Autómatos - fenix.tecnico.ulisboa.pt · NEMA (National Electric Manufacturer's Association - USA) ... Control System Flow-Chart - constituida por uma simbologia gráfica semelhante

Pág. 1

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Autómatose

Linguagens de programação

R. Loureiro/C. Cardeira

Pág. 2


Redução do esforço físico

Automatizaçãodo transporte

Automatizaçãoda navegação

A VELA

O TEAR

Automatização detarefas repetitivas

HISTÓRIA

Pág. 3


Automatização das ordens

O COMPUTADOR

Pág. 4


A máquina perfeita.As diferentes soluções para a sua substituição

O CORPO HUMANO

Pág. 5


MODELOO HOMEM COMO MÁQUINA

OS ACTUADORES

Substituição das mãosdas pernas do Homem.

O MECANISMO

Substituição da estruturaassea do Homem.

Pág. 6


AS PRIMEIRAS MÁQUINAS

AS FONTES DE ENERGIA

Substituição dosmusculos do Homem.

Antes

A Máquina a vapor

Hoje

O Motor eléctrico

Funcionam sobre a supervisão do homem,São rígidas,Não adquirem informação.

Pág. 7


A MÁQUINA AUTOMÁTICA

Funcionam ento autónomo,Comando rudimentar,

Operações simples e repetitivas,Estrutura rígida,

OS SENSORES

Substituição dossentidos do Homem.

A EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA

Necessidade de sistemas mais complexos,Verificação de erros,

Diversidade de sensores e actuadores,Custo mais elevado,

Necessidade de adaptação a novos produtos,

APARECIMENTO DO COMPUTADORe dos

SISTEMAS MECATRÓNICOS

Pág. 8


O SISTEMA MECATRÓNICO

OS SENSORES

Substituição dossentidos do Homem.

Máquinas flexíveis,Capacidade de actuação “inteligente”,Grande capacidade de processamento,Versatilidade, simplicidade,Custos virtualmente nulos,Comando de reduzidas dimensões,Reprogramável.

Pág. 9


MÁQUINA AUTOMÁTICA FLEXÍVEL

Se a necessidade de processamento da informação não é elevada e apenas se pretende a flexibilidade da máquina e elevados graus de automatismo com capacidade de reprogramação, utiliza-

se como comando o:

AUTÓMATO PROGRAMÁVEL

Na realização da:

Pág. 10


OBJECTIVOS DA AUTOMAÇÃO

SEGURANÇA MERCADO

Protecção de pessoasCondições de trabalho

PRETENDE-SE

PRETENDE-SE

< Custos> Produtividade> Qualidade> Penetração no

mercado

PARA OBTER

< Custos sociais> Interesse pelo trabalho

PORQUE

Há concorrênciaProdutos têm ciclos de

vida curtos

> Flexibilidade> Integração

PARA OBTER

SEM DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

Gera desempregoCOM DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

Gera novas profissões

PRUDÊNCIA !PRUDÊNCIA !

Pág. 11


TIPOS DE AUTOMAÇÃO

FIXA

PROGRAMADA

FLEXÍVEL

Altos investimentosAltas taxas de produçãoConfiguração rígida (alteração difícil)Operações simplesEquipamento específico

(máquina de embalar chocolates)

Altos investimentosTaxas médias de produçãoConfiguração semi-flexível

(possibilidade de reprogramação)Equipamento genérico

(máquina de controlo numérico)

Investimentos muito elevadosProdução contínua

(diferentes produtos simultâneos)Configuração flexível

(alteração por software)Equipamento geral

Pág. 12


Variedade de

produtos

Volume de produçãopequeno médio elevado

pequena

média

elevada

métodosmanuais FIXA

FLEXÍVEL

PROGRAMADA

Pág. 13


NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO

Complexidade

1º NÍVEL

2º NÍVEL

3º NÍVEL(alto)

(médio)

(baixo)

FUNÇÃO

Gestão global

Processo

MonitorizaçãoProtecçãoGestão local

Coordenação

Controlo

Actuação Actuação

(custo)

Fixaou

Programada

Programadaou

Flexível

Flexível

TIPO

Pág. 14


ESTRUTURAS DE AUTOMAÇÃO

ESTRELA (STAR)

ANEL (RING)

LINHA(BUS)

Controlo(master)

Processo Processo Processo Processo

Nível Superior

Processo

Processo

Processo

Processo

Processo

Processo

ProcessoProcessoProcessoProcesso

Gestãolocal

Nível Superior

Comunicação intra-processos e níveis superiores via master

Nível Superior

Comunicação intra-processos e níveis superiores via processo (1º nível)Não existe marster. Informação transmitida por repetição. Sistema lento.

Comunicação intra-processos via BUS. Sistema rápido. Comunicação comníveis superiores via master (2º nível).

Pág. 15


AUTOMATISMOS

MODELO DE BURR

cérebro

esqueleto

Músculosolhostactosabor

aparelhodigestivo

Alimentação Detritos

O HOMEM

comando

estrutura

actuadoressensores

potênciaEnergia Resíduos

A MÁQUINA

Pág. 16


MODELO CLÁSSICO

Parte Operativa

Parte Comando

Actuadores

Processo

ControloAmpl. Ordens

Sensores Informações

Comunicação

interface

OUTROS AUTOMATISMOS

Pág. 17


TECNOLOGIAS

CABLADA Eléctrica Relés

Electrónica

Fluídica Pneumática

Hidráulica

HidrícaVácuo RELÉ

PROGRAMADAAutómatos Programáveis

Micro-Processadores

Mini-Computadores

COMANDO NUMÉRICO

Pág. 18


DOMÍNIO DAS TECNOLOGIAS

Quantidades afabricar

Complexidade do Automatismo

5

50

500

AUTÓMATOS PROGRAMÁVEIS

PNEUMÁTICA

RELÉS

MICRO e MINICOMPUTADORES

PLACAS ELECTRÓNICAS DEDICADAS

PLACAS ELECTRÓNICAS STANDARD

Pág. 19


PROJECTO DOS AUTOMATISMOS

PROBLEMA

ANÁLISE

ANTE-PROJECTO

PARTE OPERATIVA PARTE COMANDO

Projecto Projecto

Fabrico Fabrico

Ensaios Ensaios

INTEGRAÇÃOMONTAGEM

TESTES E ENSAIOS

PRÉ-PRODUÇÃO

EXPLORAÇÃO

Pág. 20


SISTEMAS PNEUMÁTICOS

COMPONENTES

CILINDROS

Ar Ar

Núcleo Magnético

Embolo móvel

Simples efeito

Duplo efeito

Amortecimento

Haste passante

Tandem

Sem haste

Magnético

Pág. 21


COMPONENTES

VÁLVULAS

Quadrados indicam nº de posições

Linhas indicam as vias (entradas ou saídas)

Uma válvula é definida por dois números

(nº de vias/nº de posições)

Setas ligam vias numa dada posição

Tampões indicam vias sem ligação

As vias são indicadas apenas na posição de repouso

Válvulas (2/2)

normalmente fechada

normalmente aberta

Pág. 22


COMPONENTES

OUTRAS VÁLVULAS

(3/2) normalmente fechada

(3/2) normalmente aberta


(4/2)


(4/3) em carga ou descarga

(5/2)

Pressão

EscapeEscape

Pág. 23


COMPONENTES

PILOTAGEM DAS VÁLVULAS

PILOTO - Comando para mudança da posição

RETORNO - Voltar à posição de repouso

AR Pneumática Mola

Eléctrica Mecânico

Comando mecânico comretorno por mola

(fim de curso)

(memória)Comando pneumático AR AR

(PLC)Comando eléctrico comretorno por mola

Pág. 24


0

1avançado recolhidoem avanço em recolha

MOVIMENTAÇÃO DUM CILINDRO

A+ A-A-

Existem 2 fins de curso e uma válvula por cilindro

Pág. 25


EXEMPLO Equações de comando

dA+ = b- m 0dA- = a+

dB+ = a- . m 1dB- = b+

dM+ = a+

dM- = b+

b- b+

B

B+ B-

a- a+

A

A+ A-

M+ M-

m0m1

CONTROLO DUM CICLO EM L

A+A-B+B-

A+

B+A-

B-

01

2

3

Na escolha de componentes deste circuito há um erro. Qual ?

Pág. 26


EXEMPLOset A = b- m 0reset A = a+

set B = a- . m 1reset B = b+

set M = a+

reset M = b+

CONTROLO DUM CICLO EM L

SISTEMAS AUTOMÁTICOS

b- b+

B

B+

a- a+

A

A+

ENTRADAS

SAIDAS

PROGRAMA

OBJECTIVO

Redução e normalização do equipamento a utilizar na montagem.

Pág. 27


AUTOMATOS PROGRAMÁVEISDEFINIÇÃO

NEMA (National Electric Manufacturer's Association - USA)

Aparelho electrónico digital que utiliza uma memória programável para armazenar instruções e para implementar funções específicas tais como, operações lógicas, sequenciais, temporizadas e aritméticas para controlo de máquinas e processos.

CAMPO DE APLICAÇÃO

Uso de um interruptor Comando manual

COMANDO DE UMA LÂMPADA

Utilização dum APRecolha de informação (interruptor)Actuação do AP (acender lâmpada)

DESNECESSÁRIO

27

Pág. 28


Sistema de lâmpadas comandado por Autómato

Programável

Permite todas as opções que se pretendam implementar:

Afasta ladrõesEfeitos luminosos

SIMULAÇÃO DE PRESENÇA E ACTIVIDADE NUMA CASA

Comando solarCélula foto-eléctrica.Interruptor comandadopelo sol.

Comando por movimentoUtilização de temporização.

IDEALMENTE:

LIMITAÇÕES:O tamanho do AP.

28

Pág. 29


Arquitectura de gestão de um edifício inteligente

CONTROLO E COMANDO DE UM EDIFÍCIO INTELIGENTE

edifício equipado de tal forma que toda a instalação eléctrica existente (iluminação, ar-condicionado, elevadores, etc...) é comandada por forma a minimizar o consumo e a optimizar os resultados

Nível de automatização extremamente complexa,pela dimensãopela comunicação

Utilização de sensores (luminosos, presença, fumo, temperatura, etc...)E actuadores (lâmpadas, motores, valvulas, etc...).

Sistema constituido por vários AP’sAP's de grandes capacidadesTarefas específicas (controlo de luzes, comando de elevadores, etc...)Uso de AP´s para supervisão Uso de AP´s para a gestão das ordens globais de edifício

29

Pág. 30


VANTAGENS

FLEXIBILIDADEAplicação em utilizações distintas.Mesmo tipo de autómato para várias máquinas, Redução dos custos de manutençãoAlterações feitas por simples reprogramaçãoreduzido tempo de intervenção.

EXPANSIBILIDADEAumento das E e/ou S com as necessidades.Depende do tipo de autómato utilizado.É genérica em maior ou menor grau a todos eles.

BAIXO CUSTOAutómatos de muito baixo custoCapacidades suficientes para aplicações em A.I.

SIMULAÇÃOPrograma desenvolvido laboratorialmente.Programa executado por simulação.Isolamento do fabrico e montagem.Diminuição dos tempos de instalação.

30

Pág. 31


OBSERVAÇÃOO funcionamento observado em tempo real.Execução de programas passo a passo.

VELOCIDADEExecução a alta velocidade, Controlo de diversas máquinas em simultâneo se necessário.Velocidade medida em ms/K (ms por cada 1024 inst.).Extremamente importante no controlo. A ser considerada pelo projectista.

FACILIDADE DE PROGRAMAÇÃODiferentes tipos de programação:

digital.linguagem de

contactos.

FIABILIDADEMais fiável do que os relés electromegnéticos, memórias e temporizadores normalmente utilizados no comando de máquinas.

31

Pág. 32


SEGURANÇAPrograma não pode ser modificado acidentalmente.

DOCUMENTAÇÃOReposição da documentação em alguns minutos, Autómatos imprimem o programa em memória.

TECNOLOGIAAinda recentePessoal de manutenção não preparado.

AMBIENTEPode inviabilizar a utilização de AP's.

Altas temperaturas;Vibração permanente;Trovoadas constantes.

PREÇOAplicações, extremamente simples, podem ser excessivamente caras.

DESVANTAGENS

32

Pág. 33


TIPOS DE AUTÓMATOS

ESTRUTURA DE CONSTRUÇÃO

COMPACTOS

MODULARES

Nº fixo de entradas e saídas,E e S só digitais,Constituições tipicas:

12 E, 10 S24 E, 16 S40 E, 24 S

Baratos,Expansão difícil.

Constituição modular,Expansão por bus,Módulo principal - o CPU,Podem agregar-se módulos:

Digitais,Analógicos,Contagem,Comunicação, etc...

Bus expansível,Nº máximo de módulos.

Estrutura de construção,Potencialidades, eGamas

Divisão por:

33

Pág. 34


POTENCIALIDADES

Velocidade

Tempo para executar 1K (1024) instruções.AP rápido - 0,5 ms/kAP lento - 200 ms/kEscolha depende da complexidade do processo a gerirMaioria dos processos são lentos.

Instruções disponíveis

Operações lógicas (AND, OR, etc...);Contagem (crescente e decrescente);Temporizações;Saltos de instruções; eOperações de comparação (>, <, =).

Conjunto mínimo

Operações matemáticas ( * ; / ; - ; + );Detecção de flancos das variáveis;Operações de deslocamento;Operações de rotação; eOperações de transferência.

Conjunto alargado

Escolha depende das necessidades do processo a gerir

34

Pág. 35


Comunicação

SEM COMUNICAÇÃONão podem comunicar com outros Aplicação limitada a processos autónomos.

COMUNICAÇÃO EM REDEMódulos com protocolo específico de rede (ex. TELWAY; BUS DE TERRENO; etc...) Integração em sistemas de

Controlo, Comando e Supervisão.

Comunicação de alta velocidade.Automatos do mesmo fabricante Rede é específica.

COMUNICAÇÃO GENERALIZADAForma de integrar qualquer AP o sistema Módulos de transmissão/recepção assincronos

(Ex: RS232C, RS485, TTY, etc..), Transmissão em código ASCII.

35

Pág. 36


Memória

Linguagens

Limita o nº de instruções a utilizar.Medida em K bytes (1K = 1024).Memórias de 1K; 2K; 4K; 8K; 16K; 32K e 64K

Memória interna:mapas e tabelas de funcionamento.medida em

temporizadores, contadores, entradas, saídas e memórias .

capacidades comuns:T C M

16 16 12832 32 128128 128 256

pode inviabilizar um programa .

STL - Modo de programação universal.Comum a todos os AP´sPode tornar difícil a programação

GráficasLógica de Contactos (LAD);Blocos Funcionais; (CSF) eGrafcet

36

Pág. 37


Estrutura do software

Programação linear ou estruturada.Linear

instruções sequênciais.

Estruturada construção de subrotinas ou blocos facilita a construção de programas repetitivos ou complexos

Baixa

GAMAS

São compactos ou modulares.Nº de entradas/saídas limitadas.Normalmente programados por STL.São baratos.São aplicados em controlo de processos simples.

Média

Alta

Capacidades de E/Sanalógicas.Possibilidades de comunicação via rede.Capacidade de programação gráfica.Conjunto de instruções é limitado.

Modulares (módulos de comunicação, supervisão, etc...)CarosNão têm limitações de entradas/saídas .Podem permitir aplicações em robótica.

37

Pág. 38


LINGUAGENS

- LISTA DE INSTRUÇÕES- LÓGICA DE CONTACTOS- BLOCOS FUNCIONAIS; e- GRAFCET (não é uma linguagem).

Lista de Instruções (STL) - Statement List -

constituida por menemónicas das operações lógicas a implementar

Lógica de Contactos (LAD) - Ladder Diagram -

constituida por um sistema gráficoque permite verificar a passagem da corrente eléctrica pelos diferentescontactos (sensores) que devem estarnuma determinada posição para fazeractuar uma dada saída (actuador).

Blocos Funcionais (CSF) - Control System Flow-Chart -

constituida por uma simbologia gráficasemelhante aos esquemas electrónicos.

38

Pág. 39


STL - Statement List -

Estrutura das instruções (norma DIN 19239)

Exemplo:

39

Pág. 40


LAD - Ladder Diagram -

Norma DIN 19239, Sistema gráfico definida por contactos,

normalmente abertos (não deixam passar a corrente) e normalmente fechados (deixam passar a corrente).

CONTACTO NORMA DIN 19239

ABERTO

FECHADO

Dois estados (aberto/fechado) - elementos da lógica binária,

ABERTO

FECHADO

0

1

40

Pág. 41


Operações lógicas representadas por séries e paralelos de contactos,

LAD OPERAÇÃO

A*B (Produto lógico)

A+B (Soma lógica)

da função lógica

representação em LAD

Programação em LAD

equações lógicas do programa

LAD linguagem próxima dos esquemas eléctricos normais

41

Pág. 42


CSF - Control System Flow-Chart -

Função lógica definida por um rectângulo.Variáveis:

entrada pela esquerdaresultado do lado direito

A conjugação de blocos determina equações lógicas.

equação lógica

Representação CSF

Definição duma equação lógica de comando por CSF

42

Pág. 43


INSTRUÇÕES BÁSICAS

LOAD I 7.12

LISTA DEINSTRUÇÕES

LÓGICA DECONTACTOS

BLOCOSFUNCIONAIS

LOADNOT M 3.7

AND I 0.0AND I 3.5

AND(AND O 2.5OR I 3.0)

ANDNOT I 0.4

OR C 5

OR(AND O 2.5OR I 3.0)

43

Pág. 44


LISTA DEINSTRUÇÕES

LÓGICA DECONTACTOS

BLOCOSFUNCIONAIS

)

LOAD I 8.5AND M 3.2ORNOT T 5SET O 0.4

ANDNOT M 3.2OR C 3RESET M 2.4

AND I 8.5= O 2.4

FIM

NOP Não existente Não existente

Não existente Não existente

ORNOT T 10

44

Pág. 45


INSTRUÇÕES ESPECIAIS

LOAD [formato] variável,[acumulador]

LOAD B OB3,A

TRANSFER [formato] [acumulador],variável

TRANSFER W B,M7

EXCHANGE do_acumulador,para_acumulador

EXCHANGE A,B

ROTAÇÕES

RODRotação à direita

Rotação à direita com carry RCD

ROERotação à esquerda

Rotação à esquerda com carry RCE

Rxx [formato] [acumulador]Rxx W A

45

Pág. 46


DESLOCAMENTOS

DLEDeslocamento lógico à esquerda

Deslocamento lógico à direita DLD

DADDeslocamento aritmético à direita

Dxx [formato] [acumulador]

Dxx W B

CONVERSÕES

BPDBinário para Decimal

DPBDecimal para Binário

xPx [acumulador]

xPx A

46

Pág. 47


CONTADORES

AND I 0.3ANDNOT T5IC C6

AND I 0.3ANDNOT T5R C6

AND I 0.3ANDNOT T5S [Acc],C6

47

Pág. 48


TEMPORIZADORES

AND I 0.3ANDNOT T5LOAD K.mIT T7

AND I0.3R T7

COMPARAÇÕES

LOAD C6LOAD C8comparação= variável

FLAGS 0 1 ZERO

C6 > C8C6 >= C8C6 <> C8

C6 = C8C6 >= C8C6 <= C8

0

1C6 < C8

C6 <= C8C6 <> C8

não possível

NEGATIVE

48

Pág. 49


OPERAÇÕES ARITMÉTICAS

LOAD val_1LOAD val_2operaçãoTRANSFER variável

ADIÇÃO,SUBTRACÇÃO,MULTIPLICAÇÃO eDIVISÃO

SALTOS

SS[cond]

[cond] = flagomissão independente

R RESZ zeroN negative

O overflow

C carry

CHAMADA A BLOCOS

CBS[cond]


R RESZ zeroN negative

O overflow

C carry

FIM DE BLOCO

FBS[cond]


R RES

49

Pág. 50


GRAFCETNão é uma linguagem.Define o comportamento dinâmico do comando,e não as funções lógicas a serem executadas. É uma representação gráfica do programa.

Os ELEMENTOS DE BASE

A etapa termina e é desactivada activando-se a etapa seguinte.Desta forma o programa entra em execução sequêncial.

ETAPA

Define um bloco de funções a executar e é consideradaterminada quando a variável de transição for verdadeira.

As etapas são numeradas.

TRANSIÇÃO

Representada por uma variável (ou variáveis) de transição.

Condição de evolução de uma etapa para outra.

Se a variável de transição é actuada, a etapa é desactivadae activada a seguinte (ou seguintes).

50

Pág. 51


3

4

m

8

14

a

15

8

14

a

15

b

sequêncial paralela alternativa

Execução

Alternativas de transição

Estática

A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapaanterior esteja activa e que a transição seja satisfeita.

51

Pág. 52


Flanco ascendente

Flanco descendente

A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapaanterior esteja activa e que a transição sofra uma variaçãode zero (falsa) a um (verdadeira).

A passagem de uma etapa a outra pressupõe que a etapaanterior esteja activa e que a transição sofra uma variaçãode um (verdadeira) a zero (falsa).

52

Pág. 53


INICIALIZAÇÃO

A situação inicial, caracteriza o comportamento (estado)do comando em relação à máquina no instante de ligar. Corresponde à passagem do estado de todas as etapas inactivas, para pelo menos uma etapa activa (a inicial).

Situação de etapa inicial activa, apenas durante a inicialização do processo.

Situações com duas etapas iniciais activas no arranque do processo.

53

Pág. 54


ACÇÕES

As acções definem a sequência de instruções a realizar durante uma etapa do processo.

São descritas pormenorizadamente.

Pode estabelecer-se um Grafcet próprio,

ou descreve-las textualmente (Grafect de 1º nível).

54

Pág. 55


A descrição das diferentes acções a tomar numa etapa pode ser realizada, numa segunda fase (Gafcet de 2º nível),por:

linguagem de contactos

ou por blocos funcionais.

O GRAFCET de 2º nível depende da tecnologia a utilizar.

No caso dos AP's, a descrição detalhada far-se-à porlista de instruções que permita a inclusão da sequênciano autómato escolhido.

Comandoeléctrico

Comandopneumático

55

Pág. 56


As acções podem ser:

CONDICIONAISrealizando-se apenas quando a etapa está activa e uma (ou mais condições) são satisfeitas.

INCONDICIONAISrealizando-se sempre, desde que a etapa esteja activa.

LIGAÇÕES ORIENTADAS

Se o fluxo de funcionamento indicado pelo Grafcet, não érealizado de "cima para baixo", há obrigatoriedade de se colocar setas de orientação de fluxo.

56

Pág. 57


CONCLUSÃO

O Grafcet não substitui as linguagens de programação.

Situa a um nível superior de representação do processo.

A ligação entre etapas, pode ser:

simples, ou

multipla.

57

Documents

Autómatos - fenix.tecnico.ulisboa.pt · NEMA (National Electric Manufacturer's Association - USA) ... Control System Flow-Chart - constituida por uma simbologia gráfica semelhante