CAPÍTULO 3 1. Introdução 2. Sistemas automatizados: conceitos e definições 3. Descrição de sistemas automatizados 4. Classificação de sistemas automatizados.

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1 CAPÍTULO 3 1. Introdução 2. Sistemas automatizados: conceitos e definições 3. Descrição de sistemas automatizados 4. Classificação de sistemas automatizados 5. Norma internacional [IEC ] 6. Grafcet – grafo de comando etapa e transição Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

2 1. Introdução Projeto de sistemas automatizados com estrutura de controle e arquitetura de comando distribuída e que requerem, na sua concepção, a especificação de uma arquitetura de comando (parte operativa e a parte comando de um sistema automatizado industrial). Durante a fase inicial de projeto, escolhe-se a arquitetura de comando que atenda aos pré-requisitos funcionais, tais como os tempos de resposta do sistema. Diferentes metodologias podem ser utilizadas para validar um modelo de arquitetura de comando distribuído por meio da construção de modelos de análise estruturada e de sua posterior implementação num controlador lógico programável (CLP). Apresentação de conceitos teóricos e definições básicas referentes à modelagem de sistemas discretos e contínuos, com ênfase na utilização dessas ferramentas para modelar e integrar sistemas automatizados mediante o emprego do Grafcet (grafo de comando etapa e transição) e a utilização de CLPs industriais. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

3 2. Sistemas automatizados: conceitos e definições
Conjunto de elementos dinamicamente relacionados entre si, formando uma atividade para atingir um objetivo, operando sobre entradas (informação, energia ou matéria) e fornecendo saídas (informação, energia ou matéria) processadas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

4 Principais componentes de um sistema
Fronteiras: limites do sistema. Subsistemas: elementos que compõem o sistema. Entradas: representam os insumos ou as variáveis independentes do sistema. Saídas: representam os produtos ou as variáveis dependentes do sistema. Processamento: engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que interagem entre si para converter entradas e saídas. Realimentação (feedback): é a influência que as saídas do sistema exercem sobre suas entradas para ajustá-las ou regulá-las ao funcionamento do sistema. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

5 Simulação de um sistema
Simulação e modelagem de sistemas automatizados Simulação de um sistema • Capacidade de projetar o modelo de um sistema real e conduzir experimentos com esse modelo a fim de compreender o comportamento do sistema e avaliar estratégias para sua operação (David, 1991). • Técnica de resolver problemas seguindo as variações ocorridas ao longo do tempo num modelo dinâmico do sistema (DeMarco, 1991). Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

6 Simulação de sistemas automatizados
A simulação de sistemas normalmente é utilizada: • para o projeto de sistemas ainda não existentes; • na impossibilidade de realização experimental com o sistema real; • quando a experimentação utilizando o sistema real é indesejável; • para compressão ou expansão da escala de tempo; • para avaliação do desempenho de sistemas; • para treinamento e instrução. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

7 Classes de sistemas dinâmicos
A maioria dos sistemas físicos reais é não-linear, mas muito deles admitem aproximações lineares especialmente quando os sinais de interesse são pequenas variações em torno de dados níveis de operação. Os sistemas a eventos são essencialmente não-lineares. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

8 Classificação geral – sistemas dinâmicos
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9 3. Descrição de sistemas automatizados
Necessidade descrever o sistema por meio de uma ferramenta de descrição adequada. Atualmente essas linguagens devem ser: • em relação ao homem => uma forma que expresse de modo natural a especificação do sistema; • em relação ao dispositivo de controle => uma descrição simples que seja fácil de ser interpretada e executada. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

10 Elementos básicos de um sistema automatizado
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11 Elementos básicos de um sistema automatizado
Padronização da linguagem na descrição dos sistemas automatizados (SA): Parte operativa (PO): corresponde ao processo físico a automatizar que opera sobre a matéria-prima e o produto. É constituída pelos atuadores, que realizam as operações, agindo sobre componentes e dispositivos de automação, tais como válvulas, atuadores, motores, lâmpadas etc. Parte comando (PC): caracteriza-se por receber as informações vindas do operador e/ou do processo a ser controlado e por emitir informações ao sistema controlado, coordenando assim as ações da parte operativa. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

12 Sistema automatizado Parte operativa e comando
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13 4. Classificação de sistemas automatizados
• Automatismos combinatórios: o estado das saídas depende do estado das entradas, ou seja, as saídas são determinadas unicamente pelo estado corrente das entradas. Conseqüentemente, o funcionamento do sistema não depende do tempo. • Automatismos seqüenciais: o estado das saídas depende do estado atual das entradas do sistema. O funcionamento depende do seu passado. Conseqüentemente, o estado das saídas no instante t é função do estado das entradas nesse tempo e dos estados das saídas no tempo (t – 1). Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

14 Automatismos combinatórios
O estado das saídas depende do estado das entradas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

15 Automatismos seqüenciais
O estado das saídas depende do estado atual das entradas do sistema. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

16 5. Norma internacional [IEC 61131-3]
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17 A norma IEC • Definição dos pontos de intertravamento de sistemas automatizados seqüenciais, baseada nos seguintes objetivos: a) Visibilidade; b) Equipamentos; c) Linguagens de programação; d) Manuais ou guias do usuário; e) Sistemas de comunicação. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

18 Principais características
Linguagens utilizadas para a modelagem de sistemas automatizados Principais características a) possuir uma base formal, visando obter uma interpretação exata e precisa; b) apresentar clareza, visando facilitar a comunicação entre todos os envolvidos numa modelagem; c) possibilitar a construção de modelos que obedeçam aos requisitos de conceitualização (apenas as propriedades desejadas do sistema modelado) e de totalidade (todas as propriedades desejadas do sistema modelado). Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

19 Linguagens de descrição de sistemas automatizados
Foram definidas cinco linguagens (duas textuais e três gráficas), utilizadas atualmente na maioria dos controladores lógicos programáveis disponíveis no mercado, customizados de acordo com cada fabricante. Apesar da diversidade de implementações, por estarem baseadas nessa padronização, sempre permitem meios para especificar todos os procedimentos e intertravamentos de controle inerentes ao sistema a ser automatizado. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

20 A norma IEC 61131-1 1. IL – Instruction List ou Lista de Instruções
2. ST – Structured Text ou Texto Estruturado 3. LD – Ladder Diagram ou Diagrama Ladder 4. FBD – Function Block Diagram ou Diagrama de Blocos de Função 5. SFC – Sequential Function Chart ou Diagrama Funcional Seqüencial Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

21 IL — Lista de instruções
• Linguagem textual de baixo nível (linguagem de máquina). • Baseada em comandos ‘load’, ‘store’, ‘move’, ‘add’. • Esses comandos apresentam alta eficiência em pequenas aplicações (como sensores/atuadores inteligentes) ou na otimização de partes de uma aplicação.] • Utiliza o registrador IL do processador. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

22 Programação utilizando lista de instruções
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23 ST — Texto estruturado • Linguagem textual de alto nível, similar ao Pascal etc., porém incorporando uma série de conceitos intuitivos para o engenheiro de automação. • Utilização na implementação de procedimentos complexos, que são difíceis de expressar com linguagens gráficas, tais como linguagem de algoritmos de otimização de processo e inteligência artificial. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

24 ST — Texto estruturado Tipos de expressões
• Expressões de atribuição de valor: Var1:= Var2; • Expressões de seleção (if, then, else, case etc.): IF Var1= 0.0 THEN Var2 := Var3/(2.0*Var4) ELSE Var2 := Var3/Var5; • Expressões relacionadas à elaboração de loops (for, while, repeat etc.): FOR I:=1 TO 1000 BY 2 DO Var2 := Var2 – 1; END_FOR Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

25 ST — Texto estruturado Tipos de expressões
• Expressões de controle do fluxo do programas (return, exit etc.) • Expressões relacionadas a funções e blocos funcionais: Monitor (In:=IX5) Chamada de bloco funcional Var1 := Monitor.Q Uso da saída de um bloco de funções Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

26 LD — Diagrama Ladder Trata-se de uma linguagem gráfica baseada em símbolos e esquemas elétricos, tais como relés, contatos e bobinas, proporcionando um entendimento intuitivo das funções de intertravamento. É muito bem aceita pelos profissionais da área de automação e controle de processos. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

27 LD — Diagrama Ladder • Principais elementos: Bobinas:
Bobinas inversas. Bobinas sensíveis à borda de subida ou descida. Bobinas de memorização . Bobinas de set/reset. Temporizadores ‘On delay’. ‘Off delay’. Do tipo pulso. Comandos para manipulação do fluxo Return, jump. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

28 Tela típica de diagrama Ladder
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29 Tela típica de diagrama Ladder
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30 FBD — Diagrama de blocos de função
Linguagem gráfica que permite ao usuário construir procedimentos combinacionais complexos utilizando blocos-padrão como AND, OR, NOT etc. para a representação de equações booleanas. Muito utilizado no desenvolvimento de dispositivos automatizados de baixo custo. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

31 FBD — Diagrama de blocos de função
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32 SFC – Diagrama funcional seqüencial
• Também conhecido pelo nome de Grafcet, divide o processo em um número definido de passos separados por transições. • É o núcleo da IEC , pois as outras linguagens são utilizadas apenas para descrever as ações realizadas a cada passo, bem como as lógicas combinatórias envolvidas. • Oferece muitas vantagens aos usuários e programadores, principalmente na modelagem de problemas complexos de automação. • O problema pode ser subdividido em várias partes, proporcionando uma programação mais simples. • Facilita a visualização da seqüência de operações, da alteração de especificação e da detecção de falhas conceituais no programa. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

33 6. Grafcet – grafo de comando etapa e transição
O diagrama funcional Grafcet deve atender às seguintes exigências: • aplicabilidade a todo sistema lógico de controle para descrição de um automatismo industrial, não importando sua complexidade ou a tecnologia utilizada (elétrica, mecânica, pneumática, eletrônica por meio de software ou hardware dedicado etc.); • possibilidade de uma descrição completa do sistema, em que as evoluções poderão ser expressas seqüencialmente, ou seja, possibilidade de uma decomposição das etapas; • possibilidade de ser utilizado na descrição de processos combinatórios, fornecendo assim ao automatismo uma descrição seqüencial mais fácil de ser analisada e compreendida. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

34 Elementos do Grafcet Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

35 SFC — Diagrama funcional seqüencial
Elementos do Grafcet Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

36 Etapas e ações de um Grafcet
• Uma etapa corresponde a uma situação durante a qual o comportamento da totalidade ou de parte do sistema em relação às suas entradas e saídas é invariável. A parte comando permanece numa mesma etapa, enquanto o comportamento do sistema se mantém constante. • A inicialização fixa as etapas ativas no início, e estas são ativadas incondicionalmente e referenciadas no Grafcet mediante a duplicação dos lados do símbolo correspondente à etapa. • A etapa é representada por um quadrado referenciado numericamente, ao qual estão associados uma ou mais ações. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

37 Etapas e ações de um Grafcet
• As ações a serem realizadas quando uma etapa está ativa são descritas de modo literal ou simbólico no interior de um retângulo a esta associado; portanto. torna-se necessário representar uma etapa ativa em um instante determinado, o que é feito por meio da colocação de uma marca na parte inferior do símbolo que a representa. • Uma etapa pode ser ativa ou inativa em determinado instante; por essa razão, o sistema será representado pelo conjunto de etapas ativas. As ações associadas a uma etapa só serão efetuadas quando ela tiver sido ativada. • A utilização de macroetapas é possível, e sua representação se dá em um diagrama em separado. As macroetapas são representadas em um Grafcet por um quadrado com traço vertical duplo. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

38 Etapas e ações de um Grafcet
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39 Tipos de ação associados às etapas
a) Condicionais: a execução de uma ação pode estar submetida a uma condição lógica entre uma variável de entrada ou outra etapa, o que significa que, mesmo que o estado de uma etapa seja ativo, pode haver ações condicionais que não sejam executadas, visto que sua condição é momentaneamente falsa. b) Impulsionais: a ativação da ação ocorrerá durante um tempo determinado, quando a etapa se torna ativa. c) Contínuas: a ação continua a ser executada enquanto a etapa estiver ativa. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

40 Ação condicional em um Grafcet
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41 Transições e receptividades de um Grafcet
Transições são funções lógicas que coordenam a evolução entre as etapas. Em um determinado instante, uma transição pode ser válida ou não. A cada transição é associada uma receptividade, que vem a ser uma condição lógica que permite distinguir, entre todas as informações disponíveis em um dado instante, apenas aquelas que propiciam a evolução da parte comando. Quando a transição é valida, possibilita a ativação das etapas destino e a desativação das etapas que a precedem. Ela é representada por um traço perpendicular aos arcos orientados e indica uma provável evolução do Grafcet de uma situação para a posterior. As receptividades associadas às transições são escritas numa forma lógica e consistem em uma função de conjunto de informações exteriores, de variáveis auxiliares do estado ativo ou inativo de outras etapas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

42 Transições e receptividades de um Grafcet
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43 Principais funções associadas às receptividades
a) Funções lógicas: as receptividades podem ser compostas por mais de uma variável, ligada por uma das funções lógicas AND, OR ou NOT. As variáveis podem ser representadas por etapa, transição, entrada ou saída. b) Temporizador: uma receptividade pode se tornar verdadeira após um tempo específico de ativação de determinada etapa. c) Mudança de estado: uma receptividade pode avaliar ou mudar o estado de uma variável. As variáveis podem ser determinada etapa, transição, entrada ou saída. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

44 Exemplo de temporização em um Grafcet
• A receptividade pode ser influenciada pelo tempo, isto é, um temporizador será iniciado pela ativação da etapa especificada, desde que a receptividade associada à etapa anterior esteja válida. • Para que o tempo possa intervir numa receptividade, basta indicar, após a referência t, sua origem e duração. A origem será o instante do começo da última ativação de uma etapa anterior. A simbologia será assim descrita: t/ origem/ duração. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

45 As ligações orientadas em um Grafcet
• As ligações orientadas indicam o caminho de evolução de estado do Grafcet. • São representadas por linhas que possuem sentido de orientação de cima para baixo. Quando o sentido de evolução inverso, será necessário incluir uma seta. • As ligações entre as etapas são orientadas e irreversíveis e podem ser seqüenciais com: • divergências em OR; • divergências em AND; • convergências em OR; • convergências em AND. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

46 Ligação orientada seqüencial
Em uma ligação seqüencial, a transição se diz válida quando a etapa precedente está ativa. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

47 Ligação orientada divergente em AND
Uma distribuição possui seu arco de ligação de saída conectado a duas ou mais etapas que se tornam ativas no mesmo instante. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

48 Ligação orientada convergente em AND
Uma transição possui seu arco de ligação de entrada conectado a duas ou mais etapas que deverão estar ativas em um mesmo instante, para que a receptividade seja avaliada. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

49 Ligação orientada divergente em OR
Uma etapa pode estar conectada a duas ou mais transições que serão testadas em um mesmo instante. De acordo com a avaliação de suas receptividades, elas podem ou não ser ativadas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

50 Ligação orientada convergente em OR
Uma ou mais transições estão com seus arcos de ligação de saída conectados à mesma etapa, a qual será ativada assim que primeira transição se tornar verdadeira. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

51 Salto de etapas Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

52 Retomada de etapas Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

53 Regras de evolução do Grafcet
O comportamento do Grafcet é baseado em cinco regras de evolução, descritas a seguir. 1. A inicialização fixa as etapas ativas no início do funcionamento. 2. Uma transição pode ser válida ou não válida. 3. Assim que uma transição é validada, ocorre a transposição de uma transição. Neste momento, todas as etapas que precedem a transição são imediatamente desativadas, e todas as etapas que se seguem são imediatamente ativadas. 4. Todas as transições simultaneamente transponíveis são simultaneamente transpostas. 5. Se durante o funcionamento do sistema uma mesma etapa for desativada e ativada simultaneamente, ela permanece ativa. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

54 Regra 1: Situação inicial
No início do funcionamento, somente as etapas de inicialização estão ativas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

55 Regra 2: Validação de uma transição
Uma transição pode ser válida ou não válida. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.

56 Regra 3: Evolução de etapas ativas
Assim que uma transição é validada, ocorre a transposição de uma transição. Neste momento, todas as etapas que precedem a transição são imediatamente desativadas, e todas as etapas que a seguem são imediatamente ativadas. Princípios de Mecatrônica – João Maurício Rosário – © 2005 Pearson Education, Inc.