Cad Exercícios Sistemas e Automação

Caderno de problemas

Sistemas & Automação

Data da versão: 20-05-2013

Este caderno é resultado de um considerável número de anos de lecionação da disciplinade Automação Industrial da LEEC e de (Sistemas e) Automação do MIEEC e ainda deSistemas Industriais do MIEIC, da FEUP.

Agradece-se a todos os autores dos problemas.

Compilação de Armando Jorge Sousa

Índice1. Revisões – máquinas de estado .............................................................................. 3

1.1. Cancela Simples ................................................................................................... 3 1.2. Sistema de acesso “Torniquete” ................................................................................ 3 1.3. Leitor / Gravador de Cassetes ................................................................................... 4 1.4. Comando de gerador de emergência ........................................................................... 5

2. Máquinas de estado temporizadas .......................................................................... 6 2.1. Controlo de Prensa ................................................................................................ 6 2.2. Guilhotina Eléctrica Manual ..................................................................................... 6 2.3. Parquímetro ........................................................................................................ 7 2.4. Semáforo de velocidade .......................................................................................... 7 2.5. Máquina de Café .................................................................................................. 8 2.6. Máquina de Chá e Café ........................................................................................... 8 2.7. Vidro motorizado de automóvel .............................................................................. 10

3. Grafcet ........................................................................................................ 11 3.1. Luzes e Tempos .................................................................................................. 11 3.2. Nível de temperatura de recipiente .......................................................................... 11 3.3. Sistema de enchimento de tanques .......................................................................... 12 3.4. Comando de portão .............................................................................................. 13 3.5. Comando de portas .............................................................................................. 14 3.6. Ponte Móvel ....................................................................................................... 15 3.7. Sistema de controlo de dois postos de trabalho ............................................................ 16 3.8. Máquina Industrial de Massa de Pão ........................................................................... 17 3.9. Sistema automatizado de teste de circuitos de Alta Tensão .............................................. 18 3.10. Fonte repuxos e depósito de água ........................................................................... 19 3.11. Engarrafamento ................................................................................................. 19

4. Redes de Petri ................................................................................................ 20 4.1. Duas máquinas com buffers em RdP .......................................................................... 20 4.2. Fabrico de transformadores (RdP) ............................................................................. 20

4.2.1. Solução problema de fabrico de transformadores .......................................... 21 4.3. Linha de Produção 4 Máquinas ................................................................................. 22 4.4. Carro numa mina ................................................................................................. 22

5. Outros Problemas ............................................................................................ 23 5.1. Contagem de peças numa linha de montagem .............................................................. 23 5.2. Implementação de máquina de estados ...................................................................... 23 5.3. Comando de motor AC monofásico ............................................................................ 24 5.4. Máquina de produção ............................................................................................ 25 5.5. Motor Trifásico ................................................................................................... 26 5.6. Máquina de Estados vs. Grafcet vs Rede de Petri ........................................................... 27 5.7. Escolha de sensores .............................................................................................. 28 5.8. Escolha de Atuadores ............................................................................................ 28 5.9. Flanco em Diagrama Temporal ................................................................................. 28 5.10. Diagrama temporal em Grafcet .............................................................................. 29

Sistemas & Automação | MIEEC | FEUP 2 / 29

1. Revisões – máquinas de estadoNeste capítulo são apresentados alguns problemas relativos a máquinas de estados simples

1.1. Cancela SimplesConsidere a simplificação do sistema de controlo de uma cancela.

Quando aparece um carro, o sensor CARRO fica ativo. Nessa situação, omotor deve levantar o que acontece ativando a saída SUBIR. Quando acancela fica na vertical o sensor VERTICAL fica ativo. Quando o carropassar, é necessário descer a cancela ativando DESCER até à cancelaficar na horizontal, situação sinalizada com o sensor HORIZONTAL.

Quando o sistema é ligado, a cancela deve permanecer imóvel.

Modelize este sistema de comando através de um Diagrama de Transição de Estados.

Construa também a Tabela de Transição de Estados correspondente.

Entradas: CARRO, VERTICAL, HORIZONTAL

Saídas: SUBIR, DESCER

1.2. Sistema de acesso “Torniquete”Considere um sistema de acesso do tipo “Torniquete” que seconsidera aqui como pretendendo ser utilizável numa direçãoconfigurável. O torniquete pode ser empurrado por um ser humanoem qualquer das direções. Considere a simplificação que enquantouma pessoa passa, não aparece outra. Não considere ainda asituação a situação de DIR1 e DIR2 simultaneamente verdadeiros.

a) Projete o diagrama de transição de estados que controla osistema mencionado, tal como e descreve de seguida:

Normalmente o torniquete está BLOQUEADO.

Considere que existe uma chave mecânica DIR1 que quando estáativa permite acesso na direção 1. De forma similar existe outrachave mecânica DIR2 que permite acesso na direção 2. Quando umapessoa se apresenta do lado em causa, ativa um sensor LADO1 ouLADO2. Se a direção for permitida, então o torniquete devedesbloquear até a pessoa aparecer do outro lado.

Lista de entradas para esta alínea: DIR1, DIR2, LADO1, LADO2Lista de saídas para esta alínea: BLOQUEADO

b) Considere adicionalmente que:

Para saber se um lado necessita de bilhete, há uma outra chave para cada um dos lados: seBILHETE1 estiver ativo então apenas se pode passar do lado 1 para o lado 2 depois do bilhete tersido validado que é representado por BILHETE_OK. De forma similar existe também BILHETE2para exigir bilhete na outra direção.

Lista de entradas para esta alínea: DIR1, DIR2, LADO1, LADO2, BILHETE1, BILHETE2, BILHETE_OKLista de saídas para esta alínea: BLOQUEADO


1.3. Leitor / Gravador de CassetesModelize através de um diagrama deTransição de Estados um sistemasimplificado de comando de umleitor / gravador de cassetes áudio.

a) Admita inicialmente apenas osseguintes requisitos:

Para tocar é necessário premir a teclaPLAY.

Sempre que se anda para a frente àvelocidade normal, ligar o motor paraa FRENTE.

Para reproduzir som é necessário pôra eletromecânica em LEITURA.

Para parar, prime-se STOP.

Lista de entradas para esta alínea: PLAY, STOP

Lista de saídas para esta alínea: LEITURA, FRENTE.

b) Introduza adicionalmente os seguintes requisitos:

Para gravar prime-se a tecla REC e PLAY ao mesmo tempo e para parar, prime-se STOP.

Sempre que se anda para a frente à velocidade normal, ligar o motor para a FRENTE.

Para gravar é preciso pôr a electro-mecânica em modo GRAVACAO.

Lista de entradas para esta alínea: PLAY, STOP, REC

Lista de saídas para esta alínea: LEITURA, FRENTE, GRAVACAO.

c) Introduza adicionalmente os seguintes requisitos:

Para recuar rapidamente é necessário premir a tecla REW e ligar o motor para TRÁS emvelocidade RAPIDO.

Para avançar rapidamente é necessário premir a tecla FF e ligar o motor no modo de avançorápido com (FRENTE e RAPIDO).

Parar sempre com a tecla STOP.

Lista de entradas para esta alínea: PLAY, STOP, REC, REW, FF

Lista de saídas para esta alínea: LEITURA, FRENTE, GRAVACAO, TRAS, RAPIDO

d) Complete com os seguintes requisitos:

Se se estiver no modo de gravação ou reprodução, então é possível entrar em modo de pausacom a tecla PAUSE. Nessa situação a electro-mecânica está atuada mas o motor não se move.

Lista de entradas para esta alínea: PLAY, STOP, REC, REW, FF, PAUSE

Lista de saídas para esta alínea: LEITURA, FRENTE, GRAVACAO, TRAS, RAPIDO


1.4. Comando de gerador de emergência(Mini Teste 18 Março 2009)

Considere o sistema de comando de um grupo Diesel que funciona como gerador de emergênciapara um hospital.

Quando é recebido o comando externo de LIGAR o gerador, as saídas GASÓLEO eMOTOR_ARRANQUE devem ser ligadas até que um sistema auxiliar comunica OK ou NOK.

Se OK, desligar o motor de arranque (mas manter GASÓLEO) – este é o modo de funcionamentonormal.

No caso de acontecer NOK, então manter o MOTOR_ARRANQUE e o GASÓLEO e ligar ALARME;mesmo nesta situação, se acontecer OK, desligar ALARME e MOTOR_ARRANQUE (mas manterGASÓLEO).

Se, durante o funcionamento normal NOK ficar activo, proceder como anteriormente (ligarMOTOR_ARRANQUE, GASÓLEO e ALARME).

Se o sinal LIGAR for desligado, o sistema volta ao repouso com todas as saídas desligadas.

Modelize o sistema de comando através de um Diagrama de Transição de Estados.

Nota 1: Em caso de dúvida adote a alternativa mais simples e descreva o que assumir

Nota 2: Se utilizar alguma notação abreviada, apresente uma legenda

Entradas: LIGAR, OK, NOK

Saídas: ALARME, GASOLEO, MOTOR_ARRANQUE


2. Máquinas de estado temporizadasNeste capítulo apresenta-se diversos problemas que podem ser resolvidos através de máquinasde estados mas que envolvem temporizações. Como tal, a resolução de deve-se utilizar a normade escrita do Grafcet para resolver os seguintes exercícios que se devem considerar comointrodutórios.

Todos as soluções anteriores podem ainda ser implementadas em ST seguindo o métodosistemático que tem vindo a ser apresentado na cadeira.

2.1. Controlo de PrensaO sistema representado na figura executa umciclo de funcionamento sempre que o botãoinício é actuado. Nessa altura, a prensa inicia ociclo na posição superior S descendo até atingir aposição inferior I. Mantém-se a pressionar nestaposição durante um intervalo de tempo de 2 s,ao fim do qual inicia o movimento ascendenteaté atingir a posição superior, finalizando entãoo ciclo. A prensa é accionada por um motor Mcom comando de movimento nos dois sentidos,M+ e M-

Entradas: s, i, inicio

Saídas: M+, M-

2.2. Guilhotina Eléctrica ManualPor motivos de segurança, uma guilhotina de comando manualmas movida por motor eléctrico necessita de uma sequência bemdeterminada para correcto funcionamento:

1. Carregar e largar o botão de pressão pronto

2. Em menos e 10 segundos pressionar mão_esquerda emão_direita simultaneamente

3. O motor de CORTAR deve ser ligado até ao sensorfim_de_corte

4. O motor de LEVANTAR deve ficar activo durante 2 segundos

Entradas: pronto, mão_direita, mão_esquerda, fim_de_corte

Saídas: CORTAR e LEVANTAR


2.3. Parquímetro

Considere uma simplificação de um parquímetro.

Aceitam-se dois tipos de moedas: 10 e 20 cêntimos.

O tempo máximo de estacionamento é de 40 minutos.

O dispositivo tem um visor que mostra o tempo ainda disponível para oestacionamento. A introdução de uma moeda de 10 cêntimos (sensor m10)resulta num incremento de 10 minutos a este tempo e a introdução de umamoeda de 20 cêntimos (sensor m20) resulta num incremento de 20minutos.

O visor de tempo é baseado em saídas discretas EXPIRADO, FALTA10,FALTA20, … FALTA40.

Entradas: m10, m20

Saídas: EXPIRADO, FALTA10, FALTA20, FALTA30, FALTA40

2.4. Semáforo de velocidadeConsidere uma simplificação de um semáforo de velocidade. Estesemáforo está normalmente verde mas quando aparece um condutor emexcesso de velocidade (entrada ExcessoVel), este fica amarelo 5segundos e depois passa para vermelho durante 20 segundos antes deretornar ao funcionamento normal.

Entradas: ExcessoVel

Saídas: Verde, Amarelo, Vermelho


2.5. Máquina de Café

A máquina vende o café a 30 cêntimos e apenas aceita moedas de:

• 10 cêntimos (sensor moeda10)

• 20 cêntimos (sensor moeda20)

Se um cliente introduzir uma quantia superior ao preço do café, a máquinaserve o café, mas não dá o respectivo troco.

Para introduzir a quantia exacta a pagar por um café poderão ser usadas:três moedas de 10 cêntimos ou uma moeda de 10 e outra de 20 cêntimos

Sempre que o montante inserido seja maior ou igual ao preço do café:

1. A saída POE_COPO é activada até que:

a. Ou o COPO_PRESENTE fique activo

b. Ou tenham passado 3 segundos

2. A saída TIRA_CAFE é activada até que:

a. Ou o copo do café seja retirado - desactivação do sensorCOPO_PRESENTE

b. Ou tenham passado 5 segundos

Entradas: moeda10, moeda20, copo_presente

Saídas: POE_COPO, TIRA_CAFE

2.6. Máquina de Chá e Café

Pretende-se implementar o sistema de controlo de uma máquina devenda automática de café e chá de acordo com as seguintesespecificações.

Considera-se que a máquina vende o café a 30 cêntimos e o chá a 20cêntimos.

A máquina só aceita moedas de 10 e 20 cêntimos.

O cliente começa por fazer a escolha do tipo de bebida a servirnuma tecla especial Café ou Chá. Depois introduz as moedas.Quando introduzir uma quantia igual ou superior ao preço da bebidaseleccionada, a máquina põe o copo e serve a bebida.

Se o utilizador introduzir dinheiro a mais, a máquina não devolvetroco.

Existe ainda um botão de cancelar que permite ao utilizador interromper o processo de comprade bebida, devolvendo as moedas introduzidas (no caso de não ter sido atingido ou ultrapassadoo preço da bebida).

(continua...)


Detalhes Tecnológicos:

O circuito de controlo da máquina baseia-se numa máquina de estados que lida com as entradase saídas apresentadas na seguinte figura:

O circuito possui as seguintes entradas:

● Moeda10 e Moeda20 – detectores activos durante um período de tempo variável parauma mesma moeda (10 cêntimos e de 20 cêntimos respectivamente)

● Modo – variável que fica activa quando se pretende obter café e inactiva quando sepretende chá; Atenção: Considere que Modo não pode ser alterado pelo utilizadorenquanto houver moedas no sistema

● Cancelar – botão activo quando o utilizador pede a devolução das moedas introduzidasaté ao momento

● CopoPresente – detector activo quando um copo está correctamente colocado

O circuito possui as seguintes saídas:

● DáCopo - activa o sistema mecânico que faz a colocação do copo para a bebida

● DáCafé - activa o sistema mecânico que fornece o café

● DáChá - activa o sistema mecânico que fornece o chá

● DáMoedas - activa o sistema mecânico de devolução das moedas

Sempre que o montante inserido seja maior ou igual ao preço da bebida seleccionada édepositado um copo (saída DáCopo). Esta operação termina quando o copo estiver presente(CopoPresente) e pode durar, no máximo, 1 segundo. Se, ao fim de 1 segundo não estiverpresente um copo, então a máquina devolve as moedas, activando durante 1 segundo a saídaDáMoedas (depois retoma o funcionamento normal).

Depois do copo estar correctamente colocado é vertida a bebida correcta activando a saídaadequada (DáChá ou DáCafé) durante 10 segundos. Se o copo for retirado entretanto, estassaídas são desactivadas.

Se o botão de Cancelar for premido, o processo de compra em curso é interrompido e a saídaDáMoedas é activada durante 1 segundo e depois o sistema retoma o funcionamento normal.


Máquina de Venda

de Bebidas

Moeda10

Moeda20

Modo

DáCafé

DáChá

DáCopo

DáMoedas Cancelar

CopoPresente

2.7. Vidro motorizado de automóvel (adaptado do MT de LSDI de 2012/13)

Pretende-se desenvolver um controlador do motor elétricopara subir e descer um vidro de automóvel.

O controlador possui uma entrada S, que faz subir o vidro, eoutra entrada F, que sinaliza que o vidro já atingiu a suaposição de completamente fechado.

Possui também uma entrada D que origina a descida e outra Aque indica que o vidro está completamente aberto.

Duas saídas, MS e MD, permitem controlar o motor elétrico do elevador (subir e descerrespetivamente).

É impossível atuar simultaneamente os botões de subida e de descida.

Entradas: S (=>Sobe), F (=>Fechado), D (=>Desce), A (=>Aberto)

Saídas: MS (=>Motor_Subir), MD (=>Motor_Descer)

Projete a máquina de estados deste controlador perante as seguintes funcionalidades:

i. Subida do vidro;

ii. Descida do vidro;

iii. “Automático” para abrir totalmente ou fechar totalmente o vidro premindo os botõesdurante um tempo menor que 1 ciclo de relógio (da implementação)

iv. Repita a resolução da alínea iii. mas o automático deve funcionar sempre que o tempoque se premir o botão for menor que 0.5 segundos.


3. Grafcet

3.1. Luzes e Tempos

Resolva em Grafcet os seguintes requisitos:

● Ao pressionar BOTAO acender a LUZ1

● Ao largar o BOTAO, se esteve pressionado mais do que 2 segundos, liga LUZ2 durante 1segundo (bloqueando o sistema durante esse tempo)

● Se não, não faz nada.

● Reinicia o ciclo

3.2. Nível de temperatura de recipiente

De seguida são listados os requisitos de um sistema hipotético que tem de controlar o processode enchimento e aquecimento de um recipiente:

● Nível de Água no recipiente:

○ Considere um recipiente com um actuador “torneira” e um sensor de nível “cheio”

○ Encha o recipiente sabendo que o caudal de entrada é imprevisível

● Temperatura do recipiente:

○ Considere que o recipiente tem um sensor “quente” e um actuador “aquece”

○ Considere que a temperatura de entrada da água é imprevisível

● Luz avisadora:

○ Quando o processo estiver concluído – recipiente cheio e quente, ligue a luz “pronto”

● Re-Início:

○ O sistema arranca automaticamente 1 minuto depois de se ter iniciado oesvaziamento que é manual

a) Resolva em Grafcet os requisitos acima apresentados, considerando que:

● Depois de a água estar quente, ela não volta a arrefecer

● Considere que o recipiente é esvaziado manualmente, sempre depois do processo estarcompleto

b) Resolva o mesmo problema mas considerando que o líquido pode aquecer e arrefecer emqualquer instante dentro do ciclo de enchimento


3.3. Sistema de enchimento de tanquesConsidere as seguintes especificações relativas ao seguinte sistema de enchimento de tanques.

● Os sensores apresentam valor lógico verdadeiro quando submersos em líquido e valorlógico falso quando o nível de líquido estiver abaixo do sensor;

● O tanque i é considerado vazio quando o seu nível for inferior a bi, isto é, quando o sinalbi tomar o valor lógico falso;

● O tanque i é considerado cheio quando o seu nível ultrapassar hi, isto é hi toma o valorlógico verdadeiro;

● O estado inicial de ambos os tanques é vazio;

● Quando o botão m é actuado pelo operador, o enchimento dos dois tanques é iniciadoabrindo as válvulas V1 e V2;

● Logo que um tanque fique cheio, a respectiva válvula de entrada Vi é fechada e emsimultâneo, é aberta a sua válvula de saída Wi começando, então, a ser consumido o seuconteúdo. Assim que o tanque ficar vazio, a sua válvula de saída será fechada;

● Um novo ciclo apenas terá início depois de os dois tanques estarem vazios e o botão mter sido premido.

Represente o funcionamento deste sistema através do Grafcet.


3.4. Comando de portãoPretende-se desenvolver um sistema de comando para um portão automático constituído por duas portas basculantes com movimento de abertura/fecho executadas por dois motores iguais.

Os requisitos para o sistema são os seguintes:

● Se no arranque do sistema o portão estiver fora da posição de repouso (posição fechado)deve imediatamente ser dada ordem de fecho aos motores;

● Ordem de abertura através de comando remoto (Tx-Rx): os motores ficam activos (nosentido de abertura) até se verificar a abertura total das duas portas e enquanto não severificar qualquer interrupção da barreira de protecção existente;

● Os motores são controlados por dois sinais: LM- quando activo liga os motores e SR-define o sentido de rotação (activo roda no sentido de fecho);

● Activação de um sinalizador (L) sempre que se verificar movimento do portão (aberturaou fecho);

● As posições de portão aberto ou fechado são representadas por dois sensores de fim-de-curso FCA e FCB respectivamente;

● Existência de uma barreira de protecção na entrada e saída (BP) que em caso deactuação desencadeia o seguinte:

○ Se o portão se encontrar a abrir, pára imediatamente.

○ Se o portão se encontrar a fechar volta a abrir.

● Uma vez o portão aberto deve permanecer nesta posição 60 s voltando a fechar após essetempo (caso não esteja activa a barreira de protecção!).

● Se durante o movimento de fecho se se verificar ordem de abertura (Tx-Rx) o portãovolta a abrir.

Apresente, para o automatismo considerado, o modelo Grafect do sistema de comando.

Nota: Se considerar o enunciado omisso relativamente a alguma especificação que considere relevante, prossiga com a resolução do problema indicando todos os pressupostos/especificaçõescomplementares por si considerados.


3.5. Comando de portas

Em certos edifícios, como por exemplo agências bancárias, é utilizado um sistema de duas portasque, como medida de segurança, não se podem encontrar abertas em simultâneo.

Cada uma dessas portas dispõe de:

Um detector de fecho (fA e fB), activo quando a porta está fechada.

Um botão no interior e outro no exterior (bA1, bA2, bB1 e bB2), para requerer abertura daporta.

Uma tranca accionada electricamente através dos comandos onA e offA, onB e offB.

O modo de funcionamento é o seguinte:

Estando as duas portas fechadas, se um dos botões for premido, a respectiva tranca serádesactivada 2 segundos depois da actuação do botão.

No caso de a porta não ser aberta pelo utilizador nos próximos 5 segundos, a tranca volta a seractivada.

Se o utilizador abrir a porta, quando a voltar a fechar, a tranca deverá ser activada de imediato.

Após a tranca ter sido activada, o sistema só aceitará um novo pedido de abertura depois deterem decorrido, no mínimo, 4 segundos.

No caso de uma das portas estar aberta ou de já ter sido pedida a sua abertura, o accionamentodos botões da outra porta é ignorado.

Construa o modelo Grafcet do sistema de controlo de acordo com as especificações anteriores,mas não desenvolva o respectivo programa.

Considere a seguinte especificação adicional: Existe um botão de emergência (be) que,enquanto estiver premido, accionará as trancas de ambas as portas, impedindo que estaspossam ser abertas.

Recorrendo a uma macro-acção, incorpore esta especificação no modelo Grafcet anterior.


3.6. Ponte MóvelConsidere o caderno de encargos para o comando do levantamento de uma ponte móvel.

● Inicialização:

○ A inicialização consiste em esperar o botão de “Mover” [presume-se que existe umavariável associada ao nome apresentado entre “aspas”]; após activação de “Mover”,o sistema deve (sempre) fechar / descer a ponte; se o sistema já estiver fechado nãoé necessária a inicialização

● Abertura (subida) / ponte aberta:

○ Activando o botão de “Mover”, o semáforo muda para “Amarelo” durante 5 segundose depois para “Vermelho” durante 10 segundos; depois desse tempo e mantendo overmelho, as metades da ponte devem subir “SobeEsq” e “SobeDir” até os sensoresrespectivos serem activados (“CimaEsq” e “CimaDir”).

○ Durante a abertura e enquanto a ponte estiver aberta, a “Buzina” fica ligada

○ Quando a ponte estiver aberta, o semáforo “Vermelho” permanece ligado

● Fecho (descida) / ponte fechada

○ Durante a descida manter o semáforo “Vermelho” e a “Buzina” ligada

○ Activar a descida da ponte através de “DescEsq” e “DescDir” até os respectivossensores “BaixoEsq” e “BaixoDir” serem activados; depois disso considera-se que aponte está fechada

○ Com a ponte fechada o semáforo está “Verde” e a buzina silenciosa

Comande este sistema através de Grafcet identificando as etapas de inicialização, abertura efecho da ponte.

Complete na reposta anterior sem a alterar criando um sistema de supervisão que deve Ligar“Alarm1” se a ponte não se abrir ao fim de 1 minuto e ou Ligar “Alarm2” se a ponte não sefechar ao fim de 1 minuto. Quando a normalidade for reposta, o sistema passa a funcionarnormalmente (com os alarmes desligados).


3.7. Sistema de controlo de dois postos de trabalhoConsidere o tapete transportador de paletes mostrado na figura.

Sensores: pos0, pos1, pos2, vai1 e vai2.

Actuadores: TAP, BARREIRA, ALARME, RETIRA1 e RETIRA2.

O transporte inicia-se com o operador a premir (e a largar de seguida) um dos botões de pressão“Vai1” ou “Vai2”. A “BARREIRA” deve ser aberta e o tapete rolante (“TAP”) arranca. Quando apalete chegar ao sensor pos0, a BARREIRA deixa de ser actuada e fecha para impedir a entradade mais peças. Quando a palete chegar à posição de destino, pos1 ou pos2, actua-serespectivamente RETIRA1 ou RETIRA2 até que o sensor apropriado deixe de acusar a presençada palete. BARREIRA, RETIRA1 e RETIRA2 retraem-se automaticamente quando deixam de seractuados.

a) Comande este sistema através de um diagrama grafcet.

b) Desenhe um grafcet adicional que, no caso do destino ser a posição 1, ao fim de 10segundos e se a peça ainda não tiver chegado, faça piscar o ALARME ao ritmo 1 segundoligado outro desligado. Similarmente, para a posição 2 mas ao fim de 20 segundos, façapiscar ALARME ao ritmo de 2 segundos ligado e outros 2 segundos desligado. O alarmedeve ser desligado quando a palete chegar ao respectivo destino: pos1 ou pos2.

c) Se o botão de pressão Balrm for pressionado ou se qualquer um dos sistemas RETIRA1 eRETIRA2 estiver activo durante mais de 1 segundo, isso quer dizer que esse sistemaencravou e a palete deve ser retirada manualmente. Para o permitir, BARREIRA, RETIRA1,RETIRA2, e TAP, devem ser desligados e o sistema deve esperar que a palete desapareçaantes de continuar com novo ciclo normal. A situação anómala é assinalada com oALARME sempre activo. Utilize as características hierárquicas do Grafcet paracomplementar as suas soluções das alíneas anteriores de tal forma que cumpra osrequisitos aqui apresentados.


3.8. Máquina Industrial de Massa de Pão(MiniTeste de 17 de Novembro de 2007)

Considere uma misturadora industrial que produz massa de pão a partir de água, farinha efermento. Quando é ligada, a misturadora está vazia e inicia o ciclo de produção depois de serpremido o botão Início. Cada ciclo de produção inclui duas fases (Preparação e Consumo)descritas de seguida.

• Preparação (junção dos ingredientes: água, farinha e fermento)

◦ Ligar Água durante 10 segundos

◦ Ao mesmo tempo ligar Pesa_Farinha até Farinha_OK

◦ Ao mesmo tempo ligar Pesa_Fermento até Fermento_OK

◦ Depois de todos os anteriores ligar Deita_Farinha e Deita_Fermento durante 5 seg.

◦ Depois ligar Agitador durante 1 min.

◦ Depois manter o Agitador e ligar Água até que Cheio fique activo

◦ Depois disso, manter o Agitador ligado durante mais 1 min.

(a massa está pronta a ser consumida!)

• Consumo (a massa é retirada manualmente)

◦ Ligar Pronto

◦ Esperar que o sensor Vazio fique activo

◦ Depois de passados 30 seg, o sistema inicia automaticamente a preparação de umanova dose de massa.

Entradas (sensores): Saídas (actuadores)Início ÁguaCheio AgitadorVazio Pesa_FarinhaFarinha_OK Pesa_FermentoFermento_OK Deita_FarinhaDesligar_buzina Deita_Fermento

ProntoBuzina

a) Elabore o modelo Grafcet do sistema de controlo acima descrito.

b) Acrescente as seguintes funcionalidades ao sistema de controlo da misturadora em novosdiagramas, sem modificar o diagrama anterior:

b1) Monitorização da preparação – a duração total máxima da fase de preparação é de 5min. Se este tempo for excedido, ligar Buzina até ser premido o botão Desligar_Buzina.

b2) Monitorização da retirada da massa – se decorrer mais do que 1 minuto até o sensorVazio estar activo, ligar Buzina durante 5 seg; se, passado outro minuto a situação se mantiver,ligar a Buzina intermitentemente (2 seg ligada, 2 seg desligada, …) até a misturadora estarvazia.

Nota: Não utilize macro-acções na resolução desta questão.


3.9. Sistema automatizado de teste de circuitos de Alta Tensão(Mini Teste de 2 de Junho de 2008)

Considere a simplificação de um sistema de teste automático de placas de circuito eléctrico paraAlta Tensão que funciona em ciclo conforme descrito de seguida.

• Início:

◦ Um novo ciclo inicia-se quando uma placa a testar é colocada na máquina, situaçãoassinalada através da entrada presente.

◦ Depois da placa ser colocada, é necessário deixar estabilizar a corrente estabilizardurante 0,5 segundos. Se, depois desse tempo, a entrada icc estiver activa, entãodeve ser assinalada a situação de curto circuito ligando a saída falhacc e não érealizada a fase de teste.

• Teste:

◦ Na situação de não existência de curto-circuito é necessário ligar o circuito dealimentação dos circuitos produtores de Alta Tensão de teste através da saída LigaAT.Esta saída LigaAT deve ficar ligada durante toda a fase de teste, até se saber oresultado do teste. É ainda necessário elevar a tensão em dois circuitos separados deAlta Tensão através da saída sobeAT1 até AT1ok e, de forma totalmenteindependente, através da saída sobeAT2 até AT2ok.

◦ Quando ambas as tensões tiverem valores correctos (AT1ok e AT2ok), então éactivado o teste propriamente dito através da saída liga_teste.

◦ O circuito a testar responde ligando uma luz que activa um sensor fim_teste. Sefim_teste nunca chegar a ficar activo ou demorar mais de 5 segundos a ficar activo,activar a saída falha5. Se fim_teste demorar menos de 1 segundo a ser activado, ligara saída falha1. Se fim_teste demorar entre 1 e 5 segundos a ficar activo, então ligar asaída circ_ok.

• Final:

◦ No final do processo, uma das saídas falhacc, falha1, falha5 ou circ_ok ficará activa.

◦ O processo regressa à situação inicial quando a placa é retirada

Listagem das entradas: presente, icc, AT1ok, AT2ok, fim_teste

Listagem das Saídas: falhacc, ligaAT, sobeAT1, sobeAT2, liga_teste, falha1, falha5, circ_ok

a) Implemente o comando do sistema de teste acima descrito através de Grafcet.

b) Considere a necessidade de introduzir uma funcionalidade de supervisão do tempo máximo desubida das Altas Tensões, isto é, se qualquer das altas tensões demorar mais do que 10 segundosa atingir o valor correcto (AT1ok e AT2ok), então ligar uma nova saída falhaAT. Será necessárioretirar a placa para o sistema de teste reiniciar o seu funcionamento.

b1) Explique (sem resolver) como esta nova especificação pode ser implementada alterando odiagrama Grafcet anterior sem recorrer a macro acções nem forçagens

b2) Implemente esta funcionalidade sem alterar o diagrama anterior

Obs: Se pretender utilizar macro acções na sua resposta, utilize as variáveis Congela_G7 paracongelar a evolução do Grafcet; Desliga_G7 para desligar todas as etapas do Grafcet e Init_G7para obrigar a reiniciar todo o Grafcet.


3.10. Fonte repuxos e depósito de água(Adaptado do Recurso de S&A 2011/12)

Leia todas as alíneas da questão antes de iniciar a resposta; Todas as alíneas são independentes.

Considere um depósito para uma fonte com repuxos de grande caudal de água.Há uma válvula de entrada de água DepEntr e respetivo sensor de nível DepOk, ativo quando o nívelde água é adequado. Sempre que o sistema estiver em funcionamento, o depósito deve ter sempreágua ao nível adequado. Considere um botão de pressão Bon para ligar globalmente a fonte e Boff adesligar totalmente. Não há atividade nenhuma na fonte quando o sistema não está ligado.(a) Resolva em Grafcet os requisitos mencionados até ao momento, relativos ao enchimento do

depósito. Considere o caudal de fornecimento e o caudal de consumo de água como externos eimprevisíveis.

(b) Para o sistema funcionar, o depósito deve estar cheio de forma estável, ie., DepOk deve estarcontinuamente ativo há mais de 10 segundos. Considere fornecimento e consumo de águaexternos e imprevisíveis. Proponha uma solução em Grafcet de tal maneira que a atividade daetapa 99 represente a estabilidade do sistema (etapa ativa significa depósito estável).

(c) A referida fonte tem 2 motores de repuxos (Rep1 e Rep2). Com o tanque estável e cheio [alínea(b), etapa 99], após ligar a fonte, os repuxos devem funcionar em alternância 2 segundos cada.Se o sistema não estiver estável, a ordem de arranque é memorizada. Se o depósito ficar semnível de água adequado durante mais do que 5 segundos, desligar a fonte globalmente. Utilize Grafcet hierárquico para comandar o sistema.

3.11. Engarrafamento(Adaptado do MT2 de 2011/12)

Considere um sistema de alto desempenho que controla a produção de garrafas de cerveja,incluindo enchimento, rotulagem e encapsulamento que deve funcionar tão rapidamente quantopossível. As garrafas são transportadas por um tapete até uma estação de trabalho. O tapete écomandado pela saída AVANÇA. Existe um sensor GAR que indica a presença de uma garrafa.Nesta estação é colocado o rótulo e introduzida cerveja na garrafa. A saída ENCHE comanda oenchimento da garrafa e o sensor CHEIA deteta que o nível de cerveja atingiu o pretendido. Paraa rotulagem, o sistema dispõe de duas saídas ROT_A e ROT_R que fazem avançar e recolher orotulador e dois sensores de posição ROT_A_OK e ROT_R_OK que indicam respetivamente que orotulador está em contacto com a garrafa e na sua posição de repouso. Para que o rótulo sejacorretamente aplicado o sistema de rotulagem deve estar em contacto com a garrafa durante 5segundos. A cápsula pode ser colocada após cada garrafa estar cheia e o rotulador estar na suaposição de repouso. Para o efeito, o sistema dispõe de uma saída CAP que quando ativada iniciao processo de encapsulamento e de uma entrada CAP_OK que indica conclusão doencapsulamento. Neste momento o tapete deve avançar até uma nova garrafa atingir a estaçãode trabalho. Uma entrada adicional do sistema, INICIO que dá ordem de arranque ao sistema.

a) Apresente um Grafcet que modelize o funcionamento deste sistema de controlo. Podeescolher utilizar a norma do Grafcet ou a do PL7 (mas não as pode misturar)

b) Sem alterar a solução da alínea anterior, acrescente as seguintes funcionalidades ao sistemade controlo: se o enchimento demorar mais de 5 segundos, liga saída ALERTA1; se o avanço ourecuo do rotulador demorar mais do que 2 seg, liga ALERTA2. Em qualquer caso estas saídasficam ativas até se ativar a entrada DESLIGA_ALERTAS. Durante os alertas o enchimento ésuspenso, bem como a rotulagem. A saída da situação de ALERTA é feita através da remoçãomanual da garrafa.


4. Redes de Petri

4.1. Duas máquinas com buffers em RdP

Considere a linha de produção a seguir representada:

As peças chegam ao buffer BUF1, passam para a máquina MAQ1, desta para o buffer BUF2 e,finalmente, para a máquina MAQ2 antes de saírem da linha. Supõe-se que os buffers têmcapacidade ilimitada. Só pode haver uma peça em cada máquina. Há dois tipos de peças - p1 ep2 - que chegam em qualquer ordem. Contudo têm que ser processadas em alternância: p1, p2,p1, p2, ...

i) Descrever o funcionamento desta linha através de uma Rede de Petri.

ii) Determine as propriedades da Rede de Petri obtida e faça uma análise crítica.

iii) Repita as alíneas anteriores considerando que os buffers tem capacidade limitada a 1

4.2. Fabrico de transformadores (RdP)

A última operação do processo de fabrico de transformadores industriais consiste em aquecer osseus enrolamentos, fazendo passar por eles uma corrente, com o intuito de eliminar toda ahumidade. Uma vez secos, as cubas que contêm os transformadores são cheias de óleo.

Na fábrica que se pretende modelizar, existem duas câmaras no qual se desenrola o processodescrito. Em cada uma das câmaras é possível introduzir alternativamente:

- dois transformadores T1

- três transformadores T2

- um transformador T1 e outro T2.

As câmaras só podem funcionar com a carga máxima. Existem apenas 4 fontes de corrente parao aquecimento dos enrolamentos dos transformadores numa e noutra câmara. È necessária umafonte de corrente para cada transformador.

O fim do processo é iniciado com a com a abertura das câmaras, após a verificação de que todosos transformadores colocados no seu interior terminaram o enchimento. Modelize o sistemautilizando Redes de Petri (RdP).

(resolução na página seguinte)


BUF1 MAQ1 BUF2 MAQ2

4.2.1. Solução problema de fabrico de transformadores

Foram utilizados três ramos por cada cuba, um para cada opção de utilização da cuba. Uma vezque apenas um destes três ramos (de cada cuba) pode estar ocupado em cada momento foinecessário utilizar uma etapa auxiliar que indica a disponibilidade da cuba. Considerando que ascubas estão vazias no inicio do processo, cada uma destas etapas tem uma marcação inicial.

As fontes de corrente utilizadas na secagem são também um recurso partilhado daí anecessidade de uma etapa (inicialmente com quatro marcações, tantas quantas as fontes) paragerir a sua utilização.


3

3 3

3

2 2

2222

3 22 322

2 2

3 3

T1 T2

T1 T2

FontesEspera

Secagem

Enchimento

Espera

4.3. Linha de Produção 4 MáquinasUma linha de produção é constituída por quatro máquinas colocadas em linha pelas quais passaum tapete de transporte de peças. Cada máquina opera sobre a peça que se encontra na suaposição. O tapete executa um deslocamento (comando D) em cada 15 segundos, sendo o tempode operação de cada máquina sempre inferior a este valor. O sinal FD (Fim_Deslocamento)assinala a chegada das peças à máquina seguinte, altura em que o tapete deverá parar.

Existem três tipos de peças distintas (A, B e C). Cada peça, de acordo com o seu tipo, ésubmetida a um conjunto diferente de operações:

- As peças do tipo A nas máquinas 1, 2 e 4;

- As peças do tipo B nas máquinas 1, 3 e 4;

- As peças do tipo C nas máquinas 2 e 3.

Em cada posto as operações são sempre as mesmas independentemente do tipo de peça. Porcada movimento do tapete uma nova peça chega ao posto de entrada. Neste posto existe umsistema de identificação que determina o tipo de peça gerando os sinais PA, PB ou PC paraassinalar a presença de uma peça A, B ou C respectivamente.

Modelize com uma RdP a linha de montagem considerando uma única etapa para representar asequência completa de operações, OPi, em cada máquina i, e o sinal FOPi para assinalar o fimdessa sequência.

Sinais de Comando:

OPi - operação da máquina i

D - deslocamento do tapete

Sinais de Saída:

FOPi - fim da operação da maq. i

FD - fim de deslocamento do tapete

Px - peça x no posto de entrada

Nota: Repare que a identificação do tipo de peça é apenas realizada no posto de entrada, nãoexistindo qualquer outro sistema de identificação posterior.

4.4. Carro numa minaConsidere um túnel de uma mina, onde, por razões de segurança, só pode circular um carro decada vez. Existem carros da mina à espera de seguirem viagem em número variável numa zonade espera antes do túnel tanto no sentido de subida como no sentido de descida. A circulaçãodeve-se fazer obrigatoriamente alternadamente num sentido e noutro.

a) Modelize este sistema de transporte através de uma Rede de Petri básica.

b) Utilizando as RdP com arcos inibidores ou, em alternativa, as RdP com prioridades,modifique o sistema anterior de tal forma que a circulação se faça alternadamente num sentidoe no outro apenas quando existirem carros à espera em ambas as zonas de espera.


5. Outros ProblemasNeste capítulo são apresentados alguns pequenos programas, adequados a uma solução emlinguagem ST e outros problemas relativos a ligações eléctricas em Autómatos Programáveis.

5.1. Contagem de peças numa linha de montagemA presença de peças num tapete rolante de uma linha de montagem é sinalizada através de umacélula fotoeléctrica, sendo a cadência máxima das peças de 20 por minuto.

Sempre que o número de peças atingir 1 000 unidades é acesa uma lâmpada, até que o operadoractue no botão de reset.

Se o número total de peças exceder 1 500, sem que o operador prima o botão de reset, deve seraccionado um alarme e parado o tapete .

Desenvolva o programa de controlo do tapete de acordo com as especificações anteriores esupondo ainda que, para evitar possíveis oscilações nas mudanças de estado, o controlador devefiltrar, por "software", o sinal de saída da célula. Utilize Linguagem Estruturada.

5.2. Implementação de máquina de estados

Implemente o seguinte diagrama de transição de estado sob ST adequado ao FEUPAutom.


Q1

Q2

Q1,Q3

Q4

i1

i2

i2 and i3

i3 or i4 i3

5.3. Comando de motor AC monofásicoConsidere um sistema de automação que inclui ocomando de um motor monofásico.

Na figura ao lado estão representados os bornesde ligação do bloco de entradas/saídas e a fonte24Vdc do PLC TSX3721, dois botões, um motor ACmonofásico, um relé monofásico com bobine de24Vdc e um ponto de acesso à rede 220V. O botãoB1 deve ser correspondido à entrada %I1.0 do PLCe o botão B2 a %I1.1. O motor deve sercomandado pela saída %Q2.0. Admite-se que assaídas do PLC não tem capacidade (em tensãoe/ou corrente) para alimentar o motor, mas temcapacidade para alimentar o relé.

Indique com clareza todas as ligações que devemser efectuadas entre os botões, PLC, relé, motore rede 220V.


5.4. Máquina de produçãoUma dada máquina produz peças com uma cadência nominal de uma peça porminuto.

Essa máquina possui um detector (D) que fica activo no final do ciclo deprodução de cada nova peça. Se este detector não for activado durante, pelomenos, 2 minutos, considera-se que a máquina está parada.

Pretende-se detectar automaticamente as paragens da máquina utilizando umautómato programável, que activará uma sirene S quando ocorrer umaparagem.

Utilizando o esquema de I/O da figura anexa represente as ligações a efectuarentre o detector D, a sirene S e o autómato considerando que:

A saída do detector D é um contacto normalmente aberto ligado à entrada I1.0do autómato;

A sirene de 24V DC é activada através da saída Q2.0.


5.5. Motor Trifásico

Considere a carta de entradas/saídas do autómato que usou nas aulas. Admita ainda que os relésinternos do autómato permitem a circulação de 1A no máximo.

Para os objectivos enumerados de seguida esquematize as ligações e programe o autómato –pode utilizar ST e ou Grafcet.

a) Enquanto B1 estiver pressionado, a lâmpada L1 de 200W deve acender

b) Quando um determinado botão B2 é premido, o motor M1 (de 500W) deve ficar a funcionaraté o mesmo botão ser premido de novo

c) Quando um botão B3 é premido durante mais de 2 segundos seguidos, o motor trifásico M2deve funcionar até o botão ser premido de novo (mal seja premido de novo, desligarimediatamente o motor)

Obs: Se necessário, acrescentar mais relés.


I0

I1

I2

I3

I4

I5

I6

I7

I8

I9

I10

I11

I12

I13

I14

I15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

Q11

NC

+24VDC0VDC

Barra de Ligações do Autómato

B1

10A/circuito 230Vac

24Vdc10A

Motor M2

M2.ac2M2.ac1

3000W

M2.ac3

Motor M1500W

Lampada L1230V / 200W

Fonte24Vdc

+-

Rede Trifásica

(+ Neutro)

RSTN

B2

B3

5.6. Máquina de Estados vs. Grafcet vs. Rede de PetriConsidere o seguinte processo hipotético:

• Preparação: PREP até PREP_OK

• Tipo de peça: P1, P2, P3 (apenas um destes sensores está ativo em cada ciclo)

• Tratamento da Peça 1 (P1): TRAT1 até TRAT1_OK

• Tratamento da Peça 2 (P2): TRAT2 até TRAT2_OK

• Tratamento da Peça 3 (P3) – fazer os dois tratamentos das peças 1 e 2 (em simultâneo)

• Finalização: FIN até FIN_OK

• Considere que P1, P2, P3 é alterado para a próxima peça enquanto FIN estiver ativo

Listagem de Atuadores: PREP, TRAT1, TRAT2, FIN; para alínea b1) ALRM

Listagem de Sensores: PREP_OK, TRAT1_OK, TRAT2_OK, FIN_OK, P1, P2, P3

Resolva o caderno de encargos do utilizando:

a) Máquinas de Estados:

a1) Modelize a solução recorrendo a Máquinas de Estados;

a2) Implemente em ST para FEUPAutom;

a3) Implemente em ST para o AP das aulas práticas Schneider TSX3721;

a4) Implemente (manualmente) em C adequado a um PC tal como no TP1;

a6) Implemente (manualmente) em C adequado a um ATMega 8 (tal como no TP2);

b) Grafcet

• Utilize Grafcet hierárquico para cumprir o seguinte requisito adicional: se algum dostratamentos demorar mais do que 60seg, ligue “ALRM” e re-inicie todo o processo;proponha uma estratégia adequada para desligar o sinal ALRM (sem acrescentar sinais)

b1) Modelize a solução recorrendo a Grafcet de acordo com a norma IEC 60484;

b2) Modelize a solução recorrendo ao FEUPAutomGrafcet (FAGrafcet);

b3) Modelize a solução recorrendo a Grafcet de acordo com a notação do PL7;

b4) Implemente manualmente em ST para TSX Micro 3721 (suponha que o controlador nãoseria programável em Grafcet);

b5) Implemente (manualmente) em C adequado a um PC tal como no TP1;

b6) Implemente (manualmente) em C adequado a um ATMega 8 (tal como no TP2);

c) Redes de Petri:

c1) Modelize a solução recorrendo a Redes de Petri (sem extensões);

c2) Como se poderia implementar esta rede de Petri?

d) Compare os pontos fortes e fracos revelados em cada alínea anterior, para cada técnica demodelação e implementação (utilize uma tabela).


5.7. Escolha de sensores

Relativamente a sensores do tipo industrial, discuta qual o mais adequado para a seguinteaplicação:

1. Saber a altura de um cereal dentro de um silo

2. Detetar a presença de uma caixa de cartão (leve)

3. Detetar parafusos metálicos dentro de uma caixa de cartão

4. Contar rolhas que passam num tapete

5. Contar traves metálicas que passam num tapete

6. Segurança numa porta de elevador (corrente)

7. Detetar uma porta não bem fechada

5.8. Escolha de Atuadores

Discuta a zona de aplicação dos atuadores seguintes:

1. Para Forças (/binários) muito elevados, que tipo de atuadores é adequado utilizar

2. Para sistemas de “gripping” - apanhar coisas – em que é conveniente ter algumaelasticidade na atuação, que tipo de atuadores é mais adequado utilizar

3. Que tipo de atuador é utilizado nos ventiladores?

5.9. Flanco em Diagrama TemporalConsidere as seguintes linha de código em ST num sistema que as executa em ciclo infinito. Trace odiagrama temporal do sinal %Q1 (considerando-o inicialmente a 0) no espaço correspondente,considerando os sinais A e B aí representados.

%Q1 := (%Q2 AND NOT A) AND B;%Q2 := A;


A

B

%Q1

5.10. Diagrama temporal em GrafcetConsidere o Grafcet G1 apresentado na figura. Trace o diagrama temporal dos sinais X10, %Q3.1e %Q3.2 na folha de respostas, considerando os sinais a, b e c aí representados.

Considere que na situação inicial, apenas a etapa X10 se encontra ativa.

%Q3.1

X10

t=01s

a

b

c

%Q3.2

- Fim do caderno de exercícios -


Documents

Cad Exercícios Sistemas e Automação