Limitaes das Mquinas de Estado Grafcet Armando Jorge

Limitações das Máquinas de Estado & Grafcet Armando Jorge Sousa – asousa@fe. up. pt José António Faria – jfaria@fe. up. pt Professores Auxiliares da F. E. U. P. 30 November 2020 Grafcet 1

Limitações dos diagramas de estado § As Máquinas de Estado e correspondentes Diagramas de Transição de Estado são um método de modelação do comportamento de sistemas a eventos discretos muito simples. § No entanto, apresentam algumas limitações importantes quando se trata de modelar sistemas complexos. Grafcet 2

Limitações dos diagramas de estado (originais) Principais limitações: § Não definem uma notação rigorosa e não ambígua § Baseiam-se num relógio implícito (não Tempo Real) § Não permitem representar comportamentos complexos envolvendo concorrência e sincronismo entre subsistemas. § Não permitem representar o comportamento de sistemas hierárquicos. Grafcet 3

Notação pouco rigorosa | Exemplo Como representar nos diagramas de estado: § as acções pontuais como o disparo de temporizadores ou o incremento de contadores? § as acções condicionais (por exemplo, quando a porta está em movimento, a luz acende na condição de não haver luz natural)? Grafcet 4

Sistemas complexos | Exemplo § Os exemplos tratados até aqui nas aulas, embora simples, já colocaram algumas questões típicas dos sistemas complexos, nomeadamente as questões de concorrência e sincronismo. § No caso da porta automática, por exemplo, devem ser considerados dois subsistemas: § um dos quais controla a iluminação § o outro controla o movimento da porta § Como representar nos diagramas de estado as interacções entre estes dois subsistemas (acender a luz quando a porta está em movimento)? Grafcet 5

Exemplo | Mesa de trabalho § Assim, no projecto de sistemas complexos torna-se necessário recorrer a métodos de modelação mais potentes, isto é, com capacidade de representar comportamentos complexos mantendo os modelos simples de elaborar e, sobretudo, de interpretar. § O GRAFCET é um desses métodos, desenvolvido especialmente para a representação de sistemas de controlo automáticos. Grafcet 6

Exemplo | Mesa de trabalho § Antes de passar ao estudo do GRAFCET, vamos analisar um sistema onde as limitações dos diagramas de estado são bem patentes. § Trata-se de uma mesa contendo 3 postos de trabalho automáticos: § um posto para a entrada das peças § um posto de furação § um posto de controlo e de saída vídeo demonstração Grafcet 7

Exemplo | Mesa de trabalho O funcionamento do sistema é o seguinte: § após ser executada um 1/3 de rotação da mesa, são iniciadas, em simultâneo, as operações nos 3 postos; § cada posto executa a sua própria sequência de operações, cuja evolução não depende do que se passa nos outros postos. § depois de concluídas as operações nos 3 postos, é executada uma nova rotação da mesa. § após o que se executam novas sequências de operações nos postos. Grafcet 8

Limitações dos diagramas de estado A representação do funcionamento deste sistema através de diagramas de estado (ver aula) leva a uma “explosão” do número de estados porque: § nos diagramas de estado, em cada momento, apenas pode estar activo um único estado, § portanto, é preciso considerar um estado para uma das combinações possíveis dos estados subsistemas (isto é, dos postos de trabalho). Grafcet 9

Limitações dos diagramas de estado § Esta situação é característica dos sistemas concorrentes que contém subsistemas que executam operações em paralelo (isto é, em concorrência). § Tipicamente, nestes casos, existe: § um ponto de sincronização entre os diferentes subsistemas, no início das sequências de operação, § outro ponto de sincronização no final das operações. § Mas, uma vez iniciadas, as sequências de operação em cada posto decorrem independentemente das operações nos outros postos. Grafcet 10

GRAFCET § Devido ao facto de nos diagramas de estado apenas estar activo um estado de cada vez, este tipo de situação conduz a uma “explosão” no número de estados do diagrama. § O GRAFCET é um método de modelação de sistemas a eventos discretos especialmente vocacionado para a análsie de sistemas de controlo automáticos e que permite ultrapassar esta, e outras, limitações dos diagramas de estado. Grafcet 11

Apresentação do GRAFCET Grafcet 12

O que é o Grafcet? § Trata-se de um método gráfico de apoio à concepção de sistemas de controlo automáticos que permite representar, através de modelos do tipo diagrama de estado, o comportamento de sistemas sequenciais. § Trata-se de uma ferramenta estruturante § Será utilizado para modelização e para programação Grafcet 13

Grafcet versus Diagramas de estado O GRAFCET permite representar: § a sincronização de operações entre subsistemas que decorram em simultâneo ou em alternativa; § o funcionamento dos sistemas segundo vários níveis de detalhe; § as interacções entre subsistemas organizados hierarquicamente; algo que não é possível fazer, pelo menos de forma simples, através de diagramas de estado. Grafcet 14

Onde reside o interesse do Grafcet? Durante a fase de concepção, o Grafcet permite: § descrever o funcionamento de sistema complexos através de modelos mais compactos que os diagramas de estado; § simular o funcionamento dos sistemas com base nesses modelos, e, assim, detectar e eliminar eventuais erros de concepção antes de se passar à fase de implementação; § projectar o sistema de controlo directamente a partir do modelo (em software ou hardware) através de um procedimento sistemático. Grafcet 15

Onde reside o interesse do Grafcet? § Assim, tal como acontece com os gráficos de estado, a construção do modelo GRAFCET é uma etapa intermédia entre a especificação do sistema e o projecto (programa) final do controlador. Grafcet 16

Onde reside o interesse do Grafcet? § Como se verá, o programa do controlador pode ser gerado automaticamente a partir do GRAFCET. § Sendo assim, o projecto de um sistema de controlo automático “termina” na construção do modelo GRAFCET do sistema. Grafcet 17

Noções fundamentais do GRAFCET Grafcet 18

Noções fundamentais Um modelo GRAFCET é constituído por 4 elementos principais: § Etapa: estado do sistema, ou de um dos seus subsistemas. § Transição: evolução entre dois estados. § Receptividade: condição que autoriza o disparo de uma transição. § Acção: ordem executada quando uma dada etapa estiver activa. Grafcet 19

Noções fundamentais Etapa § Transição Receptividade Acções Transição § Receptividade Etapa § Acção Receptividade Grafcet Acções Transição 20

Comentários | Receptividades § As receptividades são condições lógicas que dependem: § dos sinais de entrada provenientes dos detectores e § de variáveis internas (saídas de temporizadores, variáveis auxiliares, contadores) § Fundamentalmente, cada receptividade corresponde a um evento que pode provocar uma evolução do estado do sistema. Grafcet 21

Comentários | Acções As acções correspondem tipicamente às ordens enviadas aos actuadores através das saída do sistema de controlo, embora também haja acções internas, como por exemplo: § incrementar contador § disparar temporizador Grafcet 22

Comentários | Etapa § Cada etapa representa o estado de um subsistema. § Num dado instante, o estado global do sistema é equivalente ao conjunto de etapas activas (isto é, o estado global do sistema é equivalente ao conjunto dos estados seus subsistemas). § Aqui reside uma diferença fundamental relativamente aos diagramas de estado, onde, como apenas um estado pode estar activo num dado instante, não há a possibilidade de representar os estados parciais dos subsistemas. Grafcet 23

Comentários | Transição § As transições representam as evoluções possíveis do estado do sistema. § As etapas e as transições definem a estrutura lógica do programa do sistema de controlo (if…then…else). Grafcet 24

Alternância etapa - transição § Num GRAFCET deve existir sempre uma alternância entre etapas e transições, isto é: § duas etapas nunca podem ser ligadas directamente, mas devem estar separadas por uma transição; § duas transições nunca podem ser ligadas directamente, mas devem estar separadas por uma etapa. § Como tal, os dois modelos ao lado são inválidos. Grafcet 25

Convenções § As etapas activas são assinaladas através do símbolo (*). § A ordem de numeração das etapas é qualquer. § Por defeito, as ligações entre etapas e transições são da esquerda para a direita, e de cima para baixo. § Ligações de baixo para cima e da direita para a esquerda devem ser assinaladas com seta. Grafcet 26

Exemplo elementar: Prensa de compressão Na figura está representada uma prensa automatizada, na qual são fabricadas peças por compressão de um material em pó. Grafcet 27

Funcionamento § A prensa é constituída por um punção inferior fixo, um punção superior móvel e uma matriz também móvel e o seu ciclo de funcionamento é o seguinte: § com a matriz e o punção superior nas suas posições alta, é colocada a matéria prima na matriz; § depois do operador premir o botão de início de ciclo, o punção desce comprimindo a matéria prima, após o que regressa à posição inicial; § de seguida, a matriz desce para permitir a evacuação da peça, após o que regressa à sua posição alta. Grafcet 28

Especificação tecnológica § O material é colocado manualmente pelo operador; § o punção superior e a matriz são accionados por cilindros hidráulicos de duplo efeito; § as posições altas e baixas destes dispositivos são detectadas pelos interruptores fim-de-curso a 1, a 0, b 1 e b 0; § a evacuação da peças é efectuada por jacto de ar comprimido comandado por uma electroválvula. Grafcet 29

Modelo Grafcet 30

Execução simultânea de operações em paralelo § Considere-se mesa com 3 postos de trabalho já estudado antes. § O respectivo modelo Grafcet está representado na figura seguinte. Grafcet 31

Modelo Grafcet § Execução simultânea de operações em paralelo (nós do tipo AND) Grafcet 32

Execução simultânea de operações em paralelo § Neste sistema, existem dois pontos de sincronização dos 3 postos, no início e no fim das respectivas sequências de operações. § Uma vez iniciadas, as operações em cada posto decorrem independentemente do avanço das operações nos outros postos. § No Grafcet, este tipo de sincronização, correspondente a nós do tipo AND, é representada através de um traço duplo, conforme representado nos modelos anteriores. § De notar que cada etapa representa o estado de um subsistema. O estado global do sistema num dado instante é representado pelo conjunto de etapas activas nesse instante. Grafcet 33

Execução simultânea de operações em paralelo Grafcet 34

Sequências de operações alternativas Considere-se o sistema de transporte do tipo pórtico representado na figura e cujo funcionamento é o seguinte: § o operador selecciona o posto para onde se deve deslocar o carro; § conforme a sua posição inicial, o carro desloca-se para a esquerda ou para direita; § após atingir o posto seleccionado, . . . Grafcet 35

Sequências de operações alternativas § Neste sistema, a partir do estado de repouso, o sistema pode executar uma de várias sequências de operações alternativas. § Depois de concluída essa sequência de operações, o sistema regressa ao seu estado de repouso. § De notar que cada transição representa uma evolução possível do estado do sistema. § Quando as sequências alternativas são exclusivas (como acontece neste caso), é necessário garantir que as transições de entrada dessas sequências são incompatíveis, isto é, que nunca podem ser simultaneamente verdadeiras, mesmo em caso de avaria ou de erro do operador. Grafcet 36

Modelo Grafcet: sequências alternativas Grafcet 37

Sequências de operações alternativas Grafcet 38

Regras de evolução do Grafcet § As regras de evolução do Grafcet determinam a evolução da situação* do Grafcet, isto é, a activação e a desactivação das etapas. § São cinco as regras de evolução: § Inicialização § Validação § Disparos simultâneos § Activação/desactivação simultânea * por situação do Grafcet designa-se o conjunto de etapas activas num determinado instante. Grafcet 39

1. Inicialização § As etapas inicialmente activas são assinaladas através de um duplo traço. § Por exemplo, quando o sistema de controlo representado pelo Grafcet ao lado entra em funcionamento, as etapas 1 e 3 são imediatamente activadas e, consequentemente, as saídas O 1, O 3 e O 5. Grafcet 40

2. Validação § Uma transição está validada no caso de todas as suas etapas de entrada estarem activas. Exemplo: § as transições t 1, t 2, t 4 e t 5 estão validadas § as transições t 3 e t 6 não estão validadas Grafcet 41

3. Disparo § Uma transição é disparada se estiver validada e a receptividade que lhe está associada tomar o valor lógico “ 1”. § O disparo de uma transição provoca a desactivação das etapas de entrada e a activação das etapas de saída dessa transição. Grafcet 42

4. Disparos simultâneos § Várias transições “disparáveis” simultaneamente, são disparadas em simultâneo. Grafcet 43

5. Activação e desactivação simultâneas § Se, simultaneamente, uma etapa é activada e desactivada pelo disparo simultâneo de duas transições, então essa etapa permanecerá activa. Grafcet 44

4. 2. Noções complementares do Grafcet 45

Noções complementares § O Grafcet define um conjunto de noções complementares garças às quais é possível criar modelos mais compactos, logo mais fáceis de compreender, de sistemas complexos: § variáveis internas; § acções condicionais, pontuais; § temporizações; § macro-acções § macro-etapas* * não serão abordadas nesta edição da disciplina Grafcet 46

Variáveis internas § A variável Xi representa uma variável booleana tal que: se a etapa i activa se a etapa i não activa Grafcet então Xi = verdadeiro então Xi = falso 47

Acções condicionais § Uma acção condicionada associada a uma etapa, apenas é executada quando, além dessa etapa estar activa, se verifica uma outra condição lógica adicional. § Por exemplo, a saída O 4 é activada se a entrada I 6 tomar o valor lógico “ 1” quando a etapa 4 estiver activa. Grafcet 48

Acções memorizadas § As acções memorizadas continuam a ser executadas depois da etapa a que estão associadas ter sido desactivada, e até que seja dada uma ordem em contrário. § Estas acções são assinaladas com *, como no exemplo ao lado. Grafcet 49

Temporizações § A notação t / i / T designa uma variável que toma o valor lógico “ 1” depois de ter decorrido o período T após a activação da etapa i. § Por exemplo, 20 segundos após a activação da etapa 13, a variável t/13/20 seg toma o valor lógico “ 1”. Grafcet 50

Temporizações § As variáveis temporizadas podem ser associadas a acções ou a transições, como nos exemplos seguintes Grafcet 51

Temporizações | Nota § Como se verá*, o software de programação que será utilizado nas aulas práticas, para suportar a programação de temporizações, associa a cada etapa i uma variável Xi. T que contém o tempo decorrido desde a activação dessa etapa. § Para resolver os exercícios que lhes serão propostos, os alunos podem optar por utilizar a notação definida pela norma do Grafcet (t/Xi/T) ou as variáveis Xi. T. * Anexo: Programação em Grafcet com o software PL 7 Grafcet 52

Macro-acções Grafcet 53

Macro-acções: Conceito § As macro-acções permitem representar as interacções em sistemas de controlo hieráquicos, onde: § um Grafcet de nível superior § controla um conjunto de Grafcets de nível inferior, cada um dos quais comandando uma máquina ou subsistema. § Como exemplo deste tipo de situação, considere-se o vídeo relativo ao Centro de CIM da FEUP disponível na página da disciplina, onde: § um Grafcet comanda o funcionamento global da célula § um conjunto de Grafcets comandam, cada um, um dos subsistemas (robots, sistemas de transporte, máquinas, …) Grafcet 54

Macro-acções: Conceito § As macro-acções também são muito utilizadas para tratar as situações de inicialização e de avaria. Através delas, o sistema supervisor pode: § bloquear (congelar) a situação dos Grafcets subordinados; § reinicializar a situação desses Grafcets; § impôr, de forma permanente, uma determinada situação a esses Grafcets. Grafcet 55

Macro-acções: Conceito § Ne acordo com a norma Grafcet, estas interacções são representadas através de um tipo de acção especial, designado por macro-acção e a que corresponde a notação F / G : S § Um acção deste tipo “força” (isto é, impõe) a situação S no grafcet G. Exemplo: § a macro- acção F / Robot 1: (10, 20) impõe a situação (10, 20) no Grafcet Robot 1; § o que é equivalente a activar as etapas 10 e 20 desse Grafcet e a desactivar todas as outras. Grafcet 56

Macro-acções: Conceito § Como qualquer outra acção, as macro-acções podem ser pontuais ou permanentes: § por defeito, as macro-acções são contínuas, o que significa que enquanto se mantiver a macro-acção o estado do Grafcet subordinado não pode evoluir; § se a macro-acção for pontual, o Grafcet subordinado pode evoluir a partir da situação que lhe foi imposta pela macro -acção. Grafcet 57

Macro-acções: Conceito § Um caso particular da macro-acção consiste em congelar a situação actual do Grafcet subordinado. § Este tipo de macro-acção é representado pela notação F / G: (*) e tem por consequência bloquear a evolução do Grafcet G na situação em que se encontrava quando foi executada a macro-acção. Grafcet 58

Macro-acções: Exemplo de aplicação No misturador industrial considerado nas aulas práticas, existe um botão de paragem de emergência PE tal que: § se for premido durante o período de carga dos balanças e do misturador, a actuação de PE suspende as acções em curso, as quais serão retomadas depois de PE ser desactivado e de ser dada nova ordem de arranque; § se for premido durante o período de mistura, a actuação de PE provoca a inutilização do produto em curso de fabrico. Neste caso, após PE ser desactivado, é executado o procedimento de inicialização. Grafcet 59

Macro-acções: Exemplo de aplicação Grafcet 60

Macro-acções: Exemplo de aplicação Não recorrendo a macro-acções, a implementação das especificações relativas à paragem de emergência requer que: 1. Seja acrescentada uma etapa adicional para cada uma das etapas em que a actuação de PE suspende o processo de fabrico. Grafcet 61

Macro-acções: Exemplo de aplicação 2. Seja acrescentada uma transição adicional para cada uma das etapas em que a actuação de PE implica a reinicialização do processo de fabrico. Nota: Na etapa 50 o sistema fica bloqueado a aguardar a desactivação de PE para então se reinicializar o processo Grafcet 62

Macro-acções: Exemplo de aplicação § O modelo completo do sistema é muito simplificado se se recorrer a macro-acções a partir de um Grafcet de nível hierárquico superior. Mistura não iniciada, processo suspenso Grafcet Mistura já iniciada, produto inutilizado e processo reinicializado 63

Anexo: Programação em Grafcet com o software PL 7 Grafcet 64

Programação Grafcet com PL 7 § Este anexo propociona uma breve introdução à programação em Grafcet utilizando o software PL 7 da Schneider, que será utilizado nas aulas práticas da disciplina. § Esta introdução é complementada pelo guião do trabalho prático sobre “Programação em PL 7”. Grafcet 65

Programação Grafcet com PL 7 § A notação utilizada neste software é diferente da notação standard definida pela norma Grafcet (e que tem sido até aqui nestes slides). § Os conceitos de base são, no entanto, os mesmos pelo que é relativamente fácil passar de um modo de representação ao outro. Nota: Nas provas escritas de avaliação, os alunos podem optar por uma outra notação Grafcet 66

Edição de modelos Grafcet A criação de um modelo Grafcet no software PL 7 envolve duas fases principais: 1. Edição da estrutura do gráfico, isto é, das etapas e das transições 2. Edição do código das receptividades e das acções. Grafcet 67

1. Estrutura do gráfico Os elementos gráficos do modelo (etapas e transições) são criadas recorrendo a teclas de função. Grafcet 68

2. Receptividades e Acções Considere-se como exemplo, o seguinte modelo Grafcet: Grafcet 69

Receptividades Transição t 4 %I 1. 1 AND %I 1. 2 Transição t 5 %X 11. T >= 600 Grafcet 70

Acções A cada etapa podem ser associadas 3 tipos de acções: Grafcet 71

Acções RE X 10 FE X 10 Grafcet 72

Acções § Uma diferença fundamental entre a norma do Grafcet e a programação no módulo PL 7 reside no facto de todas as acções serem memorizadas. § Assim: § se uma acção está activa durante a etapa Xi, então deve ser feito o reset dessa acção na desactivação de Xi, ou na activação da etapa seguinte Xi+1. § se uma acção está activa durante as etapas Xi, Xi+1, Xi+n, então o set dessa variável deve ter lugar na activação de Xi e o reset na desactivação de Xi+n. Grafcet 73

Acções Grafcet 74

Temporizações § No software PL 7, a cada etapa i é associada uma variável Xi. T que contém o tempo (em centenas de milisegundo) decorrido desde o instante de activação da etapa. § Essas variáveis podem ser utilizadas no código associado às acções e às receptividades para programar acções condicionais e transições temporizadas, conforme o exemplo seguinte ilustra. Grafcet 75

Temporizações: Exemplo FALSE Grafcet 76

Macro-etapas e de macro-acções § O software PL 7 suporta a programação de macro-etapas e de macro-acções. § No entanto, os autómatos que serão utilizados nas aulas práticas apenas suportam a programação de macro-acções, pelo que aqui não será abordada a programação de macroetapas. Grafcet 77

Macro-acções Para suportar a programação de macro-acções, o software PL 7: § permite ler e escrever os bits Xi associados às etapas, por exemplo: SET %X 7; RESET %X 0; § dispõe de um conjunto de “bits sistema” para implementação de macro-acções. Grafcet 78

Macro-acções Os “bits sistema*” para a implementação de macro-acções são os seguintes: § %S 9: Todas as saídas em estado de repouso (desligadas) § %S 21: activação das etapas iniciais e desactivação de todas as outras § %S 22: desactivação de todas as etapas § %S 23: bloqueio de todas as transições * Estes bit são todos activos em “ 1” * Fazer SET e RESET a estes bits Grafcet 79

Macro-acções Os bits de etapa (Xi) e os bits sistema associados às macroacções (S 9, S 21, S 22 e S 23): § podem ser manipulados em texto estruturado como os outros bits de memória § mas apenas na secção de pré-processamento. Grafcet 80

Secções das aplicações Grafcet § Uma aplicação Grafcet é constituída por 3 secções: § pré-processamento (Prl) § processamento sequencial (Chart) § pós-processamento (Post) § Apenas a secção Chart, que contém o modelo Grafect propriamente dito, é programada graficamente. § As secções Prl e Post são programadas utilizando uma das linguagens IL, LD ou ST. Grafcet 81

Secções das aplicações Grafcet § O acesso às secções do Grafcet para programação é efectuado através do Application Browser: Station/Program/Mast Task/Sections Grafcet 82

Secções das aplicações Grafcet § A secção pré-processamento contém, normalmente, as macro -acções, § A secção Chart contém o modelo gráfico correspondente ao funcionamento normal do sistema § A secção de pós-processamento contém as instruções relativas a requisitos de segurança cuja execução tem prioridade sobre o modo de funcionamento normal do sistema. Grafcet 83

Grafcet - Notas Finais § Os conceitos apresentados na cadeira são próximos da norma 6 1131 que define: § Sequencial Function Blocks - SFCs (uma evolução do Grafcet) § A linguagem Structured Text - ST § A ferramenta PL 7 do AP Schneider implementa versões proprietárias do Grafcet e do ST § O Grafcet é uma ferramenta estruturante § Serve para modelização de sistemas a eventos discretos § Serve para programação § As acções e receptividades são escritas noutras linguagens – exemplo linguagem ST § É possível converter um diagrama Grafcet em código ST ou noutra linguagem de programação qualquer Grafcet 84