Programação de Controladores e Automação Industrial

Programação de Controladores Núcleo de Educação a Distância wwwunigranriocombr Rua Prof José de Souza Herdy 1160 25 de Agosto Duque de Caxias RJ Reitor Arody Cordeiro Herdy PróReitoria de PósGraduação e Pesquisa PROPEP Emilio Antonio Francischetti PróReitoria de Administração Acadêmica PROAC Carlos de Oliveira Varella Núcleo de Educação a Distância NEAD Márcia Loch Produção Fábrica de Soluções Unigranrio Desenvolvimento do material Leonardo Resende Copyright 2019 Unigranrio Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico mecânico por fotocópia e outros sem a prévia autorização por escrito da Unigranrio PróReitoria de Graduação PROGRAD Virginia Genelhu de Abreu Francischetti PróReitoria de PósGraduação Lato Sensu e Extensão PROPEX Nara Pires Sumário Programação de Controladores Objetivos 04 Introdução 05 1 Algoritmo 06 2 Conceito Básico de Algoritmo 06 3 Linguagens de Programação 12 4 Sistemas Supervisórios 15 Síntese 18 Referências 19 4 Automação Industrial Objetivos Apresentaraslinguagensdeprogramação Explicarofuncionamentodeumsistemasupervisório 5 Automação Industrial Introdução Alinguagemdeprogramaçãotemcomofunçãobásicaservircomo ummeiodeintegraçãoentrecomputadoreseusuáriosPodesevisualizaro computadorcomoumacalculadoradegrandepotencialquetemacapacidade deefetuarcálculoscommuitomaisrapidezqueoserhumano Um sistema supervisório tem como função capturar e armazenar emumbancodedadosinformaçõesquevisaminformarsobreoprocesso de produção Essas informações são provenientes de sensores que captam informaçõesdasvariáveisdeprocesso Durantenossosestudosserãodescritososconceitosdeprogramação aplicações práticas e implementações Mesmo caso para os sistemas supervisórios 6 Automação Industrial 1 Algoritmo Historiadores trazem divergências sobre a origem da palavra algoritmo sendo a mais difundida em razão de seu sobrenome a de MohamedIbnMusaAlKhwarizmiummatemáticopersadoséculoIXcujas obrasforamtraduzidasnoocidentenoséculoXIItendoumadelasrecebido onomeAlgorithmi de numero indorumindianoacercadosalgoritmosque trabalhamsobreosistemadenumeraçãodecimal Independentementedesuarealetimologiaaideiaprincipalcontida napalavrarefereseàdescriçãosistemáticadamaneiradeserealizaralguma tarefaParaaCiênciadaComputaçãooconceitodealgoritmofoiformalizado em 1936 por Alan Turing Máquina de Turing e Alonzo Church que formaramasprimeirasfundaçõesdaCiênciadaComputação A história dos algoritmos faz parte da história da matemática PodemoscitarcomoexemplooalgoritmodeEuclidesquetemcomofunção determinaromáximodivisorcomumentredoisnúmerosdiferentesdezero NessecasoEuclidesdeterminaosprocedimentosparaefetuaroprocesso Paraqueocorradeacordocomoesperadodevemosseguiroprocedimento exatodeterminadoporEuclides Comodecorrerdotempoadefiniçãodealgoritmoadquiriunovos parâmetrosAexecuçãodatarefapodeserfeitatantoporsereshumanostanto quantopormáquinasAíchegaseaoconceitodacomputaçãoqueprojeta equipamentos capazes de executar algoritmos seja para efetuar cálculos processamentodetextoseimagensouqualqueroutrafinalidadequepossa serexecutadapelosprocessadoresdoscomputadores 2 Conceito Básico de Algoritmo Umalgoritmopodeserdefinidocomoumconjuntonãoambíguo e ordenado de procedimentos de passos executáveis que caracterizam um processofinitoPordefiniçãoumalgoritmoprecisaqueospassossejam ordenadosousejabemdefinidosemuitobemestruturadosparaquesigam umaordemdeexecuçãoNãoquerdizerquedevamserexecutadosemuma únicasequênciageralmenteemordemcronológica 7 Automação Industrial Existempordefiniçãoosalgoritmosparalelosquetêmmaisdeuma sequênciadepassosemquecadasequênciadefineumprocessodistinto As máquinas utilizadas são chamadas de máquinas multiprocessadas Dependendo do ambiente de execução os passos do processo podem intercalarporémdentrodeumamesmasequênciaaordemdeexecuçãonão podesermodificada ExemploFazerumalistadetodososnúmerosímpares Solução Nesse caso teremos infinitos números Por definição o algoritmodevetereficiêncianoprocedimentodaresoluçãoSóexisteessa possibilidadesehouverlimitaçãonointervalodosnúmerosímparesParaque esseproblemasejasolucionávelvamoscriarumintervalonúmerosímpares compreendidosentre0e100Nessecasoteremosumalistafinitaepossível deserimplementadaporumalgoritmo Umprocedimentoparaimplementaçãodeumalgoritmopodesero casoaseguirVamossuporquevocêsejaconvidadoporumamigoparaum almoçomasnãosabeoendereçoEntãovocêpedeaoseuamigoquetedê umpassoapassoparaquepossachegaratéoendereçodedestinoSupomos quevocêsedesloqueatéacasadesseamigodecarro Algoritmo Passo1Tireocarrodagaragem Passo2Vireàesquerda Passo3Sigaemfrente Passo4Entrenapróximarua Passo5Vireàesquerda Passo6Sigaemfrente Passo7Vireàdireita Passo8Pareemfrenteaumaigreja Claroqueumalgoritmotemumprocedimentoparaserescritoe oexemploilustradoacimaéapenasparatermosumaideiadeumprocesso sequencialEsseprocedimentoqueutilizamosparaaescritaédefinidocomo processonarrativo Existemoutrasformasdeescritadealgoritmoqueserãomostradas aseguir 8 Automação Industrial Otipomaisutilizadoéopseudocódigoquetemcomocaracterística umaformamaisestruturadaqueseassemelhamuitocomaslinguagensde programaçãoOfluxogramaempregafigurasgeométricasqueilustramos passossequenciaisparaoalgoritmo ExistetambémoDiagramadeChapinodiagramaNassiShneiderman ou diagrama NS Esse modelo mostra os procedimentos e a solução do algoritmopormeiodequadrosorganizadosdeformahierárquicaeestrutural Essemodeloémenosutilizadoporsuamaiorcomplexidade NaFigura1ilustramosumdiagramaquerepresentaumalgoritmo paratrocadelâmpada Lâmpada enroscada Lâmpada fundida Comprar novo candeeiro Enroscar lâmpada Trocar lâmpada Sim Sim Não Não Candeeiro não acende Figura 1 Exemplo de um algoritmo no formato de um fluxograma Fonte Adaptado de Alves 2013 OslosangosrepresentamasdecisõesaseremtomadasAofinaldo processoalâmpadadeveestaremfuncionamento 9 Automação Industrial Aseguirvejamosumalgoritmonomodelodepseudocódigo algoritmoNOMEDOALGORITMO varnomedavariável tipodavariavel inicio instrução1 instrução2 instruçãon fimalgoritmo Figura 2 Modelo de um algoritmo em pseudocódigo Fonte Adaptado de Andrade 2014 Osalgoritmospodemsercaracterizadoscomoinstruçõesqueseconvertem emumalinguagemdeprogramaçãoequeéenviadaparaoprocessadordeum computadoroudeumcontroladorepormeiodesseenviodeterminadasrotinas sãorealizadasEssalinguagemdeprogramaçãopodeserdebaixooudealtonível O computador realiza o trabalho manipulando informações que são armazenadas em sua memória Essas informações são caracterizadas de duas formascomoinstruçõesecomodados Asinstruçõestêmcomofuncionalidadeocomandodofuncionamento docomputadoroudocontroladoredefinemcomodeveserotratamentode dadosAsinstruçõessãoparticularesparacadamodelodecomputadorpois sãoespecíficasparacadaprocessadorOsdadossãoasinformaçõesqueserão processadaspelocomputador Durante a execução de um programa os computadores manipulam informações representadas por diferentes tipos de dados Para que essas informações não se percam elas são armazenadas em sua memória como variáveis do processo Asvariáveisquesãoutilizadasnosalgoritmosdevemserdefinidasno iníciodocódigoEsseprocedimentoéfeitoparaquesejareservadoespaçoem memóriaparaqueasmesmassejamarmazenadasposteriormente Importante 10 Automação Industrial Uma variável pode ser definida como uma entidade que detém umnomequeadiferenciadasdemaiseumtipodedadoquedefinequal informaçãoelaécapazdearmazenarDefinidosnomeetipodedadoestes nãopodemseralteradosnodecorrerdoprogramaAgoraessavariávelpode sermodificadaemfunçãodofluxodeexecuçãodocódigo Alémdeentenderoconceitodevariáveiséimportantesalientaro conceitodeinstruçãocomofundamentalparaoentendimentodosalgoritmos Instruçõespordefiniçãosãocomandosqueefetuamtarefasessenciais paraoperaçãodecomputadoresEssastarefasversamsobreentradaesaída de dados e movimentação em memória Esse procedimento está presente namaioriadaslinguagensdeprogramaçãoUmprogramaquenãoutiliza instruções não tem qualquer utilidade Alguns dos termos utilizados na execuçãodasinstruçõesdevemserapresentados Dispositivos de entrada É a forma como as informações são transferidaspelousuárioaocomputadorComoexemplostemos tecladopendrivecartõesdememóriaetc Dispositivos de saídaAformacomoasinformaçõessãoenviadas docomputadorparaousuárioComoexemplostemosmonitor impressoraetc SintaxeManeiracomooscomandosdevemserescritosdeforma aserementendidos Semântica Conjuntodeaçõesqueserãoexercidaspelocomputador duranteaexecuçãodoscomandos Pseudocódigo AlgoritmoEXEMPLO VarPRECOUNITPRECOTOTALreal QUANTint PRECOUNIT 5 QUANT 10 PRECOTOTAL PRECOUNITQUANT Fim Figura 3 Exemplo de um pseudocódigo com comandos de atribuição Fonte Adaptado de Xavier 2018 11 Automação Industrial Fim Início PRECOUNIT 5 PRECOTOTAL PRECOUNITQUANT QUANT 10 Figura 4 Exemplo de um fluxograma com comandos de atribuição Fonte Adaptado de Xavier 2018 As Figuras 3 e 4 apresentam um algoritmo em pseudocódigo emumfluxogramaAfunçãoVarrepresentaadeclaraçãodasvariáveis utilizadas no problema que nesse exemplo são PRECOUNIT PRECOTOTALeQUANTAsvariáveissãodeclaradascomorealreal einteirarespectivamenteAfunçãoinícioindicaqueoalgoritmoiniciae apresentaasinstruções ArmazenavaloresnasvariáveisPRECOUNITeQUANTeem seguidarealizaumaoperaçãodeprodutoeoresultadoéarmazenadona variávelPRECOTOTALOalgoritmomostradoacimacalculaPRECO TOTALporémnãomostraoresultadopoisnãoháumcomandono códigoquerealizeesseprocesso AFigura5mostraainserçãodainstruçãoparaescreveroresultado 12 Automação Industrial Pseudocódigo AlgoritmoEXEMPLO VarPRECOUNITPRECOTOTALreal QUANTint PRECOUNIT 5 QUANT 10 PRECOTOTAL PRECOUNITQUANT Escreva PRECOTOTAL Fim Figura 5 Exemplo de um pseudocódigo com comando de saída Fonte Do autor AFigura5apresentaumaestruturapróximadaFigura3apenas acrescidadainstruçãoEscreva umavariáveldesaídacomafunçãode escreveroresultadodaoperaçãomatemáticarealizadaacima 3 Linguagens de Programação Podemosdefinirlinguagemdeprogramaçãocomoumalinguagem escritaeformalquetemcomofunçãoespecificarumgrupodeinstruções eregrasquegeramprogramas Um programaé desenvolvido para ser armazenado em memória e ser processado em um computador microcontrolador ou qualquer dispositivoquepermitasuaexecuçãoComoexemplodeprogramastemos aplicativosdecelularesgamesetcFazerumalgoritmoparaprogramação éescreverumtextoqueseráconvertidoemsoftwareEsseprocedimento podeserescritoemumalinguagemdeprogramaçãoquetambémpode serchamadadecódigo ExistemváriaslinguagensdeprogramaçãoDentreelaspodemos citarJavascriptCPHPPytonJavaCeC 13 Automação Industrial Figura 6 Exemplos de linguagens de programação Fonte Dreamstime Alinguagemdeprogramaçãodividesenasseguintesetapas Projeto Implementação Teste Verificação Manutençãodosoftware Aslinguagensdeprogramaçãosãoclassificadasemlinguagensdebaixo edealtonívelOsníveismaisbaixossãoosmaispróximosdoquechamamosde linguagemdemáquinaemaisdistantesdoquechamamosdelinguagemnatural 14 Automação Industrial A linguagem de máquina é uma linguagem primitiva baseada no sistema binário e compreendida e executada pelo hardware do sistema Asinstruçõesenviadasparalinguagensdemáquinasãorepresentadaspor códigosquerepresentampalavrasbináriasquevariamde8a64bits 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 Tabela 1 Exemplo de um programa em linguagem de máquina Fonte Do autor Linguagensdealtonívelapresentamumasintaxemaispróximada linguagem natural utilizando palavras reservadas como READ WRITE TYPEetcAlémdissopermitemtratamentodedadoscomointeirosreais vetores etc Também são chamadas de linguagens de segunda geração e surgiramnofinaldadécadade1950 Nível de abstração Linguagens de máquinas Linguagens declarativas Linguagens de alto nível Linguagens de montagem Assembly Figura 7 Níveis de abstração para as linguagens de programação Fonte Do autor 15 Automação Industrial Aslinguagensdealtonívelsedesenvolverametornaramoprocesso deindependênciadamáquinaalcançávelOscomandosdalinguagemde altonívelpodemserfacilmentecompiladosemqualquermáquina 4 Sistemas Supervisórios Comoavançodaeletrônicanasdécadasde1970e1980ecom o surgimento dos microprocessadores o computador tornouse peça fundamentalnosdiversossetoresindustriaisEsseavançoproporcionou osurgimentodossistemassupervisórios Um sistema supervisório captura e armazena informações em um banco de dados sobre um determinado processo em automação industrialEssasinformaçõessãoprovenientesdacaptaçãodedadosde umaplantaindustrial Entrada analógica Sensor Condicionador de sinal Multiplexador analógico Controle Sequênciador programador Buffer de saída Registrador Computador Circuito de controle Circuito sample e hold Conversor DA Outras entradas analógicas Figura 8 Modelo de um sistema de aquisição de dados Fonte Adaptado de Ribeiro 1999 Ossistemassupervisóriosrealizamaaquisiçãodedadosdoprocesso Aaquisiçãodedadosdeveterahabilidadedecoletardadoserealizaruma determinadatarefadecontroleemumajaneladeaquisiçãodedadosA duraçãodessajanelavaidependerdotempodoprocesso Odispositivoresponsávelpelacoletadessesdadoséumsistema que faz a aquisição dos dados Esse sistema é utilizado por várias empresasfabricantesdeequipamentosqueassociamessascaracterísticas 16 Automação Industrial aumsistemasupervisóriodeaquisiçãodedadosSCADASupervisiory Control and Data Aquisitioncomsistemasdigitaisdecontroledistribuído SCDCouosCLPs Os principais sistemas supervisórios que têm destaque no mercadosão ElipsedaElipseSoftware FactoryTalkViewSE daRockwellAutomation iFIX daGeneralElectric InduSoftWebStudiodaInduSoft ProcessViewdaSMAR ScadaBRopensourcedaMCASistemas SIMATICWinccdaSiemens VijeoCitectdaSchneiderElectric WondewareinTouchdaInvensys Emumprocessodeproduçãoindustrialdeveseusarumsistema supervisório pois ele apresenta alguns parâmetros que podem ser listadosabaixo Alarmes Apresenta informações sobre falhas no processo e registraessasfalhasnobancodedadosparaanálisesfuturas Análise de tendências Providencia ações normativas para a maximizaçãodoprocessodeautomação Geração de relatórios e gráficos Análises gráficas sobre os alarmeseprocessos Processo de operação de forma remota Intervenção no processoapartirdeumacentraldecontrole Maximizar a planta industrial Identificação de falhas e otimizaçãodetomadasdedecisãocomoobjetivodemanter aplantaoperanteousejafuncionaramaiorpartedotempo seminterrupções 17 Automação Industrial Figura 9 Modelo de um sistema supervisório em funcionamento Fonte Moraes 2011 Osistemasupervisóriopodealémderealizaracoletadedadosesabero statusdosdispositivosremotosatuarnosprocessosdeaberturaefechamento de válvulas ligar e desligar motores e enviar sinais para acionamento de válvulas Aimportânciadeumsistemasupervisórionãoestáapenasnoprocesso emsimastambémnospossíveisresultadospositivosquepodegerarNãose restringeàslinhasdeproduçãopormeiodomonitoramentodoequipamento asuaimportânciaestendeseaonívelestratégicovisandoaousodosdados geradosparamelhortomadadedecisões 18 Automação Industrial Síntese Vimosnestaunidadeosconceitosdealgoritmosesuaimportânciana automaçãoindustrialMostramososprocessosdecriaçãodeumalgoritmo sejanarrativofluxogramaoupseudocódigoEstudamosaindaosalgoritmos easuaformadeestruturação Aprendemos os conceitos iniciais de linguagens de programação e asprincipaislinguagensutilizadasMostramosaimportânciadossistemas supervisóriosnaplantadeautomaçãoecomosãoutilizadosnomonitoramento deprocessosindustriais Assim foi possível concluir que esses estudos têm fundamental importância na disciplina de automação industrial visto que formam os pilaresparaoentendimentodosprocessosautomatizados 19 Automação Industrial Referências ALVES G F O O que é algoritmo 2013 Disponível em https dicasdeprogramacaocombroqueealgoritmoAcessoem11abr2019 ANDRADEHCriando o primeiro algoritmo2014Disponívelem httpsguiatechnetalgoritmosprimeiroalgoritmo Acesso em 11 abr2019 MORAESESupervisório Scada LAquis2011Disponívelemhttps wwwsaladaeletricacombrsupervisoriolaquisAcessoem11abr2019 RIBEIRO M A Automação industrial Apostila para curso de treinamento1999 XAVIERGFCLógica de programaçãoSãoPauloSenac2018