Universidade Federal do Amazonas Faculdade de Tecnologia Programa de Pós-graduação Engenharia Elétrica – Mestrado Metodologias de Projeto e Programação de Sistemas de Automação Prof. Dr. André Cavalcante 4º Trabalho Projeto Produto UFAM Projeto e Implementação Por Hiram Amaral Entrega: 06/01/201 Manaus – Janeiro - 2014
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Universidade Federal do Amazonas
Faculdade de Tecnologia Programa de Pós-graduação Engenharia Elétrica – Mestrado
Metodologias de Projeto e Programação de Sistemas de Automação Prof. Dr. André Cavalcante
9.1. Relatório do RS Logix 500 ............................................................................... 53
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Projeto: Produto UFAM
1. INTRODUÇÃO
O Projeto Produto UFAM nasceu da necessidade de se praticar os
ensinamentos teóricos da disciplina Metodologias de Projeto e Programas de
Sistemas de Automação ministrada pelo prof. Dr. André Cavalcante no Curso de
Mestrado da Universidade Federal do Amazonas – UFAM, no segundo semestre
de 2013.
O projeto, com as devidas alterações, servirá de base para a Qualificação
de Mestrado do Sistema Inteligente de Controle de Processo Evolutivo – SICPE.
O projeto foi modelado primeiramente, com a Programação Estruturada,
momento em foi utilizado o Software Select Case. O segundo modelamento foi
realizado utilizando o paradigma da Programação Orientada a Objeto, momento
em que foi utilizada a ferramenta UML. No terceiro modelamento utilizou-se a
Lógica Ladder e no quarto trabalho realizada a implementação do Produto UFAM
numa Linguagem de Programação Ladder aplicada ao PLC da Rockwell SLC500.
Para o segundo objetivo: a Qualificação - pretende-se alterar o código do
Produto UFAM desenvolvido em Ladder, utilizando-se JAVA, com seu Framework
JADE para agentes inteligentes e acrescentar inteligência ao sistema e montar as
bases do SICPE.
Esta especificação está organizada da seguinte forma: A seção 2
descreve o propósito do Projeto, os requisitos de alto nível são identificados na
seção 3, as premissas e as restrições são descritas nas seções 4 e 5, a seção 6
descreve as Especificações Técnicas dos principais componentes do Produto
UFAM; na seção 7 encontra-se a descrição de funcionamento do produto; a lógica
de programação utilizada no desenvolvimento é explanada na seção 8; os
requisitos do cliente analisados considerando o paradigma da Programação
Orientada a Objetos (POO) são descritos na seção 9; Os modelos de casos de
uso são estudados na seção 10; na seção 11 são apresentadas as principais
conclusões e na seção 12 identificaram-se as referências bibliográficas. Também
é apresentado como anexo, o relatório gerado automaticamente pelo software
RSLogix 500, onde são mostrados os principais itens de configuração utilizados no
código desenvolvido em Ladder.
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2. PROPÓSITO DO PROJETO PRODUTO UFAM
O Projeto Produto UFAM – dada a ementa da disciplina Metodologia de
Projeto e Programação de Sistema de Automação – foi concebido com o
propósito de possibilitar que o mestrando crie as condições necessárias e
suficientes para praticar os ensinamentos teóricos recebidos em sala de aula.
Assim sendo, o Produto UFAM foi modelado de três formas diferentes:
1) Utilizou-se o software Select Case da Yourdon, software criado por
Edward Nash Yourdon para modelar o produto dentro do paradigma da
Programação Estruturada;
2) Utilizou-se ferramentas Unified Modeled Language (UML) para modelar
o produto dentro do paradigma da Programação Orientada a Objetos (POO);
3)Seguindo o programa da disciplina utilizou-se a Lógica Ladder para
modelar o produto seguindo as definições da Norma IEC 61131 e;
Finalmente o projeto foi implementado completando o ciclo teórico-prático
objetivado pela disciplina.
Este projeto tem como propósito o desenvolvimento de um sistema de
automação industrial para a produção do Produto UFAM formado por quatro blocos
contendo quatro letras: U, F, A e M. O desenvolvimento deste Projeto de Automação
Industrial deve satisfazer aos requisitos da disciplina Metodologia de Projetos e
Programas de Automação.
O Projeto se justifica devido ao fato dos alunos de mestrado demandar a
necessidade de praticar os ensinamentos teóricos recebidos em sala de aula.
O programa deverá utilizar os componentes encontrados no Laboratório de
Automação e Robótica da Universidade federal do Amazonas – UFAM.
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3. REQUISITOS, PREMISSAS E RESTRIÇÕES
3.1. Requisitos do projeto
O Produto UFAM deverá ser Estampado automaticamente, sem contato
humano.
O Produto UFAM deverá ser produzido sobre uma esteira de esteira movida
a motor DC.
O Projeto deve expressar a prática dos conhecimentos transmitidos nas
aulas expositivas ministradas e concretizá-los na forma de um produto.
3.2. Premissas do projeto
O sistema deverá ter a condição de desligamento manual em casos de mau
funcionamento;
O sistema deverá ter baixo custo compatível com os sistemas de automação
similares.
3.3. Restrições do projeto
As disciplinas complementares deverão ser ministradas antes da
implementação do projeto;
Os custos com componentes não devem exceder ao valor de R$100,00.
O material necessário para a implementação deve constar ser fornecido pelo
Laboratório de Automação e Robótica da Universidade Federal do Amazonas –
UFAM.
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4. REQUISITOS DO PRODUTO UFAM
4.1. PRODUTO UFAM: VERSÃO 0 - O esboço
A versão 0 do Produto UFAM foi esboçada em Agosto de 2013 em sala de
aula e está ilustrada na Figura 1. Podem-se perceber na parte superior as
eletroválvulas, os sensores de entrada e saída, a esteira, uma placa de controle e o
um computador Pessoal (PC) controlando todo o sistema.
Figura 1 – Produto UFAM: Versão 0 – Esboço inicial
4.2. PRODUTO UFAM: VERSÃO 0 – O diagrama em blocos
Figura 2 – Produto UFAM: Versão 1 – Diagrama em blocos - Visão geral
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Com base no esboço da Figura 1 a no diagrama de bloco da Figura 2,
definiu-se os requisitos funcionais para Produto UFAM. Esses requisitos encontram-
se enumerados na Tabela 1 e os requisitos não funcionais encontram-se
enumerados na Tabela 2.
4.3. PRODUTO UFAM: Requisitos funcionais
RF1 - ligar chave on off: Quando o operador liga a chave on-off o Sistema é energizado, sensores, eletroválvulas e CLP .
RF2 - Setar produção: O temporizador deve ser setado para produzir uma quantidade de produtos pré-estabelecida
RF3 - carregar bloco: O operador deve inserir o bloco na esteira para que o mesmo seja detectado pelo sensor de entrada.
RF4 - ligar esteira(motor): Quando o bloco é detectado pelo sensor de entrada o motor é alimentado e movimenta a esteira.
RF5 - identificar bloco: O sensor detecta a presença do bloco na esteira
RF6 - desligar esteira(motor): O controlador interrompe a alimentação do motor, parando a esteira.
RF7 - estampar bloco: O controlador interrompe, por pré-determinado a alimentação da eletroválvula.
RF8 - identificar fim do bloco: Ao completar a estampagem do bloco, o produto é detectado por S6 e interrompe a alimentação do motor.
RF9 - retirar bloco da esteira: O produto chega ao fim da esteira e o sinalizador de produto pronto alerta que ao operador que o produto deve ser retirado da esteira.
RF10 - desligar chave on-off: Concluída a produção, o operador deve desligar a chave on-off e desligar totalmente o sistema.
Tabela 1 - Requisitos funcionais
4.4. PRODUTO UFAM: Requisitos não funcionais
RNF1. Os sensores devem ser identificados quando os mesmos estiverem com e sem alimentação.
RNF2. Quando o sistema for desligado pela botoeira, a lâmpada deve acender.
RNF3. Quando o produto feito chegar ao fim da esteira o sinalizador deve ligar.
RNF4. Quando as eletroválvulas estiverem estampando, uma lâmpada correspondente à sua posição deve ser identificada.
RNF5. O tempo que a eletroválvula usa para estampar a letra é ajustável.
RNF6. Ao ligar a chave on-off um led vermelho deve Tabela 2 – Requisitos não funcionais
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5. MODELAMENTOS DO PRODUTO UFAM
5.1. Paradigma da Programação Estruturada: Select Case
5.1.1. Diagrama de contexto
De posse do Diagrama em bloco, usou-se o Software Select Case para
produzir o Diagrama de Contexto que expressa a visão de alto nível do sistema a ser
produzido, conforme Figura 3.
Figura 3: Versão 1 no Select Case – Diagrama de Contexto
5.1.2. Diagrama de Transformação
O Select Case proporciona ao Projetista o desenvolvimento de projetos
baseada no paradigma da Programação Estruturada. No Diagrama de
Transformações (Figura 4) pode-se notar a as transformações das variáveis
envolvidas no sistema do Projeto Produto UFAM.
Figura 4: Versão 1 no Select Case – Diagrama de Transformação
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5.1.3. Diagrama de Estados
O diagrama de estado expressa as transformações de um determinado
estado para outro. Tem-se um estado inicial, uma entrada que altera seu estado e
produz transições entre a entrada e a saída do sistema. A Figura 5 ilustra o
diagrama de estado inicial do Produto UFAM desenvolvido no Select Case.
Figura 5: Versão 1 no Select Case – Diagrama de Estados
5.2. Paradigma da Programação Orientada a Objetos com
UML
5.2.1. Diagrama de Pacotes interagindo com os atores
Outro modelamento do Produto UFAM foi realizado utilizando-se a
Linguagem Unificada de Modelagem (UML). Na Figura 6 encontram-se definidos os
atores do sistema e seus relacionamentos com os subsistemas encontrados.
Figura 6: Diagrama de Pacotes interagindo com os atores
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5.2.2. Diagrama de casos de uso – Visão geral
O diagrama de casos de uso da Figura 7 ilustra as várias atividades
realizadas pelos atores do sistema. Nessa Figura tem-se uma visão geral do sistema
com seus atores e atividades desenvolvidas. Nas Figuras seguintes são ilustrados
outros diagramas que podem ser desenvolvidos pelo projetista para modelar o
sistema com base no paradigma da Programação Orientada a Objetos.
Figura 7: Diagrama de casos de uso – Visão geral
5.2.3. Diagrama de casos de uso: Controlador
Na Figura 8 encontra-se o caso de uso do controlador.
Figura 8 - Diagrama de casos de uso – Controlador
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5.2.4. Diagrama de classes
Nas Figuras 9, 10 e 11 encontram-se ilustrados três importantes diagramas
da Ferramenta UML: O Diagrama de Classe (Figura 9) é utilizado na construção de
modelos de classes do sistema. Esse é um dos mais ricos em termos de notação,
pois descreve desde o nome das classes, suas listas de atributos e de operações
que auxiliam o projetista na modelagem e até mesmo na codificação de seu sistema,
independente da linguagem de programação escolhida. Os diagramas de atividades
(Figura 10) são orientados a fluxos de controle. Assim, o diagrama de atividades
pode ser visto como um tipo de fluxograma onde se encontram expressas todas as
atividades que compõem o sistema em desenvolvimento. Na Figura 11, encontra-se
ilustrado o diagrama de sequência. Neste Diagrama de sequência podem-se
encontrar as iterações entre os objetos do sistema considerando-se o tempo, para
atingir esse objetivo, são utilizadas notações bem particulares para esse tipo de
diagrama como linhas de vida, envio de mensagens, criação e destruição de objetos,
conforme mostrado na Figura 11.
Figura 9: Diagrama de classes
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5.2.5. Diagrama de atividades
Figura 10: Diagrama de atividades
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5.2.6. Diagrama de Sequência
Figura 11: Diagrama de sequência
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5.3. Paradigma da Programação Ladder
5.3.1. Técnica da Máquina de Estados
Esta seção descreve a técnica para programação em Controladores lógicos
programáveis (CLP) utilizada no Produto UFAM utilizando-se a Linguagem
LADDER.
Atualmente, um dos maiores problemas no desenvolvimento para CLP, é
que os programas são feitos de forma empíricas, ou seja, sem a utilização da
lógica, o que ocasiona em programas sem estruturas bem definidas e longas.
Este fato em curto prazo terá a manutenção e ampliação muito complicada, e
muitas vezes até mesmo inviabilizando a continuidade do sistema.
Procurou-se, no Produto UFAM, a utilização de técnicas especifica para
programação Ladder que facilitasse de uma forma mais rápida e simples de
programar um CLP. A técnica apresentada é a maquina de estados finitos, do
inglês, Finite State Machine (FSM).
Uma máquina de estado é composta de Estados, que se comporta como
uma memoria, e armazena as informações das saídas em um determinado
momento do processo, ficando essas informações disponíveis para serem
trabalhadas pelos projetistas; de Transições, que é a condição necessária para
que ocorra a mudança de um estado para inicial para outro estado que altera as
características do estrado inicial; e de Saída que descreve a atividade que deve
ser realizada num determinado estado, após a transição ter sido concluída.
A máquina de estado é representada por um diagrama de fácil
visualização, conhecido como diagrama de transição de estado, que facilita o
entendimento de qualquer pessoa em conhecer o processo. Máquina de Estados
aplicada ao Produto UFAM
Seguindo o processo de desenvolvimento para automação de processo
deve-se primeiramente realizar o mapeamento das Entradas e Saídas do
processo, seguida pela montagem da máquina de estados, que possibilita a
montagem da tabela de transições, para então e finalmente realizar a montagem
da montagem da logica em linguagem LADDER.
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5.3.2. Mapeamento as Entradas e Saídas do Processo
Nas Tabelas 3 e 4 pode-se visualizar o mapeamento das entradas e das
saídas do processo. No mapeamento encontram-se os endereços utilizados pelo
SLC 500, que é o CLP que será utilizado para codificar em Linguagem Ladder.
MAPEAMENTO DE ENTRADAS
SAÍDAS Descrição Mapeamento Letra
1 LP1 Lâmpada correspondente ao solenoide 1 O:2/8 M
2 LP2 Lâmpada correspondente ao solenoide 2 O:2/9 A
3 LP3 Lâmpada correspondente ao solenoide 3 O:2/10 F
4 LP4 Lâmpada correspondente ao solenoide 4 O:2/11 T
5 LP5 Lâmpada correspondente ao solenoide 5 O:2/12 U
6 LP6 Lâmpada correspondente ao sensor 0 O:2/13 Motor
7 LP7 Lâmpada correspondente ao sensor 6 O:2/13 Motor
8 RL1 Relé correspondente ao sensor 1 O:2/1 M
9 RL2 Relé correspondente ao sensor 2 O:2/2 A
10 RL3 Relé correspondente ao sensor 3 O:2/3 F
11 RL4 Relé correspondente ao sensor 4 O:2/4 T
12 RL5 Relé correspondente ao sensor 5 O:2/5 U
13 RL6 Relé correspondente ao sensor 0 O:2/6
14 RL7 Relé do motor DC Motor
15 RL8 Relé do motor DC Motor
16 SL1 Solenoide correspondente à letra M O:2/8 M
17 SL2 Solenoide correspondente à letra A O:2/9 A
18 SL3 Solenoide correspondente à letra F O:2/10 F
19 SL4 Solenoide correspondente à letra T O:2/11 T
20 SL5 Solenoide correspondente à letra U O:2/12 U
21 M Motor DC O:2/13 Motor Tabela 3 - Mapeamento de Entradas do Processo
MAPEAMENTO DE SAÍDAS
ENTRADAS Descrição Mapeamento Letra
1 S0 Sensor de Entrada I:1/2
2 S1 Sensor correspondente à letra M I:1/8 M
3 S2 Sensor correspondente à letra A I:1/9 A
4 S3 Sensor correspondente à letra F I:1/10 F
5 S4 Sensor correspondente à letra T I:1/11 T
6 S5 Sensor correspondente à letra U I:1/12 U
7 S6 Sensor de Saída I:1/13 Motor
8 CH1 Chave on-off em ON (Start) I:1/0
9 CH1 Chave on-off em OFF (Stop) I:1/1 Tabela 4 - Mapeamento de Saídas do Processo
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5.3.3. Montagem da Máquina de estados do Produto UFAM
Figura 12: Máquina de Estados do Produto UFAM
5.3.4. Montagem da tabela de transições
Partindo do estado 0 onde temos todas as saídas em nível lógico baixo (0),
motivados pela chave de Entrada (CH1=0) desligada inicia-se as Transições
passando a CH1 para nível lógico alto (1). Neste momento, as saída passam do
estado LP6 (o sensor 0 fica energizado para detectar a presença de blocos na
entrada), SL1 a SL5 mudam de 0 para 1 (os solenoides são posicionados para
As atividades de análises realizadas para o desenvolvimento do sistema
comprovaram a necessidade que o projetista deve ter em realizar análises acuradas
para evitar retrabalhos ou até mesmo chegar ao ponto de projetar um sistema que
não atenderá às necessidades do cliente.
Partindo das informações que se tinha para projetar foi elaborada uma idéia
que foi rascunhada e discutida com a equipe em sala de aula. A cada discussão, o
entendimento e a segurança em torno do sistema foi crescendo ao ponto de
possibilitar a criação de um diagrama de contexto que foi expandido para que se
concretizasse em níveis mais baixo a elaboração do sistema.
Com a criação do diagrama de estados utilizou-se a Lógica Ladder para gerar
o código do sistema. Torna-se necessário, neste ponto, enfatizar a Importância do
conhecimento de circuitos elétricos, digitais e analógicos para poder montar um
código que tenha endereço certo. Em outras palavras, de posse desses
conhecimentos o projetista abre a caixa preta dos circuitos e pode, se necessário,
realizar as devidas alterações no hardware para que o software tenha um melhor
desempenho.
A questão da segurança foi outro ponto bastante enfatizado no
desenvolvimento do Projeto Produto UFAM, pois o projetista tem sempre que prever
as possíveis atitudes não conformes de operadores para evitar futuros danos à
saúde do ser humano e da máquina. Como o Produto UFAM estampa materiais com
uma pressão de 6 bar, foi inserida uma proteção no processo para evitar possíveis
contatos das eletroválvulas, em produção normal, com o operador do processo.
A análise para o desenvolvimento de um sistema deve ser exaustiva e é
condição necessária para o entendimento do processo e a criação de um modelo
teórico que possa ser efetivado com as diversas ferramentas disponíveis no
mercado.
Como previsto para futuros projetos, pretende-se alterar o código do produto
UFAM, realizar as devidas alterações em seu hardware para adequá-lo ao Projeto
de Qualificação de Mestrado do Sistema Inteligente de Controle de Processo
Evolutivo – SICPE.
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Projeto: Produto UFAM
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CAVALCANTE, ANDRÉ L. D. Arquitetura Baseada em Agentes e Auto-Organizável para a Manufatura (Tese). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012.
[2] IAS, UNIVERSITAT STUTTGART: Software Engineering for Real-Time Systems:
Notas de Aula de Tópicos de Engenharia de Software, UFAM, Manaus, 2005. [3] UML – Criando Diagramas Eficientes disponíveis:
http://www.slideshare.net/rodrigocasca/uml-criando-diagramas-eficientes acesso: 28 de Setembro de 2013.
[4] SWEBOK, SOFTWARE ENGINEERING BODY OF KNOWLEDGE Disponível em: http://www.swebok.org. acesso: 28 de Setembro de 2013. [5] PROGRAMAÇÃO LÓGICA DE CLP’s COM LADDER E FSM, Prof. ENGº Hamilton
Sena, disponível: http://hamiltonsena.net SENAI/Cascavel-PR Atualizado em:
25/03/2013, acesso: 5 de Janeiro de 2014. [6] Módulos de E/S Analógica (Cód. Cat. 1746-NI4, NIO4I, NIO4V, NO4I e NO4V)
Publicação 1746-6.4PT – Janeiro, 1996 [7] Uma visão geral dos produtos da família SLC 500 Família de Controladores
Programáveis SLC 500 1747-2.30PT . [8] Uma descrição sobre como instalar e usar o controlador SLC 500 de Estrutura