40. SBAI-Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1.999

ASSOCIAÇÃO DE REDES DE PETRI E LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO ·CLP PARA O PROJETO DO CONTROLE DE SISTEMAS DE MANUFATURA

DISCRETA

Edilson Reis Rodrigues KatoArthur José Vieira Porto

Departamento de EngenhariaMecânica - EESC - USP - São CarlosAv.: Dr. Carlos Botelho, 1465 - Caixa Postal 359 CEP 13560 - 970 São Carlos - SP

PABX (016) 273-9432 FAX (016) 273- 9402 - email errkato@sc.usp.br

Resumo: As redes de Petri vem surgindo como uma ferramentamuito importante pois permite ' modelar, simular e analisar .sistemas caracterizados como paralelos, concorrentes eassíncronos tais como os sistemas automáticos industriais. Estetrabalho trata da 'utilização das redes de Petri para a modelageme análise de controladores seqüenciais tais como oscontroladores lógico programáveis (CLPs) , permitindo umaassociação direta do modelo com o CLP controlador doprocesso. Desta forma o programador pode explorar asvantagens da análise matemática para que o programadesenvolvido para o controlador do processo (CLP) possa ser omais correto possível, evitando-se uma perda de tempo eaumento dos custos de implementação e manutenção de um ·sistema.

Palavras-chave: intertravamento, rede de Petri, CLP.

Abstract: Petri nets arises as a very important tool to model,simulate and analyze parallel, concurrent and asynchronousautomatic manufactory systems (AMS). This work lcads lhePetri net use to model and analysis sequential controllers likeProgrammable Logic ControIler (pLC). Thus lhe designer canexplore lhe matheiDatics analysis advantages to í?e controlprograrn have correctness as possible, avoid system time loosesand increase of implementation and manutation custs.

Keywords: intelock,Petri Net, PLC.

1 -INTRODUÇÃO

A evolução tecnológica e as exigências cada vez maiscomplexas dos sistemas de controle, tais como segurança equalidade, fez com que a antiga aplicação através de reléseletromagnéticos, evoluísse para controladores baseados natecnologia de computadores.

Em termos dos equipamentos que compõe o chão defábrica, o controle atua nas máquinas automáticas CNC .(Comando Numérico Computadorizado), evitando "deadlocks",.ncronizando atividades paralelas, administrando oscalonamento das peças e operações, e armazenando dados-itemos/extem os que auxiliem a tomada de decisões.

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o controle de uma máquina CNC podem ser divididoem dois sistemas, (MOREAUX & DECOTIGNIE, 1991)(MORNlNGSTAR, 1993): o Comando Numérico.Computadorizado (CNC) e o Controlador Lógico Programãvel(CLP). O CNC trata do posicionamento, velocidade dos eixos eda interface com o operador, enquanto que o CLP trata docontrole dos intertravamentos da máquina.

O CLP tomou-se parte integrante de sistemas decontrole industriais devido a sua estrutura rígida e altacapacidade de processamento (TAHOLAKIAN & HALES,1997). Possuem diversas características que justificam seu usodifundido no controle industrial (TROY & McQUEEN, 1996):

- Alto Nível de confiabilidade: tipicamente 24 horasde operação por dia; .

- Alta velocidade de varredura .para controle deprocesso em tempo-real ; .

- Grande número de pontos de entrada/saída para osestados e sinais de controle;.

- Manutenção de software a nível de chão de fábrica;- Flexibilidade para modificar o software durante a

operação de fábrica, por exemplo, substituir itens da planta oufazer consertos de emergência.

O diagrama Ladder, desenvolvido em 1969, é alinguagem predominante para se programar CLPs (GAYMAN,1988) (OTTER, 1988). A linguagem Ladder é expressatipicamente na forma gráfica e assemelha-se a diagramas delógica elétrica, utilizados por eletricistas para circuitos de reléseletro-mecânicos, Os componentes .primários de um programade lógica Ladder são os contatos, que representam os deentrada no CLP e as bobinas, que representam sinais decontrole de saída do CLP

Uma dificuldade encontrada com a evolução dossistemas de controle 'foi que a estrutura de implantação dalógica de controle, normalmente apresentada de maneirasimples para serem implementadas por técnicos, passou a serineficiente para a programação de máquinas CNC complexas(vários eixos, sistema de troca de ferramentas, dealimentação e extração de peças, etc.) e sistemas automãticos,tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura.

Desta forma, o uso das redes de'Petri na taxonomia decontroladores programáveis, será adotado com o objetivo de seobter um modelo do sistema baseado em uma ferramenta com

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As transições representam -as ações . .Elas sãoconstituídas de uma lógica funcional a partir da álgebraBooleana, que analisam os lugares de entrada e realizam

passo onde são respeitados os elementos de controle de umCLP, chamadode passo de controle e o passo onde a seqüênciade funcionamento do sistema é detalhada para que sejamprocedidas as análises das propriedades comportamentais dasredes de Petri e as medidas de desempenho do sistema,chamado de passo de funcionamento.

dd I

- Passo de ControleNo passo de controle são utilizadas as redes de Petri

ordinárias onde todos os elementos que irão representar osintertravamentos do sistema são identificados através deatributos especificos para um programa de conversãoadequado.

Este modelo será o utilizado para a conversão domodelo de controle para uma linguagem de controle deintertravamentos CLP. Os lugares representados pelossensores, chaves fim de curso , etc., atuam diretamente nastransições para realizar uma ação, sem se preocupar com osdeadlocks que poderão acontecer na fase de funcionamento dosistema.

Na associações das redes de Petri com oscomponentes da linguagem CLP temos os lugaresrepresentando um estado do sistema que pode corresponder,em termos de controle, a um sinal de entrada externo(característico de entradas externas de CLP) ou flags desinalização interna. Sinais de entrada externo podem serassociados a flags internos , os quais poderão ser ou nãoutilizados para compor outros intertravamentos.

Os sinais de entrada e dos flags são representadosindividualmente por um lugar, tanto -na sua forma não negada ,quando negada; isto é, as vezes é interessante se trabalhar coma ausência de sinal, condição de segurança, nas entradas doCLP e sua forma negada pode então ser representada possuindolabel de identificação diferente. No lugar negado, a marca écolocada indicando que o sinal de entrada está .desativado. Suaidentificação é dada através do símbolo "_".

A capacidade de cada um destes lugares éespecificada de acordo com a sua função na representação doelementos do CLP. Estes atributos podem ser descritosutilizando o formato de identificação dos lugares descrito natabela 1.

T b I 1 da e a - escríção os ugares e as transições.Pj(v;z)y I x.x entrada externa;

F x.x flag interno;IBx byte de entrada externaIWx word de entrada externaFBx byte de flagsFWx word de flazs

Z Número atual de marcas do lugart;(y;z)y = Q x.x aciona a saída externa; elou

S Q x.x seta a saída externa; e/ouR Q x.x reseta a saída externa;C x contador;CMPx comparador;Tx temporizador;- sem nenhum canal . -

Z Tempo utilizado na análise dedesempenho

capacidade de analise matemática. Através da análise de suascaracterísticas (Iimitabilidade, deadlocks , etc. ), as redes dePetri fornecerão condições para simular e validar o projeto dosintertravamentos. -

Os 'deadlocks acontecem quando processossimultâneos encontram-se travados de tal modo que eles nãopossamser completados (D'SOUZA & KHATOR, 1994). A1.1análise de deadlocks nos modelos de redes de Petri serál.2realizada através do tratamento off-line do programa CLP paraque este possa ser implementado minimizando o menor número-de erros possíveis, evitando-se a perda de tempo e custosadicionais (VISWANADHAM, NARAHARI & JüHNSON,1990).

Este _trabalho visa fornecer uma contribuição nosentido de associar as redes de Petri com os componentes deprogramação CLP (lógicas E e OU, contadores, temporizadorese comparadores) para que com a modelagem do controle dosintertravamentos, os custos de implementação e manutenção deum sistema automático possam ser minimizados.

2 - A METODOLOGIA DE ASSOCIAÇÃO DOSMODELOS DE REDES DE PETRI COM ALINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO CLP

A associação de modelos em redes de Petri com alinguagem de programação CLP visa a modelagem de sitemasautomáticos baseados em CLPs, isto é, a representação de umsistema a ser automatizado descrito na forma gráfica , em umarepresentação de fácil entendimento entre as várias partesenvolvidas no projeto, 'facilitando sua especificação e alteração .

O projetista passa a modelar o sistema de forma que aabstração das redes de Petri fiquem restritas aos elementos deum CLP, necessários para a execução de um automatismo , istoé, são utilizados conjuntos de lugares e transições pararepresentarem não só as lógicas booleanas básicas como E ouOU, mas também elementos como temporizadores, contadorese comparadores. Estes elementos são determinados utilizandoos lugares e as transições individuais ou através deagrupamentos.

A utilização da rede de Petri lugar transição, permiteuma abstração maior em relação as redes condição evento,bastante usadas para a representação do controle dosintertravamentos em termos de lógica booleana, permitindo aoprojetista uma maior facilidade na utilização de um -númeromaior de recursos das linguagens de CLP (lEC 1131-3), taiscomo temporizadores, contadores e comparadores, que nãoeram explicitamente representados formalmente.

Estes elementos do CLP são introduzidos sem adescaracterização da definição das redes de Petri. Ascaracterísticas como temporização, sensores de entrada eatuadores de saída deverão ser integrados dentro do modelo naforma de atributos. Tais atributos serão reconhecidos natransformação para a linguagem de programação CLP e nasimulação e análise dos modelos.

Na análise das características comportamentais darede de Petri, temos que o modelo construído para o sistemadeve ser livre de deadlocks (live), os conflitos são dirigidospelo projetista, e se o sistema for compostopor apenas lógicasE e OU (sem os elementos: contador, . comparador etemporizador) é limitado a 1 token para os lugares (k=l, (safe).

Desta forma para que o modelo do sistema sejaadequado para a sua conversão a uma linguagem deprogramação CLP e as análises de características _comportamentais sejam utilizadas, a modelagem de sistemasautomáticos envolve a elaboração de dois passos principais, o

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atuações no sistema da mesma forma que os comandos desaídas de um CLP. As transições podem também fazer parte de.elementos como contadores, temporizadore ou comparadores.O seu formato é representado na tabela I.

Uma saída do CLP, tais como atuadores,sinalizadores, etc., não pode ser utilizada como um lugar deentrada de uma transição e um lugar de entrada, como sensores,botões, etc., não pode ser utilizado como uma saída de umatransição, isto é, o subconjunto de lugares de entrada de umatransição não podem conter lugares que'representem uma saídaexterna e o subconjunto de lugares de saída de uma transiçãonão pode conter lugares que representem entradas externas.

A partir dos elementos descritos nas Tabela 2 sãomodelados os programas de controle de intertravamentos dasmáquinas CNC e automatismos. A conversão destes elementosé realizada para as linguagens baseadas em CLP normalizadas(IEC, 1992).

A Figura I mostra as tabelas de descrição dos lugaresrelacionadas comos elementos descritos na tabela 2.

2.2 - Metodologia para a elaboração do passo decontrole

A partir dos elementos básicos de modelagemapresentados anteriormente, o usuário poderá modelar ointertravamento de máquinas e sistemas de manufaturautilizando redes de Petri. Esta modelagem contará comatributos que particularizarão o modelo visando sua conversãoem termos de intertravamentos para uma linguagemCLP.

Na modelagem de um sistema automático, o primeiropasso é a verificação das entradas e saídas necessárias, além daenumeração dos eventos discretos a serem executados pelosistema.

Posteriormente, elabora-se através do uso das redes dePetri o modelo de controle, onde as entradas, os flags e astransições descrevem cada íntertravamento individualmente(consideremos um intertravamento um bloco do sistema quepossui uma lógica booleana a qual permíte o acionamento delimasaída ouflag do sistema).

Do modo como foi 'especificada a representação doselementos em redes de PeITi, a conversão do modelo pode serdireta para uma linguagem CLP padrão. Na conversão todas astransições são analisadas dentro de um ciclo do CLP, de formaque as condições consideradas na marcação inicial em eadaciclo para o disparo das transições serão analisadas. Isto é,nãohá alterações das' condições externas durante o processamentodaquele ciclo do modelo.

A modelagem dos intertravamentos na .forma gráficapermitira além de uma facilidade visual do sistema, anãorepetição de lugares, evitando a redundância (repetição) naprogramação dos blocos' e as interferências de sinais nosintertravamentos as quais resultam em funcionamento falho eaté a parada do sistema.

2.3 - Passo de funcionaméntoNo passo de funcionamento é simulada a seqüência de

funcionamento da máquina ou sistema, onde os lugares deentrada poderão receber marcas, isto é, estes lugares poderãofazer parte do subconjunto de lugares de ' saída ' de umatransição. Fazendo com que o sistema possa darprosseguimento a sua seqüência'de funcionamento.

Neste modelo arcos, lugares ·e transições sãoincorporados no modelo de controle para que o sistema possafuncionar de acordo com as características comportamentaisdas redes de Petri. Para que deste modo as análises defuncionamento possam ser executadas.

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A principal características comportamental das redesde Petri analisada é a ausência ou não de deadlocks (liveness).De forma que os conflitos são dirigidos pelo projetista. Outrascaracterísticas importantes analisadas são a reversibilidade e alimítabilidade do sistema (boundedness), caracterizando osistema como de recuperação automática e sem estouros(overflow)respectivamente.

2.4 - Metodologia para a elaboração do modelo nopasso de funcionamento

No passo de funcionamento serão analisadas asseqüências de funcionamento do modelo. Estas seqüênciasdeverão ser elaboradas para a operação normal do sistema tantoquanto para operações adversas, de acordo com perguntas dotipo "e se..",

Estas seqüências podem ser geradas automaticamenteatravés de um software de analise da árvore de a1cançabiJidadede um modelo editado em redes de Petri ou por inspeção dofuncionamento e algumas situações críticas desejáveis paraserem verificadas.

3 - EXEMPLO DE MODELAGEM DO CONTROLE DEUMA MÁQUINA

Será utilizado um exemplo para ilustrar as funções deintertravamento usadas e o seu processo de conversão paralinguagem CLP.

Considere uma puncionadeira semi-automática, que secompõe de uma mesa fixa para receber a peça colocada pelooperador e um punção em posição.de repouso alto. Quando ooperador liga, o punção desce, permanece na posição baixadurante 5 segundos e depois sobe, voltando ao início. Estaoperação se repete p ór 10 vezes. O motor deve ser acionadopara baixo e depois revertido para cima, existe ainda um botãode desliga (emergência) que pode interromper o processo emqualquer situação.

Os sinais necessários para esta simples automaçãopodem ser descritos abaixo, juntamente com o relacionamentocom as redes de Petri, para a descrição do intertravamento.

Entradas10.0 Botão de liga. 10.1 Botão de desliga10.2 Sensor baixo10.3 Sensor alto

Saídas QO.O Contatar do motor baixoQO.I Contatar do motor cima

F1ags: FO.O Sistema desligadoFO.I Sistema ligadoFO.2 Início de cicloFO.3 Motor ligado para baixoFOA Motor ligado para cimaFO.5 Reset do temporizadorFO.6 Tempo atingidoFI.O Contagem contador CIFl.I Set do contador CIF1.2 Reset do contador CIF1.3 Contagem atingida

Temporizadores: TI Espera por 5 segundosContadores: CI Contagem de 10 vezes

A Figura 2 mostra a implementação do modelo emredes de Petri. Pode-se notar na Figura 2 que um loop édeterminado no sistema para designar o ciclo da máquina. Astransições t4, t9 e tIO, representam a seqüência principal doprograma, onde estão alocados os estados (lugares) e as ações(transições). Alguns estados representam as entradas do

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sistema (botões e sensores), e nas ações, estão localizadas assaídas do sistema (acionamento do motor).

A figura 3 mostra o programa CLP gerado a partir damodelagem do sistema em redes de Petri utilizando alinguagem Ladder e as transições correspondentes ao modelo.

4 - CONCLUSÕES

A utilização de um modelo de intertravamento para .sistemas e máquinas em Redes de Petri toma mais claro para aspessoas envolvidas no projeto a definição dos seuscomponentes, sua implementação e posterior.manutenção.

A análise prévia do programa de controle de umsistema de eventos discretos através das propriedades das redesde Petri, podem proporcionar um programa de control e o maiscorreto possível evitando-se perda de tempo e evitando gastosdesnecessários na partida ("start-up") da máquina ou planta.

A geração de uma documentação na forma gráficafornece condições para que alterações posteriores possam serrealizadas com rapidez e segurança, evitando paradasdesnecessárias na produção.

Desta forma, a associação de redes de Petri com ocontrolador programável (CLP) fornece uma boa alternativapara o projeto de controladores seqüenciais e sistemas demanufatura discreta complexos.

5 - AGRADECIMENTOS

Agradecimentos a FAPESP - Fundação de Amparo àPesquisa do Estado de São Paulo, pelo financiamento dotrabalho desenvolvido.

REFERÊNCIAS nillLIOGRÁFlCAS

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GAYMAN, D. J., An old favorite gets new standards,Manufacturing Engineering, januaryl988. pp 55-58.

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VISWANADBAM, N; NARAHARI, Y.; JOHNSON, T. L. :Deadlock Prevention and Deadlock Avoidance in FlexibleManufacturing Systems Using Petri Net Models IEEETransactions on Robotics and Automation, vol 6 no 6 Dec.1990 p. 713 - 723.

(b)

(a)

descríeãoPe Habilita o temporizadorPd Desabilita o temporizadorPen Temporizador habilitadoDbs Libera o temporizador pl inicioPcr Carrega valor de temporizaçãoPev Temporizador ativadoIPevn Complementar do temporizadorIDbl . Habilita o temporizador!PI Carga do valor de temporizaçãoI Dln Complementar do valorde tempoPrt Reinicio do temporizadorP", Reset do temporizadorPrls Aux. desabilita o temporizadorDbd Habilita após desligamentoohs · Habilita á saída no início

descriçãoPeu Contagem upPed Contagem downPa Reg. de contagemPm2 Registrador nezado de contagemPhc Habilita o contadorP", Reset do contador

. Prt Reinício do contadorPn:2 Reg. de comparaçào aux .Po AcionamentoOn:l ReJ:( . de comparação aux,Prl Reg. de comparaçãoProl ReJ:(. negado de comparação

Zeramento do valor de comparaçãoPs Habilita o contador!Ohs Habilita o set de CV .IPlh Habilita a carga do valor CVIPcv Valor de .comnaracão CV!Pln Valor de carga de CV negado'PI Valor de carga de CV

(c)Figura I - Tabelas de descrição do comparador (a), do temporizador (b) e do contador (c) .

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t9[CUCI;O]

p14 [pl.3; O] ·Contagem atingida

pl3[F1.0; O]Fim de ciclo Conta

p1[IO.0;1]

Sensor Baixonão atingido

p4[-IO.2; I]

Figura 2 - Modelo de uma puncionadeira em Redes de Petri. Figura 3 - O intertravamento do sistema em linguagemLADDER

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