Trabalho IEC 61131 - Informática 2

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1. Introduo

Segundo Lewis (1995 apud FAUSTINO, 2005), a maturidade de um ramo industrial pode ser verificada quando este precisa consolidar diferentes projetos e enfoques, sendo inevitvel o surgimento de algum tipo de padronizao. O progresso de diversas tecnologias surgidas durante a Revoluo Industrial foi atravancando enquanto no foram desenvolvidos padres, como exemplo, pode-se citar o caso da definio de bitolas comuns para os trilhos das ferrovias e de tenses e frequncias padres nominais para as empresas geradoras e distribuidoras de energia eltrica.

Entre os anos 70 e 80 comearam a surgir s primeiras normas nacionais regulamentares envolvendo CLPs. John et al. (2001 apud FAUSTINO, 2005) lembram a norma alem DIN 40719-6 para padronizar o uso de diagramas de blocos de funo, enquanto Baracos (1992 apud FAUSTINO, 2005) cita a norma francesa NFC-03-190 para definio do GRAFCET (acrnimo do francs Graphe Fonctionnel de Commande, tapes Transitions). Mesmo com essas normas, cada fabricante produzia seus prprios equipamentos e linguagens sem nenhuma padronizao.

No ano de 1979, a IEC criou um grupo de discusso denominado WG7 (Working Group 7), que deveria escrever uma norma relativa a CLPs que inclusse aspectos ligados a hardware, instalao, simulaes, documentos tcnicos e programao. Tal grupo no obteve xito e foram criados outros grupos de especialistas com o intuito de que cada grupo desenvolvesse uma parte do padro. O terceiro grupo desenvolveu a padronizao das linguagens de programao, da surge o nome de norma (IEC61131-3) sendo interessante ressaltar que foi a primeira aceita internacionalmente.

Existem no mercado de automao industrial, dezenas de fabricantes. Cada um com sua arquitetura, redes de comunicao e softwares de programao prprios. Com exceo de alguns poucos fabricantes que, por fora do mercado, tiveram que desenvolver interfaces com outros, a grande maioria deles permanece isolado, incomunicvel com outras marcas. Os clientes so obrigados a conviver com ilhas tecnolgicas em muitos casos, e isso porque possuem equipamentos, em plantas industriais por exemplo, de diversas marcas e fabricantes ou ainda dispositivos de tecnologias e verses diferentes.

No intuito de reduzir os investimentos com automao industrial muitos clientes finais compram tecnologia integrada somente de um fornecedor. Neste caso o mximo de treinamentos e documentao possveis, para que consiga prosseguir com as manutenes necessrias aps a aceitao definitiva.

Como tentativa de alterao deste cenrio, seja por presso de Clientes ou de alguns pequenos Fornecedores que no conseguiam acesso aos grandes fornecimentos, surgiu a exigncia de padronizao de linguagens que cumprissem com a maioria das exigncias de software.

Em 1992, somente aps mais de 20 anos de criao do primeiro CLP, o International Electrotechnical Commission (IEC) publicou a norma IEC-61131, a qual estabeleceu padres para Controladores Programveis.

Esta norma IEC 611311 se aplica a Controladores Programveis e seus perifricos, tais como Ferramentas de Programao e Depurao, Equipamentos de Testes e Interfaces Homem-Mquina, ou seja, no se aplica a todos os componentes de um Sistema de Automao pois atende somente queles que compem os Controladores.

Esta norma facilita definir as regras de semntica e sintaxe para as linguagens de programao mais comuns, para que os fabricantes possam expandir e adaptar estas regras para suas prprias implementaes de CLP. Define a comunicao entre CLP e outros Sistemas usando o MMS Manufacturing Message Specification, conforme norma ISO/IEC 9508.

Proporciona reduo de custos com implantao, treinamentos, debugging, manuteno de software, engenharia e consultoria devido integrao com as diferentes tecnologias.

Esta norma tem foco na soluo do problema e no na construo do software. Reduz a dependncia de Fornecedores de Consultorias e hardwares e tambm Erros e Inconsistncias na construo de lgicas.

Com esta norma possvel encontrar solues iguais para reas iguais em diferentes indstrias, ou, em indstrias idnticas, porm em lugares diferentes. A norma faz com que se tenha de mudar algumas parametrizaes, mas no o software bsico. Outra vantagem o uso Bibliotecas padro construdas por diferentes programadores em um mesmo ambiente de programao e implementao.Estabelece as definies e identifica as principais caractersticas relevantes para a seleo e aplicao de controladores programveis e seus perifricos associados. A verso atual a 2.0 a partir de 2003.

O padro internacional IEC 61131 se aplica a controladores programveis (CLP) e seus perifricos associados, tais como programao e ferramentas de depurao (PADTs), interfaces homem-mquina (IHM), etc., que tenham por finalidade o controle e comando de mquinas e industrial processos.

CLPs e perifricos associados destinam-se ao uso em ambiente industrial e pode ser classificado como equipamento aberto ou fechado. Se um PLC ou seus perifricos associados so empregados em outros ambientes, os requisitos especficos, os padres e as prticas de instalao para esses outros ambientes devem ser aplicados adicionalmente ao PLC e seus perifricos associados.

A funcionalidade de um controlador programvel pode ser conseguida em um hardware especfico e plataforma de software como em um computador de uso geral ou um computador pessoal com caractersticas de ambiente industrial.

Esta norma aplica-se a todos os produtos que executam a funo de PLCs e / ou os seus perifricos associados.

Entre as principais vantagens da norma podemos destacar a facilidade que o usurio tem em estruturar a programao em elementos funcionais ou POUs (Program Organization Units) e de poder escolher a linguagem em que ir programar determinada parte do projeto. Alm disso, utilizando um ambiente de programao universal, o aprendizado das linguagens da norma, permitir ao usurio usar este conhecimento em diferentes sistemas de programao (diferentes fabricantes). Os programas ou parte deles podero ser exportados para sistemas de diferentes fabricantes tornando a linguagem altamente portvel.

Outro aspecto a ser abordado a evoluo tecnolgica das CPUs , pois a nova metodologia de programao proposta pela norma acaba exigindo CPUs mais velozes e com maior capacidade de memria. E evoluo das famlias de novos micro-controladores tem contribudo para que a implementao da norma em nvel de hardware possa ser feita de forma a no haver queda de performance dos sistemas.

O CLP um equipamento que mesmo depois de muitos anos de uso em indstrias e laboratrios, e o desenvolvimento de novas tecnologias, tem aplicaes macias em vrios processos industriais. Seu domnio por parte de profissionais de manuteno e engenharia indispensvel.Entretanto a diversidade de fabricantes e linguagens de programao trouxeram diversas dificuldades para o setor de manuteno exigindo profissionais muito qualificados e generalistas, dificultando, por conseguinte sua intercambialidade.

A norma IEC61131-3 (1993) foi desenvolvida como forma de diminuir situaes conflitantes e contribuir para a padronizao de CLPs. Sua implementao foi complexa e trabalhosa, o que demandou tempo e esforo por parte das equipes de trabalho. Mas seu resultado foi satisfatrio e auxiliou no ordenamento por parte dos fabricantes, sendo utilizada atualmente como critrio de criao e desenvolvimento de produtos.

1.1 A norma IEC 61131

A norma IEC 61131 dividida em 8 partes:a) 61131-1 - Informaes gerais (General Overview, Definitions)b) 61131-2 - Requisitos de hardware (Hardware)c) 61131-3 - Linguagens de programao (Programming Languages)d) 61131-4 - Guia de orientao ao usurio (User Guidelines)e) 61131-5 Comunicao (Message Service Specifications)f) 61131-6 Comunicao via Fieldbus (Fieldbus Communication)g) 61131-7 - Programao utilizando Lgica Fuzzy (Fuzzy Logic)h) 61131-8 - Guia para implementao das linguagens (Implementation Guidelines)

1.1.1 61131-1 - Informaes gerais (General Overview, Definitions)

A Parte 1 conceitua os CPs e as Linguagens de Programao, trazendo definies de termos como: Sistemas de Automao Disponibilidade Desligamentos Falha-Segura (Fail-safe) Entradas e Sadas conceituao e Tabelas-Imagens Linguagens Textuais x Grficas Estaes Remotas de E/S Reinicializaes (Cold, Hot, Warm) Tempos (scan, atrasos, tempo de resposta total, etc) A Estrutura Funcional bsica do hardware O processamento dos sinais: armazenamento do aplicativo e dados, leitura das Entradas, a execuo da lgica de programao e as correspondentes respostas obtidas Comunicao entre CPs Interfaces Homem-mquina Programao, Depurao, Testes e Documentao Fontes de alimentao Confiabilidade e Disponibilidade Ergonomia

1.1.2 61131-2 - Requisitos de hardware (Hardware)

A parte 2 da norma estabelece requisitos funcionais de Segurana de Manuseio, protees e recomendaes contra Interferncias eletromagnticas e requisitos construtivos eltricos, mecnicos e ambientais. Outro ponto definido por esta parte da norma refere-se a memrias de backup: tipos, especificao, capacidades.

Por consequncia das definies de hardware, a parte 2 define tambm todos os testes necessrios certificao de um determinado CP conforme definido por esta norma.

1.1.3 61131-3 - Linguagens de programao (Programming Languages)

John et al. (2001 apud FAUSTINO, 2005) comentam que a IEC61131-3 um guia para a programao de CLPs e no um rgido conjunto de regras. Devido vasta quantidade de detalhes, espera-se que os controladores programveis estejam apenas parcialmente dentro das normas. Esta norma fornece um conjunto de 62 tabelas de requisitos que devem ser declarados implementados ou no pelo fabricante do CLP. A norma IEC em sua parte 3 tem por objetivo, entre outros:

Fornecer metodologias de construo de lgicas de programao de forma estruturada e modular, permitindo a quebra dos programas em partes gerenciveis Definir 5 linguagens de programao, cada uma com suas caractersticas, de forma a cobrir a maioria das necessidades de controle atuais Permite o uso de outras linguagens de programao, desde que obedecidas as mesmas formas de chamadas e trocas de dados (Visual Basic, Flow Chart, C++, etc) Abordagem e estruturao top-down e botton-up, fundamentada em 3 princpios que so a Modularizao, Estruturao Reutilizao.

Os principais conceitos so: Configuraes (Configurations): corresponde ao software necessrio a um CP ou conjunto de CPs para que este(s) cumpra(m) suas funes de controle. A configurao define todos os elementos interagentes com suas configuraes individuais e uma configurao total dada pelo resultado das diversas configuraes. Recursos (Resources): qualquer elemento com capacidade de processamento dentro de uma configurao, capaz de executar programas. O recurso pode existir fisicamente (CPU do processador, interfaces de operao IHM, gateways de comunicao) ou virtualmente (uso compartilhado de memrias de processamento por softwares distintos. Tarefas (tasks): controla a execuo de programas ou blocos funcionais de forma peridica ou por disparo por eventos (triggers). Unidade de Organizao de Programas (POU): a forma definida pela norma para se implementar o software do CP atravs da associao de variveis e instrues, utilizando as linguagens da norma ou linguagens adicionais. Portanto, o software aplicativo do CP consiste na criao e associao de POUs entre si. POUs podem ser formadas a partir de associao de outras POUs, de forma a estruturar a programao e reutilizar o cdigo. Estruturam-se em Programas, Blocos Funcionais e Funes, reutilizveis mediante rplicas. Podem ser de fornecimento do fabricante do CP ou desenvolvidas pelo usurio. Programas (programs): construdo a partir de Blocos Funcionais e Funes em qualquer das linguagens da norma. Pode acessar diretamente as Entradas e Sadas e comunicar com outros programas. Diferentes partes de um programa podem ser controladas por tarefas. Blocos Funcionais: Partes de programas hierarquizados e estruturados de forma a serem parametrizveis e reutilizveis. Os dados nos Blocos possuem persistncia, mantendo-se inalterados entre cada execuo do bloco. Exemplos de blocos funcionais so PID, temporizadores, contadores e blocos criados com funes especficas como controle de motores. Podem ser usados como partes integrantes de Blocos Funcionais mais complexos. Funes (Functions): funes ou procedimentos (procedures) so elementos de programao que, diferentemente de blocos funcionais, no possuem persistncia, gerando resultados a cada execuo. Exemplos de funes so blocos aritmticos, comparadores e lgicos. Variveis Globais e Locais: Variveis so declaradas de duas formas: localmente e globalmente. Uma varivel dita Global quando declarada na Configurao ou no Recurso, passando a ser aceita por todas as partes dentro do nvel declarado. Variveis globais podem ser aceitas tambm por outras Configuraes ou mesmo diferentes CPs, dede que devidamente declaradas em cada um deles.

1.1.3.1 Comportamentos na Partida e Parada segundo a norma:

PartidaQuando uma configurao parte, todas as variveis globais so inicializadas e todos os recursos so ativados. Quando um recurso parte, todas as variveis dentro do recurso so inicializadas e todas as tarefas so habilitadas. Uma vez habilitadas as tarefas, todos os programas e blocos funcionais associados a esta tarefa sero executados uma vez, quando a tarefa estiver ativa. Parada- Quando uma configurao pra, todos os recursos param. Quando um recurso para, todas as tarefas so desabilitadas interrompendo a execuo de programas e blocos funcionais.

1.1.3.2 As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3

Especificamente a IEC61131-3 trata das 5 linguagens mais utilizadas em todo o mundo : Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagram (LD), Sequential Function Chart (SFC), Structured Text (ST), and Instruction List (IL).

As duas primeiras linguagens acima so ditas TEXTUAIS por conterem instrues na forma de texto. As duas seguintes so ditas grficas por possurem representao na forma de smbolos. A linguagem SFC normalmente tida como linguagem grfica, porm tambm permite programaes textuais. A escolha da linguagem de programao depende: da formao do programador, do problema a resolver, do nvel da descrio do problema, da estrutura do sistema de controle e da interface com outras pessoas/departamentos

a) Texto Estruturado (ST) uma linguagem de alto nvel. Muito prxima de outras linguagens como C e Pascal, permitindo a programao de funes e blocos que ficariam de difcil soluo com outras linguagens. Adequada para tomada de decises, Clculos, Uso de Algoritmos (IF-THEM-ELSE, CASE, REPEAT, WHILE-DO). considerada excelente para criao de Blocos Funcionais complexos.

b) Lista de Instrues (IL)Linguagem de baixo nvel, semelhante ao Assembler. Uso em pequenas aplicaes ou otimizaes de cdigos ao nvel de bits e variveis. Bastante eficiente e rpida ao nvel de bits por se aproximar do cdigo da CPU. Linguagem pouco estruturada e de difcil compreenso se usada em grande escala. Muito usada por pequenos fabricantes de CPs devido simplicidade em pequenas aplicaes e sem necessidade de uso de compiladores como as demais.

c) Ladder Diagram (LD)A mais popular, de fcil entendimento e visualizao. Baseada em Diagrama Eltrico de Contatos (diagrama trifilar) e graficamente prxima do entendimento do mantenedor. Adequada para controle/comando discreto de equipamentos e sinais, uso de lgicas sequenciais e combinacionais (Boole) And-Or-XOr com visualizao na forma de contatos de rels. Permite o uso de funes especiais como blocos PID, controles regulatrios, contadores e temporizadores. Destaca graficamente o fluxo de energia entre os elementos.

d) Diagramas de Blocos Funcionais (FBD)Baseada em Diagramas Lgicos de Circuitos. De fcil entendimento, desde que o mantenedor esteja familiarizado com representaes grficas das lgicas de Boole. Bastante prxima do Ladder exceo da representao grfica e algumas funcionalidades especficas de cada linguagem. Adequada para: controle/comando discreto de equipamentos e sinais. Uso de lgicas sequenciais e combinacionais (Boole) And-Or-XOr com representao na forma de blocos lgicos. Permite o uso de funes especiais como blocos PID, controles regulatrios, contadores e temporizadores.

e) Seqenciamento Grfico de Funes (SFC)Usada para descrever o comportamento sequencial de lgicas. Permite a programao em forma textual. Estrutura as aes em partes a serem usadas de forma hierrquica e com abordagem top-down. Promove ganhos de desempenho por s executar passos ativos na estrutura do programa. Baseada no anterior padro europeu Grafset. Foi adotada pela norma ISA SP 88 para descrio de processos em batelada. Fluxo de Informaes normalmente de cima para baixo, podendo haver ramos que retornem a lgica para passos anteriores. Fcil rastreabilidade de eventos.

1.1.4 61131-4 - Guia de orientao ao usurio (User Guidelines)

Esta parte apresenta as orientaes necessrias para que os usurios (indstrias, empresas de engenharia, programadores e mantenedores, etc), possam adquirir e instalar os CPs e seus perifricos associados. Tratam-se, portanto, de diretrizes que permitem a esses usurios: Especificar hardware e software necessrios ao projeto Instalar, comissionar e certificar o sistema de automao instalado Formalizar a comunicao entre Fornecedores e usurios finais

Esta parte trata ainda de: Requisitos Gerais de Instalao Condies ambientais e principais recomendaes Uso de fiaes corretas e aterramento(s) Supresses de rudos e transientes Interao com as normas IEC61508 e IEC 61511 que tratam de aplicao de CPs em sistemas de segurana

1.1.5 61131-5 Comunicao (Message Service Specifications)

Esta parte define o modelo de comunicao, seus blocos funcionais e mecanismos para relacionamentos entre CPs e demais dispositivos de Sistemas de Automao. Atualmente com o avano do padro OPC, a comunicao entre CP e outros sistemas de nvel hierrquico superior (SCADA, PIMS, MS, ERP) tem sido delegadas a este padro OPC, ficando a parte 5 da norma para as orientaes para trocas de dados entre CPs.

Esta parte define tecnicamente: Os subsistemas de comunicao de um CP Blocos funcionais de comunicao Meios de comunicao entre diferentes tipos de redes de comunicao Comunicao da sade (Health) do CP e estados internos

1.1.6 61131-6 Comunicao via Fieldbus (Fieldbus Communication)1.1.7 61131-7 - Programao utilizando Lgica Fuzzy (Fuzzy Logic)

Face ao surgimento e uso crescente das lgicas nebulosas ou difusas (fuzzy logics), foi incorporado recentemente norma a parte 7 que trata desse assunto. A norma define e estrutura o uso de linguagem utilizada em programao difusa Fuzzy Control Language (FCL). Composta de 6 tpicos, essa parte define: O escopo e objetivo da programao Fuzzy Referncias normativas Termos tcnicos Integrao da lgica Fuzzy com os CPs Semnticas e sintaxes da FCL Cinco anexos contendo definies, exemplos prticos, smbolos, abreviaes e sinnimos.

1.1.8 61131-8 - Guia para implementao das linguagens (Implementation)

A parte 8 da norma trata de orientaes necessrias implementao de elementos comuns e linguagens de programao definidas na parte 3. Tem por objetivo: Orientar usurios envolvidos com programao, configurao Instalao e manuteno de CPs Melhorar as prticas e a garantia de qualidade durante a construo dos softwares mediante sistematizao de ferramentas Orientar quanto ao uso de linguagens adicionais Orientao quanto ao uso de variveis globais e locais