Autómatos e Linguagens de programação

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1 Autómatos e Linguagens de programação R. Loureiro/C. Cardeira Pág. 1

2 HISTÓRIA Redução do esforço físico Automatização do transporte Automatização da navegação A VELA Automatização de tarefas repetitivas O TEAR Pág. 2

3 Automatização das ordens O COMPUTADOR Pág. 3

4 O CORPO HUMANO A máquina perfeita. As diferentes soluções para a sua substituição Pág. 4

5 MODELO O HOMEM COMO MÁQUINA OS ACTUADORES Substituição das mãos das pernas do Homem. O MECANISMO Substituição da estrutura assea do Homem. Pág. 5

6 AS FONTES DE ENERGIA Substituição dos musculos do Homem. Antes A Máquina a vapor Hoje O Motor eléctrico AS PRIMEIRAS MÁQUINAS Funcionam sobre a supervisão do homem, São rígidas, Não adquirem informação. Pág. 6

7 OS SENSORES Substituição dos sentidos do Homem. A MÁQUINA AUTOMÁTICA Funcionam ento autónomo, Comando rudimentar, Operações simples e repetitivas, Estrutura rígida, A EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA Necessidade de sistemas mais complexos, Verificação de erros, Diversidade de sensores e actuadores, Custo mais elevado, Necessidade de adaptação a novos produtos, APARECIMENTO DO COMPUTADOR e dos SISTEMAS MECATRÓNICOS Pág. 7

8 OS SENSORES Substituição dos sentidos do Homem. O SISTEMA MECATRÓNICO Máquinas flexíveis, Capacidade de actuação inteligente, Grande capacidade de processamento, Versatilidade, simplicidade, Custos virtualmente nulos, Comando de reduzidas dimensões, Reprogramável. Pág. 8

9 Se a necessidade de processamento da informação não é elevada e apenas se pretende a flexibilidade da máquina e elevados graus de automatismo com capacidade de reprogramação, utilizase como comando o: AUTÓMATO PROGRAMÁVEL Na realização da: MÁQUINA AUTOMÁTICA FLEXÍVEL Pág. 9

10 OBJECTIVOS DA AUTOMAÇÃO PRETENDE-SE SEGURANÇA Protecção de pessoas Condições de trabalho PARA OBTER < Custos sociais > Interesse pelo trabalho PORQUE PRETENDE-SE MERCADO Há concorrência Produtos têm ciclos de vida curtos > Flexibilidade > Integração PARA OBTER PRUDÊNCIA! < Custos > Produtividade > Qualidade > Penetração no mercado SEM DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO COM DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO Gera desemprego Gera novas profissões Pág. 10

11 TIPOS DE AUTOMAÇÃO FIXA Altos investimentos Altas taxas de produção Configuração rígida (alteração difícil) Operações simples Equipamento específico (máquina de embalar chocolates) PROGRAMADA Altos investimentos Taxas médias de produção Configuração semi-flexível (possibilidade de reprogramação) Equipamento genérico (máquina de controlo numérico) FLEXÍVEL Investimentos muito elevados Produção contínua (diferentes produtos simultâneos) Configuração flexível (alteração por software) Equipamento geral Pág. 11

12 Variedade de produtos elevada PROGRAMADA média FLEXÍVEL pequena métodos manuais FIXA pequeno médio elevado Volume de produção Pág. 12

13 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO Complexidade (custo) TIPO FUNÇÃO 3º NÍVEL (alto) Flexível Coordenação Gestão global 2º NÍVEL (médio) Programada ou Flexível Controlo Monitorização Protecção Gestão local 1º NÍVEL (baixo) Fixa ou Programada Actuação Actuação Processo Pág. 13

14 ESTRUTURAS DE AUTOMAÇÃO ESTRELA (STAR) Controlo (master) Nível Superior Processo Processo Processo Processo Comunicação intra-processos e níveis superiores via master ANEL (RING) Processo Processo Nível Superior Processo Processo Processo Processo Comunicação intra-processos e níveis superiores via processo (1º nível) Não existe marster. Informação transmitida por repetição. Sistema lento. LINHA(BUS) Nível Superior Gestão local Processo Processo Processo Processo Comunicação intra-processos via BUS. Sistema rápido. Comunicação com níveis superiores via master (2º nível). Pág. 14

15 AUTOMATISMOS AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL O HOMEM Alimentação MODELO DE BURR aparelho digestivo Detritos olhos tacto sabor cérebro Músculos A MÁQUINA Energia esqueleto potência Resíduos sensores comando actuadores estrutura Pág. 15

16 MODELO CLÁSSICO Parte Operativa Parte Comando Actuadores Ampl. Sensores Ordens Controlo Informações i n t e r f a c e Comunicação Processo OUTROS AUTOMATISMOS Pág. 16

17 TECNOLOGIAS CABLADA Eléctrica Relés Electrónica Fluídica Pneumática Hidráulica Hidríca Vácuo RELÉ PROGRAMADA Autómatos Programáveis Micro-Processadores Mini-Computadores COMANDO NUMÉRICO Pág. 17

18 DOMÍNIO DAS TECNOLOGIAS Quantidades a fabricar 500 PLACAS ELECTRÓNICAS DEDICADAS 50 5 RELÉS PLACAS ELECTRÓNICAS STANDARD P N E U M Á T I C A AUTÓMATOS PROGRAMÁVEIS MICRO e MINI C O M P U T A D O R E S Complexidade do Automatismo Pág. 18

19 PROJECTO DOS AUTOMATISMOS PROBLEMA ANÁLISE PARTE OPERATIVA ANTE-PROJECTO PARTE COMANDO Projecto Projecto Fabrico Fabrico Ensaios Ensaios INTEGRAÇÃO MONTAGEM TESTES E ENSAIOS PRÉ-PRODUÇÃO EXPLORAÇÃO Pág. 19

20 SISTEMAS PNEUMÁTICOS COMPONENTES CILINDROS Simples efeito Duplo efeito Amortecimento Haste passante Tandem Sem haste Magnético Ar Embolo móvel Ar Núcleo Magnético Pág. 20

21 COMPONENTES VÁLVULAS Quadrados indicam nº de posições Linhas indicam as vias (entradas ou saídas) Uma válvula é definida por dois números (nº de vias/nº de posições) Setas ligam vias numa dada posição Tampões indicam vias sem ligação As vias são indicadas apenas na posição de repouso Válvulas (2/2) normalmente fechada normalmente aberta Pág. 21

22 COMPONENTES OUTRAS VÁLVULAS (3/2) normalmente fechada (3/2) normalmente aberta (3/3) normalmente fechada (4/2) (4/3) normalmente fechada (4/3) em carga ou descarga (5/2) Escape Pressão Escape Pág. 22

23 COMPONENTES PILOTAGEM DAS VÁLVULAS PILOTO - Comando para mudança da posição RETORNO - Voltar à posição de repouso AR Pneumática Mola Eléctrica Mecânico Comando mecânico com retorno por mola (fim de curso) Comando pneumático AR AR (memória) Comando eléctrico com retorno por mola (PLC) Pág. 23

24 MOVIMENTAÇÃO DUM CILINDRO 1 em avanço avançado em recolha recolhido 0 A- A+ A- Existem 2 fins de curso e uma válvula por cilindro Pág. 24

25 EXEMPLO CONTROLO DUM CICLO EM L 0 B- A+ 1 2 A- B+ A+A-B+B- 3 A Equações de comando da+ = b- m 0 da- = a+ db+ = a-. m 1 db- = b+ dm+ = a+ dm- = b+ a - a + A + A - m 1 m 0 M + M - B B + B - b - b + Na escolha de componentes deste circuito há um erro. Qual? Pág. 25

26 SISTEMAS AUTOMÁTICOS EXEMPLO CONTROLO DUM CICLO EM L set A = b- m 0 reset A = a+ OBJECTIVO Redução e normalização do equipamento a utilizar na montagem. PROGRAMA set B = a-. m 1 reset B = b+ set M = a+ reset M = b+ ENTRADAS SAIDAS A B a - a + b - b + A + B + Pág. 26

27 AUTOMATOS PROGRAMÁVEIS DEFINIÇÃO NEMA (National Electric Manufacturer's Association - USA) Aparelho electrónico digital que utiliza uma memória programável para armazenar instruções e para implementar funções específicas tais como, operações lógicas, sequênciais, temporizadas e aritméticas para controlo de máquinas e processos. CAMPO DE APLICAÇÃO COMANDO DE UMA LÂMPADA Uso de um interruptor Comando manual Utilização dum AP Recolha de informação (interruptor) Actuação do AP (acender lâmpada) DESNECESSÁRIO Pág. 27

28 SIMULAÇÃO DE PRESENÇA E ACTIVIDADE NUMA CASA Comando solar Célula foto-eléctrica. Interruptor comandado pelo sol. Comando por movimento Utilização de temporização. IDEALMENTE: Sistema de lâmpadas comandado por Autómato Programável Permite todas as opções que se pretendam implementar: Afasta ladrões Efeitos luminosos LIMITAÇÕES: O tamanho do AP. Pág. 28

29 CONTROLO E COMANDO DE UM EDIFÍCIO INTELIGENTE edifício equipado de tal forma que toda a instalação eléctrica existente (iluminação, ar-condicionado, elevadores, etc...) é comandada por forma a minimizar o consumo e a optimizar os resultados Arquitectura de gestão de um edifício inteligente Nível de automatização extremamente complexa, pela dimensão pela comunicação Utilização de sensores (luminosos, presença, fumo, temperatura, etc...) E actuadores (lâmpadas, motores, valvulas, etc...). Sistema constituido por vários AP s AP's de grandes capacidades Tarefas específicas (controlo de luzes, comando de elevadores, etc...) Uso de AP s para supervisão Uso de AP s para a gestão das ordens globais de edifício Pág. 29

30 VANTAGENS FLEXIBILIDADE Aplicação em utilizações distintas. Mesmo tipo de autómato para várias máquinas, Redução dos custos de manutenção Alterações feitas por simples reprogramação reduzido tempo de intervenção. EXPANSIBILIDADE Aumento das E e/ou S com as necessidades. Depende do tipo de autómato utilizado. É genérica em maior ou menor grau a todos eles. BAIXO CUSTO Autómatos de muito baixo custo Capacidades suficientes para aplicações em A.I. SIMULAÇÃO Programa desenvolvido laboratorialmente. Programa executado por simulação. Isolamento do fabrico e montagem. Diminuição dos tempos de instalação. Pág. 30

31 OBSERVAÇÃO O funcionamento observado em tempo real. Execução de programas passo a passo. VELOCIDADE Execução a alta velocidade, Controlo de diversas máquinas em simultâneo se necessário. Velocidade medida em ms/k (ms por cada 1024 inst.). Extremamente importante no controlo. A ser considerada pelo projectista. FACILIDADE DE PROGRAMAÇÃO Diferentes tipos de programação: digital. linguagem de contactos. FIABILIDADE Mais fiável do que os relés electromegnéticos, memórias e temporizadores normalmente utilizados no comando de máquinas. Pág. 31

32 SEGURANÇA Programa não pode ser modificado acidentalmente. DOCUMENTAÇÃO Reposição da documentação em alguns minutos, Autómatos imprimem o programa em memória. DESVANTAGENS TECNOLOGIA Ainda recente Pessoal de manutenção não preparado. AMBIENTE Pode inviabilizar a utilização de AP's. Altas temperaturas; Vibração permanente; Trovoadas constantes. PREÇO Aplicações, extremamente simples, podem ser excessivamente caras. Pág. 32

33 TIPOS DE AUTÓMATOS Divisão por: Estrutura de construção, Potencialidades, e Gamas ESTRUTURA DE CONSTRUÇÃO COMPACTOS Nº fixo de entradas e saídas, E e S só digitais, Constituições tipicas: 12 E, 10 S 24 E, 16 S 40 E, 24 S Baratos, Expansão difícil. MODULARES Constituição modular, Expansão por bus, Módulo principal - o CPU, Podem agregar-se módulos: Digitais, Analógicos, Contagem, Comunicação, etc... Bus expansível, Nº máximo de módulos. Pág. 33

34 POTENCIALIDADES Velocidade Tempo para executar 1K (1024) instruções. AP rápido - 0,5 ms/k AP lento ms/k Escolha depende da complexidade do processo a gerir Maioria dos processos são lentos. Instruções disponíveis Conjunto mínimo Operações lógicas (AND, OR, etc...); Contagem (crescente e decrescente); Temporizações; Saltos de instruções; e Operações de comparação (>, <, =). Conjunto alargado Operações matemáticas ( * ; / ; - ; + ); Detecção de flancos das variáveis; Operações de deslocamento; Operações de rotação; e Operações de transferência. Escolha depende das necessidades do processo a gerir Pág. 34

35 Comunicação SEM COMUNICAÇÃO Não podem comunicar com outros Aplicação limitada a processos autónomos. COMUNICAÇÃO EM REDE Módulos com protocolo específico de rede (ex. TELWAY; BUS DE TERRENO; etc...) Integração em sistemas de Controlo, Comando e Supervisão. Comunicação de alta velocidade. Automatos do mesmo fabricante Rede é específica. COMUNICAÇÃO GENERALIZADA Forma de integrar qualquer AP o sistema Módulos de transmissão/recepção assincronos (Ex: RS232C, RS485, TTY, etc..), Transmissão em código ASCII. Pág. 35

36 Memória Limita o nº de instruções a utilizar. Medida em K bytes (1K = 1024). Memórias de 1K; 2K; 4K; 8K; 16K; 32K e 64K Memória interna: mapas e tabelas de funcionamento. medida em temporizadores, contadores, entradas, saídas e memórias. capacidades comuns: T C M pode inviabilizar um programa. Linguagens STL - Modo de programação universal. Comum a todos os AP s Pode tornar difícil a programação Gráficas Lógica de Contactos (LAD); Blocos Funcionais; (CSF) e Grafcet Pág. 36

37 Estrutura do software Programação linear ou estruturada. Linear instruções sequênciais. Estruturada construção de subrotinas ou blocos facilita a construção de programas repetitivos ou complexos GAMAS Baixa Média Alta São compactos ou modulares. Nº de entradas/saídas limitadas. Normalmente programados por STL. São baratos. São aplicados em controlo de processos simples. Capacidades de E/Sanalógicas. Possibilidades de comunicação via rede. Capacidade de programação gráfica. Conjunto de instruções é limitado. Modulares (módulos de comunicação, supervisão, etc...) Caros Não têm limitações de entradas/saídas. Podem permitir aplicações em robótica. Pág. 37

38 LINGUAGENS - LISTA DE INSTRUÇÕES - LÓGICA DE CONTACTOS - BLOCOS FUNCIONAIS; e - GRAFCET (não é uma linguagem). Lista de Instruções (STL) - Statement List - constituida por menemónicas das operações lógicas a implementar Lógica de Contactos (LAD) - Ladder Diagram - constituida por um sistema gráfico que permite verificar a passagem da corrente eléctrica pelos diferentes contactos (sensores) que devem estar numa determinada posição para fazer actuar uma dada saída (actuador). Blocos Funcionais (CSF) - Control System Flow-Chart - constituida por uma simbologia gráfica semelhante aos esquemas electrónicos. Pág. 38

39 STL - Statement List - Estrutura das instruções (norma DIN 19239) Exemplo: Pág. 39

40 LAD - Ladder Diagram - Norma DIN 19239, Sistema gráfico definida por contactos, normalmente abertos (não deixam passar a corrente) e normalmente fechados (deixam passar a corrente). CONTACTO NORMA DIN ABERTO FECHADO Dois estados (aberto/fechado) - elementos da lógica binária, ABERTO 0 FECHADO 1 Pág. 40

41 Operações lógicas representadas por séries e paralelos de contactos, LAD OPERAÇÃO A*B (Produto lógico) A+B (Soma lógica) representação em LAD da função lógica Programação em LAD equações lógicas do programa LAD linguagem próxima dos esquemas eléctricos normais Pág. 41

42 CSF - Control System Flow-Chart - Função lógica definida por um rectângulo. Variáveis: entrada pela esquerda resultado do lado direito A conjugação de blocos determina equações lógicas. Representação CSF equação lógica Definição duma equação lógica de comando por CSF Pág. 42

43 INSTRUÇÕES BÁSICAS LISTA DE INSTRUÇÕES LÓGICA DE CONTACTOS BLOCOS FUNCIONAIS LOAD I 7.12 LOADNOT M 3.7 AND I 0.0 AND I 3.5 AND( AND O 2.5 OR I 3.0 ) ANDNOT I 0.4 OR C 5 OR( AND O 2.5 OR I 3.0 ) Pág. 43

44 LISTA DE INSTRUÇÕES LÓGICA DE CONTACTOS BLOCOS FUNCIONAIS ) Não existente Não existente LOAD I 8.5 AND M 3.2 ORNOT T 5 SET O 0.4 ANDNOT M 3.2 OR C 3 RESET M 2.4 AND I 8.5 = O 2.4 FIM NOP Não existente Não existente ORNOT T 10 Pág. 44

45 INSTRUÇÕES ESPECIAIS LOAD [formato] variável,[acumulador] LOAD B OB3,A TRANSFER [formato] [acumulador],variável TRANSFER W B,M7 EXCHANGE A,B EXCHANGE do_acumulador,para_acumulador ROTAÇÕES Rotação à direita ROD Rotação à direita com carry RCD Rotação à esquerda ROE Rotação à esquerda com carry RCE Rxx [formato] [acumulador] Rxx W A Pág. 45

46 DESLOCAMENTOS Deslocamento lógico à esquerda DLE Deslocamento lógico à direita DLD Deslocamento aritmético à direita DAD Dxx [formato] [acumulador] Dxx W B CONVERSÕES Binário para Decimal BPD Decimal para Binário DPB xpx [acumulador] xpx A Pág. 46

47 CONTADORES AND I 0.3 ANDNOT T5 IC C6 AND I 0.3 ANDNOT T5 R C6 AND I 0.3 ANDNOT T5 S [Acc],C6 Pág. 47

48 TEMPORIZADORES AND I 0.3 ANDNOT T5 LOAD K.m IT T7 AND I0.3 R T7 COMPARAÇÕES LOAD C6 LOAD C8 comparação = variável FLAGS 0 1 ZERO 0 C6 > C8 C6 >= C8 C6 <> C8 C6 = C8 C6 >= C8 C6 <= C8 1 NEGATIVE C6 < C8 C6 <= C8 C6 <> C8 não possível Pág. 48

49 OPERAÇÕES ARITMÉTICAS LOAD val_1 LOAD val_2 operação TRANSFER variável ADIÇÃO, SUBTRACÇÃO, MULTIPLICAÇÃO e DIVISÃO SALTOS SS[cond] [cond] = omissão R Z N O C flag independente RES zero negative overflow carry CHAMADA A BLOCOS CBS[cond] [cond] = omissão R Z N O C flag independente RES zero negative overflow carry FIM DE BLOCO FBS[cond] [cond] = omissão R flag independente RES Pág. 49

50 GRAFCET Não é uma linguagem. Define o comportamento dinâmico do comando, e não as funções lógicas a serem executadas. É uma representação gráfica do programa. Os ELEMENTOS DE BASE ETAPA Define um bloco de funções a executar e é considerada terminada quando a variável de transição for verdadeira. A etapa termina e é desactivada activando-se a etapa seguinte. Desta forma o programa entra em execução sequêncial. As etapas são numeradas. TRANSIÇÃO Representada por uma variável (ou variáveis) de transição. Condição de evolução de uma etapa para outra. Se a variável de transição é actuada, a etapa é desactivada e activada a seguinte (ou seguintes). Pág. 50

51 Execução m 14 a a 15 b sequêncial paralela alternativa Alternativas de transição Estática A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapa anterior esteja activa e que a transição seja satisfeita. Pág. 51

52 Flanco ascendente A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapa anterior esteja activa e que a transição sofra uma variação de zero (falsa) a um (verdadeira). Flanco descendente A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapa anterior esteja activa e que a transição sofra uma variação de um (verdadeira) a zero (falsa). Pág. 52

53 INICIALIZAÇÃO AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A situação inicial, caracteriza o comportamento (estado) do comando em relação à máquina no instante de ligar. Corresponde à passagem do estado de todas as etapas inactivas, para pelo menos uma etapa activa (a inicial). Situação de etapa inicial activa, apenas durante a inicialização do processo. Situações com duas etapas iniciais activas no arranque do processo. Pág. 53

54 ACÇÕES AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL As acções definem a sequência de instruções a realizar durante uma etapa do processo. São descritas pormenorizadamente. Pode estabelecer-se um Grafcet próprio, ou descreve-las textualmente (Grafect de 1º nível). Pág. 54

55 A descrição das diferentes acções a tomar numa etapa pode ser realizada, numa segunda fase (Gafcet de 2º nível), por: linguagem de contactos ou por blocos funcionais. O GRAFCET de 2º nível depende da tecnologia a utilizar. Comando eléctrico Comando pneumático No caso dos AP's, a descrição detalhada far-se-à por lista de instruções que permita a inclusão da sequência no autómato escolhido. Pág. 55

56 As acções podem ser: CONDICIONAIS realizando-se apenas quando a etapa está activa e uma (ou mais condições) são satisfeitas. INCONDICIONAIS realizando-se sempre, desde que a etapa esteja activa. LIGAÇÕES ORIENTADAS Se o fluxo de funcionamento indicado pelo Grafcet, não é realizado de "cima para baixo", há obrigatoriedade de se colocar setas de orientação de fluxo. Pág. 56

57 A ligação entre etapas, pode ser: simples, ou multipla. CONCLUSÃO O Grafcet não substitui as linguagens de programação. Situa a um nível superior de representação do processo. Pág. 57