controladores programÁveis professor : jair jonko araujo

CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS

Professor : Jair Jonko Araujo

Sumário Tipos de indústrias; Níveis de Controle; Conceitos: SVC, SED, Classificação dos

dispositivos; CLP: Histórico, componentes, funcionamento,

classificação, exemplos;

Introdução – Conceitos Básicos

Tipos de Indústria Manufatura

produzir um bem qualquer utilizando ferramentas ou máquinas (transformação mecânica através de sucessivas operações);

ProcessoConjunto de operações/transformações realizadas sobre um material, com a finalidade de variar suas propriedades físicas/químicas.Processos podem ser contínuos ou descontínuos (batch).

Níveis de controle - Funções

Gerenciamento

Supervisão

COMUNICAÇÃO

Laço de Controle

Sensores / Atuadores

COMUNICAÇÃO

Níveis de Controle(1)

N íve ld e C o n tro le

C ic lo< 100 m s

C ic lo< 1 s

N íve ld e P lan ta

N íve ld e C am po

C ic lo< 10 m s

P R O F IB U S -D P

P C M E

H o s tC N C147

D C SP L C

VM E P C

Trans -m is s o r

D is p o s itivod e

C am p o

D is p o s itivod e

C am p oVálvu lasE /S

R e m o toA c io nado r

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.

ConceitosVa

Regulador Atuador

Detector

Objeto de controle

Sinais de realimentação

Variáveis de atuação

Variáveis controladas

Dispositivo de Controle (SVC)

Dispositivo de Controle (SED)

refa Processador

de ComandosAtuador

Detector

Objeto de controle

Estados

Variáveis de atuação

Variáveis controladas

Camandos de Controle

ConceitosO

Dispositivo de Comando

Dispositivo de Controle

Dispositivo de Monitoração

Dispositivo de

Realização do Controle

Dispositivo de Atuação

Dispositivo de Detecção

Sistema de Controle

Recursos

Produtos

Sistema de Controle SED

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.

Dispositivos - Exemplos

CLP – Controlador Lógico Programável

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.

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)

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

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.

Componentes

Comuni-cação

Barra-mento

Placa Entrada

Placa Saída

Dispositivos

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.

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.

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, ...)

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

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

Funcionamento

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

Características(exemplo)

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.

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.

Exemplos (modelos)

Norma IEC 61131

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 61131 busca preencher esta lacuna

Norma IEC 61131

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.

Norma IEC 61131

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

Norma IEC 61131 – 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.)

A estrutura da Norma IEC 61131-3

Elementos Comuns

Linguagens de Programação

Elementos Comuns

Linguagens de Programação IEC 61131 – 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)

Linguagens Tradicionais

Ladder Diagram (LD)

Function Block Diagram (FBD)

Linguagens Tradicionais

Instruction List (IL)

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())

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

Linguagens - Resumo

Elementos Comuns

IEC 61131-3 : 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

ELEMENTOS COMUNS

* Funções

* Programas

Variáveis e Tipos de Dados

O que é isto?

01010101 10101010

Historicamente

• Referência a uma posição física de memória

• Referência a uma entrada física

Sensor_Temperatura_1 : Integer• Representação simbólica

• Área própria para mapeamento de I/O

• Código independente do hardware

• Altamente transparente e compreensível

• Menos erros

Representação das Variáveis

ELEMENTOS COMUNS

* Funções

* Programas

IEC 61131-3 Modelo de Software

Configuração

Função de Comunicação

Conjunto do software que define o comportamento de um hardware (CP) para

uma aplicação específica

Configuração

Recurso Recurso

Suporte para a execução de um programa, interface entre

programas e as E/S do controlador

Task(Tarefa)

Task Task Task

Recurso Recurso

Configuração

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 controlador

IEC 61131-3 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 evento

ELEMENTOS COMUNS

* Funções

* Programas

ProgramProgram

Program(Programa)

Program

Recurso 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.

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.

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.

Variáveis globais e diretas

Caminho de acesso

Tarefa

Programa Programa

Tarefa

Programa

Tarefa

Programa

Tarefa

Recurso Recurso

Configuração

caminho de acesso a Variável

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

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.

possuem um conjunto de dados, os quais podem ser alterados por um algoritmo interno (algoritmos + dados)

podem ser escritos em qualquer linguagem

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.

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

Exemplo de Function Block adicional (ATOS)

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

QXIN1XIN2

BOOLREAL

EPSEPS

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

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

Functions (Funções)

Exemplo de funções definidas pelo usuárioFUNCTION SIMPLE_FUN : REAL

VAR_INPUTA, B : REAL;C : REAL := 1.0;

END_VARSIMPLE_FUN := A*B/C;END FUNCTION

Tarefas e POUS

Ir para arquivo de help da ATOS

IEC 61131-3 x PLC convencional

Variáveis globais e diretas

Caminho de acesso

Tarefa

Programa Programa

Tarefa

Programa

Tarefa

Programa

Tarefa

Recurso Recurso

Configuraçãocaminho de acesso a Variável

Bloco de Função’’

Variável

PLC convencional x IEC 61131-3

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

Processo de Fermentação

Camisa deaquecimento

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?

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

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

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

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)

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)

Programa de Controle da Fermentação

ControleTemp

SequenciaPrinc

LiberEncher

Agitacao

SetPoint

Duracao

Desliga

ControlepH

AdicBase

AdicAcidoSetPoint

ControleAgitador

VelocMotor SetPoint

ControleValvulas

Encher

Drenar

Libera

Esfriar

Aquecer

PosicaoValvulas

VelocAgitador

SensorTemp

SensorpH

Duracao

Desliga

Liga AdicBase

AdicAcido

VelocMotor

Encher

Drenar

Esfriar

Aquecer

Entradas Saídas

Apresenta os principaisestados do processo

Seqüência principal (MainSequence) em SFC

Inicialização S1

EnchimentoS2

AquecimentoS3

FermentaçãoS4

DescargaS5

LimpezaS6

Os Blocos de Ação e as

Transições podem ser

programados em

qualquer uma das

quatro Linguagens de

Programação IEC

Neste exemplo temos apenas um ciclo em modo contínuo

O tempo restante pode ser usado por outros ciclos

…. o sistema de enchimento / transporte

… verificação de limites e condições de erro (em

uma seqüência paralela)

Passo 6: Definição dos tempos do ciclo de scanpara as diferentes partes da aplicação

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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