Automação da Produção (Controladores Lógicos Programáveis)

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1 Automação da Produção (Controladores Lógicos Programáveis)
para Engenharia de Produção e Desenho Industrial Prof. Artur

2 Exemplos de Sensores Sensores de contato mecânico

3 Exemplos de Sensores Sensores indutivos
Variações no campo eletromagnético gerado são monitoradas permitindo detectar objetos metálicos

4 Exemplos de Sensores Sensores capacitivos
Variações no campo eletrostático gerado são monitoradas permitindo detectar objetos de praticamente qualquer material

5 Exemplos de Sensores Sensores óticos de reflexão difusa de barreira

6 Exemplos de Sensores Sensores ultra-sônicos Modo por oposição
Modo difuso ou por eco

7 Exemplos de Sensores Sensores ultra-sônicos por eco medem distâncias

8 Lógica de Controle Exemplo: Aciona S1 se ocorrer E3 e (E1 ou não E2)
S1 = Alarme E1 = Presença detectada na sala do cofre (laser) E2 = Diamante detectado (mecânico) E3 = Horário de entrada proibida Aciona o alarme se não detectar o diamante ou (detectar movimento na sala do cofre e estiver no horário de entrada proibida)

9 Lógica de Controle Tabela verdade: E1 E2 E3 S1 F V

10 Lógica de Controle Tabela verdade: E1 E2 E3 S1 F V

11 Lógica de Controle Exercício:
Um sistema de fiscalização eletrônica de um sinal de trânsito tem os seguintes sensores digitais: S = 1 se o sinal está vermelho e 0 caso contrário. C = 1 se um carro passou debaixo do sinal e 0 caso contrário. V = 1 se um carro passou debaixo do sinal com velocidade acima do permitido e 0 caso contrário. H = 1 se é permitido avançar o sinal no horário atual e 0 caso contrário. Faça uma tabela verdade para a saída F assumir o valor 1 somente quando um carro avançar o sinal fora do horário em que é permitido ou exceder o limite de velocidade permitido. Essa saída é ligada a um atuador que fotografa a placa do carro.

12 Controladores Lógicos Programáveis
Interpretam dados dos sensores Ativam/desativam atuadores

13 Introdução ao CLP Vantagens do CLP menor espaço ocupado
menor Potência elétrica requerida reutilização programável maior confiabilidade fácil manutenção maior flexibilidade comunicação com outros CLP’s e microcomputadores projeto mais rápido

14 Partes de um CLP Processador
Lê e escreve na memória e nas entradas e saídas (E/S) e executa instruções

15 Partes de um CLP Memória Guarda dados temporários e permanentes
Volátil (apaga quando desliga) e não-volátil

16 Partes de um CLP Barramento
Comunicação entre o processador, memória e E/S Codificada em 0’s e 1’s

17 Partes de um CLP Fonte Fornece energia ao CLP (quando ligado)
Mantido numa tensão constante (5V)

18 Partes de um CLP Outras partes: Terminal de Programação
Para desenvolver os programas que rodam no CLP Normalmente um PC ligado pela uma interface serial Interface Homem-Máquina Para o operador do CLP configurável sem precisar entender do programa Interface Serial (USB = Universal Serial Bus) Interface de Rede

19 Partes de um CLP Entradas e saídas podem ser
Digitais: ligado/desligado Analógicas: com vários níveis de tensão/corrente

20 Partes de um CLP Entradas e saídas podem ser
Digitais: ligado/desligado Analógicas: com vários níveis de tensão/corrente

21 Partes de um CLP Entradas e saídas podem ser
Digitais: ligado/desligado Analógicas: com vários níveis de tensão/corrente Sinais analógicos precisam ser convertidos para 0’s e 1’s

22 Um pouco de codificação binária...
Partes de um CLP Entradas e saídas podem ser Digitais: ligado/desligado Analógicas: com vários níveis de tensão/corrente Sinais analógicos precisam ser convertidos para 0’s e 1’s Um pouco de codificação binária...

23 Um pouco de codificação binária...
Partes de um CLP Um pouco de codificação binária... Sistema Decimal 0, 1, 2, 3, ..., 9, 10, 11, ..., 19, 20, 21, ..., 99, 100, 101, ..., 200, 201, ... Cada dígito é multiplicado por uma potência de dez 205 = 2 x x x 100 2013 = 2 x x x 100

24 Partes de um CLP Sistema Binário
0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, ... Conversão de Binário para Decimal 101 = 1 x x x 20 = 5 = = 817 Bits podem ser transmitidos como sinais elétricos em paralelo ou em série

25 Partes de um CLP Conversão de Decimal para Binário
Divisões sucessivas: = 77 2 1 38 19 9 4 Bit menos significativo Bit mais significativo

26 Exercícios Converter para decimal: 101, 101010, 10001
Converter para binário: 18, 11, 2013

27 Programação de um CLP Linguagens de programação
Formas de representar sequências de comandos a serem executados pelo CLP e as condições em que eles serão usados Linguagem de máquina: 0’s e 1’s É a linguagem que o CLP “entende”

28 Programação de um CLP Linguagens de programação Linguagem assembler:
Substitui sequências de 0’s e 1’s por abreviações de comandos Mantém a estrutura da linguagem de máquina Linguagem Ladder: Imita lógica de relés Precisa ser compilada para a linguagem de máquina

29 Programação de um CLP Controle de máquinas industriais eram feitas por relés

30 Programação de um CLP Relés: como funcionam?

31 Programação de um CLP Relés: como funcionam?
Positivo/negativo indicam condição de mudança da chave Normalmente Aberto Positivo Comum Negativo Normalmente Fechado

32 Programação de um CLP Relés: como funcionam? Positivo Comum
Normalmente Fechado Negativo Normalmente Aberto

33 Programação de um CLP Relés: lógica de relés
Aciona S1 se ocorrer E3 e (E1 ou não E2) E3 E2

34 Linguagem Ladder Usaremos apenas um subconjunto da linguagem suficiente para fazer tudo Outras funcionalidades tornam os programas mais simples

35 Linguagem Ladder Ligação da barra esquerda para a direita ativa saídas
= leitura de sinal (pino de entrada ou de saída) = bobina (ativa pino de saída)

36 Linguagem Ladder Exercício:
Escrever um programa em Ladder correspondente às seguintes expressões lógicas X = (A e não B) ou (não A e B) Y = (A e B) ou (não C e não D) Z = não B e D

37 Linguagem Ladder X Lógica de Relés
Prática de Laboratório 1: A porta de uma máquina industrial é fechada por ar comprimido com retorno por mola. Para injetar ar comprimido na porta (para fechá-la) é necessário colocar o sinal F em 1. Colocando este sinal em 0 libera o ar comprimido permitindo a abertura da porta. Dentro da máquina, existem três sensores de presença: um capacitivo, um indutivo e um ótico, gerando os sinais C, I e O, respectivamente. O sensor indutivo e o capacitivo detectam o material colocado na máquina para processamento (o material pode ser detectado por apenas um deles ou por ambos) e o ótico detecta o operador quando este está posicionando o material na máquina. Todos os sensores geram sinais com valores 1 quando detectam presença. Além disso, um botão de segurança gera um sinal B que assume o valor 1 quando pressionado para evitar o fechamento da porta. A porta deve ser fechada quando (C ou I) e não O e não B. Escreva um programa em Ladder para gerar a saída F e desenhe o esquema de uma placa de Relé implementando a mesma lógica. Monte um protótipo da placa no laboratório, testando com os sensores e a válvula solenóide.

38 Linguagem Ladder X Lógica de Relés
Prática de Laboratório 1:

39 Linguagem Ladder X Lógica de Relés
Prática de Laboratório 1:

40 Linguagem Ladder X Lógica de Relés
Prática de Laboratório 1:

41 Linguagem Ladder Exemplo 1:
Desenvolver um circuito lógico para determinar se uma bomba de ar de posto de gasolina (com um sensor de pressão) deve ser acionada a partir das seguintes condições Pressão zero (tubo desconectado) Pressão não-zero mas abaixo do programado Pressão acima do programado Botão “pneu vazio” pressionado

42 Linguagem Ladder Esquema (hipotético) de uma Bomba de Ar: IHM
Botão “Pneu Vazio” Controlador Ajuste de Pressão Sensor de Pressão Bomba de ar Válvula de escape Pneu

43 Linguagem Ladder Exemplo 1: Entradas: Saídas:
P0 = 1 se pressão zero (tubo pode estar desconectado) P1 = 1 se pressão não-zero mas abaixo do programado P2 = 1 se pressão acima do programado BV = 1 se botão “pneu vazio” pressionado Saídas: Bomba = 1 se ativa a bomba de ar (enche o pneu) Escape = 1 se abre a válvula de escape do ar (esvazia o pneu)

44 Linguagem Ladder Tabela Verdade:
Usaremos para definir as saídas desejadas BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1

45 Linguagem Ladder Tabela Verdade:
Usaremos para definir as saídas desejadas BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X X = não importa Pressão zero e alta nunca ocorrem simultaneamente níveis de pressão nunca ocorrem simultaneamente

46 Linguagem Ladder Tabela Verdade:
Usaremos para definir as saídas desejadas BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X

47 Linguagem Ladder Tabela Verdade:
Usaremos para definir as saídas desejadas BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X BV P2 P1 P0 Bomba Escape 1 X

48 Linguagem Ladder Mapa de Karnaugh:
Ajuda a derivar a expressão lógica desejada Bomba Escape BV,P2 P1,P0 00 01 11 10 X 1 BV,P2 P1,P0 00 01 11 10 1 X

49 Linguagem Ladder Mapa de Karnaugh: Bomba Escape BV,P2 P1,P0 ñ BV BV
ñ P0 X 1 P0 P1 ñ P2 P2 BV,P2 P1,P0 ñ BV BV ñ P1 1 ñ P0 X P0 P1 ñ P2 P2

50 Linguagem Ladder Mapa de Karnaugh: Bomba Escape
Bomba = (BV e P0) ou P Escape = P2 Bomba Escape BV,P2 P1,P0 ñ BV BV ñ P1 ñ P0 X 1 P0 P1 ñ P2 P2 BV,P2 P1,P0 ñ BV BV ñ P1 1 ñ P0 X P0 P1 ñ P2 P2

51 Linguagem Ladder Circuitos Lógicos: Ladder:
Bomba = (BV e P0) ou P Escape = P2 Ladder: BV P0 Bomba P1 P2 Escape

52 Exercícios de Linguagem Ladder
Desenvolver expressões lógicas e escrever programas Ladder para as seguintes tabelas verdade: S1 S2 S3 S4 M1 M2 M3 1 X S1 S2 S3 S4 M1 M2 M3 1 X

53 Linguagem Ladder Exemplo 3:
Um forno industrial dispõe de quatro sensores que acusam temperaturas acima de 1000oC e um atuador D que produz o desligamento automático do forno. Cada sensor i, para i = 1, 2, 3, 4, gera um sinal Ei para um CLP que, quando ativado, indica que uma temperatura elevada foi detectada. Como os sensores podem apresentar defeitos na leitura de temperatura, o desligamento automático deve ser realizado quando pelo menos dois dos quatro sensores acusarem temperatura alta. Além disso, quando apenas o sensor i acusar temperatura elevada, a lâmpada conectada ao sinal Li deve ser acesa, indicando um possível defeito no sensor. Faça um mapa de Karnaugh, expressões lógicas e um programa Ladder para esse problema. Simule o programa usando o software LDmicro.

54 Linguagem Ladder: Exemplo 2
D L1 E4,E3 E2,E1 __ E4 E2 1 /E1 E1 /E3 E3 E4,E3 E2,E1 __ E4 E2 /E1 1 E1 /E3 E3

55 Linguagem Ladder: Exemplo 2
D L1 D = (E1 e E2) ou (E1 e E3) ou (E1 e E4) ou (E2 e E3) ou (E2 e E4) ou (E3 e E4) L1 = E1 e /E2 e /E3 e /E4 E4,E3 E2,E1 __ E4 E2 1 /E1 E1 /E3 E3 E4,E3 E2,E1 __ E4 E2 /E1 1 E1 /E3 E3

56 Linguagem Ladder No software LDmicro, podemos utilizar um comando de leitura de sensores passando por conversores A/D: Comandos de comparação A0 READ ADC A0 ≤ 5 A0 < 5 A0 = 5 A0 ≥ 5 A0 > 5

57 Exemplo Bomba de ar de posto de gasolina com valores de pressão analógicos lidos do sensor e da IHM IHM Botão “Pneu Vazio” Controlador Ajuste de Pressão Sensor de Pressão Bomba de ar Válvula de escape Pneu

58 Máquinas de Estado São extensões de circuitos lógicos com memória limitada A memória é representada na forma de estados O próximo estado é função da entrada e do estado atual As mudanças de estado são chamadas de transições Máquina de Moore: A saída é função apenas do estado Máquina de Mealy: A saída é função da entrada e do estado

59 Máquinas de Estado Exemplo 3: Entrada:
Uma descarga automática de vaso sanitário deve ser iniciada quando uma pessoa deixou de ser detectada por um sensor infravermelho Entrada: X0: sensor infravermelho (1 indica pessoa detectada) X1: sensor de nível baixo do reservatório (1 indica nível acima do mínimo necessário para manter a descarga) Saída: Y0: ativador de descarga Estados: Desocupado (0), Ocupado (1), Descarga (2)

60 Máquinas de Estado Exemplo 3: Y0 = Descarga X0 X0 X1
Uma descarga automática de vaso sanitário deve ser iniciada quando uma pessoa deixou de ser detectada por um sensor infravermelho Y0 = Descarga X0 Desocupado Ocupado X0 X1 Descarga

61 Máquinas de Estado Exemplo 3:
Os estados são codificados por números armazenados num registrador de memória do CLP (chamaremos ST) Desocupado = 0 Ocupado = 1 Descarga = 2 Y0 = Descarga Desocupado Ocupado Descarga X0 X1

62 Máquinas de Estado Exemplo 3:
As transições e saídas devem ser escritas como expressões lógicas contendo comparações (ST = 0) e X0  (1  ST) (ST = 1) e /X0  (2  ST) (ST = 2) e /X1  (0  ST) Y0 = (ST = 2) ST = 0 ST = 1 ST = 2 X0 X1

63 Máquinas de Estado Uma nova instruções é necessária para utilizar a memória do CLP Mover um valor para uma variável: Instruções de comparação podem usar variáveis MOV Source: 5 Dest: ST OU ST  5 ST ≤ 5 ST < 5 ST = 5 ST ≥ 5 ST > 5

64 Máquinas de Estado Exemplo 3:
As transições escritas como expressões lógicas podem ser traduzidas para a linguagem Ladder (ST = 0) e X0  (1  ST) (ST = 1) e /X0  (2  ST) (ST = 2) e /X1  (0  ST) Y0 = (ST = 2) X0 MOV Source: 1 Dest: ST ST = 0 X0 MOV Source: 2 Dest: ST ST = 1 X1 MOV Source: 0 Dest: ST ST = 2 Y0 ST = 2

65 Exercício 1 de Máquinas de Estado
Um escritório tem um elevador automático que leva documentos de um andar para o outro. O elevador tem 3 sensores: A1 (se = 1) indica que o elevador está no primeiro andar, A2 (se = 1) indica que o elevador está no segundo andar, C (se = 1) indica a presença de carga em posição de ser transportada no elevador, e 2 atuadores: S (se = 1) mantém ligado o motor de subida do elevador, D (se = 1) mantém ligado o motor de descida do elevador. Faça uma máquina de estados e um programa em Ladder para controlar o elevador fazendo com que ele vá para outro andar apenas quando descarregado e carregado com outro documento. Assuma que ele começa descarregado no primeiro andar.

66 Temporizadores (Timers)
CLPs tipicamente contêm vários temporizadores Cada temporizador permite retardar o efeito de um circuito lógico por um tempo pré- determinado Utilizaremos a simbologia simplificada do software LDmicro. TON Demora para Ligar (ir para 1) 100 ms

67 Temporizadores (Timers)
TON Demora para ligar (ir para 1) Demora para desligar (ir para 0) 100 ms TOFF 100 ms 100 ms Entrada TON TOFF

68 Máquinas de Estado X0 Y0 = Descarga TON(10s) Exemplo 4: Entrada:
Uma descarga automática de vaso sanitário deve ser iniciada quando uma pessoa deixou de ser detectada por um sensor infravermelho e mantida por 10 s Entrada: X0: sensor infravermelho (1 indica pessoa detectada) Saída: Y0: ativador de descarga Desocupado Ocupado Descarga X0 TON(10s) Y0 = Descarga

69 Máquinas de Estado Exemplo 4: TON X0 ST = 0 X0 ST = 1 10 s ST = 2 Y0
MOV Source: 1 Dest: ST ST = 0 X0 MOV Source: 2 Dest: ST ST = 1 TON MOV Source: 0 Dest: ST ST = 2 10 s Y0 ST = 2

70 Simulação de Ladder Podemos utilizar simulação para verificar a corretude de programas de CLP antes da prototipação Utilizaremos os software LDmicro.exe, obtido em Exemplo: X0 ST  1 ST  0 ST  2 ST = 0 ST = 1 ST = 2 Y0 10 s TON

71 Ladder só com temporizadores
Exemplo: O programa Ladder abaixo controla uma descarga de vaso sanitário acionando o sinal D = 1 para ativá-la em função da leitura do sensor de presença determinada pelo sinal S, que é 1 quando uma pessoa é detectada e 0 caso contrário. Faça gráficos de S e D em função do tempo assumindo que uma pessoa é detectada depois de 20 segundos e permanece por 60 segundos, saindo em seguida, sendo novamente detectada 30 segundos depois, e saindo novamente depois de permanecer por 2 segundos.

72 Ladder só com temporizadores
Exercício: Num sistema de controle de qualidade automático, uma câmera precisa filmar todos os produtos que passam pela sua frente numa esteira. Para identificar a passagem dos produtos, um sensor é colocado 10 centímetros antes do foco da câmera, gerando um sinal S igual a 1 quando um produto é detectado e 0 caso contrário. Sabendo-se que a esteira se move 3 metros por minuto, que cada produto tem 5 cm de comprimento e é colocado a uma distância de 20 cm do produto anterior, forneça um programa em Ladder para um CLP que gere o sinal F igual 1 um quando há um produto à frente do foco da câmera e 0 caso contrário. Use apenas contatos, temporizadores e bobinas. Faça diagramas temporais da entrada, da saída e dos sinais intermediários do programa que julgar necessários.

73 Linguagem Ladder em CLPs
Prática de Laboratório 2: Uma fábrica utiliza um sistema automático para separar produtos metálicos de produtos de plástico. O sistema é composto por uma esteira com um sensor ótico em seu início e um sensor indutivo mais adiante. No final da esteira, um defletor desvia os produtos metálicos para uma rampa e deixa passar os de plástico. Quando qualquer produto é colocado sob o sensor ótico, no início da esteira, ela liga e se mantém ligada por um tempo necessário até o produto chegar ao final da esteira ou descer pela rampa. Quando um produto metálico é detectado por pelo sensor indutivo, o defletor é posicionado para desviá-lo por um tempo suficiente para que ele desça pela rampa. Escreva um programa Ladder para controlar este sistema e implemente uma miniatura funcional do sistema usado um CLP.

74 Linguagem Ladder em CLPs
Prática de Laboratório 2:

75 Linguagem Ladder em CLPs
Prática de Laboratório 2: