ESPECIALIZAÇÃO EM MECATRÔNICA Prof: Eduardo A P Santos Pontifícia Universidade Católica do Paraná / PUC-PR CCET Engenharia de Controle e Automação Rua Imaculada Conceição, 1155 - Prado Velho Cep 80215-901 - Curitiba - Paraná - Brasil Telefone (41)330.1332 Email portela@ccet.pucpr.br Sumário: Sistemas Contínuos e Sistemas a Eventos Discretos Controladores Lógicos Programáveis Programação: lista de instruções, diagrama de contatos, diagrama funcional (IEC 848) Método passo a passo para a execução de comandos seqüenciais Comando seqüenciais com programas especiais 1
Sistemas Contínuos versus Sistemas a Eventos Discretos Breve histórico Interesse inicial por sistemas que evoluem continuamente. Como leis de movimento e de conservação de energia; Modelagem por meio de equações diferenciais e de diferença. 2
Sistemas a Eventos Discretos Tecnologia moderna despertou interesse por sistemas a eventos discretos (SEDs) SED: sistema cujos estados mudam em pontos discretos no tempo em resposta a ocorrência de um evento Sistemas de Manufatura Redes de Computadores Circuitos Integrados Um conjunto de estados discretos; Cada transição é resultado da ocorrência de um evento. Ex: Mensagem recebida Tarefa finalizada Máquina falhou Processo ativado A noção do tempo descrita pela variável independente do tempo no sistema contínuo é substituída pela seqüência de eventos no sistema discreto. 3
Trajetória de Sistemas a Variáveis Contínuas e de Sistemas a Eventos Discretos x(t) s 6 X = R s 5 s 4 s 3 s 2 X = {s 1, s 2, s 3, s 4, s 5, s 6 } t s 1 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t e 1 e 2 e 3 e 4 e 5 e 6 e 7 e Controle de sistemas contínuos versus controle de SEDs Controle de Sistemas Contínuos: preocupação com a instabilidade do sistema, geralmente associada ao crescimento ilimitado de sinais. Controle de Sistemas a Eventos Discretos: preocupação com o conflito, o bloqueio, a parada total da evolução dos sinais. 4
Controladores Lógicos Programáveis - CLPs O controlador Definição (norma IEC 1131-1): Um sistema eletrônico digital a ser utilizado na indústria que contém uma memória programável capaz de armazenar internamente instruções de comando orientadas ao usuário. Possibilitam a implementação de funções específicas, como p. ex. controles lógicos, controles seqüenciais, funções de temporizacão, de contagem e aritméticas, visando o controle de diversos tipos de máquinas e processos através de sinais de entrada e saída digitais ou analógicos. O controlador lógico programável e os periféricos correspondentes (sistema CLP) são concebidos de modo que possam se integrados facilmente em sistemas industriais de comando e serem aplicados em todas as funções a eles designadas. Controladores Lógicos Programáveis - CLPs Histórico: Desenvolvido a partir da indústria automobilística para substituição dos painéis de controle a relés; Na década de 70 os controladores passaram a ter microprocessadores, sendo então denominados Controladores Programáveis. 5
Estrutura Básica do CLP CPU: processador (microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado), sistema de memória e circuitos auxiliares de controle Circuitos/Módulos de I/O: discretos (12Vdc, 24 Vdc, 110 Vdc) ou analógicos (0-20 ma, 4-20 ma) Fonte de Alimentação: alimentação CPU e módulos de I/O Base ou Rack: conexão mecânica, elétrica. Barramento de comunicação e alimentação Módulos especiais: contador rápido( 5KHz, 100Khz,...), controlador de temperatura (termopares), comunicação (barramento de eixo), servomotores, motor de passo, etc 6
Módulos de comunicação - são responsáveis pela comunicação entre o controlador programável e um terminal de programação; um controlador programável e um computador; entre diversos controladores interligados em rede conectados ou não à um computador. Os principais meios de comunicação são: porta serial(rs 232, RS 485, RS 422), protocolo TCP/IP Ethernet, fieldbus, profibus, protocolos proprietários (específicos para fabricante) 7
Módulos especiais - são disponíveis ainda, de acordo com os fabricantes módulos especiais tais como: módulo de controle PID, módulos de contagem de alta frequência, módulos para aquisição de dados de baixa tensão oriundos de termopares ou extensômetros de resistência configurados em ponte de Weathstone módulos para controle de servomotores ou motores de passo dentre outros. 8
CLASSIFICAÇÃO CLPs Micros CLPs: até 64 pontos de I/O e até 2 Kwords de memória. Pequenos CLPs: de 64 a 512 pontos de I/O e até 4 Kwords CLPs Médios: de 256 a 2048 pontos de I/O e dezenas de Kwords CLPs Grandes: acima de 2048 pontos de I/O e centenas de Kwords 9
1 CPU Profibus FMS Ethernet 1 CPU ProfibusDP 1 CPU ProfibusFMS 64 I/O DIGITAIS 24 VCC Sistema de Visão I/O-Interface 48 I/O DIGITAIS 24 VCC 64 I/O DIGITAIS 24 VCC 1 CPU 1 CPU Profibus FMS 48 I/O DIGITAIS 24 VCC I/O-Interface 1 ProfibusFMS 64 I/O DIGITAIS 24 VCC 1 Profibus FMS 1 Profibus FMS LAN AS / RS MANAGER S C A D A CONTROLLER PPS- COMPUTER SPC - CONTROLER #22 #20 #24 FMS #8 #30 #32 #34 #36 #38 I/O-Interface PLC SIEMENS 48 I/O DIGITAIS 24 VCC 3 SERVO MOTORES PLC SIEMENS PLC GE Fanuc 1 Profibus DP 1 CPU I/O-Interface DP Robot Controler Ria-Box I/O-Interface Robot Controler PLC SIEMENS 2 I/O ANALÓGICAS 12 BITS 2 SERVOS MOTORES I/O-Interface I/O-Interface Ria-Box Robot Controler I/O-Interface IPC 48 I/O DIGITAIS 24 VCC 1 CPU Robot Controler IPC 16 I/O DIGITAIS 24 VCC 1 CPU 1 COM 1 ASI Interface IPC 16 I/O DIGITAIS 24 VCC 1 CPU 1 COM 1 ASI Interface AS / RS STORAGE OF ALL MATERIAL VME INDUSTRIAL ROBOT (5 AXIS) ASSEMBLY OF CYLINDERS MIG / MAG WELDING INDUSTRIAL ROBOT (6 AXIS) Area controller 2 C N C MILLING MACHINE CNC PRODUCTION C N C LATHE CNC PRODUCTION Area controller 1 Robot- Controler CICLO RESUMIDO de Execução do PLC 10
Atualização da Entradas - Leitura das Entradas CPU - leitura de todos os pontos de entrada - armazena na Tabela de Imagem - em 1 bit de uma word Execução da Lógica de Controle da aplicação 11
Atualização das Saídas - escrita das saídas Scan Time : tempo consumido pela CPU para realizar todas as tarefas em um scan, desde o início (Atualização das Entradas) até o término do ciclo (Atualização das Saídas) Fatores que influenciam diretamente o Scan Time: Quantidade de módulos e pontos de entrada ("Atualização das entradas") Tamanho do Programa de Aplicação e Tipo das Instruções utilizadas ("Execução do Programa de Aplicação") Quantidade de módulos e pontos de saída ("Atualização das Saídas") 12
O Scan Time influencia: O Tempo de Resposta de I/O Fatores de Influência no Tempo de Resposta de I/O: O ponto (segmento) do scan que houve alteração do Ponto de Entrada O Tempo de resposta do módulo de entrada (0->1 e 1->0) O Tempo de resposta do módulo de saída (0->1 e 1->0) Tempo de Resposta de I/O Mínimo: 13
Tempo de Resposta de I/O Máximo Tentativas para melhora do Tempo de Resposta de I/O: Instruções com Tempo de Execução Menores - diminuindo o Scan Time Módulo de I/O com Tempo de Respostas Menores - mais rápidos 14
LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO DE CLPs A norma IEC 61131-3 trata sobre: Modelo de Programação e de Software (Linguagens de Programação) As linguagens mais comuns são: Ladder (LD - Ladder Diagram) ou Diagrama de Contatos Lista de Instruções(IL - Instruction List) Texto Estruturado (ST - Structured Text) Diagrama de Blocos (FBD - Function Block Diagram) Diagrama Funcional Sequencial (SFC - Sequential Function Chart) Atualmente são encontrados PLCs com programação em C e Basic Linguagens textuais 15
Linguagens gráficas SFC (Sequential Flow Chart) segundo IEC 848: Descrição adequada para controle sequencial e para descrição de paralelismo Caracterizado por passos e transições Baseada nas Redes de Petri - técnicas para representação efetiva das especificações de funcionamento de sistemas. a) Diagrama Ladder b)diagrama de blocos c)fluxograma d)diagrama funcional 16
LINGUAGEM LADDER (LD - Ladder Diagram) Primeira linguagem criada para programação de PLCs - tenta aproximar a representação dos esquemas elétricos - contatos e bobinas - relés. Possui regras para posicionar e conectar elementos como contatos e bobinas; Estrutura simples: 17
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TEMPORIZADORES temporização na energização 20
temporização na desenergização temporização na energização e na desenergização 21
SEQUENCIAL FLOW CHART (SFC) IEC 848 Técnica derivada das Redes de Petri A norma IEC 848 unificou na nomenclatura function chart os procedimentos do diagrama GRAFCET da norma francesa e os do diagrama funcional Funktionsplan - da norma alemã, DIN 40719. Forma de representação gráfica explícita e clara das funções de controle para aplicações industriais. DIAGRAMA FUNCIONAL 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. 22
ELEMENTOS DO DIAGRAMA FUNCIONAL 1. ETAPAS Significa um estado no qual o comportamento do circuito de comando não se altera frente as suas entradas e saídas; Mostra a situação que o sistema se encontra (etapas ativas e inativas); Etapa inicial etapa que se torna ativa logo após o funcionamento do sistema. 2. TRANSIÇÃO Significa a possibilidade de evolução do diagrama funcional de uma situação para outra; Transição válida todas as etapas imediatamente precedentes e ligadas a ela estiverem ativas; Passagem de uma situação à seguinte s ó é possível com a validade de uma transição 23
3. ARCOS ORIENTADOS Indicam a sequencialização do diagrama funcional pela interligação de uma etapa a uma transição e desta a outra etapa sucessivamente; 4. AÇÃO Representam os efeitos que devem ser obtidos sobre o mecanismo controlado em uma determinada situação; Pode tamb ém representar uma ordem de comando; As ações só podem ser realizadas quando sua etapa correspondente estiver ativa; Estrutura Exemplos de ações 24
As ordens podem ser "encapsuladas" em ações sob a forma de diagramas de contato (ladder), ou outra forma de linguagem de programação ex. sws atuais para CLPs; As ordens de comando contidas em ações podem atuar em: Elementos físicos do mecanismo controlado (ex. saídas do CLP); Elementos auxiliares de comando (temporizadores, contadores, memórias etc); Interfaces homem-máquina (monitores, supervis órios etc) Tipos das ordens de comando: 25
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a) Repetição em etapas consecutivas; b) Estrutura em paralelo equivalente Memorizada (S ou R) 27
5. RECEPTIVIDADE É uma função lógica combinacional associada a cada transição; Uma receptividade em estado lógico verdadeiro -> ocasiona uma transição válida; Elo de ligação entre a lógica combinacional e sequencial do sistema; Representados por variáveis lógicas -> I/Os do sistema, variáveis internas de controle, informações sobre o estado de uma etapa (ativa/inativa) etc Receptividade 28
Detecção de Bordas Uma receptividade pode estar associada ao sentido de comutação -> borda de subida, borda de descida; Para identificação do instante exato do evento - p.ex. pressionamento de uma botoeira; COMPORTAMENTO DINÂMICO 1. SITUAÇÃO INCIAL Corresponde ao conjunto de etapas que deve estar ativo quando do início do funcionamento do sistema de comando; Define o comportamento inicial do sistema em relação ao mecanismo controlado Inicialização do sistema, situações de repouso ou referenciação do sistema de comando 29
2. EVOLUÇÃO ENTRE SITUAÇÕES A evolução de uma situação para outra correspondente à ocorrência de uma transição, que ocorre quando: Transição válida e Receptividade associada a esta transição estiver verdadeira. A ocorrência de uma transição tem tempo impulsional - tempo do ciclo de varredura do CLP; 3. ESTRUTURA SEQUENCIAL Sequência única cadeia de etapas e transições dispostas de forma linear -> -> cada etapa seguida por uma única transição e esta seguida de apenas uma etapa -> -> não existem desvios ou paralelismos. Estrutura linear Erros de sintaxe 30
Exemplo de Sequência Linear: Equipamento para estampar peças plásticas Saídas: (cilindros - ação simples e retorno por mola) dispositivo de carregamento de peças (gravidade); cilindro 1 (alimentador) : EV1 (solenóide); cilindro 2 (estampador) : EV2; cilindro 3 (extrator) : EV3; EV4 : sopro ar comprimido - retirada peça Entradas: (sensores indutivos) Sensores S1, S2 e S3 (máxima excursão dos cilindros) ; Foto Sensor F1: detecção de peça; Chave de partida PTD: botoeira de start. Condição inicial: cilindros não avançados - EVs desligadas Funcionamento: avança cilindro 1, retorna cilindro 1, estampo por 2s, retorna estampo, avança cilindro 3 - aciona ar. 31
Solução 4. SELEÇÃO ENTRE SEQUÊNCIAS Desvio de sequências para a execução de uma em específico Divergência seletiva ou Divergência em OU; Para o caso de transições posteriores a uma divergência seletiva possam ocorrer simultaneamente (receptividades correlatas) O diagrama funcional dá prioridade de execução à seqüência situada mais à esquerda; Retorno do diagrama funcional à uma estrutura linear -> convergência seletiva, convergência em OU 32
Exemplo: Não é recomendável o uso de cruzamento de arcos - evitar ambiguidades de interpretação; 33
Exemplo de estrutura com Seleção de Sequência: Máquina dispensadora de bebidas quentes Solução 34
5. CASOS PARTICULARES DE SELEÇÃO ENTRE SEQUÊNCIAS Ocorrem quando necessita-se modelar: Salto de sequência; Repetições (na execução de uma determinada sequência) Saltos: a) de sequência b) de etapa c) de retrocesso ou com repetição 35
Exemplo de estrutura com Repetição de Sequência: Sistema para carregar vagões. Saídas: Esteira : motor M Solenóide Y1 : liberação de produto na esteira Trava solenóide Y2 : em repouso ocorre a trava Entradas: Comando de partida PTD Sensor de peso B1 Sensor presença do vagão S3 Funcionamento: Partida - pronto para funcionar; Chegada do vagão aciona-se a esteira - sendo desligada somente após o último vagão ser carregado; A identificação do último vagão é feito por uma supervis ão de tempo de 15 s após a saída do vagão anterior (carregado); Posicionado o vagão e não cheio - abre-se libera -se material na esteira e trava-se o vagão; Após cheio - aguarda-se 7s (para esvaziamento da esteira) após o vagão é destravado 36
Solução 6. PARALELISMO Duas ou mais sequências devem ser executadas ao mesmo tempo -> -> estrutura gráfica representada pela divergência simultânea ou divergência em E. Modelagem de mecanismos independentes pertencentes ao mesmo sistema comandado e que devem ter suas atividades assincronamente concluídas para dar continuidade ao processo; O retorno do diagrama funcional a estrutura linear é representado por um convergência simultânea ou convergência em E; Um paralelismo só é encerrado quando todas as suas sequências estivem concluídas ou -> -> quando a etapa final de cada uma das sequências estiver ativa. 37
Estrutura 38
Método passo-a-passo generalizado Requisitos de Comportamento Requisitos: Custo, Ambiente, Manutenção, Rapidez Soluções Similares Diagrama Pneumática Pura Método Passo-a- Passo Generalizado Diagrama Funcional + Diagrama Lógico Seleção da Tecnologia Diagrama Eletropneumática com Relés Características: Pneumática, Relés, CLP s Diagrama de Contatos 39
a) Elementos principais de um diagrama funcional (IEC 848) b) Diagrama l ógico correspondente ao passo n E1 E2 Ej & Passo n-1 Mn-1 E1 E2 & Condição lógica de prosseguimento Passo n S1 - ação Ej Mn+1 R 1 S R Mn Passo n+1 Mn 1 S1 a) b) Diagrama l ógico correspondente ao passo inicial i Mi-1 E1 E2 & Ej R 1 S Mi Mi+1 R 40
M n-1 T n & S M n-1 T n S M n M n R M n Princípio de solução por programação para a lógica dos passos M último M n+1 RS >1 R M n+1 RS S M 0 passo & M último passo T 0 T 0 >1 RS S M 0 RS M 1 R R M 0 M 1 Princípio de solução pneumático para a lógica dos passos Mn-1 E1 E2 & Mn-1 Mn Mn+1 Ej S Mn Mn+1 R 1 R En R a) Mi-1 E1 E2 & Mi-1 Mi Mi+1 Ej R 1 S Mi Mi+1 R En R b) 41
Esboço do sistema de elevação de embalagens 1S0&2S1 Diagrama trajetopasso do sistema de elevação de embalagens 1A 2A 1 2 3 4 2S2 1S1&2S0 1S2 5 2S1 3S2 3A 0 1S0 2S1 & 1 1A- 1S1 Diagrama funcional do sistema de elevação de embalagens 1S1 2S0 & 2 2A+ 2S2 2S2 3 1A+ 1S2 1S2 4 3A+ 3S2 3S2 5 3A- 2A- 2S1 =1 42
1S0 M5 M1 M0 M0 R 2S1 M0 R M2 M1 M1 Diagrama de contatos 1S1 2S2 M2 2S0 M1 M2 R R M3 M4 M2 M3 M3 Sistema de elevação de embalagens 1S2 3S2 M4 M5 M3 M4 R R M5 M1 M4 M5 M1 Y2 M2 Y3 M3 Y1 M4 Y5 Y6 M5 Y4 Solução pelo método passo a passo generalizado com princípio de solução pneumático 1A 1S1 1S2 2A 2S1 2S2 3A 3S2 1V1 2V1 3V1 1 2 3 4 5 0V1 1V2 2V2 2S1 1S0 1S1 2S0 2S2 1S2 2S2 43