Ac5-Autóm Program Introd

INTRODUO AOS AUTMATOS PROGRAMVEIS

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UNIVERSIDADE DO ALGARVE INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA

LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELCTRICA E ELECTRNICA

ROTEIRO TERICO 2 CAPTULO

Ano Lectivo: 2008/2009

IVO M. MARTINS A.D.E.E. I.S.E.

AUTMATOS PROGRAMVEIS SUMRIO

Universidade do Algarve Instituto Superior de Engenharia 1 Licenciatura em Engenharia Elctrica e Electrnica

SUMRIO

INTRODUO AOS AUTMATOS PROGRAMVEIS _______________________ 2

INTRODUO _____________________________________________________ 2

Definio de Autmato Programvel _____________________________ 2

Evoluo Histrica ___________________________________________ 3

A Norma IEC 1131 ____________________________________________ 7

Caractersticas Funcionais e de Concepo ________________________ 9

Especificaes ______________________________________________ 10

Campos de Aplicao ________________________________________ 11

ESTRUTURA CONCEITOS GERAIS ______________________________________ 12

Concepo _________________________________________________ 12

Arquitectura _______________________________________________ 13

DESCRIO BSICA DO HARDWARE _____________________________________ 14

Unidade Central de Processamento (CPU) ________________________ 14

Memria __________________________________________________ 15

Interfaces de E/S ____________________________________________ 16

Interface de Comunicao ____________________________________ 17

Ferramentas para Programao _______________________________ 18

CICLOS NOES E FUNCIONAMENTO ___________________________________ 19

Noo de Tempo de Ciclo _____________________________________ 19

Tipos de Ciclos ______________________________________________ 20

PROGRAMAO DOS AUTMATOS _____________________________________ 21

Introduo _________________________________________________ 21

Linguagens de Programao __________________________________ 23

AUTMATOS PROGRAMVEIS INTRODUO AOS AUTMATOS PROGRAMVEIS


INTRODUO AOS AUTMATOS PROGRAMVEIS

INTRODUO

DEFINIO DE AUTMATO PROGRAMVEL

Segundo a norma DIN 19237, a definio de autmato programvel (PLC = Programmable Logic

Controller) a seguinte:

Equipamento electrnico programvel por tcnicos de instrumentao industrial (pessoal no

informtico) destinado a controlar, em tempo real e em ambiente industrial, mquinas ou

processos sequenciais.



EVOLUO HISTRICA

A introduo dos PLCs na indstria ocorreu no final da dcada de 60.

Esta evoluo dos sistemas de produo deveu-se

principalmente necessidade de eliminar o elevado custo dos

complexos sistemas de controlo baseados em rels e contactores.

O principal problema destes sistemas prendia-se com o facto

que quando os requisitos de produo modificavam, tambm era

necessrio modificar o sistema de controlo. Tal situao encarecia a

produo quando as modificaes eram frequentes.

Por outro lado, o facto dos rels serem dispositivos mecnicos e apresentarem uma vida limitada

obrigava a uma elevada manuteno das instalaes.



No final dos anos 60 a BEDFORD ASSOCIATES props algo denominado por Controlador Digital

Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroler).

O MODICON 084 resultou no primeiro PLC do mundo,

tendo sido inventado em 1969 por Dick Morley.

O primeiro PLC a ser comercializado com sucesso, o

MODICON 184, foi introduzido no mercado em 1973 e foi

desenvolvido por Michael Greenberg.

Estes novos controladores deviam ser facilmente programveis, o seu tempo de vida devia ser

elevado e as modificaes na programao devia ser realizada de forma muito simples. Finalmente

impunha-se que trabalhassem sem problemas nos mais diversificados ambientes industriais.

A soluo passou por se empregar tcnicas de programao familiares e substituir-se os rels

mecnicos por rels de estado slido.



Em meados dos anos 70 as tecnologias dominantes dos PLCs eram mquinas de estado sequenciais e

CPU baseados em deslocamento de bit. Os AMD 2901 e 2903 eram os CPUs mais populares nos

modelos MODICOM e PLCs A-B.

Os microprocessadores convencionais forneciam a potncia necessria

para resolver de forma rpida e completa a lgica dos pequenos PLCs. Por

cada modelo de microprocessador havia um modelo de PLC baseado no

mesmo.

As capacidades de comunicao comearam a aparecer aproximadamente em 1973. O primeiro sistema

foi o BUS MODICOM (MODBUS).

O PLC podia agora dialogar com outros PLCs e em conjunto controlarem as mquinas do processo.

No entanto, a falta de uma norma acompanhada de uma contnua evoluo tecnolgica provocou que a

comunicao entre PLCs se transformasse num conjunto de protocolos incompatveis entre si.



Nos anos 80 iniciou-se uma tentativa de normalizao das comunicaes entre PLCs, com o protocolo

MAP (Manufacturing Automation Protocol) da GENERAL MOTORS.

Foi tambm nos anos 80 que se reduziram significativamente as dimenses dos PLCs e se passou a

programar com programao simblica atravs de PCs em vez dos clssicos terminais de

programao.

Nos anos 90 assistiu-se a uma reduo gradual no nmero protocolos, e na modernizao das camadas

fsicas dos protocolos mais populares que sobreviveram aos anos 80.

Actualmente a norma IEC 1131 tenta unificar o sistema de programao de todos os PLCs numa nica

norma internacional. Agora dispomos de PLCs que podem ser programados em vrias linguagens de

programao ao mesmo tempo.

Actualmente, os PCs esto comeando a substituir os PLCs nalgumas aplicaes. Neste contexto,

possvel que num futuro prximo, os PLCs desapaream frente aos cada vez mais potentes PCs.



A NORMA IEC 1131

Em 1979 foi criado um grupo de trabalho sob a International Electro-Technical Commission

(IEC) para efectuar um estudo completo sobre o projecto de controladores programveis, incluindo o

projecto de hardware, instalao, testes, documentao, programao e comunicaes.

O objectivo foi o de estabelecer um mtodo consistente de programao de PLCs que encorajasse o

desenvolvimento de software de qualidade.

Com a colaborao dos fabricantes, dos consumidores e do meio acadmico resultou o

desenvolvimento da norma IEC 1131.



A norma IEC 1131 composta pelas 5 partes seguinte:

PARTE 1 Informao geral. Estabelece as definies gerais dos termos utilizados na norma e

identifica as principais caractersticas relevantes para a seleco e aplicao de controladores

programveis e seus perifricos.

PARTE 2 Requisitos de equipamento e testes. Contm os requisitos mnimos para as caractersticas

funcionais, condies de servio, caractersticas de construo e condies de segurana e testes

aplicveis aos controladores programveis e perifricos associados.

PARTE 3 Linguagens de programao. Especifica a sintaxe e a semntica de um conjunto

unificado de linguagens de programao para controladores programveis.

PARTE 4 Guias para o utilizador. Contm um guia de aconselhamento dos utilizadores de PLCs

para as diversas fases de projecto de automao.

PARTE 5 Servios de comunicao. Contm informao sobre as comunicaes entre PLCs de

diversos fabricantes, assim como comunicaes entre outros sistemas que utilizem a mesma protocolo

de comunicaes: Manufacturing Messaging Specification (NMS).



CARACTERSTICAS FUNCIONAIS E DE CONCEPO

Robustos: adaptao ao ambiente industrial.

Programao prpria:

Pequeno nmero de instrues.

Orientada para a automao.

Com primitivas especficas, no disponveis nas linguagens de uso geral.

Com separao das fases de desenvolvimento e de execuo dos programas (bi-processamento).

Com funcionamento sncrono: O autmato realiza a execuo de um programa de forma cclica,

dependendo a durao do ciclo da extenso do programa.

Potentes: a potncia de um PLC est directamente relacionada com a velocidade de execuo do

programa e com o nmero de variveis tratadas.



ESPECIFICAES

Quantidade, tipo e localizao das E/S

Nmero de E/S

Tenso AC ou DC

Analgicas ou discretas

Concentradas ou distribudas

Caractersticas da comunicao

Protocolo e rede utilizado

Dispositivos possveis para comunicao

Velocidade da aplicao

Tempos de resposta do sistema

Velocidade de processamento

Filosofia da arquitectura de controlo

Tipo de controlo (centralizado ou distribudo)

Redundncia (CPU, alimentao, etc)

Software de programao

IEC vs 984

Caractersticas de utilizao

Tamanho e complexidade da programao

Interface com o utilizador

Caractersticas de explorao



CAMPOS DE APLICAO

Os autmatos programveis encontram o seu principal campo de aplicao em processos industriais onde se

verificam uma ou vrias das seguintes condies:

Instalaes com espao reduzido.

Processos de produo modificveis periodicamente.

Processos sequenciais.

Instalaes com maquinaria de processos variveis.

Instalaes de processos complexos e amplos.

Necessidade de gesto centralizada das vrias partes do processo.



ESTRUTURA CONCEITOS GERAIS

CONCEPO

Os autmatos programveis apresentam uma das seguintes estruturas ao nvel da concepo:

Compacta: todos os elementos so colocados num s bloco.

Modular: cada mdulo representa um bloco individual com um

determinado tipo de funo:

Fonte de alimentao

CPU

Mdulo de entradas

Mdulo de sadas



ARQUITECTURA

O autmato programvel apresenta-se estruturalmente como um conjunto de blocos funcionais, articulando-

se em volta de um canal de comunicao: O Bus Interno.

MEMRIA

- Sistema operativo - Memria de E/S - Programa do utilizador - Memria de estados internos - Salvaguarda de dados - Variveis internas

RELGIO

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO

(CPU)

FONTE DE ALIMENTAO

INTERFACES DE E/S INTERFACES DE COMUNICAO

BUS INTERNO



DESCRIO BSICA DO HARDWARE

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU)

O CPU o elemento central do PLC.

Cabe a ele executar o programa do utilizador, de acordo com a interpretao do sistema operativo do

PLC. As tarefas do CPU so:

Executar o programa do utilizador.

Vigiar que o tempo de execuo do programa do utilizador no exceda um determinado tempo

mximo (tempo de ciclo mximo). Esta funo denominada Watch Dog.

Criar uma imagem das entradas, j que o programa do utilizador no deve aceder directamente

s entradas do sistema.

Renovar o estado das sadas em funo da imagem das mesmas obtidas no final do ciclo de

execuo do programa do utilizador.

Verificar o sistema.



MEMRIA

Dentro do CPU existem vrias reas de memria, utilizadas para diversas funes:

Memria de programa: zona de memria onde guardado o programa que o autmato vai executar

ciclicamente.

Memria de dados: zona de memria dividida em zonas especializadas de acordo com o tipo de dados

a armazenar: temporizadores, contadores, etc.

Memria do sistema: zona de memria onde se encontra o programa que monitoriza o sistema

(firmware). Este programa executado directamente pelo microprocessador do autmato.

Memria de armazenamento: zona de memria externa utilizada para o armazenamento do programa

a executar pelo autmato. Esta memria de um dos seguintes tipos: EPROM, EEPROM, FLASH.



INTERFACES DE E/S

Permitem a leitura dos estados dos sensores e o envio de comandos para os actuadores.

Geralmente o autmato dispe de dois tipos de interfaces de E/S:

E/S Digitais: baseadas no principio do tudo ou nada. So variveis binrias que possuem

dois estados. Estas E/S so manipuladas ao nvel do bit dentro do programa do utilizador.

E/S Analgicas: podem assumir um valor qualquer dentro de uma determinada gama de

valores especificada pelo fabricante. So baseadas em conversores A/D e D/A conectados ao

CPU. Estes sinais so processados ao nvel do byte ou word dentro do programa do utilizador



INTERFACE DE COMUNICAO

Por norma, os autmatos programveis possuem interfaces que permitem a

comunicao com:

Redes internas;

Mdulos auxiliares de E/S;

Dispositivos perifricos: consolas de programao e de explorao,

terminais de visualizao, etc;

Mdulos especializados;

Memria adicional;

Ligao a outros autmatos.

Estas interfaces permitem a ampliao e manipulao das caractersticas internas do autmato,

incluindo a sua programao e a monitorizao dos processos a partir de diferentes localizaes.



FERRAMENTAS PARA PROGRAMAO

Cada autmato deve dispor de alguma forma de programao, a qual se pode realizar a partir de um dos

seguintes elementos:

Consola de programao: consiste num terminal que proporciona uma forma rpida de

realizar o programa do utilizador. Tambm pode ser utilizada para efectuar modificaes no

programa ou para leitura dos dados, no local da instalao do autmato.

PC: o modo mais potente e cmodo para a programao dos autmatos, pelo que o modo mais

empregue actualmente na programao dos mesmos. Permite a

programao do autmato a partir de um computador pessoal

atravs da utilizao de ferramentas especficas. Permite ainda a

salvaguarda do programa bem como a simulao do

funcionamento do autmato.



CICLOS NOES E FUNCIONAMENTO

NOO DE TEMPO DE CICLO

O tempo de ciclo (TC) o tempo empregue na execuo de um ciclo de programa: leitura das entradas,

processamento dos dados e afectao das sadas. Este tempo depende essencialmente do comprimento

do programa e do tempo gasto na leitura dos perifricos.

Inicializao do contador de programa

Aquisio e memorizao das entradas

Tratamento do

programa

Afectao das

sadas

CICLO DE PROGRAMA

Para controlo deste tempo existe um Watch Dog. Se em alguma ocasio este tempo supera o tempo

previamente estabelecido, gerado um sinal de paragem do autmato. Desta forma garante-se o

controlo permanente do processo.

O PLC pode ser programado com um tempo de ciclo fixo e peridico: se a execuo do programa for

mais rpida que o tempo de ciclo, o autmato espera que este tempo seja tingido.



TIPOS DE CICLOS

CICLO ELEMENTAR

Entradas Tratamento Sadas

CICLO DE ENTRADAS AGRUPADAS

Entradas Tratamento Sadas Tratamento Sadas

CICLO DISTRIBUDO

Entradas Tratamento Sadas Entradas Tratamento Sadas

CICLO COM PERODO FIXO

Entradas Tratamento Sadas

Tempo de ciclo fixo



PROGRAMAO DOS AUTMATOS

INTRODUO

Com o surgimento dos PLCs, foram eliminados os enormes quadros de manobra constitudos por

contactos e rels. No entanto, procurou-se que a comunicao Homem-mquina continuasse a ser

similar utilizada at esse momento.

Para tal, foram desenvolvidas linguagens de fcil interpretao pelos mesmos tcnicos electricistas que

anteriormente estavam em contacto com a instalao.

Como exemplo, destaca-se a linguagem LL984 que consiste em diagramas lgicos implementados

com simbologia equivalente aos rels.

No entanto, com a crescente evoluo das linguagens de programao actualmente algumas delas j

nada tm a ver com o tpico plano elctrico a rels.



Actualmente, a tpica programao dos autmatos a partir de consolas de programao, foi substituda

por uma programao mais sofisticada e cmoda, passando-se a utilizar computadores e software

dedicado para tal.

Embora existam vrias linguagens de programao para autmatos, cada uma com a sua prpria

sintaxe, estas possuem vrios elementos em comum, tais como:

Identificadores de variveis:

Variveis de entrada e sada

Variveis intermdias

Variveis de temporizao e/ou

contagem

Sequenciadores:

Por acontecimento

Temporizados

Instrues:

De afectao

Lgicas

Entrada/sada

Salto

Temporizao

Contagem



LINGUAGENS DE PROGRAMAO

A crescente complexidade na programao dos PLCs motivou a necessidade da sua normalizao.

Sob a direco do IEC foi definida a norma IEC 1131-3 (3 parte da norma IEC 1131) para a

programao dos PLCs, tendo em Agosto de 1992 alcanado o estado de norma internacional.

As linguagens grficas e textuais definidas na norma constituem uma forte base para uma boa

programao dos PLCs. Com o objectivo de tornar a norma adequada a uma grande variedade de

aplicaes, foram definidas 5 linguagens de programao para PLCs:

Lista de Instrues Instruction List (IL)

Texto Estruturado Structured Text (ST)

Diagrama de Funes Function Block Diagram (FBD)

Diagrama de Contactos Ladder Diagram (LD)

Grfico Sequencial de Funes (GRAFCET) Squential Function Chart (SFC)



LISTA DE INSTRUES

A Lista de Instrues (IL) uma linguagem de baixo nvel composta por uma sequncia de instrues,

na qual se executa uma instruo por linha. A sua

estrutura muito semelhante da linguagem

Assembler.

A principal vantagem da lista de instrues advm

do facto de dispor de um conjunto de funes

bsicas que podem ser utilizadas para construir

uma aplicao complexa. Esta linguagem muito

til na elaborao de pequenas aplicaes onde a

optimizao do cdigo fundamental para garantir

a performance da aplicao.

Uma das desvantagens da IL prende-se com o

tempo despendido na elaborao dos programas.



TEXTO ESTRUTURADO

O texto estruturado (ST) uma linguagem de alto nvel, cuja sintaxe parecida com a da linguagem

Pascal. A utilizao de texto estruturado torna a

linguagem ST fcil de utilizar.

A linguagem ST pode ser empregue para realizar

rapidamente aplicaes que operam com uma

grande variedade de variveis de diferentes tipos de

dados, incluindo valores analgicos e digitais.

A ST uma linguagem adequada para a

implementao de algoritmos matemticos

complexos. Esta linguagem pode tambm ser

utilizada para simplificar longos programas

elaborados em diagramas de contactos ou

diagramas de funes.



DIAGRAMA DE FUNES

O Diagrama de Funes (FBD) permite o

desenvolvimento de programas em ambiente

grfico, atravs da utilizao de blocos de funes

(FB) existentes na biblioteca de blocos de funes

do IEC.

O FBD, resulta especialmente cmoda de utilizar,

por tcnicos habituados a trabalhar com circuitos

de portas lgicas, j que a simbologia utilizada em

ambos equivalente.

A linguagem FBD adequada para o

desenvolvimento de aplicaes que envolvem o

fluxo de informao ou dados entre componentes de controlo.



DIAGRAMA DE CONTACTOS

O Diagrama de Contactos (LD) uma linguagem de programao grfica que utiliza um conjunto de

smbolos de programao normalizados.

Os smbolos tradicionais do LD so os rels e os

contactos. No entanto, o IEC permite a insero de

blocos de funes no programa, tornando a linguagem

mais verstil. Esse passo tem em vista a migrao

progressiva dos tradicionais esquemas lgicos com

rels para mtodos mais avanados de diagramas de

blocos de funes.

O LD est principalmente orientado para resolver

problemas de automatismos combinatrios.



GRFICO SEQUENCIAL DE FUNES (GRAFCET)

O Grfico Sequencial de Funes (SFC) uma linguagem grfica que proporciona uma representao

do processo em forma de diagrama, particionando-

se o programa em sequncias lgicas. Foi

especialmente desenvolvida para resolver

problemas de automatismos sequenciais.

O grfico constitudo por um conjunto de etapas

e transies. As aces a executar so associadas

s etapas e as condies a cumprir s transies.

Como consequncia das aplicaes industriais

funcionarem em forma de etapas, o SFC a forma

lgica de especificar e programar em mais alto

nvel um programa para PLCs.

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