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

1. Introdução

2. Sistemas automatizados: conceitos e definições

3. Descrição de sistemas automatizados

4. Classificação de sistemas automatizados

5. Norma internacional [IEC 61131-3]

6. Grafcet – grafo de comando etapa e transição

CAPÍTULO 3



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.

1. Introdução



SistemaConjunto 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.

2. Sistemas automatizados: conceitos e definições



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.

Principais componentes 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).

Simulação de um sistema

Simulação e modelagem 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.

Simulação de sistemas automatizados



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.

Classes de sistemas dinâmicos



Classificação geral – sistemas dinâmicos



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.

3. Descrição de sistemas automatizados



Elementos básicos de umsistema 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.

Elementos básicos de umsistema automatizado



Sistema automatizado

Parte operativa e comando



• 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).

4. Classificação de sistemas automatizados



O estado das saídas depende do estado das entradas.

Automatismos combinatórios



O estado das saídas depende do estado atual das entradas do sistema.

Automatismos seqüenciais



5. Norma internacional [IEC 61131-3]



• 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.

A norma IEC 61131-1



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).

Linguagens utilizadas para a modelagem de sistemas automatizados

Principais características características



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.

Linguagens de descrição de sistemas automatizados



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

A norma IEC 61131-1



• 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.

IL — Lista de instruções



Programação utilizando lista de instruções



• 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.

ST — Texto estruturado



• 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

Tipos de expressões




• Expressões de controle do fluxo do programas (return, exit etc.)

• Expressões relacionadas a funções e blocos funcionais:

Tipos de expressões


Monitor (In:=IX5) Chamada de bloco funcional

Var1 := Monitor.Q Uso da saída de um bloco de funções



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.



• 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.

LD — Diagrama Ladder



Tela típica de diagrama Ladder



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.

FBD — Diagrama de blocos de função



FBD — Diagrama de blocos de função



• Também conhecido pelo nome de Grafcet, divide o processo em um número definido de passos separados por transições.

• É o núcleo da IEC 61131-3, 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.

SFC – Diagrama funcional seqüencial



• 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.

6. Grafcet – grafo de comando etapa e transição

O diagrama funcional Grafcet deve atender às seguintes exigências:



Elementos do Grafcet



Elementos do Grafcet

SFC — Diagrama funcional seqüencial



• 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.

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.




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.

Tipos de ação associados às etapas



Ação condicional em 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.

Transições e receptividades de um Grafcet



Transições e receptividades de um Grafcet



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.

Principais funções associadas às receptividades



• 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.

Exemplo de temporização 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.

As ligações orientadas em um Grafcet



Em uma ligação seqüencial, a transição se diz válida quando a etapa precedente está ativa.

Ligação orientada seqüencial



Uma distribuição possui seu arco de ligação de saída conectado a duas ou mais etapas que se tornam ativas no mesmo instante.

Ligação orientada divergente 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.

Ligação orientada convergente em AND



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.

Ligação orientada divergente 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.

Ligação orientada convergente em OR



Salto de etapas



Retomada de etapas



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.

Regras de evolução do Grafcet

O comportamento do Grafcet é baseado em cinco regras de evolução, descritas a seguir.



No início do funcionamento, somente as etapas de inicialização estão ativas.

Regra 1: Situação inicial



Uma transição pode ser válida ou não válida.

Regra 2: Validação de uma transição



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.

Regra 3: Evolução de etapas ativas

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