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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
IVAN DANIEL CORRÊA DA SILVA RENAN CARLOS MATIELLO LOPES
SIDEMAR RIBEIRO VINICIUS NORBACH
MODELAGEM E PROGRAMAÇÃO DA BANCADA MPS FESTO
PROJETO INTEGRADOR III
CHAPECÓ
2015
MODELAGEM E PROGRAMAÇÃO DA BANCADA MPS FESTO
IVAN DANIEL CORRÊA DA SILVA RENAN CARLOS MATIELLO LOPES
SIDEMAR RIBEIRO VINICIUS NORBACH
Projeto apresentado à disciplina Projeto Integrador III, como requisito parcial de avaliação. Professor Guilherme de Santana Weizenmann
Chapecó 2015
Sumário
1. PROJETO INFORMACIONAL ................................................................................................... 4
1.1 Definição do problema do projeto ................................................................................... 4
1.2 Pesquisa de informação................................................................................................... 7
1.3 Clientes ........................................................................................................................... 7
1.4 Necessidades dos clientes ............................................................................................... 8
1.5 Requisitos dos clientes .................................................................................................... 8
1.6 Requisitos do projeto ...................................................................................................... 9
1.7 Especificações do projeto ................................................................................................ 9
3. PROJETO PRELIMINAR ......................................................................................................... 11
3.1 Modelagem ................................................................................................................... 12
3.2 Conversões da RP e diagrama Ladder ............................................................................ 14
3.3 Adequação do manual pré-existente ............................................................................. 17
ANEXOS .................................................................................................................................. 18
ANEXO 1 - COMUNICAÇÃO ONLINE ..................................................................................... 19
ANEXO II – REDES DE PETRI ................................................................................................. 26
1. PROJETO INFORMACIONAL
O projeto informacional está embasado na definição do problema do
projeto. A partir disso, deve-se desenvolver um levantamento de informações, o
mais completo possível, buscando entender de maneira clara a problemática
proposta.
Ao final desta etapa, pretende-se obter uma lista de especificações do
projeto, que irá orientar a geração de soluções, além de fornecer a base sobre
a qual serão desenvolvidas as próximas etapas do processo de
desenvolvimento (ROZENFELD et al., 2006). Para tanto, serão apresentados
ao longo desta sessão, alguns tópicos para a obtenção das especificações do
projeto.
Algumas das informações apresentadas serão: a definição do problema do
projeto; a pesquisa de informações, com um levantamento da existência de
produtos semelhantes ao que será desenvolvido neste projeto; A definição dos
atributos do produto; Os clientes, as necessidades e os requisitos dos clientes;
Os requisitos do projeto; E por fim as especificações do projeto.
1.1 Definição do problema do projeto
A partir da necessidade dos acadêmicos em aplicar e integrar os
conhecimentos adquiridos ao longo do 7º semestre onde são abordadas
disciplinas das áreas da mecânica e automação, porem, devido ao projeto ser
aplicado em uma bancada que já apresenta seu aspecto construtivo definido,
foi necessário abordar principalmente disciplinas relacionadas à automação
industrial como informática industrial, redes industriais e modelagem e controle
de sistemas automatizados, portanto, optou-se pelo desenvolvimento de um
projeto que atenda, principalmente, os requisitos da disciplina de Projeto
Integrador III, ministrada no curso de Engenharia de Controle e Automação, do
Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC, Campus Chapecó, com a
modelagem e programação da bancada didática MPS Festo, a qual é composta
por cinco módulos ou estações: distribuição, teste, processamento,
manipulação e classificação.
As imagens a seguir apresentam os cinco módulos da bancada.
Figura 1 – Módulo de distribuição.
Figura 2 – Módulo de teste.
Figura 3 – Módulo de processamento.
Figura 4 – Módulo de manipulação.
Figura 5 – Módulo de classificação.
A bancada encontra-se em perfeito estado quanto a seu aspecto físico,
porem a programação pré-existente não condiz com o que grupo julga correto,
uma vez que não realiza as ações de forma correta e sequencial, assim, será
necessário à programação realização testes para que cada modulo funcione de
forma correta e sequencial.
Ao final do projeto, espera-se que o mesmo ofereça os recursos
necessários para a utilização da mesma nos processos de ensino e
aprendizagem dos estudantes, sejam eles alunos das fases iniciais do curso,
onde a bancada pode ser utilizada nas disciplinas introdutórias do curso, ou os
que vierem a cursar disciplinas do sétimo período e demais unidades
curriculares que utilizem os princípios de funcionamento da bancada.
Também, busca-se a complementação de um manual já existente, com o
intuito de facilitar o processo de ensino e aprendizagem dos alunos com menor
experiência na área, bem como proporcionar maior embasamento nos
assuntos referentes à comunicação, programação e funcionamento geral da
bancada.
1.2 Pesquisa de informação
Dinâmica Discreta ou Sistemas a Eventos Discretos (SEDs): São
caracterizados por apresentarem variáveis de estado discretas, serem dirigidos
a Eventos e não serem descritíveis por equações diferenciais (ou a diferenças)
ou seja o que determina a evolução do sistema é a ocorrência de eventos e
não simplesmente o passar do tempo.
Pode-se analisar a bancada didática “Modular Production System” como um
sistema a eventos discretos, pois a evolução dos processos se dá a partir de
sequência de eventos invariantes no tempo. Portanto, sua dinâmica pode ser
modelada a partir de uma metodologia de sistemas a eventos discretos, para
isso é necessário a pesquisa de possíveis técnicas para a modelagem do
sistema que sejam capazes de demonstrar de forma correta os passos do
sistema, bem como apontar possíveis falhas no mesmo.
As técnicas de modelagem ministradas durante o semestre na disciplina de
modelagem e controle de sistemas automatizados são as de Redes de Petri e
Autômatos, porem, será pesquisado outros possíveis métodos que atendam o
requisito da modelagem do sistema.
Essa bancada é composta de cinco estações, são estas: distribuição, teste,
processamento, manipulação e classificação. A união das cinco estações
simula uma fábrica de peças do tipo camisa de cilindro, e o desenvolvimento do
processo depende de eventos.
1.3 Clientes
Os clientes do projeto em questão são:
As Instituições de Ensino interessadas em apresentar e utilizar
conhecimentos voltados à área de automação de processos e
desenvolvimento tecnológico;
As empresas que desejam expor os seus sistemas e produtos na
bancada didática, tais como, CLPs, atuadores, sensores, estruturas
mecânicas, sistemas supervisórios, protocolos de comunicação e
demais inovações;
A ementa da unidade curricular do Projeto Integrador III, ministrado no
curso de Engenharia de Controle e Automação, do Instituto Federal de
Santa Catarina – IFSC, Campus Chapecó. A ementa desta unidade
curricular prevê a integração e aplicação dos conhecimentos adquiridos
nas disciplinas ao longo do sétimo período, no projeto em questão
especificamente nas disciplinas de modelagem e controle de sistemas
automatizados, redes industriais e informática industrial;
Pessoas, usuários que tenham interesse em conhecer o funcionamento
de um modelo de sistema automático;
1.4 Necessidades dos clientes
O desenvolvimento do Projeto Integrador prevê entre as necessidades
dos clientes a ementa da unidade curricular citada anteriormente:
Empregar técnicas de controle de sistemas a eventos discretos:
- Redes de Petri;
- Autômatos;
- Controle supervisório;
Empregar os princípios, conceitos, protocolos e arquitetura em redes
industriais;
Programar e implementar Controladores Lógicos Programáveis (CLPs)
em sistema de produção automatizados;
1.5 Requisitos dos clientes
As necessidades definidas anteriormente devem ser transformadas em
requisitos dos clientes, ou seja, é preciso definir de que maneira as
necessidades serão atingidas.
A tabela a seguir traz estas informações:
NECESSIDADES DOS CLIENTES REQUISITOS DOS CLIENTES
Empregar técnicas de modelagem e controle de sistemas a eventos discretos
Modelar o processo desempenhado pela bancada didática utilizando Redes de Petri e Autômatos, e
implementar em software
Empregar os princípios, conceitos, protocolos e arquitetura em redes industriais
Dimensionar e implementar uma rede de comunicação entre os CLPs das estações da bancada
Implementar e programar Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) em sistema de
produção automatizados
Utilizar controladores lógicos programáveis para realizar o gerenciamento e o controle dos processos
contemplados pela banca didática
Tabela 1 – Necessidades dos clientes transformadas em requisitos dos clientes.
1.6 Requisitos do projeto
Os requisitos dos clientes devem ser transformados em requisitos de
projeto, ou seja, deve-se exemplificar como os requisitos dos clientes serão
atendidos, conforme tabela a seguir.
REQUISITOS DO CLIENTE REQUISITOS DO PROJETO Modelar o processo desempenhado pela
bancada didática utilizando Redes de Petri e Autômatos, e implementar em software
Utilizar software para a realização de simulações dos processos
Dimensionar e implementar uma rede de comunicação entre os CLPs das estações
da bancada Utilizar um sistema para o desenvolvimento da rede
Utilizar controladores lógicos programáveis para realizar o gerenciamento e o controle dos processos contemplados pela banca
didática
Implementar a programação nos CLPs
Tabela 2 – Definição dos requisitos do projeto, a partir dos requisitos dos clientes.
1.7 Especificações do projeto
Por fim, é necessário transformamos os requisitos de projeto em
especificações do projeto. Isso deve ser feito atribuindo-se mais três
informações aos requisitos de projeto.
Estas informações são: os objetivos, ou seja, o que se deseja atingir com o
requisito; o sensor, que representa como será verificado o cumprimento das
metas estabelecidas; e a saída desejada. Podemos analisar estas informações
na tabela a seguir.
REQUISITOS DO PROJETO OBJETIVOS SENSOR SAÍDAS DESEJÁVEIS
Utilizar software para a realização de simulações dos processos
Simular a modelagem Visual Validação da modelagem
Utilizar um sistema para o desenvolvimento da rede
Comunicação entre os CLPs das estações da
bancada Visual
Integração das estações da bancada
Implementar a programação nos CLPs
Tornar o processo automático
Visual Processo sem
interferência manual
Tabela 3 – Especificações do projeto
2. PROJETO CONCEITUAL
Fluxograma 1 – Desdobramento da função global
3. PROJETO PRELIMINAR
Após definido os princípios de solução inicia-se o projeto preliminar onde
se iniciou o processo pratico de aplicação da teoria escolhida. De inicio definiu-
se como metodologia de modelagem das estações o uso de redes de Petri. No
entanto, para se obter a modelagem inicialmente era necessário a
compreensão dos movimentos executado individualmente pelas estações, bem
como compreender em que momento os sensores enviam os sinais para o CLP
e o momento em que o CLP envia uma mensagem aos atuadores.
Para isso foi buscada a lista de entradas e saídas dos CLPs e módulos
de extensão de cada estação. Estas listas haviam sido apresentadas no
manual pré-existente, porem foram feitos testes para comprovar a veracidade
das informações.
Outro aspecto importante para o processo é a comunicação com o CLP,
este tema será abordado na complementação do manual existente.
3.1 Modelagem
Depois de levantadas as informações importantes iniciou-se a
modelagem da primeira estação. Para auxilio no processo da modelagem da
rede de Petri foi utilizado o software “Pipe”, nele é possível representar a rede
de Petri através dos seus estados, transições e arcos, podendo usufruir do uso
de transições temporizadas além do uso de marcações iniciais e da evolução
da rede, as chamadas “fichas”. Outro recurso do “Pipe” é a possibilidade de
simulação da rede, sendo assim possível prever possíveis falhas no
desenvolvimento da mesma, ou seja, é possível prever se a rede apresenta
boas propriedades que garantam a não existência de pontos mortos, bloqueios,
vivacidade e a condição de ser reinicializavel.
A imagem a seguir apresenta a modelagem do terceiro modulo da
bancada no software “Pipe”, nela, cada estado foi nomeado e marcado com a
sua saída correspondente do CLP ou apenas recebendo uma memoria para
indicar a evolução da rede. Já as transições foram marcadas com suas
respectivas entradas do CLP ou apenas um valor de tempo em segundos para
indicar que são temporizadas. Este processo foi realizado com os demais
módulos.
Figura 6 – Rede de Petri Módulo 3.
Ainda com relação a rede de Petri, alguns módulos apresentavam a
possibilidade de diferentes modelagens, ou seja, é possível executar ações que
podem diferir das ações originais, como por exemplo no modulo 3 é possível
testar qual a posição da peça(furo para cima ou para baixo) e optar por
diferentes ações a serem executadas até a expulsão da mesma no ultimo
estágio do módulo. Outra módulo que apresenta essa capacidade é o 5, onde
existem 3 diferentes tipos de buffers, podendo assim na modelagem escolher
por cores, quais seriam alocadas em cada buffer.
3.2 Conversões da RP e diagrama Ladder
Modelada, simulada e verificada a rede de Petri, iniciou-se a fase de
conversão da rede em linguagem de programação para CLP, para isso se fez
necessário à escolha do tipo da linguagem e definiu-se o uso da Ladder.
Definida a linguagem, foi utilizada a metodologia de conversão de Redes
de Petri em diagrama de ladder, esta metodologia especifica um passo a passo
para a conversão manual da rede de Petri previamente simulada em um código
ladder, esta metodologia conta com cinco módulos principais, sendo eles:
Módulo de inicialização: o modulo de inicialização esta associado a
marcação inicial da RP, sua função é a atribuição de fichas aos lugares
previamente marcados. Este módulo é representado por um contato
normalmente fechado (NA) que esta associado a um bit interno do CLP. No
primeiro ciclo do CLP as bobinas associadas aos lugares inicialmente
marcados são energizadas, indicando que o lugar possui uma ficha. Após
executado este módulo o contato NA é aberto impedindo que o módulo seja
executado novamente. Em cada lugar que receber uma ficha na marcação
inicial é utilizado uma bobina SET.
As imagens a seguir representam como ficara marcada a RP depois do
bloco de inicialização e o código Ladder do mesmo.
Figura 7 – RP módulo de inicialização.
Figura 8 – Ladder módulo de inicialização.
Módulo de eventos: está relacionado à ocorrência de eventos, onde os
eventos do meio externo são trazidos por sensores utilizando sinais de borda
de subida ou descida. Estes sinais são responsáveis pela mudança da logica
de controle, pois funcionam como entradas do CLP.
Na imagem a seguir é utilizado o sinal de borda de subida para o sensor
em questão, utilizando uma bobina auxiliar que terá seus contatos utilizados
posteriormente no diagrama ladder.
Figura 9 – Ladder módulo de eventos.
Módulo de condições para o disparo das transições: descreve quais as
condições necessárias para o disparo de uma transição. Estas condições são
descritas pelos lugares de transições de entrada e seus respectivos sinais de
entradas dos sensores. Estas condições de habilitação são representadas por
contatos normalmente abertos ou fechados (NA ou NF), todas estas condições
são dispostas em serie em uma única linha do diagrama ladder. No caso de
transições temporizadas é adicionado um temporizador com um valor de preset
equivalente ao tempo de atraso da transição.
As imagens a seguir representam a RP de uma transição e o diagrama
Ladder do modulo das condições de disparo da transição.
Figura 10 – RP módulo das transições.
Figura 11 – Ladder módulo das transições.
Módulo da dinâmica da rede de Petri: Esta associada às fichas nos
lugares de entrada e saída das transições da RP, ou seja, indica qual será a
caminho tomado pelas fichas. Neste módulo é utilizado um contato NA que
representa a transição em questão, uma ou mais bobinas RESET
representando o/os lugar(es) de saída da transição e uma ou mais bobinas
SET representando o/os lugar(es) de entrada da transição.
As imagens a seguir representam a dinâmica da PR e a Ladder referente
ao modulo da dinâmica da RP em questão.
Figura 12 – RP do módulo da dinâmica.
Figura 13 – Ladder do módulo da dinâmica.
Módulo das ações: este módulo representa as ações associadas aos
seus respectivos lugares, ou seja, indica qual saída do CLP ira ser acionada
quando uma ficha estiver em um lugar específico.
As imagens a seguir representam a RP do módulo das ações e o Ladder
correspondente.
Figura 14 – RP do módulo das ações.
Figura 15 – Ladder do módulo das ações.
Como mencionado, cada modulo foi modelado, simulado, convertido e
testado separadamente com o intuito de detectar e solucionar possíveis falhas.
Após todos os módulos serem programados e executados sem falha foi feita a
união dos mesmos para se executar o processo de forma continua simulando a
planta de forma dinâmica.
3.3 Adequação do manual pré-existente
Depois de finalizado todos os processos práticos envolvidos no trabalho
será criado um anexo de comunicação online. Isso se deve ao fato de que o
manual pré-existente possui apenas instruções referentes à comunicação off-
line.
O motivo da escolha para criação deste anexo é o fato de se conseguir
extrair as informações do CLP e módulos sem a necessidade de se observar
diretamente em suas placas. Isso é possível apenas utilizando um cabo
ethernet e configurando algumas opções diretamente no software.
A utilização da comunicação online apresenta algumas vantagens, além
da praticidade já citada, a ocorrência de erros diminui drasticamente, evitando
problemas futuros aos programadores.
ANEXOS
ANEXO 1 - COMUNICAÇÃO ONLINE
Depois de aberto o TIA portal e o cabo ethernet plugado ao
computador, deve-se criar um novo projeto ou apenas abrir um existente que
previamente foi salvo optando dentro do menu “Start” pela opção “Open
existing project” para abrir um projeto existente apenas selecionando o
desejado e clicando em “Open”, ou, “Create a new project” para criar um novo
projeto definindo um nome ao mesmo e clicando no botão “Create”. A figura 1
apresenta os comandos citados.
Figura 1 – Inicialização.
Após aberto o projeto a figura 2 será apresentada ao usuário. Nesta
tela são apresentados vários menus que podem ser acessados, porem, devido
a este documento ser especifico para comunicação online os apenas alguns
serão abordados aqui.
Figura 2 – Tela inicial.
Chegando nesta etapa partimos para a etapa onde são encontrados
os dispositivos (CLP, Módulos de extensão) de forma automática, para isso,
deve se clicar em “Devices & networks” e em seguida em “Add new device”
conforme a imagem a seguir.
Feito isso, um lista de dispositivos é aberta onde todas as versões
de CLPs que são programadas pelo TIA portal são apresentadas conforma a
figura 4, assim, pode se escolher o desejado de forma manual (usado
geralmente na comunicação off-line), ou fazer com que o software reconheça
todos os dispositivos de forma online escolhendo dentro do menu “Unspecified
CPU 1200” a opção “6ES7-2XX-XXXXX-XXXX”. Outro importante item é a
escolha da versão que fica disposta no centro direito da tela conforme a figura
3, nela deve-se escolher a versão “V2.2”, caso contrario o software não
reconhece os dispositivos.
Figura 3 – Escolha da versão.
Definidos os parâmetros para adicionar os dispositivos basta clicar
sobre o botão “Add” que fica localizado no canto inferior direito da tela
conforme a figura 4.
Figura 4 – Adicionando dispositivos.
Após clicar sobre o botão “Add” a figura 5 será apresentada ao
usuário. Nela basta apenas clicar sobre o ícone “detect” grifado em vermelho
para que se fazer a busca por dispositivos.
Assim, a figura 6 será apresentada ao usuário, nela é necessário
definir informações sobre a “PG/PC interface” que são informações sobre a
placa de rede com computador utilizado, e em seguida apenas clicar sobre o
botão “Refresh” para que o software inicie a busca. Após isso basta aguardar
até que sejam encontrados os dispositivos.
Figura 5 – Detecção dos dispositivos.
Figura 6 – Busca dos dispositivos
Caso ocorra algum erro ele será apresentado no campo “Online
status information” conforme a figura 7, da mesma maneira, se a busca ocorrer
de forma correta a uma mensagem é apresentada. Depois de encontrado irá
ser apresentado informações como o modelo do dispositivo, endereço entre
outros. Pode-se utilizar o recurso “Flash LED” que fica localizado dentro do
retângulo laranja, quando o mesmo é acionado um LED no CLP ira piscar
indicando que a comunicação foi feita de forma correta. Após isso basta clicar
sobre o botão “Detect” e aguardar até que a figura 8 seja apresentada na tela.
Figura 7 – Dispositivos encontrados.
A figura 8 apresenta um requerimento para mudança de IP da
máquina para que o CLP, cartões e computador estejam todos na mesma rede.
Esta mudança é feita de forma automática, ou seja, o software define um
endereço para o computador, para isso basta apenas pressionar sobre o botão
“Yes” e aguardar alguns instantes e a figura 9 será apresentada.
Figura 8 – Requerimento para mudança de IP
A figura 9 apresenta a confirmação de que o endereço de IP foi
mudado e também o numero correspondente. Basta apenas pressionar sobre o
botão “OK” e aguardar até a figura 10 ser apresentada.
Figura 9 – IP selecionado.
A figura 10 representa o CLP e os cartões já adicionados e
configurados, além disso, ao lado da representação dos dispositivos existe o
campo “Device overview” onde ficam representados todos os canais de entrada
e saída digitais ou analógicas do CLP e dos cartões encontrados. Os
endereçamentos já são previamente definidos pelo software, porem, é possível
modificar os mesmos de acordo com o que for desejado pelo programador.
Pode-se ainda fazer algumas alterações de configuração na aba
“General”, porém a configuração básica já está ativa para que o usuário
consiga programar e comunicar de forma correta.
Figura 10 – Final da comunicação.
ANEXO II – REDES DE PETRI
