InterfaceHomem-Máquina

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R

O

C

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S

S

O

Sensores

Actuadores

PARTE DE COMANDOPARTE OPERATIVA

Outros sistemas de comando

C

O

M

A

N

D

O

Comunicação

Componentes de um sistema automatizado

• A parte operativa efetua as operações

– mecânicas,

– térmicas,

– fisico-químicas sobre a natureza dos produtos tratados pela máquina ou instalação, transformando-os.

Estas operações podem também corresponder a ações de deslocamento, regulação, montagem ou embalagem.

Parte Operativa

• A parte de comando:

– Diálogo com a máquina ou instalação - controle dos atuadores tais como motores, cilíndros, válvulas e recepção de informações por intermédio de sensores.

– Diálogo Homem-Máquina - operação, ajuste e reparação da máquina; introdução de instruções e recepção de dados.

– Comunicação com outras máquinas - dentro de um mesmo sistema de produção, podem existir diferentes máquinas. A coordenação destas máquinas é conseguida pelo diálogo entre os respectivos sistemas de controle.

Parte de Comando

• Neste módulo estuda-se:Conceitos e técnicas de dispositivos automatizados, ao

nível do:– Comando individual de máquinas e processos

(automatizar as ações de um determinada máquina)– Comando centralizado de máquinas e processos

(envolve coordnação de robôs, ferramentas e unidades de armazenamento)

Teoria de controle de acontecimentos discretos

Acontecimentos Discretos

controleCONTÍNUO vs DISCRETO

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controle Industrial

• Regulação automática das unidades operacionais e equipamento associado. • Integração e coordenação das unidades operacionais que formam o sistema de

produção.

Unidades operacionais – operação de produção

Indústrias do processo versus indústrias “discretas”

Indústrias processo – operações efetuadas em produtos como líquidos, gases, etc…

Indústrias discretas – operações efetuadas em quantidades de produto porque estes são partes discretas de produtos e produtos.

controleCONTÍNUO vs DISCRETO

• controle CONTÍNUO/DISCRETO

– O QUE OS DISTINGUE?

– QUE TIPO DE VARIÁVEIS LHES SÃO

CARACTERÍSTICAS?

– QUE CATEGORIAS DE controle PODEMOS

ENCONTRAR?

Variáveis e parâmetros

Indústria do processo – Parâmetros e variáveis contínuos

Indústria discreta – Parâmetros e variáveis discretos

Distinção estende-se às variáveis e processos que caracterizam operações de produção.

controle CONTÍNUO

• controle CONTÍNUO:– Variável de saída não é interrompida no tempo;– Pode assumir qualquer valor dentro de determinada gama;– É, geralmente, do tipo analógico;– Operações de produção nas duas indústrias são

caracterizadas por variáveis contínuas. Ex: força, temperatura, pressão, velocidade, taxas de fluxo.

– OBJETIVO:– Pretende-se controlar a variável de saída mantendo-a

dentro de determinado nível; similar à operação de um sistema de controle com realimentação negativa (mas implica várias malhas e sua coordenação).

controle contínuo

Exemplos: • controle de uma reação química que depende da temperatura, pressão e taxas

de fluxo de reagentes.• controle da posição de peças relativamente a uma ferramenta de corte. Implica

geração de complexas trajetórias curvilíneas.

controle CONTÍNUO

• VARIÁVEL CONTÍNUA – EXEMPLOS:

– TEMPERATURA;

– PRESSÃO;

60ºC

controle CONTÍNUO

• VARIÁVEL CONTÍNUA – EXEMPLOS:

MAX

MIN

controle CONTÍNUO

• CATEGORIAS DE controle CONTÍNUO

– controle regulador;– controle por antecipação (Feedforward);– controle por otimização do estado estacionário;– controle adaptativo.

Outras estratégias controle

• Redes neuronais• Sistemas de inteligência artificial• Sistemas de aprendizagem

controle DISCRETO• controle DISCRETO

– Parâmetros e variáveis do sistema são alterados em momentos discretos no tempo;

– As variáveis tomam um número finito de valores entre quaisquer dois valores de uma determinada gama;

– As suas variáveis são normalmente do tipo binário;

Variáveis e parâmetros

Variável /parâmetro discreto• Apenas pode ter determinados valores dentro duma determinada gama.• Mais comum é binária com dois valores: ON OFF, aberto fechado• Ex: switches detectores de fim de curso, peça presente ou não, moto ON/OFF• Não necessitam ser variáveis binárias. Podem ter outros valores menor que

infinito. Ex: contagem de peças e amostragem num tacómetro digital.• Exemplo especial: pulsos. Variável discreta: Pode indicar número de peças

(ativação célula fotovoltaica num tapete). Parâmetro discreto: pode accionar um motor de passo.

Utilização do controle discreto

Utilização do controle discreto na indústria discreta

• controle de tapetes e outros materiais de transporte• controle de sistemas automáticos de armazenamento

Estes sistemas seguem sequência bem definida de ações start-stop

controle DISCRETO

• controle DISCRETO:

– A alteração do estado das variáveis do sistema ocorre em dois casos:

• MUDANÇAS OPERADAS POR EVENTOS;

• MUDANÇAS OPERADAS PELO TEMPO;

controle DISCRETO

• MUDANÇA OPERADA POR EVENTO

90Km/h

Alterações provocadas por eventos

• Iniciar e terminar uma operação• Ligar/desligar um motor

Exemplos de alterações provocadas por estes eventos

• Robot coloca uma peça num tapete e esta é detectada por um switch.

Evento que altera o estado do sistema : detecção da presença da peça.

Mudança provocada por este evento: um novo ciclo pode começar.

Controlador executa as alterações de variáveis em resposta ao evento que provocou a alteração do estado do sistema

Exemplo de alterações provocadas por eventos

• Seringa carregada com fluidos plásticos para injeção de materialEvento que altera estado do sistema: nível da seringa vai abaixo de um determinado valor e

um switch de detecção de nível é accionado.

Mudança provocada pelo evento: uma válvula abre-se de modo a encher a seringa de material plástico. Quando o nível de plástico na seringa atingir o nível máximo, então a válvula é automaticamente fechada

• Peças que passam num tapete com sensores ópticosEvento que incrementa o contador: cada peça que passa pelos sensores.

Mudança provocada por evento: contagem de peças.

• Máquina de lavar Evento que altera o estado do sistema: enchimento de água até nível correto.

Mudança provocada pelo evento: dispara um switch que faz para o enchimento

controle DISCRETO

• MUDANÇA OPERADA PELO TEMPO

Alterações provocadas por eventos temporais

• Em determinada altura• Após um determinado tempo• A altura em que o evento ocorre é importante

Exemplos de alterações provocadas por estes eventos

• Campainha a soar numa fábrica para indicar mudanças de turno ou intervalos• Operações de aquecimento de peças tais como fornos: carregamento de peças para o

forno, espera um determinado tempo e descarregamento das peças.• Ciclo de agitação da água numa máquina de lavar. Após este a máquina é

descarregada

Controlador executa as alterações de variáveis:

controle DISCRETO

• MUDANÇAS OPERADAS POR EVENTOS:

– Os controladores utilizam uma lógica combinacional;

• MUDANÇAS OPERADAS PELO TEMPO:

Os controladores utilizam uma lógica

sequencial

controle de processos com o computador

Antes … • utilizavam-se controladores analógicos para implementar controle contínuo e • sistemas baseados em relés eram utilizados em controle discreto.

Tecnologias dos computadores digitais era recente e os únicos computadores existentes para controle dos processos eram caros. Os computadores eram:

• Lentos• Não fiáveis• Não eram ideias para processar aplicações de controle• Muitas vezes mais caros que os próprios processos que controlavam.

Computadores digitais introduzidos em 1950 nas indústrias de processos contínuos

controle de processos com o computador (2)

… computadores digitais substituíram os analógicos nas aplicações de controle de processos contínuos e …

Em 1970 …

… os PLCs substituíram os relés nas aplicações de controle discreto

Estes avanços resultam do desenvolvimento do microprocessador.

Hoje …

… quase todos os processos industriais são controlados por computadores digitais baseados na tecnologia dos microprocessadores.

Em 1960 …

Requisitos do controle

• É necessário comunicar e interagir com os processos numa base de tempo real.

• Responder ao processo num período de tempo suficiente para não degradar a performance do processo.

Controlador em tempo real

Requisitos do controle (2)

Fatores que determinam se o controlador pode operar em tempo real

• Velocidade do CPU e seus interfaces.• Sistema Operativo do controlador• Desenho do suporte lógico da aplicação• Número de eventos de entrada/saída que o controlador deve responder

Requerido um sistema multi-tarefa para lidar com tempo real …

Lidar com múltiplas tarefas concorrentes sem umas interferirem com as outras

Níveis de controle de processos industriais

• controle básico• controle do procedimento• controle de coordenação

Standard ANSI/ISA – S88.01-1995 divide as funções de controle de processos em 3 níveis:

Fluxo de

dados

Níveis de controle de processos industriais (2)

Nível da empresa

Nível equipamento

Nível da planta

Nível da célula ou sistema

Nível máquina

controle de coordenação

controle básico

controle de procedimento

Fluxo de

dados

Fluxo de dados

Fluxo de dados

Nível

automação

Nível controle

controle básico

• Nível mais baixo do standard• Corresponde ao nível do equipamento na hierarquia da automação. • Na indústria de processo, este nível lida com o controle da realimentação nas

malhas básicas de controle. • Nas indústrias discretas, este nível lida com a atuação de servo motores e

outro atuadores nas máquinas de produção. • Inclui funções como: controle da realimentação, polling, interlock, interrupções e

algumas ações corretivas. • Pode ser ativado/desativado ou modificado pelos níveis de controle superiores

(procedimentos ou coordenação) ou por um comando de operador.

controle do procedimento

• Nível intermédio de controle.• Lida com as unidades de produção nas indústrias do processo.• Lida com o nível da máquina no nível da automação.

• No controle contínuo inclui a utilização de dados armazenados durante o “polling” para:

– calcular valores dos parâmetros do processo,

– alterar referências e outros parâmetros do processo do controle básico

– alterar constantes de ganho de controlador. • Em controle discreto, lida:• com a execução do ciclo de trabalho: direccionar as máquinas para a execução de

ações numa sequência ordenada de maneira a efetuar a tarefa produtiva. • Pode envolver a detecção de erros e procedimentos de recuperação preservando as

condições de segurança requeridas para o processo.

controle de coordenação

• Nível mais alto do standard• Corresponde ao nível supervisor nas indústrias de processo• Corresponde ao nível de sistema ou célula nos processos discretos• Pode também envolver os níveis da planta e empresa da hierarquia da automação. • Este controle inicia, direcciona ou altera a execução de programas do nível de controle

de procedimentos. • As suas ações alteram-se com o tempo mas os seus algoritmos de controle não estão

estruturados orientados à tarefa. • Algoritmos de controle são mais reativos e adaptativos. • Algumas funções ao nível da célula são:

– coordenação das ações de grupos de equipamento ou máquinas– ordens de produção para máquinas da célula e – seleção de programas de ciclo de trabalho alternativos.

controle da coordenação (2)

Ao nível empresarial e da planta …

este controle da coordenação lida mais com:• funções de suporte à produção, incluindo planeamento da produção e seu

escalonamento, • coordenação entre materiais (tais como equipamento utilizado por mais do que

uma célula), e • supervisiona a disponibilidade, utilização e capacidade do equipamento.

Estas funções de controle são conseguidas através dos computadores integrados da companhia e o seu sistema de informações.

Conjunto ou Sequência de Acontecimentos

Controlador de Acontecimentos Discretos ou Controlador Lógico

ProcessoActua- dores

Sensores

Sistema de controle de acontecimentos discretos

• As informações que um controlador de acontecimentos discretos recebe são binárias, mas também o são as ordens que envia para o processo.

• Se se virem as variáveis binárias como variáveis lógicas que podem tomar os valores de v (0) e f (1) - verdadeiro e falso, respectivamente -, então um controlador de acontecimentos discretos pode ser descrito por um conjunto de equações lógicas que especificam as suas saídas (ou ordens que envia para o processo) como valores de funções booleanas das suas entradas (ou informações que recebe do processo).

a

Contacto normalmente aberto

a/

Contacto normalmente fechado

atuado Fechado 1 Aberto 1

Contato NA Valor de a NF Valor de a/

em repouso Aberto 0 Fechado 0

Representação esquemática de contatos

normalmente abertos ou fechados

Utilização de 3 dispositivos na malha de controle:

Sensor/Transdutor/Transmissor;

Controlador;

atuador.

Sensores são de dois tipos:

Analógicos (contínuos); Cobrem uma gama contínua de valores;

transdutores/transmissor;

Digitais (lógicos); Contêm apenas dois níveis; designam-se “tudo ou

nada”, “on-off”, binários