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CONTROLADORES PROGRAMABLES
Professor : Jair Jonko Araujo
Sumario Tipos de industrias; Niveles de Control; Conceptos: SVC, SED, Clasificación de los
dispositivos; CLP: Histórico, componentes, funcionamiento,
clasificación, ejemplos;
Introducción – Conceptos Básicos
Tipos de Industria Manufactura
producir un bien cualquiera utilizando herramientas o máquinas (transformación mecánica a través de sucesivas operaciones);
ProcesoConjunto de operaciones/transformaciones realizadas sobre un material, con la finalidad de variar sus propiedades físicas/químicas.Procesos pueden ser contínuos o discontinuos (batch).
Niveles de control - Funciones
Gerenciamiento
Supervisión
COMUNICACIÓN
La Zona de Control
Sensores / Actuadores
COMUNICACIÓN
COMUNICACIÓN
Niveles de Control (1)
Niveles de Control (2)
Niveles de Control (3)
N í v e ld e C o n t r o l e
C i c l o< 1 0 0 m s
C i c l o< 1 s
N í v e ld e P l a n t a
N í v e ld e C a m p o
C i c l o< 1 0 m s
P R O F I B U S - D P
P C M E
H o s tC N C147
580
69
2 3
D C SP L C
V M E P C
T r a n s -m i s s o r
D i s p o s i t i v od e
C a m p o
D i s p o s i t i v od e
C a m p oV á l v u l a sE / S
R e m o t oA c i o n a d o r
Conceptos
Control es “aplicación de una acción pre-planeada para que aquello que se considera como objeto de control alcance ciertos objetivos” (Miyagi, 1996).
Sistemas de control: SVC (sistemas de variables continuas)
igualar el valor de una variable física (var. de control) a un valor de referencia;
SED (Sistema de eventos discretos) ejecución de operaciones conforme procedimiento prestablecido.
ConceptosValores de referencia
Regulador Actuador
Detector
Objeto de control
Señales de realimentación
Variábles de actuación
Variables controladas
Dispositivo de Control (SVC)
Dispositivo de Control (SED)
Com
andos de tarea
Procesador de Comandos
Actuador
Detector
Objeto de control
Estados
Variables de actuación
Variables controladas
Comandos de Control
ConceptosO
perador/ Usuario
Dispositivo de Comando
Dispositivo de Control
Dispositivo de Monitoreo
Dispositivo de
Realización de Control
Dispositivo de Actuación
Dispositivo de Detección O
bjeto de Control
Sistema de Control
Recursos
Productos
Sistema de Control SED
Conceptos
Dispositivos de comando (E): botoneras, llaves rotativas, etc;
Dispositivos de actuación(S): contactores, solenoides(válvulas), servo-motores, etc;
Dispositivos de detección(E): llaves fin de curso, potenciómetros, sensores, encoders, etc;
Dispositivos de monitoreo(S): lámparas, bocinas, displays, registradores, etc.
Dispositivos de Realización: circuitos eléctricos, CLPs, etc.
Dispositivos - Ejemplos
CLP – Controlador Lógico Programable
Histórico
Hasta el final de la década de 60 los sistemas de control eran electromecánicos (realizados para armarios/cuadros de relés);
Ocupaban mucho espacio y eran de difícil mantenimiento;
Modificaciones en las líneas de producción demandaban mucho tiempo y practicamente exigían el montage de nuevos cuadros;
En 1968 la GM (USA) lanzó una especificación técnica de un nuevo dispositivo de control.
Histórico
Requisitos de especificación: Fácil programación y mantenimiento
(reprogramación); Alta confiabilidad en el ambiente industrial
(vibración, calentamiento, polvo, etc.); Dimensiones reducidas; Capacidad de enviar datos a un Sistema
Central; Ser modular (expansible); Señales de E/S de 115VCA (2A mínimo
salida)
Histórico
En 1969 surgieron los primeros controladores Eran muy simples apenas con E/S digitales; La fácil programación fue una de las claves
del éxito (basada en ladder); A lo largo de la década del 70 fueron siendo
introducidas nuevas funcionalidades (temporización, computación numérica, etc.)
A partir de la década de 80 las funciones de comunicación fueron perfeccionadas
Histórico
Hoy el PLC es un sistema microcontrolador (microprocesador) industrial con software y hardware adaptado para ambiente industrial (especialmente ruído eletromagnético) con muchas opciones de programación, con capacidad de operar en red en diversos niveles.
Componentes
CPU
Mem
oria
Fuente
Comuni-cación
Barra-mento
Placa Entrada
Placa Salida
Dispositivos
Dispositivos
Com
puta
dor
Componentes
CPU Microcontrolador de 16/32 bits: Funciones:
Comunicación entre las partes del PLC; Control de entradas y salidas; Ejecución; Operación de memoria; Check-ups internos.
Componentes
Memoria La memoria es divida en 2 grandes bloques:
Memoria del Sistema Programa de Ejecución; Área de Borrador: flags, cálculos, alarmas, errores.
Memoria del Usuario Programa del usuario (binario); Tabla de Datos: Mapa E/S, valor actual y pre-set de
contadores y temporizadores, variables de programa.
Componentes
Módulos de E/S Pueden ser Discretos o Analógicos
Discretos Cantidad de Puntos Disponibles AC, DC, Relé DC: Tipo P ou Tipo N Salida: necesidad de alimentación externa, fusibles
Analógicos Número de Canales, Resolución del conversor A/D Faja de operación: 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V, +-
5V, +-10V, temperatura (termopar - J,E,K ... , termorresistencia – PT100, ...)
Funcionamiento Basado en procesamiento cíclico compuesto, de
forma simplificada, por 3 etapas visibles al usuario: Adquisición de las entradas; Procesamiento; Actualización de Salidas;Comunicación y Mantenimiento del S.O
(Carga de módulos, actualización de timers, tratamiento de interrupción, etc.)
X ms para cada 1000 instrucciones
Adquisición de entradas Procesamiento
Actualización de Salidas
1 ciclo con período de T segundos
Com. - Man. SO
Funcionamiento Las etapas son distintas e independientes; El proceso se inicia después que las señales
de entrada son mostradas; Durante el proceso las entradas y salidas
permanecen inalteradas (cualquier alteración de las E/S y estados internos solo puede ocurrir fuera de este intervalo);
Durante la actualización de las salidas los valores de las entradas permanecen inalterados
Funcionamiento
Una entrada debe permanecer accionada, como mínimo: tiempo de varredura de las entradas + tiempo de procesamiento
ALTER
NA
TIVAS
Características(ejemplo)
Clasificación
Basada en el número de E/S (no padronizado): Nano: hasta 50 puntos de E/S; Micro: hasta 250 puntos de E/S; Medio:hasta 1000 puntos de E/S;
Generalmente asociado al aumento del número de E/S están asociados aumentos de los recursos de programación y disminución de los tiempos de respuestas.
Ejemplos de Aplicaciones
máquinas industriales (operadoras, inyectoras de plástico, textiles, calzados);
equipamientos industriales para procesos ( siderurgia, papel y celulosa, petroquímica, química, alimentación, minería, etc);
equipamientos para control de energia (demanda, factor de carga);
adquisición de datos de supervisión en: fábricas, edificios;
bancadas de test automático de componentes industriales.
Ejemplos (modelos)
Norma IEC 61131
Introducción
Las herramientas para programación de CLP no evoluconarían a la misma velocidad que las herramientas para programación de computadores pues no presentan (aban): Facilidad de uso Portabilidad Interoperabilidad entre diferentes
productos Padrones de comunicación
La norma IEC 61131 busca llenar esta laguna
Norma IEC 61131
Define la sintaxis y el comportamiento del lenguage
Provee un conjunto de lenguages interligados para resolver diferentes problemas de control
Mejora la calidad del software aplicado a través de las técnicas de proyecto estructurado, encapsulamiento de datos, etc.
Norma IEC 61131
Part 1 – General Overview, definitions Part 2 – Hardware, I/O Signals, safety
requeriments, environment Part 3 – Programming Languages Part 4 –User Guidelines Part 5 – Messaging Service Specification
Norma IEC 61131 – parte 3 Principales características
Programación estructurada y lenguage de alto nivel para construcción de grandes programas
Conjunto padronizado de instrucciones (en inglés)
Programación Simbólica Gran variedad de tipos de datos padronizados Funciones reutilizables pueden ser creadas Conjunto de funciones matemáticas
padronizadas disponibles (trigronométricas, logaritmos, etc.)
La estrutura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación
La estructura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación
IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas
IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas
Variables y Tipos de Datos
Que es esto?
01010101 10101010
Históricamente
• Referencia a una posición física de memoria
• Referencia a una entrada física
Variables y Tipos de Datos
Sensor_Temperatura_1 : Integer• Representación simbólica
• Área propia para mapeo de I/O
• Código independente de hardware
• Altamente transparente y comprensible
• Menos errores
Variables y Tipos de Datos
Representación de las Variables
IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas
IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Función de Comunicación
Conjunto de software que define el comportamiento de un hardware (CP) para
una aplicación específica
IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Función de Comunicación
Recurso Recurso
Soporte para la ejecución de un programa, interface entre programas y las E/S de
controlador
IEC 61131-3 Modelo de Software
Task(Tarea)
Task Task Task
Recurso Recurso
Configuración
Função de Comunicação
un mecanismo de escalonamiento que ejecuta Programs o function blocks periódicamente o en respuesta a un evento
(cambio de estado de alguna variable booleana), permitiendo la ejecución de programas en diferentes tareas con objetivo de optimizar el uso de recurso del controlador
IEC 61131-3 Modelo de Software Tipos de Tareas (Task ):
No preemptiva: siempre completa su procesamiento
Preemptiva: puede ser interrumpida por otra de mayor prioridad
Cualquiera puede ser activada cíclicamente, por tiempo o por evento)
Cada tarea se puede atribuir un período de ejecución y una prioridad
un Program o function block quedará aguardando su ejecución hasta que sea asociado a una determinada Tarea y esta sea activada por una ejecución periódica o por un determinado evento
IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas
IEC 61131-3 Modelo de Software
Função de Comunicação
Task
ProgramProgram
Task
Program(Programa)
Task
Program
Task
Recurso Recurso
Configuración
Camino de control de ejecución
Típicamente, un Program consiste de un número de bloques funcionales interconectados, capaces de intercambiar datos a
través de las conecciones de software. Un Program puede anular las variables de CLP y comunicar con otros Programs.
IEC 61131-3 Modelo de Software
Programs ( Programas) pueden contener variables de acceso, las
cuales permiten el acceso remoto por los servicios de comunicación.
pueden contener instancias de bloques funcionales, mas no de otros programas, (no pueden ser aninhados)
as instâncias de blocos funcionais de um programa podem ser executadas por diferentes tarefas de controle.
IEC 61131-3 Modelo de Software
Programs ( Programas) podem ser declarados somente no nível
do recurso. podem conter declarações de variáveis
de endereçamento direto (endereçamento direto de pontos de E/S.
podem conter declarações de variáveis globais, as quais podem ser acessíveis pelos Function Blocks através do uso de variáveis externas.
IEC 61131-3 Modelo de Software
Variáveis globais e diretas
Caminho de acesso
Tarefa
Programa Programa
FB FB
Tarefa
Programa
Tarefa
Programa
FB FB
Tarefa
Recurso Recurso
Configuração
Função de Comunicação
caminho de acesso a Variável
Caminho do controle de execução
FB
Bloco de Função’’
Variável
Todo o mapeamento de memória pode ser acessado pelo gerenciador global de variáveis
CI de softwares. Possuem um conjunto de dados que pode ser alterados por um
algoritmo interno
IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions Blocks (Blocos de Funções) podem ser utilizados para a criação de
elementos de software totalmente reutilizáveis, desde a criação de outros Function Blocks mais simples, até Programs complexos.
possuem um conjunto de dados, os quais podem ser alterados por um algoritmo interno (algoritmos + dados)
podem ser escritos em qualquer linguagem
IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions Blocks (Blocos de Funções) Os dados possuem persistência (estados
internos que são mantidos entre uma execução e outra)
podem ser utilizados para a criação de outros Function Blocks (blocos derivados), aumentando ainda mais a capacidade de reutilização do software.
Functions Blocks (Blocos de Funções)
Blocos de Função padrões Biestáveis: SR, RS, SEMA Detecção de Borda: R_TRIG, F_TRIG Contadores: CTU, CTD, CTUD Temporizadores: TP, TON, TOF, RTC
Blocos de Função fornecidos adicionalmente pelo fabricante
Blocos de Função definidos pelo usuário Todos FBs são altamente reutilizáveis no
mesmo programa, diferentes programas ou projetos
Exemplo de Function Block adicional (ATOS)
Exemplo de Function Block construído pelo usuário
FUNCTION_BLOCK HYSTERISIS
VAR_INPUT
XIN1, XIN2 : REAL;
EPS : REAL; (* faixa de histerese *)
END_VAR
VAR_OUTPUT
Q : BOOL := 0
END_VAR
IF Q THEN
IF XIN1 < (XIN2-EPS) THEN
Q := 0 (* XIN1 diminuindo *)
END_IF;
ELSIF XIN1 > (XIN2 + EPS ) THEN
Q := 1; (* XIN1 aumentando *)
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK
Hysterisis
QXIN1XIN2
EPS
BOOLREAL
REAL
REAL
1
EPSEPS
0
XIN2
Q
IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions (Funções) são elementos de software que não
aparecem no modelo de software, porém podem ser reutilizados
não possuem persistência, existindo apenas em tempo de execução, assim como subrotinas (não armazenam dados)
não possuem estados internos, ou seja, sempre produzem o mesmo resultado para o mesmo conjunto de entradas
podem ter apenas uma saída podem ser escritas em qualquer linguagem
Functions (Funções)
Funções padrões Bit: ADD, OR, XOR, NOT SHL, SHR, ROL, ROR
Numéricas: ADD, SUB, MULT, DIV, MOD, EXPT, ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN
Conversão de tipo
Seleção: SEL, MIM, MAX, LIMIT, MUX
Cadeias de Caracteres: LEN, LEFT,RIGHT, MID, CONCAT, INSERT, DELETE, REPLACE, FIND
Functions (Funções)
Exemplo de funções definidas pelo usuárioFUNCTION SIMPLE_FUN : REAL
VAR_INPUTA, B : REAL;C : REAL := 1.0;
END_VARSIMPLE_FUN := A*B/C;END FUNCTION
Tarefas e POUS
Ir para arquivo de help da ATOS
IEC 61131-3 x PLC convencional
Função de Comunicação
Variáveis globais e diretas
Caminho de acesso
Tarefa
Programa Programa
FB FB
Tarefa
Programa
Tarefa
Programa
FB FB
Tarefa
Recurso Recurso
Configuraçãocaminho de acesso a Variável
Caminho do controle de execução
FB
Bloco de Função’’
Variável
PLC convencional x IEC 61131-3
Tarefa 1
Programa
Tarefas
Recurso
Lê entradas
Executa lógica
Atualiza saídas
Loop Infinito:
Tarefa 2
Tarefa 3
Tarefa 4
Temporizada
Evento
Evento
Temporizada
Vantagens das POU’s
Crie suas próprias bibliotecas de FBs (por tipo
de aplicação)
FBs são testados e documentados
Faça bibliotecas acessíveis em todo o mundo
Reutilize o máximo possível
Mude da programação para a criação de redes
de FBs
Economize 40% no próximo projeto
A estrutura da Norma IEC 61131-3
Elementos Comuns
Linguagens de Programação
Linguagens de Programação IEC 61131 – parte 3
Definição de Cinco Linguagens Interligadas Sintaxe e Semântica de 2 linguagens textuais
e 2 gráficas: Instruction List (IL) Structered Text (ST) Ladder Diagram (LD) Function Block Diagram (FBD)
Linguagem para estruturação da Programação Sequential Function Chart (SFC)
Linguagens Tradicionais
Ladder Diagram (LD)
Function Block Diagram (FBD)
Linguagens Tradicionais
Instruction List (IL)
Linguagens Novas
Structered Text (ST)
Linguagem estruturada de alto nível Sintaxe semelhante ao Pascal Permitido o uso de declarações complexas e
instruções aninhadas Suporte para:
Laços de controle (REPEAT-UNTIL; WHILE-DO) Execução condicional (IF-THEN-ELSE; CASE) Funções (SQRT(), SIN())
Linguagens Novas
Sequential Function Chart (SFC)
Técnica gráfica muito poderosa para descrever o comportamento seqüencial de um programa de controle
Usado para particionar um problema de controle Mostra uma visão geral, desejável para um rápido
diagnóstico
Processo de Fermentação
Camisa deaquecimento
Reagente ácido
Reagente básico
Válvula de dreno
Sensor de pH
Sensor de temperatura
Válvula de alimentação
Agitador
Como criar um programa de controle de forma estruturada?
Sinais de Entrada (sensores): sensor de temperatura sensor de PH posições das válvulas velocidade motor
Sinais de Saída (atuadores): válvulas motor aquecedor
Passo 1 : Identificação das interfaces externas do sistema
Neste exemplo não existe nenhum acoplamento do processo, mas poderia existir, do tipo:
… acoplamento com os vasos com líquidos principais … acoplamento com o sistema de transporte / estação
de enchimento após o dreno
Passo 2: Definição dos principais sinais entre o Sistema e o
restante do processo
Para o operador foram definidos: … um botão ‘Liga’ … um botão ‘Desliga’ … uma entrada ‘Duracao’
Agora estão definidas todas as interfaces
Passo 3: Definição de todas as interações com o Operador,
intervenções e dados de supervisão
SequenciaPrinc – enchimento, aquecimento,
agitação, fermentação, descarga, limpeza.
ControleValvulas – comando das vávulas para
encher e esvaziar o vaso
ControleTemp – controle de temperatura
ControleAgitador – controle do motor do agitador
(velocidade)
ControlepH – controle de pH
Passo 4: “Quebrar” o problema de cima para baixo em partições
lógicas (funcionalidades)
Usando as definições anteriores e
Representando na linguagem gráfica de programação
Diagrama de Blocos de Função temos …
Passo 5: Definição das POUs necessárias(Programas e Blocos de Função)
Programa de Controle da Fermentação
ControleTemp
SequenciaPrinc
LiberEncher
Agitacao
pH
PV
PV
PV
SetPoint
Temp
Liga
Duracao
Desliga
ControlepH
AdicBase
AdicAcidoSetPoint
ControleAgitador
VelocMotor SetPoint
ControleValvulas
Encher
Drenar
Libera
Esfriar
Aquecer
PosicaoValvulas
VelocAgitador
SensorTemp
SensorpH
Duracao
Desliga
Liga AdicBase
AdicAcido
VelocMotor
Encher
Drenar
Esfriar
Aquecer
Entradas Saídas
Apresenta os principaisestados do processo
Seqüência principal (MainSequence) em SFC
Inicialização S1
EnchimentoS2
AquecimentoS3
FermentaçãoS4
DescargaS5
LimpezaS6
Os Blocos de Ação e as
Transições podem ser
programados em
qualquer uma das
quatro Linguagens de
Programação IEC
Neste exemplo temos apenas um ciclo em modo contínuo
O tempo restante pode ser usado por outros ciclos
para:
…. o sistema de enchimento / transporte
… verificação de limites e condições de erro (em
uma seqüência paralela)
Passo 6: Definição dos tempos do ciclo de scanpara as diferentes partes da aplicação
Depende do sistema utilizado
Inclui o mapeamento do I/O físico com os símbolos
usados
Mapeamento dos recursos (leia: CPUs do sistema)
Definição dos ciclos de scan e eventos (vide Passo 6)
Passo 7: Configuração do Sistema:
Definição dos Recursos, Tarefas e conexão do programa com o I/O físico
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