Governador Cid Ferreira Gomes. Vice Governador Domingos Gomes de Aguiar Filho. Secretária da Educação Maria Izolda Cela de Arruda Coelho

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3 Governador Cid Ferreira Gomes Vice Governador Domingos Gomes de Aguiar Filho Secretária da Educação Maria Izolda Cela de Arruda Coelho Secretário Adjunto Maurício Holanda Maia Secretário Executivo Antônio Idilvan de Lima Alencar Assessora Institucional do Gabinete da Seduc Cristiane Carvalho Holanda Coordenadora da Educação Profissional SEDUC Andréa Araújo Rocha

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5 Índice Capitulo 1 Controlador Lógico Programável 2 Capitulo 2 Lógica Sequencial 32 Capitulo 3 Do Grafcet à Linguagem de Redes 54 Bibliografia 70 Automação Industrial Automação Industrial 1

6 CAPITULO 1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Introdução Durante a década de 50, os dispositivos eletromecânicos foram os recursos mais utilizados para efetuar controles lógicos e de intertravamentos nas linhas de produção e em máquinas isoladas. Tais dispositivos, baseados principalmente em relês, tinham especial importância na indústria automobilística em que a complexidade dos processos produtivos envolvidos exigia, não raro, instalações em painéis e cabines de controle com centenas de relês e, consequentemente, um número maior ainda de interconexões deles. Tais sistemas de controle, apesar de funcionais, apresentavam problemas de ordem prática bastante relevantes. Como as instalações possuíam uma grande quantidade de elementos, a ocorrência de uma falha qualquer significava o comprometimento de várias horas ou mesmo dias de trabalho de pesquisa e correção do elemento faltoso. Além disto, pelo fato de os relês apresentarem dimensão física elevada, os painéis ocupavam grande espaço, o qual deveria ser protegido contra humidade, sobre temperatura, gases inflamáveis, oxidações, poeira, etc. Outro fator ainda comprometedor das instalações a relês era o fato de que como a programação lógica do processo controlado era realizada por interconexões elétricas com lógica fixa (hardwired), eventuais alterações na mesma exigiam interrupções no processo produtivo a fim de se reconectarem os elementos. Interrupções estas nem sempre bem-vindas na produção industrial. Como consequência ainda, tornava-se obrigatória a atualização das listas de tiação como garantia de manter a documentação do sistema. Com o advento da tecnologia de estado sólido, desenvolvida a princípio em substituição às válvulas a vácuo, alguns dispositivos transistorizados foram utilizados no final da década de 50 e início dos anos 60, sendo que ta dispositivos reduziam muitos dos problemas existentes nos relês. Porém foi com o surgimento dos componentes eletrônicos integrados em larga escala (LSI) que novas fronteiras se abririam ao mundo dos computadores digitais e, em especial as tecnologias para a automação industrial. Assim, a primeira experiência de um controle de lógica que permitisse a programação por recursos de software foi realizada em 1968, na divisão de nidramat.cos da General Motors Corporation. Aliado ao uso de dispositivos periféricos, capazes de realizar operações de entrada e saída um minicomputador com sua capacidade de programação pode obter vantagens técnicas de controle que suplantaram o custo que tal implementação representou na época. Iniciava-se a era dos controladores de lógica programável. Essa primeira geração de PLC, como poderia ser denominada recebeu sensíveis melhorias com o advento dos microprocessadores ocorrido durante os anos 70. Assim, não se tornava necessário o uso de computadores de grande porte, tornando-o uma unidade isolada. Foram adicionados ainda recursos importantes tais como interfaces de operação e programação facilitadas ao usuário, instruções de aritmética e de manipulação de dados poderosas recursos de comunicação por meio de redes de PLC, possibilidades de configuração específica a cada finalidade por meio de módulos intercambiáveis dentre outras inúmeras vantagens encontradas nos modelos comerciais que estão atualmente disponíveis. Assim, os técnicos em controle de máquinas e processos passaram a contar com um dispositivo capaz de: a) Permitir fácil diagnóstico de funcionamento ainda na fase de proieto do sistema e/ou de reparos em falhas que venham a ocorrer durante a sua operação. Automação Industrial Automação Industrial 2

7 b) Ser instalado em cabines reduzidas devido ao pequeno espaço físico exigido. c) Operar com reduzido grau de proteção, pelo fato de não serem gerados falseamentos. d) Ser facilmente reprogramado sem necessidade de interromper o processo produtivo (programação on-line). e) Possibilitar a criação de um banco de armazenamento de programas que podem ser reutilizados a qualquer momento. f) Manter uma documentação sempre atualizada com o processo em execução. g) Apresentar baixo consumo de energia. h) Manter o funcionamento da planta de produção com uma reduzida equipe de manutenção. i) Garantir maior confiabilidade pela menor incidência de defeitos, j) Emitir menores níveis de ruídos eletrostáticos. k) Ter a flexibilidade de expansão do número de entradas c saídas por serem controladas. l) Ter a capacidade de se comunicar com diversos outros equipamentos. Em nível de Brasil porém, é na década de 80, que o PLC veio a proliferar na indústria, primeiramente pela absorção de tecnologias utilizadas na Matriz das multinacionais. Atualmente, com a crescente redução no custo do PLC, observa-se ò incremento de sua utilização nas indústrias em geral, independente de seu porte ou ramo de atividades 19. Definições Importantes Devido à ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada à crescente capacidade de recursos que o PLC vem agregando, existe a possibilidade de confundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as três características básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo um controlador lógico programável: a) O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em funcionamento; b) A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem oriunda dos diagramas elétricos de relês; c) O produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial sujeito a condições ambientais adversas. A utilização de siglas também é um fator de confusão. Veja as mais utilizadas: CLP: tradução para o português da sigla Programmabie Logic Controller ou seja, Controlador Lógico Programável/a qual tem sua utilização restrita uma vez que se tornou marca registrada de propriedade exclusiva de um fabricante nacional. PLC: abreviatura do termo em inglês Programmabie Logic Controller a qual e adotada neste e nos demais capítulos quando se fizer menção a tal equipamento Para reduzir os custos e justificar a utilização de tal equipamento em setorcs nos quais o número de variáveis a ser controlado é pequeno, utiliza-se atualmente o conceito de "relês lógicos inteligentes", igualmente programáveis, não tendo, porém, capacidade de expansão além de um pequeno conjunto de, instruções. CP: tradução da abreviatura do termo em inglês Programmabie Controller a qual se refere a um equipamento capaz de efetuar controles diversos além do de lógica Mais amplo, Automação Industrial Automação Industrial 3

8 portanto, do que um PLC, como é o caso, por exemplo do controle de variáveis analógicas. A norma NEMA define formalmente um PLC como: "Suporte eletrônico-digital para armazenar instruções de funções específicas, como de lógica sequencialização, contagem e aritméticas; todas dedicadas ao controle de maquinas e processos". Já a norma ABNT cita que Controlador Programável é um equipamento eletrônico-digital, com Hardware e software compatíveis com as aplicações industriais Princípio De Funcionamento Para melhor compreensão do que seja um PLC e do seu princípio de funcionamento, são apresentados, em seguida, alguns conceitos associados, os quais são de fundamental importância que sejam assimilados. Variáveis de entrada: são sinais externos recebidos pelo PLC, os quais podem ser oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Tais sinais são gerados por dispositivos como sensores diversos, chaves ou botoeiras, dentre outros. Variáveis de saída: são os dispositivos controlados por cada ponto de saída do PLC. Tais pontos poderão servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio, ou também poderão servir para sinalização de estado em painel sinótico. Podem ser citados como exemplos de variáveis de saída os contadores, válvulas, lâmpadas, displays, dentre outros. Programa: sequência específica de instruções selecionadas de um conjunto de opções oferecidas pelo PLC em uso e, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do PLC a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do PLC. Um PLC é basicamente composto por dois elementos principais: uma CPU (Unidade Central de Processamento) e interfaces para os sinais de entrada e saída. A ilustração 3.1 mostra o diagrama de blocos de um PLC genérico. A CPU segue padrões similares às arquiteturas dos computadores digitais, os quais são compostos basicamente por um processador, um banco de memória (tanto para dados como para programas) e um barramento para interligação (controle, endereçamento de memória e fluxo de dados) entre os elementos do sistema. O princípio fundamental de funcionamento de PLC é a execução por parte da CPU de um programa, conhecido como "executivo" e de responsabilidade do fabricante, que realiza ciclicamente as ações de leitura das entradas, execução do programa de controle do usuário e atualização das saídas, conforme ilustrado na figura 3.2. Automação Industrial Automação Industrial 4

9 O tempo total para execução dessas tarefas, chamado ciclo de varredura ou scanning, depende, dentre outros fatores, da velocidade e características do processador utilizado, do tamanho do programa de controle do usuário, além da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo se encontra na faixa média de milissegundos (até microssegundos nos PLC de última geração). Em algumas situações críticas de controle, em que o processo não pode esperar todo o tempo de execução do ciclo de varredura, pois deve executar uma rotina imediatamente, ou ainda quando o sinal de entrada é emitido por um tempo inferior ao mesmo ciclo, há casos em que o PLC tem a capacidade de interromper a execução do ciclo de varredura para, prioritariamente, atender a essa situação. Entretanto, apesar de não ser regra geral, a compreensão do ciclo de varredura é suficiente para conhecer seu princípio básico de funcionamento Elementos Do Hardware Após apresentar-se, na seção anterior, o diagrama de blocos de um PLC nesta seção, serão vistos, em maiores detalhes, os elementos da CPU e em' seguida, as suas interfaces de entrada/saída A CPU A Unidade Central de Processamento pode ser encarada como o cérebro que controla todas as ações de um PLC e, ë constituída por um processador, memórias e um sistema de interligação (barramento). As capacidades e características dos atuais PLC estão intimamente relacionadas com as qualidades do processador empregado, que pode ser denommado microprocessador ou microcontrolador, conforme o caso Suas hab.hdades na solução de operações lógicomatemáticas, manipulação de dados e controle de fluxo de programa são de tal ordem que jamais poderiam serem implementadas nos tradicionais diagramas de relês. A principal função do processador é o gerenciamento de todo o sistema composto pelo PLC. Tal função é efetuada pelo executivo, semelhante a um sistema operacional de computador (como o DOS ou Windows) o qual é responsável, dentre outras tarefas, pela garantia de execução do ciclo de varredura. Os processadores utilizados nos PLC podem ser classificados, a prior!, pelo tamanho da informação que podem manipular. Valores como 8 bits, 16 bits ou 32 bits são os mais encontrados na atualidade. Outro fator relevante em um processador é a sua velocidade de operação (ou clock) que, apesar de os processadores em computadores pessoais alcançarem velocidades de centenas de megahertz, nos PLC, em geral, não necessita ser tão grande. Ainda sobre processadores, é levado em consideração o conjunto de instruções de programação disponíveis, que poderá torná-los com maior ou menor poder de complexidade de programação, bem como a quantidade de memória e dispositivos de entrada e saída que podem ser endereçados. O termo programável do PLC implica numa sequência de instruções, o programa, que deve estar armazenada e disponível em algum local. Tal região é denominada sistema de Automação Industrial Automação Industrial 5

10 memória, que deverá estar organizada de modo a formar o "mapa de memória". Para entender o assunto, -faz-se necessário definir o que seja uma célula de memória e que tipos existem disponíveis atualmente, para então, em seguida, compreender como são organizados os mapas de memória em um PLC. Uma célula de memória é a unidade básica para armazenamento de um único bit de informação em um sistema de memória. As memórias semicondutoras, a gravação magnética e a gravação ótica são os métodos mais largamente utilizados para armazenamento de informação digital. Embora não se encontrem ainda discos de CD-ROM para armazenamento de programas de PLC, o armazenamento em meios magnéticos é largamente difundido entre os equipamentos comerciais. Entretanto, para compreensão do funcionamento da CPU é importante que se conheça um pouco sobre as memórias semicondutoras, as quais substituíram dispositivos mais antigos formados por núcleos de ferrite. O circuito eletrônico utilizado para construir memórias semicondutoras são usualmente flip-flops por meio de transístores bipolares, MÓS ou outra tecnologia. Embora existam diversos tipos disponíveis, as memórias semicondutoras podem ser classificadas em duas categorias: Volátil e Não Volátil Memórias de armazenamento voláteis são aquelas nas quais uma perda, mesmo que breve, de alimentação de energia resultará na perda da informação armazenada. Em contrapartida, memórias de armazenamento não voláteis mantêm sua informação mesmo durante ausência de alimentação, o que às vezes é denominado memória fetentiva. Na organização do sistema de memória dos PLC, encontraremos o uso de ambos os tipos, incluindo-se ainda, em alguns equipamentos, um sistema de fornecimento de energia via baterias ou acumulador, a fim de manter os dados que estão armazenados em memórias voláteis. Os tipos de memórias e como suas principais características afetam a forma de armazenamento/alteração dos dados serão relacionados em seguida: RAM: (Random Access Memory) é o tipo de memória volátil mais amplamente utilizado. Sua principal característica reside no fato de que os dados podem ser gravados e alterados facilmente, ficando a critério das necessidades do usuário. Nos PLC, são utilizadas para formar uma área de armazenamento temporário como uma espécie de rascunho de informações tanto de dados como de programas. ROM: (Read Only Memory) são memórias especialmente projetadas para manter armazenadas informações que, sob hipótese alguma, poderão ser alteradas. Assim, sua única forma de acesso é para operação de leitura. Devido a essa característica, elas se encaixam na categoria de memórias não voláteis. Num PLC, elas podem ser encontradas para o armazenamento do programa executivo, por exemplo. PROM: (Programmable Read Only Memory) semelhante às ROM, esse tipo^de memória permite que os dados sejam gravados pelo próprio usuário, porém em uma única operação de gravação que, caso mal sucedida,' comprometerá permanentemente a sua utilização., EPROM: (Erasable Programmable Read Only Memory) é um tipo especial de PROM que permite ao usuário efetuar alterações nos dados ali contidos. O processo de apagamento dos dados préarmazenados é feito pela exposição temporária do chip a uma fonte de luz ultravioleta. A EPROM pode se constituir um excelente meio de armazenamento não volátil do programa de controle que o PLC irá executar, após, porém, o mesmo ter sido elaborado e totalmente isento de erros enquanto armazenado em RAM. EEPROM: (Eletrically Erasable Programmable. Read Only Memory) são dispositivos de memória que, apesar de não voláteis, oferecem a mesma flexibilidade de reprogramação existente nas RAM. A grande maioria dos PLC atuais vêm equipados com EEPROM em seu sistema de memória devido à sensível vantagem advinda do seu uso. Porém, elas apresentam Automação Industrial Automação Industrial 6

11 duas limitações: primeiro, é o processo de regravação de seus dados que só pode ser efetuado após a limpeza da célula (o que exige um tempo da ordem de milissegundos por byte), e segundo, que a vida útil de uma EEPROM é limitada pelo número de -reprogramações que ela pode receber (da ordem de dez mil operações limpeza/escrita). Após esta rápida apresentação dos principais tipos de memórias semicondutoras, em seguida, veremos como elas são organizadas e, quais suas principais atribuições no caso específico de um PLC. Um sistema de memória pode ser, a princípio, visualizado como uma longa fila de células de memória. Como cada uma dessas células contém uma informação digital do tipo "0"ou "V', passarão a ser denominadas simplesmente bit de memória. Entretanto, como os processadores podem manipular mais de um bit de cada vez, essa lista de bit na memória passa a ser organizada em grupos compatíveis com a capacidade do processador. Esses grupos recebem denominações específicas conforme seu tamanho, como foi definido no capítulo 2. Tem-se que: Nibble = 4 bit Byte = 8 bit Word = 16 bit Double Word = 32 bit Estes elementos formarão a estrutura do mapa do sistema de memória, conforme ilustrado em 3.3, e cuja quantidade máxima de grupos irá depender da capacidade de endereçamento do processador. Bit A forma como é organizado o mapa de memória em um PLC varia de fabricante para fabricante e ainda entre diferentes modelos para um único fabricante. Porém, como as necessidades inerentes à operação de um PLC são semelhantes, pode-se generalizar que seu mapa de memória seja constituído por cinco regiões distintas, como ilustrado em 3.4. A área referente ao executivo deve ser não volátil. Já a sua área de trabalho deve ser do tipo volátil, uma vez que os dados ali armazenados são constantemente atualizados como, por exemplo, data, hora e estado do equipamento. Essas duas regiões previamente descritas são internas e de responsabilidade exclusiva do fabricante, sendo acessíveis ao usuário apenas para leitura de algumas variáveis do sistema. Automação Industrial Automação Industrial 7

12 Nas suas áreas do programa de aplicação e de trabalho, é que irão se localizar as linhas de controle escritas pelo usuário conforme a aplicação desejada, bem como os dados necessários à sua parametrização. Para o programa, encontram-se normalmente regiões de memória regraváveis, seja por RAM protegida via bateria ou acumulador, seja por EEPROM. Já a área de dados pode ser volátil, sendo que, em alguns equipamentos, apresenta uma parcela de sua região protegida por bateria ou acumulador. E na área dedicada às entradas e saídas do PLC que se encontram as informações referentes ao estado de cada um dos dispositivos ligados a ele. Na ilustração 3.5, pode-se verificar um exemplo de como - é constituída uma área de memória para entradas/saídas. Observa-se que a chave fechada da entrada ocasiona a transição para nível lógico 1 do seu respectivo bit na memória, assim como a colocação em nível 1 de um bit de saída leva, por exemplo, ao acendimento de uma lâmpada que esteja hipoteticamente conectada a essa saída. Os circuitos que se responsabilizam por essas interconexões são apresentados na seção seguinte IMTERFACES-DE ENTRADA/SAÍDA O sistema de entrada/saída é que irá realizar a conexão física entre a CPU e o mundo externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Tais circuitos possuem padrões semelhantes nos diversos equipamentos. A seguir, será feito menção a eles, subdividindo-os nos de natureza discreta (ou de um único bit de informação) e naqueles de natureza numérica (analógicos ou de vários bits). Entradas/Saídas Discretas São os tipos de sinais mais comumente encontrados em sistemas automatizados com PLC. Nesses tipos de interface, a informação consiste em um único bit cujo estado pode apresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado (daí sua característica discreta). Na tabela seguinte, apresenta-se uma lista de vários dispositivos de entrada/saída com tais características. DISPOSITIVOS DE ENTRADA Chaves Seletoras Pushbottons Sensores Fotoelétricos Chaves fim-de-curso Sensores de proximidade Chaves sensoras de nível Contatos de partida Contatos" de relês DISPOSITIVOS DE SAÍDA Relês de controle Solenóides Partida de motores Válvulas Ventiladores Alarmes Lâmpadas Sirenes Automação Industrial Automação Industrial 8

13 Cada um desses dispositivos é acionado por fontes de alimentação distintas e que normalmente não são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída discretos são disponíveis em vários níveis de tensão CA ou CC, conforme os seguintes padrões comerciais: 12 Vcc 24Vcc 110Vcc 220Vca Adicionalmente, para as saídas, também são encontrados contatos abre/fecha de relê os quais normalmente suportam correntes de até 1 A com isolação de 220 Vca, mas que podem variar conforme o modelo e o fabricante. Outra característica é o número de pontos de entrada/saída que possui terminal em comum, o qual pode variar entre dois, quadros ou mais pontos, ou apenas um (saída isolada), o que também dependerá do modelo e fabricante de equipamento. A seguir, é apresentado uma série de diagramas referentes a exemplos de interfaces de entrada/saída do tipo discreto. Automação Industrial Automação Industrial 9

14 Entradas/Saídas Numéricas Com as potencialidades de processamento aritmético que passaram a integrar os processadores nos atuais PLC, novas características de controle puderam facilmente ser adicionadas a esse equipamento. Apesar deste livro ser dedicado ao controle discreto, uma referência aos PLC não poderia deixar de citar suas características de processamento numérico como o controle analógico em malha fechada, por exemplo. Ainda que o tempo de ciclo de varredura seja demasiado lento, várias aplicações, como controle térmico ou reações físico-químicas diversas, possuem uma constante de tempo suficientemente grande para que os CP possam ser empregados com sucesso. A recepção ou envio de sinais numéricos se faz principalmente por meio de pontos de entrada/saída analógicos, o que implicitamente significa que dentro do plc há um circuito conversor analógico-digital ou digital-analógico conforme o caso. A diferença marcante em relação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado, seja pela conversão do sinal analógico, seja pelo tratamento de dispositivos multibits, como é o caso do acionamento de motores de passo, ou o acendimento de displays. A tabela seguinte exemplifica alguns dispositivos numéricos de entrada e de saída tanto de características analógicas como de características multibits. Automação Industrial Automação Industrial 10

15 ENTRADA ANALÓGICAS Transdutores de tensão e corrente Transdutores de temperatura Transdutores de pressão Transdutores de fluxo Potenciômetros L.V.DT. ENTRADAS ULTIBITS Chave Thumbwhell Encoder absoluto Encoder incremental SAÍDA ANALÓGICAS Válvula analógica Acionamento de motores DC Controladores de potência Atuadores analógicos Mostradores gráficos Medidores analógicos SAÍDAS MULTIBITS Acionamento de motor de passo Display de sete segmentos Displays alfanuméricos Cada um dos dispositivos analógicos, em particular, é acionado por fontes de alimentação distintas e que normalmente não são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída analógicas são disponíveis em várias faixas de tensão ou corrente, conforme os seguintes padrões comerciais: Automação Industrial Automação Industrial 11

16 1.4 - Linguagens De Programação Como visto em 3.1, os PLC foram criados a partir da necessidade de substituir os painéis de controle a relês. Naquele contexto, uma linguagem de programação que fosse familiar à experiência dos técnicos e engenheiros, já acostumados com a lógica de relês; seria a escolha mais adequada ao desenvolvimento de programas PLC. Assim, desde então, essa linguagem tem sido a forma mais comumente encontrada nos equipamentos, independente de seu porte. Entretanto, com as sofisticações oferecidas pelos processadores e seus novos algoritmos, a representação simbólica dos programas tornou-se, em alguns casos, impossível de ser implementada por meio de um diagrama de relês. Formas alternativas de especificação de programas passaram, então, a ser utilizadas. Quatro formas de linguagem de programação predominam nos PLL disponíveis atualmente. São elas: Diagrama de Contatos Blocos Funcionais Mnemónicos Booleanos Parâmetros Idiomáticos Apesar de a maioria das instruções de programação poder ser representada em qualquer tipo de linguagem, há certas particularidades que apenas cada um dos tipos irá fornecer, como é o caso, por exemplo, dos saltos cie instruções, chamadas a sub-rotinas e processamento aritmético, dentre outras. A ilustração 3.12 apresenta o aspecto de cada uma das formas de linguagem discutidas. Um diagrama de contatos (também referenciado como laddcr) ó a forma mais clara para apresentar uma lógica de controle aos técnicos c engenheiros eletricistas, uma vez que a própria representação dos contatos NA, NF e relês lhes é familiar. Já um diagrama de bloco funcional tem muita semelhança com os diagramas lógicos utilizados pelos eletrônicos em seus diagramas de portas digitais. Entretanto, são os mnemónicos booleanos a forma mais condizente com a forma como os processadores operam e, portanto, a maneira mais racional de' programar um PLC. As três formas que acabaram de ser citadas foram adotadas por um importante fabricante de PLC, o qual passou a denominá-las STEP 5, sigla esta que não deve ser confundida como uma linguagem de programação em si, mas um conjunto delas. Adicionalmente, algumas experiências com programação em linguagem de alto nível têm sido encontradas no mercado de PLC, parâmetros idiomáticos em inglês ou português, além de linguagens computacionais como C e Pascal, são exemplos já encontrados. Finalmente, deve-se observar que essas são características encontradas quando na Automação Industrial Automação Industrial 12

17 edição deste capítulo, e que, por se encontrarem num mundo tecnologicamente bastante dinâmico, podem, de uma hora para outra, ser rapidamente suplantadas pra outras mais avançadas. Assim, devido aos objetivos propostos neste trabalho, a forma de linguagem de programação a ser usada será a de diagrama de contatos e os mnemónicos booleanos que, propositadamente, não correspondem ao equipamento de um único fabricante, mas, pelo contrario, buscando o máximo de similaridade com a grande maioria dos PLC disponíveis no mercado. Por este motivo, recomenda-se que ao se implementarem programas reais, realize-se primeiramente um estudo detalhado do manual que o fabricante fornecer. 1.5 O PLC EDUCA_1 O PLQ que será utilizado ao longo deste e dos demais capítulos, daqui para frente denominado Educai, é um equipamento fictício que servirá apenas como ilustração e referência à demonstração de programas. Cada uma de suas características especiais será apresentada nas próximas seções sempre que o assunto em questão assim o solicitar. Para uma rápida visualização de seus recursos a listagem seguinte apresenta o conjunto de instruções no Educa_1. Leitura de variável: L Atribuição de valor: = Leitura de variável negada: LN Atribuição de valor invertido: =N Operação E: AND Operação E c/variável invertida: AN Operação OU: OR Operação OU c/variável invertida: ON Instrução de memorização: SET Instrução de desliga memória: RÉS No Educa1, os pontos de entrada e saída discretos são endereçados de forma octal e identificados por l para as entradas e Q para as saídas, conforme ilustração Instruções de Entrada e Saída O circuito-programa mais simples de ser efetuado é aquele no qual a atuação de uma entrada causa a consequente atuação de uma saída. Este, como todos os outros programas de PLC, utiliza as duas principais instruções de programação. São elas: a de leitura e atribuição, representadas no Educai por L (oriundo da língua inglesa Load) e = respectivamente. Leitura de variável: L Atribuição de valor: = Suponha que seja ligada à entrada 10 do PLC uma chave CH do tipo on-off e, na sua saída Q0 uma lâmpada L, como ilustrado em Automação Industrial Automação Industrial 13

18 Como a maioria dos PLC, o Educa! também necessita que haja fonte de alimentação para energizar os pontos de entrada e saída (conforme visto em 3.3.2), além de fonte de alimentação para a CPU que não está ilustrada. Será adotado como entrada do PLC Educai um sinal positivo de 24 Vcc e, como saída o fechamento de contatos de relês. Cabe ainda observar que o ponto comum GND das entradas é eletricamente isolado do ponto comum GND das saídas. Assim, desejamos que o programa de controle efetue a simples tarefa de acender a lâmpada L sempre que a chave CH fechar. Tal programa terá então o seguinte aspecto: O que ocorre então é que o processador irá continuamente (conforme ciclo de varredura visto em 3.2) efetuar a leitura da entrada 10 e efetuar um programa que trata de atribuir à saída QO o valor que foi lido. Assim, em outros palavras, se a chave CH for fechada, isto fará com que 10 passe a nível lógico V o que implicará (segundo o programa) que QO passe também a nível lógico 1 ó finalmente atue a saída com respectivo acendimento da lâmpada L. 1.7 Circuitos Com Lógica Negativa Ao utilizar um PLC, o projetista fica com total liberdade de optar pelo tipo de lógica que pretende trabalhar. Qual seja positiva ou negativa. A adoção de uma delas pode depender de fatores tecnológicos ou de padronização do usuário. Porém, qualquer que seja adotada, é importante que o programador não cometa enganos na sua interpretação. A seguir, são apresentadas algumas variações possíveis do exemplo mostrado na figura' Leitura de variável negada: LN No caso da situação apresentada na figura 3.16, observa-se que a instrução 'LN' (Load Not) irá fazer a leitura do complemento lógica da entrada IO. Ou seja, na prática, a lâmpada L (na figura 3.14) irá acender enquanto a chave CH estiver aberta e, portanto, apagar quando CH for fechada, uma vez que a chave CH é do tipo normalmente aberta. Automação Industrial Automação Industrial 14

19 Situação prática igual à anterior pode ser obtida também caso seja utilizada a instrução '=N'. Neste caso, conforme apresentado na ilustração 3.17, a leitura da entrada é feita em lógica positiva, mas à saída é atribuído um valor lógico complementar. Atribuição de valor invertido =N Obviamente, caso sejam ambos invertidos; leitura e atribuição, o resultado prático será como se nenhuma inversão fosse feita, ou seja, a lâmpada L voltaria a acender quando do fechamento da chave CH, conforme ilustrado em Além da lógica de programação poder ser invertida, também a natureza do dispositivo de entrada pode ser invertida. Encontram-se disponíveis aos projetistas tanto dispositivos de contatos normalmente abertos (NA) como a chave CH da figura 3.14, como dispositivos com contatos normalmente fechados (NF), os quais abrem o circuito quando aluados. Apesar de não haver, a princípio, empecilhos no uso de uma ou outra lógica, em alguns casos o uso de contatos NF apresenta uma vantagem para o pessoal da manutenção elétrica. Tal ocorre pelo fato de os PLC trazerem junto a cada ponto de entrada um LED sinalizador de entrada ativada. Assim, caso um ponto não esteja sinalizado enquanto o respectivo sensor não esteja aluando, facilmente conclui-se que existem problemas na interconexão elétrica daquele ponto. Esta conclusão não seria tão facilmente obtida com o uso de contatos NA, pois seria necessária a atuação do respectivo sensor, que pode, por exemplo, se encontrar em local de difícil acesso. 1.8 Instruções Booleanas A realização de programas que exijam operadores lógicos booleanos é facilmente obtida na programação de PLC. Veja os exemplos seguintes para uma avaliação de seu uso. Automação Industrial Automação Industrial 15

20 Observa-se que em um mesmo ramo do diagrama de contatos podem existir tantos contatos em série quanto se necessitar. Esta é uma limitação inexistente no PLC Educai, mas que deve ser observada no caso de equipamentos comerciais. Outro fato a ser observado é o de que a forma como um PLC executa um programa tem maior semelhança com as instruções booleanas do que com o diagrama de contatos. Assim, analisando o segundo ramo na figura 3.19, vê-se que apesar de a instrução '= QV atribuir à saída 1 o resultado da avaliação lógica E entre as entradas 2 e 3, isto não significa que tal valor seja perdido; ao contrário, ele mantém-se intacto na memória para ser utilizado pelo comando de atribuição da saída 2 que passa então a receber o resultado da avaliação lógica E entre as entradas 2, 3 e 4. Da mesma forma que na operação 'AND', não existe limite para o número de contatos em paralelo no PLC Educai. Entretanto, tal regra pode não ser verdadeira no caso de equipamentos reais. Uma situação de uso da memória, como aquela que foi discutida anteriormente sobre a ilustração 3.19, pode ser empregada igualmente no caso da operação 'OR', porém, uma certa atenção deve ser tomada quanto ao diagrama de contatos final obtido. Como exemplo, observa-se o caso do programa seguinte: Automação Industrial Automação Industrial 16

21 L 10 = Q0 OR I1 = Q1 Esse programa resultará em um diagrama de contatos tal que a saída QO depende apenas da entrada II, enquanto a saída Q1 receberá como resultado a avaliação lógica OU entre as entradas 061,0 que equivale a um diagrama contendo um diodo como apresentado na ilustração 3.23 em seguida. 1.9 Elaboração De Circuitos A obtenção de circuito mistos, os quais exigem mais do que a simples utilização de operações booleanas, utiliza-se de uma estrutura computacional denominada 'PILHA'. Com tal recurso, o resultado parcial de uma avaliação lógica é armazenado em uma região de memória, similar a uma pilha de pratos, em que o último valor colocado é o primeiro a ser retirado a cada vez que se efetua uma nova instrução de carregamento L. Essa estrutura às vezes é referida como LIFO (Last In First Out). Por outro lado, a existência de um operador lógico, desacompanhado do operando significa que a função lógica será efetuada com o valor previamente armazenado no topo da pilha. Observam-se os exemplos seguintes: Automação Industrial Automação Industrial 17

22 Alternativamente, também poderiam ser utilizadas as regiões internas de memórias. Às vezes denominadas registro ou tag, aqui serão referidas como flags20 e identificadas por FO, F1, F2, e assim sucessivamente. Cada uma dessas flags representa, em última análise, um relê auxiliar para uso no diagrama de contatos. Assim, o programa da figura 3.26, por exemplo, poderia ser refeito utilizando-se de flags como ilustrado em Apesar de o programa apresentar o mesmo comportamento, do ponto de vista lógico, há uma desvantagem devido ao excessivo uso da memória. Este exemplo serve, portanto, apenas para apresentar o uso de flags, sendo o programa descrito na figura 3.26 o mais adequado para o caso Circuitos De Intertravamento Um fato importante na programação de PLC é a possibilidade de utilizar tantos contatos iguais quantos forem necessários no programa. Isto vale para pontos de entrada, de saída ou outro registro interno do PLC, e essa característica é fundamental para a realização de circuitos com memorização ou de Inter travamento. Observa-se, por exemplo, o caso ilustrado pela figura 3.28, no qual a saída QO permanecerá indeterminadamente ligada após a entrada IO ter sido acionada pela primeira vez. A estrutura do programa previamente apresentado é às vezes empregada quando se deseja memorizar, numa aplicação prática, um evento sinalizado por 10 cuja informação terá relevância ao longo de toda execução da aplicação. Entretanto, pode ser de interesse que haja uma forma de desligar o elemento memorizado. Tal é o caso, por exemplo, de uma máquina acionada por um contactor K que possua uma botoeira L para ligação e outra botoeira D para desligamento, como ilustrado em Automação Industrial Automação Industrial 18

23 Automação Industrial Automação Industrial 19

24 Um programa para implementação do controle, como o proposto em 3.27, terá então o aspecto como mostrado na figura 3.28, caso se deseje prioridade para o desligamento. Diz-se que o programa anterior tem prioridade para o desligamento, pois, caso ambas as botoeiras L e D sejam simultaneamente acionadas, prevalecerá a saída desligada uma vez que o ramo 11 abrirá. Uma outra maneira de implementar a solução do problema proposto é por meio de um programa que dê prioridade para o ligamento, como o mostrado na figura A implementação de uma ou outra forma de programa é um fato r que irá depender apenas da aplicação em questão, principalmente quanto a aspectos relacionados com a segurança de máquinas e/ou operadores da planta. Instrução de memorização S ET Uma forma alternativa e recomendável de efetuar a memorização de um valor numa variável de PLC, é pela instrução 'SET', a qual tem um comportamento idêntico àquele apresentado pelo programa da figura A principal vantagem obtida na utilização dessa instrução é a economia de uma linha de programa, conforme verifica-se na lista de instruções da figura Convém aqui salientar que esta é uma das características que acaba por diferenciar um diagrama de comandos a relês de um programa PLC. O código da lista de instrução corresponde exatamente à operação do PLC, mas, entretanto, a notação 'set' junto ao diagrama de contatos trata-se de uma adaptação para representar a função. Instrução de desliga memória RES A instrução que provê/o desligamento de uma memória previamente 'setada' é a 'RÉS' (do termo em inglês resef) a qual pode apresentar comportamento de prioridade para o desligamento, como o da saída QO da figura 3.31, ou de prioridade para o ligamento, conforme saída Q1 da mesma ilustração. Automação Industrial Automação Industrial 20

25 1.11 Circuito De Detecção De Borda Existem situações no controle discreto em que o estado de uma variável não é suficiente como informação, mais do que isto, é o instante em que ela comuta que se torna relevante. Assim, chama-se detecção de borda o estratagema utilizado para determinar o momento em que uma variável transiciona para nível lógico alto (detecção de borda de subida) ou para nível lógico baixo (detecção de borda de descida). O programa capaz de realizar a detecção de uma borda de subida numa variável de PLC utiliza-se do conceito de ciclo de varredura, pois a informação desejada ficará disponível por apenas o tempo de um desses ciclos. Para fins de interpretação, esse tempo é o equivalente a um impulso unitário. O programa capaz de efetuar tal tarefa é apresentada na figura Pela análise do programa, percebe-se que quando IO é levado a nível lógico alto, FO também sobe, pois o contato série NF de F1 assim o permite. Entretanto, a partir do segundo ciclo de varredura, F1 torna-se alto, ocasionando a queda de FO. Como consequência, FO ficou alto durante um ciclo de varredura a partir do instante em que 10 subiu. Diz-se, então, que FO sinalizou a borda de subida de 10. Uma aplicação prática e muito útil desse comportamento é apresentado no programa seguinte. Nele, dispõe-se de um contactor K que deverá ser ligado e desligado por uma única botoeira B, a qual inverte o estado dele a cada vez que for pressionada. Automação Industrial Automação Industrial 21

26 Esse tipo de aplicação teria uma grande complexidade de implementação caso fossem utilizados apenas botoeiras e relês eletromecânicos convencionais. Necessariamente, ter-se-ia que lançar mão de dispositivos eletrônicos biestáveis. Entretanto, aqui possui plena viabilidade de implementação pelo uso de PLC. Seu programa de controle deve ter o aspecto apresentado na figura No programa, percebe-se que os dois primeiros ramos do Diagrama de Contatos correspondem a um detector de borda de subida da botoeira B ligada à entrada 10. Já a saída QO é acionada a partir de um circuito que irá garantir seu comportamento biestável devido ao fato de FO ter duração impulsionai, ou seja, de um ciclo de varredura. Assim, a cada impulso estando desligada, QO liga por meio do ramo superior e, estando ligada, QO desliga pelo ramo inferior temporizador Um recurso largamente utilizado em automatizações com PLC são as temporizações de comandos. Seguindo o modelo dos antigos relês de tempo, o tipo de temporização mais comumente empregado é o de retardo na energização. Nos equipamentos comerciais, existem diversos recursos para controle dos temporizadores, tais como: interrupção ou congelamento da temporização, informação de tempo restante, mudança de base de tempo, dentre outros. No PLC Educai, encontram-se disponíveis temporizadores identificados por T0, Tl, T2 e assim por diante, que têm como base de tempo o segundo, representado entre parênteses após o comando de atribuição, e apresenta aspecto e funcionamento conforme descritos em 3.38 e 3.39 respectivamente. Automação Industrial Automação Industrial 22

27 Trata-se de um temporizador de retardo na energização clássico. Ao energizar a bobina de tempo Tn, seus contatos fechar-se-ão t segundos após (para este exemplo o valor de t é de 3 segundos). Deve-se observar o fato de que, caso a energização ocorra por um tempo menor do que t, não haverá fechamento de Tn. Ao retirar a energização de Tn, seus contatos voltam ao estado normal. Enrolamentos alimentados em Y (contactores Kl e K3 aluados) e, decorrido o tempo necessário para que ele atinja velocidade próximo à nominal, então ele deve ser alimentado em A (contactores K1 e K2 atuados), conforme a figura 3.40 ilustra. Automação Industrial Automação Industrial 23

28 Neste tipo de situação, o PLC deverá monitorar duas botoeiras L e D para ligar e desligar o motor respectivamente e, comandar em suas saídas os três contactores Kl, K2 e K3, conforme figura Uma solução inicial para o problema pode ser como a apresentada pela figura 3.42, na qual a saída QO além de comandar o contactor Kl também memoriza o estado do motor (ligado ou desligado) e, o temporizador TO, ajustado para t segundos, efetua a comutação de estrela para triângulo pelo acionamento da saída Q2 ou Q1 respectivamente. Atenção deve ser tomada para o fato de que apesar de o esquema proposto estar correio do ponto de vista lógico, eletricamente poderão ocorrer falhas, quando do instante da comutação, caso o tempo que K3 leva para abrir seus contatos seja maior do que K2 leva para fechar, ocasionando curto-circuito e consequente danificação deles. Assim, pode--se resolver tal problema, acrescentando-se, Intertravamento elétrico físico entre K2 e K3, ou acrescentando-se ao programa um segundo temporizador de retardo para o momento da comutação. Automação Industrial Automação Industrial 24

29 Outros esquemas de temporização Na prática, encontram-se outros esquemas de temporização além do retardo na energização. A seguir, apresentam-se alguns deles. I) Temporizador de retardo no desligamento É o tipo de temporizador cujos contatos são atuados junto com a energização da bobina e, desligados t segundos após sua desenergização, conforme ilustra a figura A implementação de um programa temporizador com retardo no desligamento, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada conforme ilustra a figura Quando a entrada E for acionada, energiza-se a saída S. Quando E abrir, S mantém-se energizada pelo seu contato de selo e inicia-se a temporização t segundos da bobina T. Decorrido esse tempo, a saída é desehergizada. II) Temporizador de retardo na energização e no desligamento É o tipo de temporizador cujos contatos são aluados com um atraso de t1 segundos da energização da bobina, e, desligados t2 segundos após sua desenergização, conforme ilustra a figura A. implementação de um programa temporizador com retardo t1 na energização e t2 no desligamento, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada conforme ilustra a figura Automação Industrial Automação Industrial 25

30 Ao acionar a entrada E, T1 é energizado, fechando t1 segundos após. Quando T1 fecha, energiza-se a saída S. No momento que E abrir, T1 cai e S mantém-se energizada pelo seu contato de selo, iniciando-se a temporização t2 segundos da bobina T2, Decorrido esse tempo, a saída é desenergizada. III) Temporizador de Tempo Definido E o tipo de temporizador cujos contatos são atuados junto com o pulso de disparo durante t segundos ao que após ocorre sua desenergização, conforme ilustra a figura A implementação de um programa temporizador de tempo definido, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada conforme ilustra a figura Ao efetuar um pulso na entrada E, inicia-se em T uma temporização de t segundos, ao mesmo tempo em que a saída S é acionada. Ao final dos t segundos, a saída S é desenergizada pelo contato. NF de T, independente do tempo em que a entrada E permanecer acionada. IV) Temporizador Limitado no Tempo É o tipo de temporizador cujos contatos são atuados enquanto durar o pulso de entrada até o tempo limite de t segundos, ao que após ocorre sua desenergização, conforme ilustra a figura Automação Industrial Automação Industrial 26

31 A implementação de um programa temporizador limitado no tempo, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada conforme ilustra a figura Ao acionar a entrada E, é energizado o temporizador T e a saída S, que permanecerá energizada enquanto E permanecer alto até o limite de t segundos, quando então é desenergizada. V) Temporizador por Tempo 't' Após o Desligamento É o tipo de temporizador cujos contatos são aluados por t segundos após a borda de descida do contato de entrada, conforme ilustra a figura A implementação de um programa temporizador por tempo Y após o desligamento, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada, conforme ilustra a figura Automação Industrial Automação Industrial 27

32 Ao acionar a entrada E, é ligada a flag F que permanecerá retida pelo seu contato de selo. O início da temporização dar-se-á quando E for desacionado (somente com F previamente atuado) o que fará com que a saída S atue durante os t segundos. Após esse tempo todo, o circuito será destivado, voltando ao estado inicial. VI) Oscilador Astável E um esquema de temporização cujos contatos são atuados ciclicamente durante ti segundos em nível alto e t2 segundos em nível baixo, conforme ilustra a figura A implementação de um programa oscilador astável, utilizando como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização, pode ser efetuada, conforme ilustra a figura Na situação inicial, somente T2 está energizado, e após t2 segundos liga a saída S e o temporizador T1. Após 11 segundos, T2 é desenergizado, ocasionando a queda de S e o desligamento de T Contador Outro recurso bastante útil nos PLC são os contadores, por meio dos quai torna-se possível quantificar a ocorrência de eventos impulsionais no processo controlado. Os contadores nos PLC comerciais podem se apresentar com os mais diversos recursos, tais Automação Industrial Automação Industrial 28

33 como seleção de contagem crescente ou decrescente, preestabelecimento de valores, indicação de passagem por zero, apresentação do valor de contagem corrente, dentre outros. No PLC Educai, o formato do contador é o mais simples que pode ser encontrado. O valor de contagem é estabelecido pela instrução 'SET'. Já a instrução 'RÉS' zera a sua contagem. Sua identificação é feita por CO, C1, C2 e assim por diante. A cada pulso fornecido à sua bobina, o valor de contagem é decrementado. Ao chegar em zero, são atuados os contatos da bobina do contador. A sua forma de programação e seu comportamento são ilustrados nas figuras 3.55 é Pode-se observar que uma vez iniciado o processo de contagem, ele volta ao início caso seja dado um novo comando 'SET'. Uma vez atuado o contador, outros pulsos que chegem a sua bobina não serão levados em consideração. O comando 'RÉS' força o ligamento do contador pelo fato de zerar seu valor de contagem. A título de exemplo no uso de contadores, é apresentado em seguida um programa que realiza a bobinagem de carretéis. Após o fio ter sido manualmente fixado no carretel, o operador pressiona a botoeira B para início da bobinagern pelo adonamento do motor M. Cada Automação Industrial Automação Industrial 29

34 carretel deve ser preenchido com 150 voltas de fio e, a indicação de volta completa é feita pelo chanfro no carretel que aciona o fim-de-curso 'a'. Ao final da bobinagem, o motor deve ser desligado. Assim, supondo que a botoeira B esteja conectada à entrada 10, que o fim--de-curso 'a' esteja conectado à entrada 11 e que o motor M seja acionado por contactor comandado pela saída QO, um programa PLC capaz de efetuar tal controle é apresentado na ilustração Exercícios Propostos 1) Desenhar o diagrama de interconexões elétricas físicas e o programa de controle do PLC para um sistema de reservatório composto de uma válvula de entrada P, duas bombas (acionadas por M1 e M2), um alarme AL e quatro sensores de nível (a, b, c, d), conforme ilustrado na figura As condições de funcionamento são as seguintes: se o nível for 'a', então fecha-se a válvula P. Se o nível for inferior a 'b', então abre-se a válvula P. Acima de 'b', M1 e M2 bombeiam. Abaixo de 'b', somente M1 bombeia. Abaixo de 'c', soa o alarme AL. Em 'd', nenhuma das bombas deverá funcionar. 2) Elaborar um programa PLC para controlar dois relês (RI e R2) de tal maneira que R1 pode atuar de forma independente e R2 só pode atuar se R1 estiver ligado, mas pode continuar ligado após o desligamento de R1. Os relês são ligados pelas botoeiras L1 e 12, e são desligados pelas botoeiras D1 e D2. 3) Elaborar um programa PLC capaz de efetuar controle de uma prensa que é manejada por dois operários. Cada um deles utiliza um atuador que exige o emprego de ambas as mãos. A operação de prensagem realiza-se quando se põe em marcha um motor que está comandado pelo contactor R. Por razões de segurança dos operários, foi decidida 'a seguinte sequência de funcionamento: a) Com somente um operador, não se pode ativar a prensa; b) Com os dois operários atuando nos comandos A e B, a prensa abaixa; c) Se atua um operário mas o outro tarda mais do que três segundos, a prensa não deve operar e, é necessário repetir a manobra; d) Se uma vez ativado o contactor R e um qualquer dos operários retirar as mãos do contato, R desativa e não volta a se ativar se o operário demorar mais do que três Automação Industrial Automação Industrial 30

35 segundos, para recolocar suas mãos no contato, caso em que deverá repetir-se a manobra por ambos os operários. 4) Elaborar um programa PLC para processo.industrial em que, uma esteira acionada pelo motor E transporta garrafas de três tamanhos (pequena, média e grande) que sensibilizam três sensores óticos A, B, C, conforme ilustra a figura O processo tem início quando a botoeira L é acionada, e interrompido pela botoeira D. A seleção do tipo de garrafa é feita a partir de uma chave seletora de três posições (P, M e G). Assim, caso, por exemplo, sejam selecionadas garrafas grandes, a esteira deve parar e o alarme AL soar caso uma garrafa pequena ou média seja detectada. Após a retirada manual da garrafa indesejada, o operador deve religar o sistema em L. 5) Com base no circuito apresentado na figura 3.34 (programa para detecção de borda de subida), elabore outro programa capaz de detectar uma borda de descida. 6) Em uma máquina de solda há dois elementos controlados por um PLC: um contactor (A) para fechamento do arco, e um relê (E) para avanço do motor do eletrodo. Quando o operador aciona o gatilho (G) a máquina deve entrar em funcionamento atuando primeiramente o motor e 0,5 segundos após atuar o eletrodo. No momento em que p operador solta o gatilho uma operação reversa deve ocorrer, ou seja primeiramente desliga-se o eletrodo e após 0,5 segundos desliga-se o motor. Com base nestas informações elabore um programa PLC para realizar tal controle. 7) Utilizando-se apenas de um elemento temporizador, elabore um programa PLC capaz de acionar uma lâmpada de sinalização piscante com período de 2 segundos. 8) Elaborar um programa PLC capaz de interromper automaticamente o funcionamento de uma esteira transportadora de peças. A parada se realiza sempre que um sensor ótico não detectar a passagem de uma nova peça num intervalo menor do que 5 segundos. O religamento dai esteira se dá pelo comando do operador em uma botoeira. Identifique qual esquema de temporização foi utilizado na solução. 9) Utilizando-se dos recursos de contagem em PLC, elabore um programa capaz de acionar uma lâmpada sinalizadora sempre que o número de pulsos recebidos em sua entrada for múltiplo de 5 (cinco). Assim, no recebimento do quinto pulso a lâmpada acende, desligando-se no sexto; novamente acende no décimo e desliga no décimo primeiro e assim sucessivamente. 10) Implemente um programa PLC para cada uma das soluções dos exercícios de' Lógica Combinacional vistos ao final do capítulo 2. Automação Industrial Automação Industrial 31

36 CAPITULO 2 Lógica Sequencial 2.1 Introdução Os tradicionais diagramas de lógica a relê tipo ladder (ou diagrama de contatos) têm sido amplamente utilizados pelos engenheiros e técnicos para desenhar e representar a lógica dos sistemas de comando. De fato, para os sistemas de controle de lógica combinacional, em que as saídas ou ações dependem apenas das condições atuais das entradas, o diagrama lógico a relê é plenamente satisfatório. Porém, para problemas nos quais as ações de comando são sequenciais, ou então de tempo dependente, a modelagem lógica, representada unicamente com diagrama de relês, pode se tornar confusa e inviável, caso não se disponha de uma metodologia que represente o comportamento do sistema a se automatizar. Algumas técnicas utilizadas atualmente para se descrever comportamentos sequenciais incluem fluxogramas, diagramas de variáveis de estado, redes de Petri, diagrama trajeto passo e Girafcet, além de outros. Pela ordem, os primeiros. foram aplicados como uma tentativa de adaptar uma solução já consagrada nos programas de computadores escritos em linguagem de alto nível, mas que se mostram inviáveis na solução de automatismos, dada a similaridade que tais sistemas apresentam com implementações em linguagem computacional de baixo nível. Os diagramas de variáveis de estado, por outro lado, descrevem a dinâmica sequencial em dispositivos controladores, muito mais do que a dinâmica encontrada em máquinas e processos industriais. As redes de Petri, semelhantes ao caso anterior, são mais propícias à análise de sistemas tais como os de estudo em manufatura flexível. Enquanto os diagramas trajeto-passo têm tido boa aceitação para o modelamento de automatizações, utilizando-se tecnologia pneumática, apresentam, porém, o inconveniente de não fornecerem em casos menos triviais uma visão geral do processo que se automatiza, além de limitações quando do uso de outras tecnologias distintas da pneumática. O Gráfico Funcional de Comandos Etapa-Transição, ou Grafcet, torna-se mais viável para modelamento de sistemas automatizados devido à facilidade de interpretação que apresenta. Nele, aliam-se a habilidade do modelo da rede de Petri para a modelagem de concorrência e/a simplicidade das funções booleanas para a representação de decisões complexas. Automação Industrial Automação Industrial 32

37 O Grafcet tem suas origens na França, onde foi desenvolvido em meados dos anos 70, por um grupo de pesquisadores e gerentes industriais envolvidos com sistemas discretos de grande! complexidade. Após ser testado em companhias privadas francesas e em sistemas educacionais, mostrou-se ser.muito conveniente para a representação de sistemas sequenciais.' Em 1988, foi adotado pelo IEC (International Electrotechnical Comission) conforme publicação 848, e regularizado pela Norma Francesa NF C Mais tarde, construtores de PLC e produtores de software escolheram o Grafcet como a linguagem de entrada para controle sequencial booleano e propuseram implementações em computadores e Controladores. Seu uso industrial vem se ampliando, bem como o número de pesquisadores que estudam o uso teórico desse modelo. É, em particular, uma ferramenta bastante útil ao projetista na especificação de projetos de automatização. Na seção seguinte, serão apresentados os principais elementos constituintes de um Grafcet. 2.2 O Grafcet Um Grafcet é um modelo de representação gráfica do comportamento da parte de comando de um sistema automatizado. Ele é constituído por uma simbologia gráfica com arcos orientados que interligam etapas e transições por uma interpretação das variáveis de entrada e saída da parte de comando caracterizadas como receptividades e ações; e por regras de evolução que definem formalmente o comportamento dinâmico dos elementos comandados. Uma compreensão clara do significado de cada uma dessas representações é imprescindível a fim de se implementar o controle sequencial em PLC. Tal assunto é o que será comentado nas próximas seções Etapas Uma etapa significa um estado no qual o comportamento do circuito de comando não se altera frente a suas entradas e saídas. As etapas são representadas graficamente por um quadrilátero, e devem ser identificadas com números, seguidos ou não por abreviaturas. Em um determinado instante, uma etapa pode estar ativa ou inativa. O conjunto de etapas ativassem um determinado instante mostra, então, a situação em que o sistema se encontra. A etapa que se torna ativa logo após o início de funcionamento do sistema, é chamada de etapa inicial (ver figura 4.16), e é representada por um duplo quadrilátero. Automação Industrial Automação Industrial 33

38 2.2.2 Transição É representada por um traço perpendicular aos arcos orientados e significa a possibilidade de evolução do Grafcet de uma situação para outra. Uma transição pode, em um dado instante, encontrar-se válida ou não, sendo que ela é dita válida quando todas as etapas imediatamente precedentes e ligadas a ela estiverem ativas. A passagem de uma situação à seguinte, portanto, só é possível com a validade de uma transição, momento este em que se diz que ocorre a transição Arcos Orientados Indicam a sequencialização do Grafcet pela interligação de uma etapa a uma transição e desta a outra etapa sucessivamente. A interpretação de sentido normal é de cima para baixo, sendo que em casos diferentes deste, é recomendável a indicação com flechas para orientação de sentido Ação As apões representam os efeitos que devem ser obtidos sobre o mecanismo controlado em uma determinada situação, ou seja, "o que deve ser feito". Em outros casos, pode também representar uma ordem de comando que especifica o "como deve ser feito". Cada ação é representada graficamente no interior de retângulos associados a uma etapa, e esta será realizada somente e apenas quando sua etapa correspondente estiver ativa. De uma forma geral, as ordens de comando contidas em ações podem atuar sobre elementos físicos do mecanismo controlado (saídas de PLC, por exemplo), sobre elementos auxiliares do comando (temporizadoras, contadores, memórias, etc.), ou ainda em interfaces homem-máquina (vídeos, painéis de controle, impressora, etc.). Uma ação pode emitir ordens de comando do tipo contínua ou condicional, podendo ainda ser ou não memorizada (S = Stored), com retardo (D = Delayed), limitada no tempo (L = Limited) ou impulsionai (P = Pulse). A seguir, apresenta-se uma descrição sumária dos tipos de ordem que podem ser emitidos por uma ação. Automação Industrial Automação Industrial 34

39 I) Ordem Contínua II) Ordem Condicional Tipo de ordem de comando cuja emissão, além da ativação da etapa à qual estiver associada, depende também de uma outra condição lógica que a satisfaça. III) Com Retardo (D) Trata-se do caso particular de ordem condicional em que a dependência é associada a um retardo de tempo. IV) Limitada no Tempo (L) Uma ordem limitada no tempo é emitida logo após a ativação da etapa, porém sua duração é limitada a um valor de tempo específico. Automação Industrial Automação Industrial 35

40 V) Impulsionai (P) Ordem similar à do tipo limitada no tempo, porém com tempo de duração infinitesimalmente pequeno. Na prática, igual ao de um ciclo de varredura do PLC. Sua finalidade é atuar em elementos de comando tais como inicializador de temporizações, incremento / decremento dê contadores, armazenamento de dados em memória, etc. Pode ser de duas naturezas: emitida apenas associada à ativação da etapa, ou além disto, estar ainda condicionada ao aparecimento de uma outra variável, conforme ilustra a figura VI) Em Diversas Etapas Quando necessita-se que uma mesma ação atue em mais de uma etapa, é possível a repetição da ordem de comando tantas vezes quantas for preciso (figura 4.11.a). Entretanto, convém observar que no caso da repetição ocorrer em etapas consecutivas (figura 4.11.b), uma estrutura em paralelismo (ver seção 4.3.5) pode ser usada alternativamente. VII) Memorizada (S ou R) Uma ação cujo comportamento seja como o descrito pela figura 4.11 (b) pode ainda ser modelada por elementos de memorização. Neste caso, utiliza-se uma ação específica para ligar (SET) o elemento comandado, e outra ação para desligá-lo (RESET). Automação Industrial Automação Industrial 36

41 No caso da figura 4.12, a saída D permanecerá ligada durante o intervalo entre as transições Tl e J Receptividade Receptividade é a função lógica combinacional associada a cada transição. Quando em estado lógico verdadeiro, uma receptividade irá ocasionar a ocorrência de uma transição válida. Uma receptividade pode então ser encarada como o elo de ligação existente entre a lógica combinacional e a lógica sequencial. Uma receptividade, na prática, pode representar variáveis lógicas tais como oriundas de sinais de entrada do sistema, variáveis internas de controle, resultado de comparações com contadores/temporizadores, informação sobre ó estado de uma etapa (ativa ou inativa), ou ainda condicionada a uma determinada situação do Grafcet. O exemplo abaixo ilustra o caso em que a informação do estado da etapa E3 é usado como receptividade para a transição T4. Automação Industrial Automação Industrial 37

42 Detecção de Bordas Uma receptividade pode ainda estar associada ao sentido de comutação de uma variável lógica, ou seja, pela borda de subida ou então pela borda de descida dessa variável. A detecção de bordas faz sentido naquelas situações em que se deseja identificar o instante exato da ocorrência de um evento, como, por exemplo, a informação do instante em que uma botoeira é pressionada (ou liberada) ao invés de simplesmente a sua informação "estar (ou não) pressionada", ou ainda o caso de sensores de presença cujo momento da chegada da peça é o que. interessa. Para fins de ocorrência de uma transição, leva-se em consideração apenas o instante em que a receptividade torna-se verdadeira. Formalmente, em um Grafcet, duas ou mais receptividades somente poderão ocorrer ao mesmo tempo se forem correlatas. Por exemplo, casos como TA e ÍA são ditos correlatos. Ou ainda, X e Y que são correlatos se, por exemplo, X= (A. B) e Y=(B + C), quando ocorrer TB com A=1. Neste sentido, algumas/considerações importantes devem ser observadas quanto ao tratamento lógico de bordas: (a) (A + B) não é o mesmo que ( A + B ) (b) A = Ā (c) (A. B) não é o mesmo que ( A. B ) (d) ( A. B ) = O se A e B não forem correlatos Assim, quando projeta-se um Grafcet, deve-se considerar que duas receptividades não correlatas jamais acontecerão ao mesmo tempo. Tal fato pode criar alguma dificuldade quando da utilização de sistemas de comando com tempos de ciclo de varredura muito grandes. Neste caso, mesmo não ocorrendo no mesmo instante dois sinais poderão ser assim interpretados se ocorrerem dentro do intervalo de tempo de um mesmo ciclo de varredura. Temporizações Temporização é um outro caso frequente de receptividade. Normalmente, uma temporização tem sua contagem inicial de tempo associada à ativação de uma efapa. Após decorrer o tempo preestabelecido, irá, então, permitir a ocorrência da transição à qual estiver associada. Automação Industrial Automação Industrial 38

43 No caso da ilustração anterior, a receptividade seguinte à E2 é resultado da temporização t3/15s que tem seu início quando da ativação da etapa E2, ou seja, neste caso, a etapa E2 permaneceu ativa por apenas 15 segundos. 2.3 Comportamento Dinâmico Para uma correta compreensão do funcionamento de um Grafcet, faz-se necessário acrescentar-se às definições anteriores algumas regras de entendimento do seu comportamento dinâmico. Assim, esse comportamento dinâmico será descrito em seguida nas próximas seções Situação Inicial Essa situação corresponde ao conjunto de etapas que deve estar ativo quando do início de funcionamento do sistema de comando, devendo ser composto por pelo menos uma etapa. Tal situação irá, então, definir o comportamento inicial do sistema em relação ao mecanismo controlado. Uma etapa ativa na situação inicial deve ser grafada por meio de um quadrilátero duplo como forma de diferenciá-la das demais etapas do Grafcet. A situação inicial pode incluir etapas que se realizem unicamente no início do funcionamento do sistema de comando, realizando apões de inicialização do sistema, por exemplo. Ou, em outros casos, poderá incluir etapas que se tornem ativas ciclicamente, correspondendo, por exemplo, a situações de repouso ou de referenciação do sistema de comando. Automação Industrial Automação Industrial 39

44 Estados do Sistema de Comando Em geral, um sistema de comando lógico poderá, a um instante dado, encontrar-se em três possíveis estados: a) Desenergizado: em que não há existência física em relação ao mecanismo controlado. b) Energizado e inoperante: o sistema de comando existe mas não está receptivo a nenhuma informação vinda do mecanismo controlado. Não ocorrem evoluções. c) Energizado e operante: pelo menos uma etapa está ativa. A situação inicial corresponde, então, à passagem de uma situação em que nenhuma etapa está ativa (sistema de comando desenergizado ou inoperante) para outra situação em que pelo menos uma etapa está ativa (sistema de comando energizado). Esta evolução corresponde a uma ordem que tanto poderá ser oriunda de entradas lógicas externas como também poderá advir de um outro sistema de comando, como exemplificado na ilustração seguinte Evolução Entre Situações A evolução do Grafcet de uma situação para outra situação corresponde à ocorrência de uma transição, que acontece quando: a) Essa transição estiver válida e, b) A receptividade associada a essa transição estiver verdadeira. Assim, quando estas duas condições forem satisfeitas, ocorre a transição, forçando a uma troca de situação do Grafcet. Tornando, como consequência, esta mesma transição não válida, uma vez que a condição (a) não será mais satisfeita. Na prática, a ocorrência de uma transição tem um tempo de duração impulsionai, equivalente no PLC ao tempo de um ciclo de varredura. A ocorrência de uma transição ocasiona a troca de situação do Grafcet. Neste caso, acontece a desativação de todas as etapas imediatamente precedentes ligadas a essa transição, bem como a ativação de todas as etapas imediatamente seguintes ligadas a essa mesma transição. a) Transição T4 não válida, pois a etapa E4 está inativa (situação desconhecida); b) Transição T3 válida, mas ainda não ocorreu, pois a receptividade X ainda é zero; c) Instante em que ocorre T3, uma vez que a receptividade X tornou-se verdadeira; d) Transição T3 novamente não válida (situação em E5) Automação Industrial Automação Industrial 40

45 Se, no decorrer do funcionamento de um automatismo uma mesma etapa tiver que ser simultaneamente ativada e desativada, ela mantcm-se, por definição, sempre ativa. Esta regra é ilustrada no exemplo seguinte, e representa casos em que uma sequência de etapas deva estar sempre pronta para início de execução. Na ilustração seguinte, pode-se perceber que a transição H 2 estará sempre válida, ou interpretando de outra maneira, a etapa E2 permanecerá sempre ativa após a primeira vez que for ativada Estrutura Sequencial Denomina-se sequência única, uma cadeia de etapas e transições dispostas de forma linear, tal que em sua estrutura cada etapa é seguida por uma única transição e esta, por sua vez, seguida de apenas uma etapa. Não há, portanto, possibilidades de desvios ou paralelismos (descritos nas seções seguintes). Uma estrutura sequencial de cinco etapas pode ser visualizada na ilustração Deve ficar claro que a alternância etapa-transição e transição-etapa deverá ser sempre respeitada, independente da estrutura da sequência seguinte. Assim, duas etapas jamais poderão estar ligadas diretamente, pois obrigatoriamente elas devem ser separadas por uma transição. Da mesma forma, duas transições não devem estar ligadas diretamente, mas deverão estar separadas por uma etapa. A figura 4.21 ilustra alguns erros de sintaxe relativos à sequencialização. A fim de tornar clara a interpretação prática de sistemas sequenciais, bem como de ilustrar um automatismo com sequência linear, é apresentada em seguida a implementação de um Grafcet para modelar o funcionamento de um equipamento para estampar peças plásticas. Exemplo de Estrutura com Sequência Linear Um equipamento para estampar peças plásticas é formado por um dispositivo de carregamento de peças (por gravidade), um cilindro 1 (alimentador), um cilindro 2 (estampador) e um cilindro 3 (extrator). Todos os três cilindros são de ação simples com retorno por mola, e têm seu avanço comandado pelas eletroválvulas EV1, EV2 e EV3 respectivamente. A máxima Automação Industrial Automação Industrial 41

46 excursão de cada cilindro é monitorada pela atuação dos sensores SI, S2 e S3 cio tipo reedswitch. A expulsão da peça é realizada por um sopro de ar comprimido, obtido a partir do acionamento da eletroválvula EV4, e efetivamente monitorada pela atuação do fotossensor (FS). O funcionamento prevê como condição inicial que os cilindros não estejam avançados, ou seja, essa condição traduz que todas as eletroválvulas estejam desligadas. Assim, com a chave de partida (PTD) acionada e estando a máquina na condição inicial, deve-se iniciar a operação. A sequência consiste em, primeiramente, colocar uma peça no molde, recuar o êmbolo do cilindro alimentador, ''prensar o estampo sobre a peça (deve-se aguardar um tempo de dois segundos com a peça sendo prensada), atuar o extrator e o bico de ar para retirada da peça pronta. O Grafcet que modela o automatismo da máquina pode, então, ser representado conforme a ilustração seguinte: Automação Industrial Automação Industrial 42

47 Observa-se que se trata de uma sequencial linear de seis etapas. A etapa inicial não tem ações específicas, senão apenas a de aguardar a autorização de funcionamento por parte da chave PTD. Vê-se ainda que as ordens de acionamento das eletroválvulas EV2 e EV4 repetem-se por mais de uma etapa, que é um procedimento aceitável na modelagem, mas que poderia também ser modelado utilizando-se ordens do tipo S e R (memorizada), conforme visto na ilustração 4.12 anteriormente Seleção Entre Sequências Uma estrutura com seleção entre sequências é utilizada quando ocorrem situações em que uma determinada sequência deva ser executada em detrimento de outras "que serão desviadas. Tal situação é graficamente representada por um elemento denominado divergência seletiva, ou simplesmente divergência em OU. Neste caso, a divergência seletiva deve ser, obrigatoriamente, antecedida por uma etapa e, obrigatoriamente, sucedida por sequências iniciadas com transições, sendo importante ainda frisar que tais transições devem ser receptivas preferencialmente a condições lógicas mutuamente exclusivas entre si. Para o caso em que duas transições posteriores a uma divergência seletiva possam ocorrer simultaneamente (receptividades correlatas), o Grafcet deve ser interpretado de maneira tal que a sequência situada mais à esquerda terá prioridade de execução. Já o retorno do Grafcet a uma estrutura linear é representado graficamente por um elemento denominado convergência seletiva, ou simplesmente convergência em OU. Uma convergência seletiva deve ser, obrigatoriamente, sucedida por etapa, e precedida por sequências finalizadas por transições. Exemplificando pela ilustração anterior, tem-se que a situação passa da etapa E2 ativa para E3 ativa somente se ocorrer a transição T2, ou a situação passa da etapa E2 ativa para E4 ativa somente se ocorrer a transição T3 isolada da ocorrência da transição T2. Ainda neste caso, a situação evolui da etapa E3 ativa para E5 ativa somente quando a transição T4 ocorrer, ou ainda passa da ativa E4 ativa para E6 ativa somente quando a transição T5 ocorrer. A fim de serem evitadas ambiguidades de interpretação, não é recomendável uso de cruzamento entre arcos, devendo-se optar por uma representação tal como exemplificado pelas ilustrações seguintes. Automação Industrial Automação Industrial 43

48 O exemplo apresentado em seguida ilustra a modelagem para fornecimento de bebidas quentes de três tipos, a qual inclui estruturas de seleção entre sequências. Exemplo de Estrutura com Seleção de Sequência Trata-se de uma máquina dispensadora de bebidas quentes que pode fornecer as seguintes opções ao usuário: B1 - café puro, B2 - café com leite e B3 - chocolate quente, escolhida por uma chave seletora (B) de três posições. O sistema é dotado de cinco reservatórios: R1 - café solúvel, R2 - leite em pó, R3 - chocolate, R4 - açúcar e R5 - água quente. A dosagem de cada produto no copo descartável é feita pela abertura temporizada de válvulas VR1, VR2, VR3, VR4 e VR5 respectivamente. Há também um dispositivo eletromecânico (AC) para alimentação de copo descartável, o qual posiciona corretamente apenas um copo a cada vez que for atuado. O sistema prevê ainda três níveis de liberação de açúcar: Al - amargo, A2 - doce, A3 - extradoce, ajustado por uma chave seletora (A) de três posições. Como condição inicial de funcionamento, (um copo deve ser posicionado corretamente, o qual é monitorado pelo sensor SC. Como condição de finalização, o copo cheio deve ser retirado. Assim, com a condição inicial satisfeita, um nível de açúcar e um tipo de bebida préselecionados, com o pressionar da botoeira de partida inicia-se o processo de preparo pela abertura temporizada das eletroválvulas. Automação Industrial Automação Industrial 44