LÓGICA SEQUENCIAL O DIAGRAMA SFC

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1 LÓGICA SEQUENCIAL A programação de processos automatizados é uma tarefa que exige organização de raciocínio e pensamento estruturado. Neste texto será mostrado como utilizar a modelagem de processos seqüenciais através dos diagramas SFC. Sua estruturação, comportamento dinâmico, assim como as principais regras normalizadas pela IEC serão os principais tópicos a serem aprendidos. Este conhecimento será de fundamental importância para interpretação dos Estudos de Casos, bem como dos Projetos Propostos na disciplina. O DIAGRAMA SFC Os SFC constituem-se em uma forma padronizada para representar graficamente o comportamento da parte de comando de um sistema automatizado. São formados 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 caracterizado como receptividades e ações, e por regras de evolução que definem formalmente o comportamento dinâmico dos elementos comandados. Figura 1 - Elementos de um SFC Das cinco linguagens para programação de CLP, pode-se destacar o Sequential Function Chart - SFC, como uma ferramenta de nível superior às quatro outras. O SFC teve origem na França com o nome de Grafcet, donde foi oriundo da teoria das Redes de Petri. Em 1988, foi normalizado pelo IEC (International Electrotechnical Comission) conforme publicação 848. Mais tarde, construtores de CLP e produtores de software escolheram o SFC como a linguagem formal para controle seqüencial. 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 de sistemas automatizados devido a uma série de benefícios apresentados. Por exemplo, o SFC tem grande poder expressivo, o mesmo poder expressivo de Diagramas de Estado e de Redes de Petri, que eram consideradas as ferramentas mais apropriadas para modelar sistemas dinâmicos. Também o formalismo gráfico presente nos diagramas SFC oferece a possibilidade de se criar sistemas com alto nível de detalhes e características. Este

2 formalismo gráfico pode ser usado desde o início de um projeto de automação, dando assim a primeira representação formal do comportamento do sistema. Esta é uma importante ferramenta na análise preliminar, onde muitos aspectos do projeto de automação ainda estão desconhecidos ou indefinidos pelo programador. Aliás, do mesmo modo que o SFC é importante no design preliminar, também o é no detalhamento. O projeto inicial pode ser gradualmente refinado, sendo adicionado de novas etapas ou transições. Outras vantagens do SFC que também podem ser citadas incluem o fato de existir uma conexão natural do SFC com outras linguagens presentes na norma, o que possibilita a divisão do programa em vários subprogramas de acordo com a necessidade do programador em fazer uso das outras linguagens. Além do mais na estrutura de um SFC, observa-se claramente a existência de três objetos de software básicos, quais sejam as transições, as etapas e as ações. Assim, se cada um desses objetos for corretamente especificado na programação do CLP em qualquer uma das outras quatro linguagens, obter-se-á como resultado uma implementação isenta de erros, ou seja, as dificuldades inerentes à formação da seqüência lógica na programação tornam-se transparentes, obtendo-se rapidamente uma implementação prática e funcional. Para uma melhor compreensão dos elementos que compõem um SFC será a seguir apresentada uma descrição detalhada de cada um dos elementos que o compõe. ETAPAS: Representam um estado do comportamento do circuito de comando. A norma IEC para a programação de controladores programáveis representa a etapa por um retângulo. Existem dois tipos de etapas, as normais e a inicial. As etapas normais são exibidas em caixas retangulares com o nome da etapa no interior, já a etapa inicial possui barras verticais nas laterais do retângulo. A sua simbologia é exibida na próxima figura. Figura 2 - Representação de: (a) uma etapa, (b) uma etapa inicial Uma etapa pode estar ativa ou inativa. O estado total, ou situação, do sistema é determinado pelo conjunto de etapas ativas. TRANSIÇÕES: São os elementos que promovem a mudança de situação de um SFC. Representa-se uma transição através de um traço perpendicular aos arcos orientados. 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 a situação seguinte num SFC só é possível através da ocorrência de uma transição. Transições somente ocorrem se estiverem válidas. Para efeitos de estado de uma transição ocorrer significa que a receptividade da transição tornou-se verdadeira.

3 Figura 3 - Exemplo de transição Na ilustração anterior, por exemplo, vê-se que a transição que irá promover a mudança de situação da etapa E15 para a etapa E16 é receptiva à variável SENSOR. Logo, esta transição ocorrerá quando esta variável for para nível lógico verdadeiro, e isto apenas enquanto a transição estiver válida, ou seja, apenas quando a etapa E15 estiver ativa. AÇÕES: Significam aquilo que realmente é executado durante o estado ativo de uma etapa. Estas ordens emitidas pelo CLP são de tal natureza que, durante o estado ativo das etapas, tais ações podem ter comportamento contínuo, memorizado, condicionado, ou ainda temporizado. Este comportamento é definido através de qualificadores de ação. A ação associada à etapa é definida por declaração textual ou simbólica inserida em um retângulo, conectado ao lado direito da etapa correspondente, conforme ilustra a figura a seguir, onde a letra N indica o qualificador do tipo de ordem da ação MOTOR. Figura 4 - Representação de uma ação e seu qualificador Para representar mais de uma ação associada à mesma etapa, utiliza-se da forma apresentada na figura abaixo. Figura 5 - Representação de várias ações associadas a uma mesma etapa Na tabela abaixo, mostra-se os vários tipos de ordens padronizadas para ações, também chamadas de Qualificadores de Ação.

4 Quadro 1 - Qualificadores de ações QUALIFICADOR N S R L D P SD DS SL <condição> DESCRIÇÃO Não armazenado, executa enquanto o passo associativo estiver ativo. Seta, isto é, memoriza uma ação ativa. A ação continuará a ser executada até um qualificador R ser encontrado. Desliga uma ação memorizada. Ação limitada no tempo, ou seja, termina após um período estipulado (requer período de tempo). Ação com atraso de tempo, ou seja, começa após um período de tempo (requer período de tempo). Uma ação pulsada (com duração de um ciclo de varredura do CLP) que só é executada uma única vez quando a etapa é ativada e uma vez quando a etapa é desativada. A ação é atrasada no tempo e armazenada. A ação é memorizada após um tempo estipulado, mesmo que a respectiva etapa seja desativada antes do tempo de atraso (requer período de tempo). A ação é atrasada no tempo e armazenada. Se a etapa associada é desativada antes do período de atraso, a ação não é armazenada (requer período de tempo). Armazenada e limitada no tempo. A ação é iniciada e executada por um período de tempo (requer período de tempo). A ação somente será executada se a condição especificada for verdadeira. nenhum O mesmo que N. É importante salientar que uma ação é dita memorizada quando continua após a desativação da etapa associada, até que um qualificador R seja encontrado. Deve-se tomar cuidado com as ações armazenadas que começam muito tempo após seus estados terem sido desativados porque isto torna os programas confusos e de difícil depuração. O comportamento temporal destes qualificadores pode ser observado nos diagramas a seguir: Figura 6 - Comportamento do qualificador N

5 QUALIFICADOR DE AÇÃO MEMORIZADA Os qualificadores S e R têm, respectivamente o papel de memorizar ligado e desligado a ação. Seu efeito se estende para além da etapa a que pertence. Para o SFC abaixo, por exemplo, observa-se que a variável ACAO irá ser ligada na etapa E1 permanecendo neste estado até a etapa EM, quando então a mesma será desligada. Figura 7 - Comportamento dos qualificadores S e R QUALIFICADORES DE AÇÃO TEMPORIZADA Os seis qualificadores apresentados a seguir atuam de forma a alterar o comportamento temporal das ações. O qualificador L faz com que a ação seja executada durante a etapa que o contém, porém com um período de tempo limitado ao valor estipulado. O diagrama a seguir exemplifica este comportamento. Observe que se a etapa for desativada em um período de tempo menor do que o especificado pelo qualificador L, então a ação será desligada.

6 Figura 8 - Comportamento do qualificador L O qualificador D realiza um retardo (delay) para que a ação ocorra. Uma vez decorrido este retardo a ação é executada e assim permanece enquanto perdurar o período de ativação da etapa. Observe que se a etapa for desabilitada antes do período de retardo especificado, então a ação sequer será executada.. Figura 9 - Comportamento do qualificador D O qualificador de ação P apresenta uma característica similar ao qualificador L, com a diferença de que aqui o tempo de execução da ação é limitado ao período de um ciclo de varredura do controlador, ou ainda o que equivalente a um pulso de controle. Este tipo de ação é empregado apenas para execução de ações lógicas a nível de controle.

7 Figura 10 - Comportamento do qualificador P Os qualificadores SD, DS e SL referem-se a um uso combinado do qualificador de ação memorizada S em conjunto com temporizadores. O qualificador SD realiza o comando de retardo para execução da ação; a qual será ligada de forma memorizada independente da etapa que lhe deu origem permanecer ativa. O diagrama abaixo ilustra este comportamento. Observe que uma ação de memorização desligada deve ser aplicado para que a execução da ação seja interrompida. Figura 11 - Comportamento do qualificador SD O qualificador de ação DS, realiza um efeito similar, porém com a diferença de que a ação somente será memorizada em estado ligado se a etapa de origem permanecer ativa durante o período de retardo do comando. O diagrama a seguir esclarece este fato.

8 Figura 12 - Comportamento do qualificador DS Por fim, o qualificador SL ocasiona um comportamento de execução da ação similar ao qualificador L, com a diferença de que ao contrário deste agora a ação continua a ser executada mesmo que a etapa de origem venha a ser desativada. O diagrama a seguir mostra este comportamento. Figura 13 - Comportamento do qualificador SL

9 ARCOS ORIENTADOS As etapas são conectadas às transições, e estas às etapas novamente, através dos arcos orientados. De forma preferencial, são representados de forma vertical ou horizontal. As duas regras básicas para as conexões entre as etapas e transições e vice-versa são: 1) Duas etapas nunca podem ser conectadas diretamente, portanto, devem ser separadas por uma única transição; 2) Duas transições nunca podem ser conectadas diretamente, portanto, devem ser separadas por uma única etapa. Figura 14 - Arcos orientados Convencionalmente, o sentido de evolução de um SFC é de cima para baixo, entretanto para indicar o retorno para uma determinada etapa, e para melhorar o entendimento em certas ocasiões, utilizam-se setas, como pode ser visualizado na figura a seguir. Figura 15 - Indicação de retorno em um arco RECEPTIVIDADE Receptividade é a função lógica associada a cada transição. Quando em nível lógico 1, uma receptividade irá ocasionar a ocorrência de uma transição válida. Uma receptividade pode então ser encarada como o elo existente entre a lógica condicional e a lógica seqüencial. Uma receptividade, na prática, pode representar variáveis lógicas tais como sinais de entrada do sistema, variáveis internas de controle, resultado de comparações com contadores ou temporizadores, informações sobre o estado de uma etapa ou ainda condicionada a uma determinada situação do SFC.

10 A figura a seguir mostra um caso em que a informação do estado da etapa E2 é utilizada como receptividade para a transição entre as etapas E3 e E4. Figura 16 - Exemplo de uma receptividade associada a uma ação REGRAS DE EVOLUÇÃO Partindo dos elementos apresentados, pode-se montar diagrama SFC. A dinâmica de evolução deste diagrama é definida pela ativação e desativação de etapas, provocada pelos disparos de transições e esta dinâmica precisa seguir algumas regras de evolução. A norma IEC define um número de restrições na maneira como os SFC são projetados e interpretados para que o resultado final seja livre de ambigüidade. A seguir são apresentadas as principais interpretações. A situação inicial de um SFC corresponde ao conjunto de etapas que deve estar ativo para o início do funcionamento, sendo que obrigatoriamente deve haver pelo menos uma etapa. Esta etapa deve ser grafada com linhas duplas, para poder se diferenciar das demais. Figura 17 - Representação de uma etapa inicial ativa A situação inicial corresponde ao conjunto das etapas que se tornam ativas ao inicio da execução do controle; podendo ou não ser executadas de forma cíclica.

11 Figura 18 - Etapa inicial (a) Cíclica, (b) Somente no primeiro ciclo. Duas etapas não podem ser diretamente ligadas, elas devem ser separadas por uma transição. Duas transições nunca podem estar diretamente ligadas, elas devem ser sempre separadas por uma etapa. Figura 19 - Transições separadas por uma etapa Se uma transição, a partir de uma etapa, leva a duas ou mais etapas, então estas etapas iniciam seqüências simultâneas. Seqüências simultâneas continuam independentemente. Figura 20 - Seqüências simultâneas

12 Ao projetar um SFC, o tempo para realizar uma transição e desativar etapas anteriores e ativar etapas posteriores, deve ser considerado nulo. Quando mais de uma condição de transição é verdadeira ao mesmo tempo, o tempo de ativação e desativação das etapas associadas deve ser considerado nulo. A condição de transição de uma etapa não é avaliada até que todo o comportamento resultante da etapa ativa tenha se propagado. Por exemplo, se uma etapa foi ativada com a sua transição de saída sempre verdadeira, todas as ações serão executadas uma vez, antes de a etapa ser desativada. Quando existem duas ou mais transições a partir da mesma etapa, existe conflito sobre qual o caminho a ser seguido. Mesmo que várias transições sejam verdadeiras simultaneamente, somente um caminho é selecionado. O caminho selecionado é determinado pela precedência da transição. Esta situação é chamada de divergência seletiva ou divergência em OU. Figura 21 - Divergência seletiva O padrão é que a avaliação ocorra da esquerda para a direita, caso deseje-se a inversão desta ordem, deve-se numerar os arcos orientados, indicando a seqüência desejada e colocando-se um asterisco na junção. Para evitar estes problemas, devem ser utilizadas expressões mutuamente exclusivas. Figura 22 - Caminhos mutuamente exclusivos Pode-se ainda saltar uma seção de uma seqüência, para isso, utiliza-se um caminho divergente. Este caminho não conterá passos e servirá apenas para saltar sobre o caminho alternativo.

13 Figura 23 - Salto de seqüência Além do salto de seqüência, pode-se saltar para uma etapa anterior, o que configura um laço, ou loop. Figura 24 - Loop de seqüência Quando há a necessidade de duas ou mais seqüências serem executadas ao mesmo tempo, utiliza-se a estrutura gráfica denominada de divergência simultânea, ou divergência em E. Neste caso ocorre o paralelismo das seqüências.

14 Para que a representação de uma divergência simultânea esteja correta, é necessário que seja antecedida por uma transição e sucedido por seqüências iniciadas por etapas. O retorno do SFC a uma estrutura linear é então representado graficamente por um elemento denominado convergência simultânea, ou simplesmente conversão em E. Um paralelismo só é encerrado quando todas as suas seqüências estiverem concluídas, ou seja, quando a etapa final de cada uma das seqüências estiver ativa. Uma convergência simultânea deve ser obrigatoriamente sucedida por transição e precedida por seqüências finalizadas com etapas. A figura a seguir mostra a forma correta para a condição de paralelismo: Figura 25 - Estrutura de um paralelismo