da norma, permitirá ao usuário usar este conhecimento em diferentes sistemas de programação (diferentes fabricantes). Os programas ou parte deles poderão ser exportados para sistemas de diferentes fabricantes tornando a linguagem altamente portável. Especificamente a IEC trata das 5 linguagens mais utilizadas em todo o mundo : Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagram (LD), Sequential Function Chart (SFC), Structured Text (ST), and Instruction List (IL). Outro aspecto a ser abordado é a evolução tecnológica das CPU s, pois a nova metodologia de programação proposta pela norma acaba exigindo CPU s mais velozes e com maior capacidade de memória, porém a evolução das famílias de novos microcontroladores tem contribuído para que a implementação da norma em nível de hardware possa ser feita de forma a não haver queda de performance dos sistemas.

2 2. Paradigma de programação As vantagens da norma IEC , poderão ser atenuadas caso não atentemos para a mudança no modo de programação proposto pela norma. Esta mudança está relacionada à utilização dos Functions e Functions Blocks possíveis de serem criados pelo usuário, dando a vantagem de poderem ser reutilizados em novas aplicações, reduzindo com isto o tempo de desenvolvimento da aplicação e também e o tempo de partida do sistema/processo. Esta nova maneira de programar nos leva a quebra de um paradigma de programação para controladores, pois em função de restrições tecnológicas até então existentes, éramos obrigados a criar programas em ambientes que não possuíam recursos de reusabilidade, o que produz no jargão de programação, verdadeiras lingüiças de códigos. Mas o que é um paradigma? Paradigma é um modelo, um padrão de comportamento normalmente aceito por todos, senso comum, praticas consagradas. Exemplo, o auto-atendimento de carros num posto de gasolina é feito por um frentista, nos EUA predomina o auto-atendimento. No Brasil a tentativa de mudar este paradigma não teve sucesso, seja por motivos corporativos ou mesmo por facilidade do usuário, esta prática ainda não foi quebrada ou mudada. Os paradigmas normalmente representam um obstáculo a um novo conceito, a novas idéias. Nesta linha, podemos dizer que a programação de Controladores Programáveis está 200 anos atrasado!! Esta constatação pode ser relacionada ao processo de manufatura praticado em meados de 1800, onde a criação de um produto era visto como arte! Podemos citar como exemplo um fabricante de arma de fogo daquele tempo: Aprendi a fazer cada arma com meus ancestrais: um longo período de treinamento. Hoje sou responsável pela fabricação de cada revólver que assino. São verdadeiras obras de arte! As atividades envolvidas na fabricação da arma eram todas elas realizadas por um único artesão : Cunhar a coronha Forjar o cabo Fabricar parafusos Aparafusar coronha no cabo Fabricar gatilho Encaixar tambor Finalizar o revolver Conseqüências marcantes dos processos artesanais: Processo de fabricação artesanal é lento, penoso e caro.

3 Qualidade dos produtos varia com a habilidade do artesão. Processo inviabiliza a padronização do desempenho dos produtos. A manutenção dos produtos em campo é quase impossível, pois apenas o artesão original poderia reparar as suas criações. Naquela mesma época, um famoso inventor americano, Eli Whitney começava a viver seu paradigma particular, pois ganhara uma licitação do governo americano para produzir mosquetes em 24 meses. Para saber mais : Na época, a principal fábrica de construção de armas era a Springfield. Baseado na sua produção, o volume de mosquetes seria entregue em 10 anos. Desta forma Whitney deveria encontrar uma forma diferente, para que pudesse alcançar a meta pretendida. Mudanças propostas ou Paradigma de Whitney : Montar os mosquetes compondo partes padronizadas, livremente intercambiáveis Especialistas seriam responsáveis por fabricar cada tipo de parte. Um padrão rigorosamente definido assegurava que as partes eram funcionalmente idênticas. Montadores seriam responsáveis por montar as partes e testar o produto final. Vantagens do modelo : desempenho dos mosquetes fabricados era muito semelhante, com poucas variações entre si. O processo de produção, com base em componentes, tornava cada mosquete mais barato. Cada funcionário se tornava especialista em uma parte do mosquete, o que melhorava a qualidade global do produto. A manutenção envolvia o conceito de substituição de partes intercambiáveis. Comparação com a maneira atual de programação Trazendo este fragmento da história para nossa realidade de programação de CLP s, ainda identificamos traços marcantes dos artesões da época de 1800 em nossos programadores : Cada programa é criado por um único programador, sendo raramente adequado para construir outros programas. A manutenção por outro programador do programa criado é uma verdadeira aventura, pois o entendimento muitas vezes não é claro em função da forma e métodos que o programador original utilizou em sua obra de arte

4 3. Revolução industrial para software dos Controladores (IEC ) : O sucesso na nova forma de se programar, baseia-se em identificar e dividir o programa em módulos, em partes que quando corretamente codificadas, poderão ser reutilizadas em outras aplicações. A norma IEC contribuí de forma marcante neste processo, pois dá aos programadores a possibilidade de se construir uma biblioteca de Function e Functions Blocks de usuário, cujas instâncias (Function Block) são utilizadas várias vezes na mesma aplicação e também para montar novas soluções. Como exemplo desta técnica, vamos ilustrar o controle de uma Bomba de recalque, com as seguintes variáveis de entrada : O diagrama em Ladder para fazer o controle é mostrado na figura abaixo : O que é um function e um function Block de usuário?

5 Após ter sido criado o Function Block de usuário, o mesmo poderá ser declarado nos Programs, sendo possível declarar quantos Functions Block do tipo Pump forem necessários. Veja que após a criação do componente chamado Pump por um especialista, a montagem de um programa que utiliza este componente, pode ser feita por um profissional que não tenha tanto conhecimento em desenvolver componentes (montador). 4. Riscos e Benefícios na utilização da norma IEC Benefícios em Potencial Desenvolvimento mais rápido Com a norma IEC ninguém vai se tornar um super programador a partir do momento que começar a utilizá-la, nem vai virar um coelhinho e fazer os programas rapidinhos. Você vai aproveitar componentes de outros projetos, não vai fazer teste de todas as funções, e apenas irá testar os novos módulos criados. O aumento na velocidade de desenvolvimento é uma conseqüência das atividades que não precisam ser realizadas na sua totalidade ao criar-se um novo sistema. Custo reduzido de desenvolvimento com mais qualidade : Crio menos, portanto invisto menos tempo para programar utilizando componentes prontos. Faço uso de componentes já consolidados (com qualidade) A modularização facilita na verificação da funcionalidade do programa. A montagem da aplicação pode ser feita por uma mão de obra não especializada, pois está sendo feito a montagem dos componentes

6 Facilidade de manutenção: O melhor plano de manutenção tem como proposta a construção de um produto de qualidade. No caso de produtos construídos com Functions e Functions block, por terem uma qualidade intrínseca maior, demandam um esforço menor de manutenção. Localização de defeitos A localização dos defeitos fica restrita a montagem dos componentes, e nos mecanismos de solução. O mecanismo de solução referem-se à entrada de dados do projeto, ou seja toda a especificação da funcionalidade da planta/ processo, onde algum detalhe pode não ter sido observado ou informações não devidamente prospectadas durante a fase de especificação fará com que modificações / correções sejam necessárias. Na parte da montagem, temos a intervenção de uma mão de obra que não necessariamente precisa ter uma alta qualificação, pois estará trabalhando na montagem dos componentes padronizados e funcionais do sistema. Logicamente que nesta etapa, ajustes e mesmos modificações são previsíveis e aceitáveis. Diagrama geral Montagem Mecanismo de solução Biblioteca do usuário Biblioteca do Fabricante Culpa do Estagiário Não identifiquei 100% as necessidades do projeto Ao longo do tempo fica livre de bugs e é utilizada em todos os programas da empresa Estável desde o início

7 Reparo de defeitos Um problema comum em produtos desenvolvidos de forma convencional é a cascata de reparos. O reparo de um defeito tende a revelar outro defeito e assim sucessivamente. Rotina 1 Rotina 2 Subrotina 1 Rotina 3 Rotina 3 No caso de um processo centrado em Functions e Functions Block, o programa é construído com um maior grau de modularidade e por apresentar módulos definidos, a chance das alterações ficarem confinadas nos Functions é bem maior. 5. Riscos da transição para a tecnologia de objetos 5.1 Maturidade da tecnologia A Norma IEC ainda não esta presente em todos os fabricantes de controladores. Mesmo os que dizem que a seguem, não possuem todos os recursos que a norma disponibiliza. A implantação da norma muitas vezes passará por estágios, onde as linguagens irão paulatinamente sendo incorporadas às novas versões dos aplicativos. Isto faz com que a haja um freio natural na disseminação da norma, cabendo ao usuário saber dimensionar de forma consistente as fases que deverá percorrer até que o próprio fornecedor ofereça todos os recursos da norma. 5.2 Padronização A norma oferece um conjunto de instruções básicas, que todo fabricante de CP s necessita ter, porém deixa em aberto a possibilidade de que o fabricante complemente o set de instruções com aquelas que achar mais conveniente para seus usuários. Esta resolução da norma é benéfica pois não engessa o ciclo de criação e desenvolvimento de novas instruções. Por outro lado acaba criando uma enorme dificuldade quando o usuário tenta migrar determinados trechos de programa entre diferentes CP s (diferentes fabricantes). Para estas situações, a PLCopen (ver item sobre divulgação da norma) criou um selo de conformidade denominado Portability Level, onde são definidos os requisitos de portabilidade que os fabricantes devem respeitar ao exportar um determinado Function ou Function Block.

8 6. Divulgação da norma È praticamente impossível passar em poucas páginas todo o volume de informações que a norma demanda, sendo de extrema conveniência que o leitor complemente seu conhecimento da norma com leituras adicionais. Neste sentido, existem dois importantes sites sobre a norma que o leitor deve visitar : 6.1 Site oficial da norma é o onde desde sua fundação em 1992, a PLCopen se tornou numa associação profissional mundial com cerca de 100 membros e escritórios na Europa, EUA e Japão. Isto mostra claramente o sucesso da norma mundial IEC e o objetivo da PLCopen como uma promotora independente desta norma para programação de controladores industriais. A PLCopen, como uma organização ativa no Controle Industrial, está criando uma alta eficiência para o desenvolvimento do software aplicativo: em um único projeto assim como em um alto volume de produtos. É embasada em ferramentas padrões disponíveis, para as quais extensões são e serão definidas. Com resultados como a biblioteca para Motion Control, Segurança, Especificação XML, Níveis de Reutilização e Conformidade, a PLCopen faz sólidas contribuições para a comunidade, estendendo a independência entre o software e o hardware, assim como a reutilização de código e integração com ferramentas externas de software. 6.2 Site que é o primeiro site brasileiro a divulgar a norma, tendo como missão além da divulgação da norma, também promover a troca de informações entre os usuários de controladores programáveis.

9 7. Mudança do patamar tecnológico Em sistemas (hardware) que originalmente não suportavam a construções em IEC61131, caso passem a fazê-lo, inevitavelmente haverá uma queda de performance (velocidade de processamento). Este efeito acontece em função de que determinadas estruturas da norma como Function e Function Block demandam maior quantidade de memória e também de maior tempo para mudança de contexto, que acontece quando há a passagem de parâmetros para a estrutura interna das funções criadas. Além desta demanda, outras funções inerentes aos CP s de primeira linha como a programação online e redundância, fazem com que uma quantidade maior de memória sejam necessária para implementá-las. A favor da implantação da norma, os novos microcontroladores já trazem incorporado em suas estruturas diversas facilidades antes só disponível em controladores de base PC. Esta nova geração de microcontroladores está dando suporte a criação de novos produtos industriais, que passaram a comportar estruturas complexas, além de terem melhorado a velocidade de processamento. Como exemplo, podemos destacar a família Blackfin de microcontroladores da Analog Device, cujas características podem ser observadas na tabela abaixo : Microcontrolador ADSP BF537 Características básicas : Programação RISC (Reduced Instruction Set Computing) : que torna a busca das instruções mais rápidas. Freqüência de core de até 600Mhz: Os processadores convencionais possuem freqüência de até 50 Mhz Freqüência de periféricos de até 133Mhz : Os periféricos normalmente para estes processadores são SDRAM s e memórias Flash em geral 32 K byte de memória Cache : Trata-se de uma porção de memória que roda na mesma freqüência do core, utilizada para antecipar as próximas instruções tornando o processamento mais rápido, pois o core busca a próxima instrução na Cachê e não na memória externa 10 níveis de pipeline - O pipeline é uma forma de aumentar o poder de processamento do controlador, onde as instruções subseqüentes são lidas durante determinados ciclos de execução das instruções anteriores. Está técnica pode levar o microprocessador a executar uma instrução por ciclo de clock. Suporte para até 512Mbyte de SDRAM : As SDRAM (Synchronous Dinamic RAM ), são memórias RAM de alta freqüência, são utilizadas para receber firmware do microcontrolador, fazendo com que o mesmo possa rodar mais rápido quando comparado com as memórias Flash. Vários tipos de Periféricos : Ex : Canais de comunicação (UART s), Serial Peripheral Interface (SPI), 10/100 timing MAC Controller, Real Time Clock (RTC), etc.

10 8. Informações sobre a norma A norma IEC61131, teve seu inicio em 1979 com um grupo de trabalho dentro da IEC ( International Electrotechinical Commission) e em 1992 foram publicados os primeiros trabalhos. A norma foi dividida em 8 partes, sendo a IEC a que trata das linguagens de programação, onde daremos mais atenção neste trabalho Componentes da norma : Parte Título Conteúdo 1 General Information Definições da terminologia e conceitos 2 Equipment requirements Teste and tests 3 Programming languages Linguagens de programação com definição de suas estruturas e execução 4 User Guidelines Orientação para seleção, instalação e manutenção de CP s 5 Messaging service specification Definição de blocos de comunicação entre equipamentos 6 - Não há informações sobre esta parte da norma ( não utilizada) 7 Fuzzy Control Padrões para tratamento de lógica Programming 8 Guidelines for the implementation of languages for programmable controllers Fuzzy em CP s Orientação para implementação das linguagens IEC A Norma IEC incentiva o desenvolvimento de programas estruturados. Neste sentido a norma permite que o programador inicie seu trabalho criando partes funcionais do projeto como functions ou functions Block ou então criando a estrutura principal do projeto, esta facilidade em programar recebe o nome de programação top-down ' ou ' bottom-up '. Common Elements Top Down Programming Languages Bottom Up

11 Linguagens de programação: A norma possui 5 linguagens, sendo 3 gráficas e 2 funcionais. O resumo das linguagens pode ser visto no quadro abaixo : Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC) Sequencial Function Chart Texto Estruturad o (ST) Strutured Text Lista de instruções (IL) Instruction List Diagrama Ladder (LD) Diagrama Blocos Funcionais (FBD) Function Block Diagram TEXTUAIS GRÁFICAS Exemplos de codificação de um comando composto por dois contatos e uma saída feito nas linguagens IL,ST,FBD e Ladder : Instruction List LD A ANDN B ST C Structured Text C:= A AND NOT B Function Block Diagram Ladder Diagram A B AND C A B C - -- / ( )

12 A linguagem SFC : Seqüencial Function Chart A linguagem SFC descreve um comportamento sequencial do programa de controle, sendo portando muito utilizado em processos de batelada, onde a característica seqüencial é predominante. Pode ser utilizado para descrever as etapas macros do processo tais como Partida,Carga,Aquecimento, mistura, Drenagem,etc. Em cada etapa do processo as ações poderão ser descritas em qualquer uma das quatro linguagens da norma ( IL, Ladder,Strutured Text ou Function Blocks). Histórico: A linguagem SFC é derivado do Grafcet ( Graphe Fonctionnel de Command Etape-Transition).cuja origem veio da representação de processos baseados nas Redes de Petri. Em 1988, foi publicado o padrão IEC848, baseado na linguagem Grafcet, sendo que a norma IEC introduziu pequenas modificações no padrão IEC848, visando acoplar esta linguagem às demais linguagens da norma. Como exemplo, na figura xx temos um reator a ser controlado Agitator Acidic reagent Alkali reagent Feed valve Temperature sensor ph sensor Heater band Harvest valve

13 A figura yy apresenta os principais elementos da construção em SFC do controle do reator Passo (STEP) Inicial Transição Chave_Liga=1 Start Qualificador da ação S1 N Inicialização Ação ReatorCheio=1 S2 N Carga dos produtos (Bombeamento) S3 N Aquecimento S4 N Fermentação TimerFerm=1 S5 N Descarga S6 N Limpeza Chave_Liga=0 STOP

14 Palavras chaves utilizadas na norma: Raiz de um Aplicativo baseado em IEC Configuration Data types Functions Function Blocks Programs Task Preemptive Task Non- Preemptive Task Configuration (configuração) Configuração no Âmbito da norma IEC não deve ser confundida com o termo normalmente usado para expressar os passos para definição de parâmetros e setups para um sistema, ou seja configurando um sistema. Configuration portanto, define a planta, o sistema, que pode conter um ou mais equipamentos interagindo entre si, através de interfaces de comunicação padronizada pela norma. Resource (Recurso) Dentro de cada configuração podem existir um ou mais recursos. Um recurso é basicamente qualquer elemento com capacidade de processamento, responsável pela execução do programa. POU - Program Organization Unit, Denomina uma estrutura genérica de programação, podendo existir um POU para Program, Function e Function Block. Program mais precisamente: um POU do tipo PROGRAM - Categoria que se enquadra o programa principal propriamente dito, podendo o usuário criar mais de um, permitindo assim modularizar o projeto. Program Equivale ao programa principal propriamente dito, porém na norma a prática de dividir o projeto em trechos menores é uma regra, dando origem à criação de vários Programs pelo usuário. Podem ser escritas em qualquer uma das quatro linguagens.

15 Function As functions são elementos que quando executados com um certo conjunto de valores de entrada (parâmetros) produzem um único dado como resultado. As funções não são instanciáveis isto é, só existem em tempo de execução, não sendo necessário um identificador para alocação de memória. As operações aritméticas são exemplos comuns de funções. Function Block Os function Block diferentemente das functions podem ser instanciadas, o que permite persistência de dados, ou seja, os valores de suas variáveis são preservados entre uma execução e outra. Exemplos: Blocos PID, Contadores, temporizadores Filtros etc Uma instância, é um conjunto de dados armazenado em uma estrutura definida pelo tipo de function Block, e identificados pelo número da instância criada. Task Outro termo abstrato definido pela norma e pode ser entendido como sendo uma informação adicional ao program, que diz ao controlador quando executar determinado program. As tasks podem ser programadas por : base de tempo: O Program associado a esta task é executado a cada período definido pelo usuário por evento: O programa associado a esta task é executado na transição de um estado interno booleano Prioridade: define a ordem em que os programs serão executados, começando o de maior prioridade com o menor índice. Task preemptivos: interrompem a execução de uma task de menor prioridade, podendo ser definidas por base de tempo ou por evento externo como exemplo uma entrada digital ou analógica. Task não preemptivos: não interrompem a task corrente (aguarda a vez), podendo ser definidas também por base de tempo ou estados interno do controlador Data types Define os tipos de dados permitidos pelo controlador. O usuário também pode definir estruturas de dados, dando origem a um novo tipo de dado. Exemplos de data types da norma: TIPO Descrição Bits Faixa INT Integer a UINT Unsigned integer 16 0 a DINT Double integer 32-2E31 a 2E31 Real Real (ponto flutuante) 32 +/-10E+/-38

16 9. CONCLUSÕES A norma IEC , nos mostra uma nova forma de programar Controladores Programáveis, onde dentre tantas vantagens, se destaca a possibilidade de criação dos Functions e Functions Blocks, que são componentes reutilizáveis, que quando corretamente entendidos e utilizados, farão com que as aplicações se tornem mais versáteis e modulares, dando como resultado uma redução do tempo de desenvolvimento, teste e implantação de sistemas de automação. Estes benefícios só serão obtidos caso haja uma conscientização por parte do corpo gerencial das empresas em dar a oportunidade, o espaço para que a transição possa ocorrer de forma gradual. O risco desta transição existe, pois a maturidade desta nova tecnologia ainda não atingiu um nível ideal de acomodação, principalmente no que se refere à troca de componentes entre fabricantes. Em contrapartida, os novos hardwares estão cada vez mais aptos a acomodar a programação IEC , em função do aumento de performance e também do aumento da capacidade de endereçamento. Não é difícil prever que daqui a pouco mais de 2 anos, a norma não será mais uma novidade para entre os usuários de CP s. È um processo irreversível, e quem agora apostar nesta transição certamente terá um diferencial competitivo importante sobre seus concorrentes. 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E-3 Programmable controllers-part 3;Título: Programming Languages ;Editora: IEC Italo, Programação orientada a objetos, notas de aula curso MBIS. Karl-Heinz John,Michael Tiegelkamp; Título: Programming Industrial Automation Systems; Editora: Springer Bonfatti, Monari,Sampieri ;Título:IEC Programming Methodology;AlterSys TORRES, GABRIEL ; Título: Redes de Computadores: Curso Completo ; Editora: Axcel Books. 11. DADOS DO AUTOR João Aristides Bottura Filho Atos Automação Industrial Ltda. Rua Arnoldo Felmanas, 201 Vila Friburgo CEP: São Paulo SP Telefone: FAX: bottura@atos.com.br