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CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS Professor : Jair Jonko Araujo.

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1 CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS Professor : Jair Jonko Araujo

2 Sumário  Tipos de indústrias;  Níveis de Controle;  Conceitos: SVC, SED, Classificação dos dispositivos;  CLP: Histórico, componentes, funcionamento, classificação, exemplos;

3 Introdução – Conceitos Básicos

4 Tipos de Indústria  Manufatura produzir um bem qualquer utilizando ferramentas ou máquinas (transformação mecânica através de sucessivas operações);  Processo Conjunto de operações/transformações realizadas sobre um material, com a finalidade de variar suas propriedades físicas/químicas. Processos podem ser contínuos ou descontínuos (batch).

5 Níveis de controle - Funções Gerenciamento Supervisão COMUNICAÇÃO Laço de Controle Sensores / Atuadores COMUNICAÇÃO

6 Níveis de Controle(1)

7 Níveis de Controle(2)

8 Níveis de Controle(3)

9 Conceitos  Controle é “aplicação de uma ação pré- planejada para que aquilo que se considera como objeto de controle atinja certos objetivos” (Miyagi, 1996).  Sistemas de controle:  SVC (sistemas de variáveis contínuas) igualar o valor de uma variável física (var. de controle) a um valor de referência;  SED (Sistema de eventos discretos) execução de operações conforme procedimento pré-estabelecido.

10 Conceitos Valores de referência ReguladorAtuador Detector Objeto de controle Sinais de realimentação Variáveis de atuação Variáveis controladas Dispositivo de Controle (SVC) Dispositivo de Controle (SED) Comandos de tarefa Processador de Comandos Atuador Detector Objeto de controle Estados Variáveis de atuação Variáveis controladas Camandos de Controle

11 Conceitos Operador/ Usuário Dispositivo de Comando Dispositivo de Controle Dispositivo de Monitoração Dispositivo de Realização do Controle Dispositivo de Atuação Dispositivo de Detecção Objeto de Controle Instalações/Máquinas Sistema de Controle Recursos Produtos Sistema de Controle SED

12 Conceitos  Dispositivos de comando (E): botoeiras, chaves rotativas, etc;  Dispositivos de atuação(S): contatores, solenóides(válvulas), servo-motores, etc;  Dispositivos de detecção(E): chaves fim de curso, potenciômetros, sensores, encoders, etc;  Dispositivos de monitoração(S): lâmpadas, buzinas, displays, registradores, etc.  Dispositivos de Realização: circuitos elétricos, CLPs, etc.

13 Dispositivos - Exemplos

14 CLP – Controlador Lógico Programável

15 Histórico  Até o final da década de 60 os sistemas de controle eram eletromecânicos (realizados para armários/quadros de relés);  Ocupavam muito espaço e eram de difícil manutenção;  Modificações nas linhas de produção demandavam muito tempo e praticamente exigiam a montagem de novos quadros;  Em 1968 a GM (USA) lançou uma especificação técnica de um novo dispositivo de controle.

16 Histórico Requisitos de especificação:  Fácil programação e manutenção (reprogramação);  Alta confiabilidade no ambiente industrial (vibração, aquecimento, poeira, etc.);  Dimensões reduzidas;  Capacidade de enviar dados a um Sistema Central;  Ser modular (expansível);  Sinais de E/S de 115VCA (2A mínimo saída)

17 Histórico  Em 1969 surgiram os primeiros controladores  Eram muito simples apenas com E/S digitais;  A fácil programação foi uma das chave do sucesso (baseada em ladder);  Ao longo da década de 70 foram sendo introduzidas novas funcionalidades (temporização, computação numérica, etc.)  A partir da década de 80 as funções de comunicação foram aperfeiçoadas

18 Histórico  Hoje o PLC é um sistema microcontrolador (microprocessador) industrial com software e hardware adaptado para ambiente industrial (especialmente ruído eletromagnético) com muitas opções de programação, com capacidade de operar em rede em diversos níveis.

19 Componentes CPU Memória Fonte Comuni- cação Barra- mento Placa Entrada Placa Saída Dispositivos Computador

20 Componentes CPU  Microcontrolador de 16/32 bits:  Funções:  Comunicação entre as partes do PLC;  Controle das entradas e saídas;  Execução;  Operação da memória;  Check-ups internos.

21 Componentes Memória  A memória é divida em 2 grandes blocos:  Memória do Sistema  Programa de Execução;  Área de Rascunho: flags, cálculos, alarmes, erros.  Memória do Usuário  Programa do usuário (binário);  Tabela de Dados: Mapa E/S, valor atual e pre-set de contadores e temporizadores, variáveis de programa.

22 Componentes Módulos de E/S  Podem ser Discretos ou Analógicos  Discretos  Quantidade de Pontos Disponíveis  AC, DC, Relé  DC: Tipo P ou Tipo N  Saída: necessidade de alimentação externa, fusiveis  Analógicos  Número de Canais, Resolução do conversor A/D  Faixa de operação: 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V, +- 5V, +-10V, temperatura (termopar - J,E,K..., termorresistência – PT100,...)

23 Funcionamento  Baseado em processamento cíclico composto, de forma simplificada, por 3 etapas visíveis ao usuário:  Aquisição das entradas;  Processamento;  Atualização das Saídas; Comunicação e Manutenção do S.O (Carga de módulos, atualização de timers, tratamento de interrupção, etc.) X ms para cada 1000 instruções Aquisição das entradas Processamento Atualização das Saídas 1 ciclo com período de T segundos Com. - Man. SO

24 Funcionamento  As etapas são distintas e independentes;  O processamento inicia depois que os sinais de entrada são amostrados;  Durante o processamento as entradas e saídas permanecem inalteradas (qualquer alteração das E/S e estados internos só pode ocorrer fora deste intervalo);  Durante a atualização das saídas os valores das entradas permanecem inalterados

25 Funcionamento Uma entrada deve permanecer acionada, no mínimo: tempo de varredura das entradas + tempo de processamento ALTERNATIVAS

26 Características(exemplo)

27 Classificação  Feita baseada no número de E/S (não padronizado):  Nano: até 50 pontos de E/S;  Micro: até 250 pontos de E/S;  Médio: até 1000 pontos de E/S;  Geralmente associado ao aumento do número de E/S estão associados aumentos dos recursos de programação e diminuição dos tempos de respostas.

28 Exemplos de Aplicações  máquinas industriais (operatrizes, injetoras de plástico, têxteis, calçados);  equipamentos industriais para processos ( siderurgia, papel e celulose, petroquímica, química, alimentação, mineração, etc);  equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga);  aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios;  bancadas de teste automático de componentes industriais.

29 Exemplos (modelos)

30 Norma IEC 61131

31 Introdução  As ferramentas para programação de CLP não evoluíram na mesma velocidade das ferramentas para programação de computadores pois não apresentam (avam):  Facilidade de uso  Portabilidade  Interoperabilidade entre diferentes produtos  Padrões de comunicação A norma IEC busca preencher esta lacuna

32 Norma IEC  Define a sintaxe e o comportamento da linguagem  Provê um conjunto de linguagens interligadas para resolver diferentes problemas de controle  Melhora a qualidade do software aplicativo através das técnicas de projeto estruturado, encapsulamento de dados, etc.

33 Norma IEC  Part 1 – General Overview, definitions  Part 2 – Hardware, I/O Signals, safety requeriments, environment  Part 3 – Programming Languages  Part 4 –User Guidelines  Part 5 – Messaging Service Specification

34 Norma IEC – parte 3 Principais características  Programação estruturada e linguagem de alto nível para construção de grandes programas  Conjunto padronizado de instruções (em inglês)  Programação Simbólica  Grande variedade de tipos de dados padronizados  Funções reutilizáveis podem ser criadas  Conjunto de funções matemáticas padronizadas disponíveis (trigronométricas, logaritmos, etc.)

35 A estrutura da Norma IEC Elementos Comuns Linguagens de Programação

36 A estrutura da Norma IEC Elementos Comuns Linguagens de Programação

37 Linguagens de Programação IEC – parte 3  Definição de Cinco Linguagens Interligadas  Sintaxe e Semântica de 2 linguagens textuais e 2 gráficas:  Instruction List (IL)  Structered Text (ST)  Ladder Diagram (LD)  Function Block Diagram (FBD)  Linguagem para estruturação da Programação  Sequential Function Chart (SFC)

38 Linguagens Tradicionais  Ladder Diagram (LD)  Function Block Diagram (FBD)

39 Linguagens Tradicionais  Instruction List (IL)

40 Linguagens Novas  Structered Text (ST)  Linguagem estruturada de alto nível  Sintaxe semelhante ao Pascal  Permitido o uso de declarações complexas e instruções aninhadas  Suporte para:  Laços de controle (REPEAT-UNTIL; WHILE-DO)  Execução condicional (IF-THEN-ELSE; CASE)  Funções (SQRT(), SIN())

41 Linguagens Novas  Sequential Function Chart (SFC)  Técnica gráfica muito poderosa para descrever o comportamento seqüencial de um programa de controle  Usado para particionar um problema de controle  Mostra uma visão geral, desejável para um rápido diagnóstico

42 Linguagens - Resumo

43 A estrutura da Norma IEC Elementos Comuns Linguagens de Programação

44 IEC : Elementos Comuns ELEMENTOS COMUNS 1. Tipos de Dados e Variáveis 2. Modelo de Software * Configuração, Recursos, Tarefas 3. POUs (Unidades de Organização de Programa) * Funções * Blocos de Função (FB’s) * Programas

45 IEC : Elementos Comuns ELEMENTOS COMUNS 1. Tipos de Dados e Variáveis 2. Modelo de Software * Configuração, Recursos, Tarefas 3. POUs (Unidades de Organização de Programa) * Funções * Blocos de Função (FB’s) * Programas

46 Variáveis e Tipos de Dados O que é isto? Historicamente Referência a uma posição física de memória Referência a uma entrada física

47 Variáveis e Tipos de Dados Sensor_Temperatura_1 : Integer Representação simbólica Área própria para mapeamento de I/O Código independente do hardware Altamente transparente e compreensível Menos erros

48 Variáveis e Tipos de Dados

49 Representação das Variáveis

50 IEC : Elementos Comuns ELEMENTOS COMUNS 1. Tipos de Dados e Variáveis 2. Modelo de Software * Configuração, Recursos, Tarefas 3. POUs (Unidades de Organização de Programa) * Funções * Blocos de Função (FB’s) * Programas

51 IEC Modelo de Software Configuração Função de Comunicação Conjunto do software que define o comportamento de um hardware (CP) para uma aplicação específica

52 IEC Modelo de Software Configuração Função de Comunicação Recurso Suporte para a execução de um programa, interface entre programas e as E/S do controlador

53 IEC Modelo de Software Task (Tarefa) Task Recurso Configuração Função de Comunicação um mecanismo de escalonamento que executa Programs ou function blocks periodicamente ou em resposta a um evento (mudança de estado de alguma variável booleana), permitindo a execução de programas em diferentes taxas com objetivo de otimizar o uso de recurso do controladorProgramsfunction blocks

54 IEC Modelo de Software  Tipos de Tarefas (Task ):  Não preemptiva: sempre completa seu processamento  Preemptiva: pode ser interrompida por outra de maior prioridade  Qualquer uma pode ser ativada cíclicamente, por tempo ou por evento)  Cada tarefa pode-se atribuir um período de execução e uma prioridade  um Program ou function block ficará aguardando a sua execução até que seja associado a uma determinada Tarefa e esta seja ativada por uma execução periódica ou por um determinado eventoProgramfunction block

55 IEC : Elementos Comuns ELEMENTOS COMUNS 1. Tipos de Dados e Variáveis 2. Modelo de Software * Configuração, Recursos, Tarefas 3. POUs (Unidades de Organização de Programa) * Funções * Blocos de Função (FB’s) * Programas

56 IEC Modelo de Software Função de Comunicação Task Program Task Program (Programa) Task Program Task Recurso Configuração Caminho do controle de execução Tipicamente, um Program consiste de um número de blocos funcionais interconectados, capazes de trocar dados através das conexões de software. Um Program pode acessar as variáveis do CLP e comunicar com outros Programs.

57 IEC Modelo de Software Programs ( Programas)  podem conter variáveis de acesso, as quais permitem o acesso remoto pelos serviços de comunicação.  podem conter instâncias de blocos funcionais, mas não de outros programas, (não podem ser aninhados)  as instâncias de blocos funcionais de um programa podem ser executadas por diferentes tarefas de controle.

58 IEC Modelo de Software Programs ( Programas)  podem ser declarados somente no nível do recurso.  podem conter declarações de variáveis de endereçamento direto (endereçamento direto de pontos de E/S.  podem conter declarações de variáveis globais, as quais podem ser acessíveis pelos Function Blocks através do uso de variáveis externas.Function Blocks

59 IEC Modelo de Software Variáveis globais e diretas Caminho de acesso Tarefa Programa FB Tarefa Programa Tarefa Programa FB Tarefa Recurso Configuração Função de Comunicação caminho de acesso a Variável Caminho do controle de execução FB Bloco de Função’’ Variável Todo o mapeamento de memória pode ser acessado pelo gerenciador global de variáveis CI de softwares. Possuem um conjunto de dados que pode ser alterados por um algoritmo interno

60 IEC Modelo de Software Functions Blocks (Blocos de Funções)  podem ser utilizados para a criação de elementos de software totalmente reutilizáveis, desde a criação de outros Function Blocks mais simples, até Programs complexos. Programs  possuem um conjunto de dados, os quais podem ser alterados por um algoritmo interno (algoritmos + dados)  podem ser escritos em qualquer linguagem

61 IEC Modelo de Software Functions Blocks (Blocos de Funções)  Os dados possuem persistência (estados internos que são mantidos entre uma execução e outra)  podem ser utilizados para a criação de outros Function Blocks (blocos derivados), aumentando ainda mais a capacidade de reutilização do software.

62 Functions Blocks (Blocos de Funções)  Blocos de Função padrões  Biestáveis: SR, RS, SEMA  Detecção de Borda: R_TRIG, F_TRIG  Contadores: CTU, CTD, CTUD  Temporizadores: TP, TON, TOF, RTC  Blocos de Função fornecidos adicionalmente pelo fabricante  Blocos de Função definidos pelo usuário  Todos FBs são altamente reutilizáveis no mesmo programa, diferentes programas ou projetos

63 Exemplo de Function Block adicional (ATOS)

64 Exemplo de Function Block construído pelo usuário FUNCTION_BLOCK HYSTERISIS VAR_INPUT XIN1, XIN2 : REAL; EPS : REAL; (* faixa de histerese *) END_VAR VAR_OUTPUT Q : BOOL := 0 END_VAR IF Q THEN IF XIN1 < (XIN2-EPS) THEN Q := 0 (* XIN1 diminuindo *) END_IF; ELSIF XIN1 > (XIN2 + EPS ) THEN Q := 1; (* XIN1 aumentando *) END_IF; END_FUNCTION_BLOCK Hysterisis Q XIN1 XIN2 EPS BOOL REAL 1 EPS 0 XIN2 Q

65 IEC Modelo de Software Functions (Funções)  são elementos de software que não aparecem no modelo de software, porém podem ser reutilizados  não possuem persistência, existindo apenas em tempo de execução, assim como subrotinas (não armazenam dados)  não possuem estados internos, ou seja, sempre produzem o mesmo resultado para o mesmo conjunto de entradas  podem ter apenas uma saída  podem ser escritas em qualquer linguagem

66 Functions (Funções) Funções padrões  Bit: ADD, OR, XOR, NOT SHL, SHR, ROL, ROR  Numéricas: ADD, SUB, MULT, DIV, MOD, EXPT, ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN  Conversão de tipo  Seleção: SEL, MIM, MAX, LIMIT, MUX  Cadeias de Caracteres: LEN, LEFT,RIGHT, MID, CONCAT, INSERT, DELETE, REPLACE, FIND

67 Functions (Funções) Exemplo de funções definidas pelo usuário FUNCTION SIMPLE_FUN : REAL VAR_INPUT A, B : REAL; C: REAL := 1.0; END_VAR SIMPLE_FUN := A*B/C; END FUNCTION

68 Tarefas e POUS

69 Ir para arquivo de help da ATOS

70 IEC x PLC convencional Função de Comunicação Variáveis globais e diretas Caminho de acesso Tarefa Programa FB Tarefa Programa Tarefa Programa FB Tarefa Recurso Configuração caminho de acesso a Variável Caminho do controle de execução FB Bloco de Função’’ Variável

71 PLC convencional x IEC

72 Vantagens das POU’s  Crie suas próprias bibliotecas de FBs (por tipo de aplicação)  FBs são testados e documentados  Faça bibliotecas acessíveis em todo o mundo  Reutilize o máximo possível  Mude da programação para a criação de redes de FBs  Economize 40% no próximo projeto

73 Processo de Fermentação Camisa de aquecimento Reagente ácido Reagente básico Válvula de dreno Sensor de pH Sensor de temperatura Válvula de alimentação Agitador Como criar um programa de controle de forma estruturada?

74  Sinais de Entrada (sensores):  sensor de temperatura  sensor de PH  posições das válvulas  velocidade motor  Sinais de Saída (atuadores):  válvulas  motor  aquecedor Passo 1 : Identificação das interfaces externas do sistema

75 Neste exemplo não existe nenhum acoplamento do processo, mas poderia existir, do tipo:  … acoplamento com os vasos com líquidos principais  … acoplamento com o sistema de transporte / estação de enchimento após o dreno Passo 2: Definição dos principais sinais entre o Sistema e o restante do processo

76 Para o operador foram definidos:  … um botão ‘Liga’  … um botão ‘Desliga’  … uma entrada ‘Duracao’ Agora estão definidas todas as interfaces Passo 3: Definição de todas as interações com o Operador, intervenções e dados de supervisão

77  SequenciaPrinc – enchimento, aquecimento, agitação, fermentação, descarga, limpeza.  ControleValvulas – comando das vávulas para encher e esvaziar o vaso  ControleTemp – controle de temperatura  ControleAgitador – controle do motor do agitador (velocidade)  ControlepH – controle de pH Passo 4: “Quebrar” o problema de cima para baixo em partições lógicas (funcionalidades)

78  Usando as definições anteriores e  Representando na linguagem gráfica de programação Diagrama de Blocos de Função temos … Passo 5: Definição das POUs necessárias (Programas e Blocos de Função)

79 Programa de Controle da Fermentação PosicaoValvulas VelocAgitador SensorTemp SensorpH Duracao Desliga Liga AdicBase AdicAcido VelocMotor Encher Drenar Esfriar Aquecer Entradas Saídas

80 Apresenta os principais estados do processo Seqüência principal (MainSequence) em SFC Inicialização S1 Enchimento S2 Aquecimento S3 Fermentação S4 Descarga S5 Limpeza S6 Os Blocos de Ação e as Transições podem ser programados em qualquer uma das quatro Linguagens de Programação IEC

81  Neste exemplo temos apenas um ciclo em modo contínuo  O tempo restante pode ser usado por outros ciclos para:  …. o sistema de enchimento / transporte  … verificação de limites e condições de erro (em uma seqüência paralela) Passo 6: Definição dos tempos do ciclo de scan para as diferentes partes da aplicação

82  Depende do sistema utilizado  Inclui o mapeamento do I/O físico com os símbolos usados  Mapeamento dos recursos (leia: CPUs do sistema)  Definição dos ciclos de scan e eventos (vide Passo 6) Passo 7: Configuração do Sistema: Definição dos Recursos, Tarefas e conexão do programa com o I/O físico


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