Diagnostico de defeitos em sistemas sequenciais eletropneumáticos comandados por CLP

Diagnostico de defeitos em sistemas sequenciais eletropneumáticos comandados por CLP Manuel Alonso Meis (PPGEPS/PUCPR) [email protected] Resumo: Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento de técnicas de diagnostico de defeitos em sistemas sequenciais eletropneumáticos comandados por CLP. Estes sistemas estão compostos basicamente por atuadores com duas posições definidas, como avançado e recuado. Os defeitos na posição ou movimento de estes atuadores podem provocar a parada do sistema ou ainda uma colisão em sistemas mecatrônicos. Por esse motivo, é importante incluir essas técnicas nos cursos de CLP em conjunto com o ensino da metodologia GRAFCET e a guia GEMA. As técnicas pesquisadas serão aplicadas na programação de um sistema experimental em linguagem de contatos (ladder) e implementadas num CLP Simatic S7-200. Palavras-chave: Sistemas eletropneumáticos; Controladores Lógicos Programáveis; Método GRAFCET. 1. Introdução Muitos sistemas automáticos industriais utilizam atuadores pneumáticos para realizar suas funções, como nas indústrias automobilística, química e de alimentos, dentre outras (SALVADOR, 1988). Um caso particular de aplicação de estes sistemas são os dispositivos eletropneumáticos usados para a manipulação de carrocerias na indústria automobilística (BARROS, 2006). Esses sistemas são normalmente controlados por um CLP (Controlador Lógico Programável) e podem ser modelados mediante Redes de Petri ou a metodologia GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande, Étapes et Transitions) e implementados em um CLP mediante uma das linguagens da norma IEC 61131-3 (CASTRUCCI, 2007). Convencionalmente, nos cursos de CLP, ensina-se a metodologia GRAFCET e GEMA (Guide d´Etude dês Modes de Marche et d´Arrê), Asensio (2005), mas não se analisa o que acontece quando uma transição não ocorre devido à falta de condições, como; a falta do sinal do sensor de posição do cilindro. Num sistema automático assim modelado, em caso de falha, este se deterá e ficará assim até que seja restabelecido o sinal. Contudo isso é inaceitável por motivos econômicos, já que provocaria um tempo de indisponibilidade da máquina. Logo se precisa que o sistema sinalize que está em falha e ainda que indique de que atuador se trata para facilitar um restabelecimento mais rápido. Também, por motivo de segurança, o sistema não deve executar nenhuma ação (que leve a movimentar um atuador) se algum deles está fora de posição em qualquer instante. Algumas técnicas de diagnostico de falhas para este tipo de sistemas são apresentadas por Bolton (2006), mas elas não satisfazem as necessidades demandadas numa instalação industrial mais complexa, onde a posição dos atuadores deve ser monitorada em todo momento, impedindo que ocorra uma interferência mecânica entre atuadores ou com outros elementos externos. Neste trabalho serão investigados quais são os defeitos que podem ocorrer em um sistema eletropneumático e propor uma solução para detectá-los e apresentá-los em uma IHM (Interface Homem-Máquina). Será feita a implementação dessa solução em uma bancada de testes e o método convencional será comparado com o proposto.

2. Sistemas eletropneumáticos na indústria automobilística Na indústria automobilística são utilizados dispositivos eletropneumáticos para o posicionamento e fixação de subconjuntos de peças automotivas, para proceder a sua solda ou outros processos mecânicos de transformação. Estes dispositivos podem estar integrados em células de trabalho robotizadas, onde os movimentos do robô devem estar intertravados com os dos atuadores do dispositivo, de forma a evitar uma colisão mecânica. Na Figura 1 mostra-se um dispositivo de geometria para a soldagem de uma carroceria automotiva, consistindo basicamente de cilindros pneumáticos que realizam funções de pilotar e fixar as chapas metálicas, para proceder a sua solda, mantendo estas no lugar exato.

Figura 1 - Dispositivo de geometria para solda

Os atuadores eletropneumáticos usados nesses dispositivos são cilindros pneumáticos de duas posições acionados por uma eletroválvula, cujas posições são monitoradas por sensores. Estes podem exercer diferentes funções como grampos, pilotos, carros ou basculantes. Quando o CLP ativa uma saída que manda movimentar um atuador, este deve responder e fornecer um sinal do sensor de posição nas entradas do CLP. Este sinal de resposta deve acontecer em um tempo predeterminado, que equivale ao tempo de resposta do atuador, caso contrário, o sistema deve acusar uma falha de posição. Esta falha pode ser recuperável se o sinal volta a aparecer, já que um atraso na resposta não compromete a segurança do sistema. Além disso, se qualquer atuador apresenta uma incoerência nos seus sensores, como falta de sinal ou as duas ao mesmo tempo, ou uma mudança não autorizada na sua posição, deve-se gerar um sinal de defeito e ser sinalizado numa IHM. 3. Modelagem de sistemas eletropneumáticos Para programar em um CLP a sequência de movimentos de um sistema eletropneumático automático pode ser usado o método GRAFCET, e se fazer a programação em linguagem de contatos (ROMENA 1996). Na Figura 2 um sistema de três atuadores que faz a sequência A+B+C+C-B-A- é apresentado. Este sistema está constituído por três cilindros pneumáticos de duplo efeito, comandados por válvulas direcionais de cinco vias e dois posições, cujas

posições estão monitoradas por sensores indutivos. Esta configuração será testada com software de simulação Automation Studio 3.0. A0

A1

B0

A

A+

B1

C0

B

A-

B+

C1 C

B-

C+

Figura 2 - Sistema eletropneumático

Neste sistema serão definidas as seguintes variáveis, conforme mostrado na Tabela 1. Variável BCU BCC RESET STOP A0 A1 B0 B1 C0 C1 A+ AB+ BC+ CM1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 MCI MDG MCC MPI

Descripção Botão Ciclo Ùnico Botão Ciclo Contínuo Botão de retorno a posição inicial Botão de parada Sensor atuador A recuado Sensor atuador A avançado Sensor atuador B recuado Sensor atuador B avançado Sensor atuador C recuado Sensor atuador C avançado Eletroválvula avanço atuador A Eletroválvula recuo atuador A Eletroválvula avanço atuador B Eletroválvula recuo atuador B Eletroválvula avanço atuador C Eletroválvula recuo atuador C Memória etapa 1 Memória etapa 2 Memória etapa 3 Memória etapa 4 Memória etapa 5 Memória etapa 6 Memória etapa 7 Memória Condições Iniciais Memória Defeito Geral Memória Ciclo Continuo Memória Posição Inicial atuadores

Tabela 1- Variaveis do sistema

C-

Será suposto que o sistema possui dois modos de funcionamento: ciclo único e ciclo contínuo. No modo ciclo único, a sequência de funcionamento só é executada uma vez. Já no ciclo contínuo, esta é executada de forma ininterrupta até que o pulsador de ciclo único seja ativado. Em caso de o botão de STOP for apertado, a execução é detida, desligando-se as saídas. O sistema somente rearmará ao se apertar o botão RESET, que fará voltar todos os cilindros a sua posição de origem. A sequência de funcionamento é modelada pelo diagrama GRAFCET da Figura 3. Para programar este sistema em um CLP é utilizada normalmente a linguagem de contatos ou ladder. Na Figura 4 o diagrama ladder que realiza as transições do GRAFCET anterior é mostrado. Na Figura 5 é mostrado o diagrama ladder das saídas e na Figura 6 o dos modos de funcionamento.

1 1

A-

B-

C-

BCU OR MC C AND NOT MD G

2 2

N

A+

8

A1 AN D NOT MD G

3 3

N

4

N

5

N

6 6

N

N

10

N

N

13

11

N

=1

B-

A-

A0 AND NOT MD G

Figura 3 - GRAFCET do sistema

STOP

MCC := 1

12 MDG := 1

R ESET

B0 AND NOT MD G

7

MCC := 0

STOP

10

11

MDG := 0

BC C

9

C-

C 0 AN D N OT MD G

N

9

C+

C 1 AN D N OT MD G

5

8

B+

B1 AND NOT MD G

4

7

S

F/ (X1)

F/ (X8)

BC U

M7

BC U

A0

M1 L MIC

MIC

L M8

BC C

L R ESET

A0

B0

C0

MPI

M2

M1

M1

MDG

BC U

MPI

U M2 L

MCC

M3

M2 U

R ESET

M2

MDG

A1

M3 L M3

M4

U R ESET

M3

MDG

B1

M4 L M4

M5

U R ESET

M4

MDG

C1

M5 L M5

M6

U R ESET

M5

MDG

C0

M6 L M6

M7

U R ESET

M6

MDG

B0

M7 L M7

M1

U R ESET

Figura 4 - Ladder das transições

M2

MDG

A+

M3

MDG

B+

M4

MDG

C+

M5

MDG

C-

MDG

B-

MDG

A-

M1

C0

M6

M1

B0

M7

M1

A0

Figura 5 - Ladder das saídas M11

M11 M8 L

M8

BC C

U M9 L M8

M8

STOP

U M10 L M8

M9

STOP

U M10 L M9

M9

BC U

U M8 L M9

M10

R ESET

U M11 L M10

M8

U MDG U MCC

M9

U MCC

M10

L MDG

M11

L M1 L M8 L

Figura 6 - Ladder modos de funcionamento

4. Revisão bibliográfica Em Bolton (2006) são apresentadas algumas técnicas de diagnóstico de defeitos em sistemas sequenciais de cilindros. A primeira delas é denominada de Watchdog timer, e consiste em ativar um temporizador, sintonizado num tempo que representa a demora do atuador em mudar de posição. Se o sinal do sensor correspondente não é atuado nesse tempo, o contato do temporizador ativará um bit de defeito, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7 – Watchdog timer

Outra das técnicas apresentadas consiste em sinalizar qual saída está ativa em esse momento, então em caso de falha a última etapa ativa ficará ligada, sinalizando onde está o defeito, conforme mostrado na Figura 8. Esta técnica é denominada de last out set.

Figura 8 – Last out set

Num sistema onde se tenha muitos atuadores, como os descritos na seção 2, estas técnicas não seriam suficientes, já que a primeira somente monitora os sensores do atuador ativado em um dado momento, podendo apresentar defeito na posição de outro atuador sem que seja acusado pelo sistema. A segunda técnica sinaliza a etapa em que o sistema se encontra, sendo que em certa etapa podem acontecer varias ações, como acionar vários atuadores diferentes, não especificando onde está o problema. Por esse motivo é necessário desenvolver um sistema que detecte tanto a falta de resposta do sensor do atuador quando este é ativado, como a incoerência nos sinais dos sensores de posição. 5. Defeitos em sistemas eletropneumáticos Num sistema como o mostrado na Figura 2, podem-se identificar três tipos de defeitos: a) Falta de resposta ao comando: acontece quando depois de acionada a saída correspondente à ordem de movimentar o atuador, não se recebe o sinal do sensor correspondente em um tempo determinado. Este tempo é o tempo que leva o atuador para mudar de posição. Na Figura 9 é mostrado o ladder detector desse defeito. X+

X1

Tr

( ) X-

X0

Tr

MDP

( )

Figura 9 – Defeito de resposta ao comando

Na Figura 9, X+ é a ordem de avanço, X- a ordem de recuo, X0 o sensor de posição recuada, X1 o sensor de posição avançada do atuador X, Tr é o tempo de resposta do atuador e MDP é a Memória de defeito de posição. Este é o Watchdog timer descrito na secção 4. b) Perda de posição sem comando: este defeito acontece quando a posição do atuador muda sem comando. Isto pode acontecer devido a uma intervenção manual durante uma parada do sistema, por exemplo, durante uma intervenção de manutenção. Na Figura 8 é mostrado o ladder para detectar esse defeito. X+

MPA

( S) MPR

(R) X-

MPR

( S) MPA

(R) MPA

X1

MPR

X0

MDP

( )

Figura 10 – Defeito de perda de posição sem comando

Na Figura 10, MPA é a Memória de posição avançada, MPR é a Memória de posição recuada.

c) Incoerência na posição do atuador: acontece quando ocorre uma incoerência nos sinais dos sensores de posição do atuador, isto é, os dois são ativados ao mesmo tempo ou os dois são desativados durante um tempo maior que Tr. Na Figura 11 é mostrado o ladder que detectaria este defeito. X0

X1

Tr

( ) Tr

MDP

( ) X0

X1

Figura 11- Defeito de Incoerência na posição

6. Implementação prática num CLP. Será implementado o diagnóstico de defeitos para o sistema da Figura 2 em um CLP Simatic S7-200. Para isso será utilizada uma estrutura diferente das convencionalmente empregadas (ROMENA, 1996). Na figura 12 pode-se ver a estrutura correspondente ao programa do sistema da Figura 2.

Figura 12 - Estrutura do programa

Nesse programa será definido o ciclo do GRAFCET principal mediante o subprograma CICLO_SEQUENCIA onde uma etapa genérica implementada mediante a estrutura mostrada na Figura 13.

Figura 13 - Etapa 5 do GRAFCET principal

PCS é uma variável tipo Byte que representa o número da etapa do GRAFCET da sequência de funcionamento. Então para cada etapa, esta variável é comparada com o número da etapa,

e se as condiçoes de transição são satisfeitas, o valor da próxima etapa é movido para a variável do número da etapa, substituindo o valor anterior. Este sistema tem a vantagem de facilitar o acesso à informação de memória da etapa do GRAFCET, permitindo assim fazer uma manipulação mais fácil desta para possíveis usos posteriores. O GRAFCET dos modos de funcionamento é criado de forma similar mediante a rotina CICLO_FUNCIONAMENTO. O subprograma ATUADOR_A é quem gerencia o funcionamento do atuador A e possui a seguinte estrutura: a) Segurança para o movimento: define em que condiçoes os demais atuadores devem estar para poder realizar o movimento do atuador, conforme pode ser visto na Figura 14.

Figura 14 - Segurança para o movimento

b) Autorização para o movimento: define em que etapa o movimento do atuador é permitido, conforme pode ser visto na Figura 15.

Figura 15 - Autorização para o movimento

c) Confirmação do movimento: consiste na detecção do movimento realizado através do estado dos sensores do atuador, conforme pode ser visto na Figura 16.

Figura 16 - Confirmação do movimento

Note-se que quando se tem vários atuadores do mesmo tipo que sejam movimentados simultaneamente, podem-se comandar esses através de uma única saída do CLP. Contudo, devem-se monitorar todos os sensores de posição de cada um deles. Desta forma, a memória de informação de avanço/recuo ficará como mostrado na Figura 17, para o caso de dois atuadores.

Figura 17 - Informação de posição para dois atuadores simultaneos

Este método permite que a entrada física do sensor este somente em um lugar do programa do CLP, facilitando assim possíveis manutenções e alterações. d) Ativação da saída: consiste na ativação física da saida do CLP que comanda o atuador, se cumpridas as condicions necessarias, conforme pode ser visto na Figura 18.

Figura 18 - Ativação da saída

e) Gestão dos defeitos de posição do atuador: pode ser dividida nas seguintes funções:

1) Ativação do temporizador de resposta do atuador: este é ativado quando a falta simultânea do sinal dos sensores de posição ou quando é ligada a ordem de movimento e não há resposta do sensor correspondente, conforme pode ser visto na Figura 19.

Figura 19 - Ativação do temporizador Tr

2) Habilitação das memorias de posição do atuador: acontece quando à uma ordem de movimentação e a confirmação de esta, conforme pode ser visto na Figura 20.

Figura 20 - Habilitação da memória de posição

3) Reset das memórias de posição do atuador: acontece quando se aperta o botão de retorno a origem, conforme pode ser visto na Figura 21.

Figura 21 - Desabilitação da memória de posição

4) Ativação do defeito de posiçãodo atuador: ocorre quando o temporizador de resposta do atuador Tr é ativado, quando os dois sensores de posição ficam ligados ao mesmo tempo ou ainda quando a memória de posição é ativada e a informação de posição correspondente não o é, conforme pode ser visto na Figura 22.

Figura 22 - Ativação do defeito de posição

As variáveis de defeito, MDPA, MDPB e MDPC podem ser usadas por um software supervisório para sinalizar os defeitos. Também poderemos fazer que ademais de aparecer o alarme de defeito se sinalize, em um esquema sinóptico, onde o atuador está situado, para facilitar sua localização. As informações de etapa do ciclo podem ser usadas para informar que condições faltam em cada etapa, e assim em caso de parada do processo, poder-se comprovar na IHM que condições estão faltando.

7. Testes realizados. Em uma bancada, foram feitos os seguintes testes para comprovar o funcionamento do método e compara-lo com o método convencional, conforme pode ser visto na Tabela 2. Defeito

Método convencional

Método sugerido

Atuador C com os sensores desligados antes da partida.

O sistema não parte. Falta de condições iniciais. Não sinaliza o defeito.

O sistema ativa o sinal MDPC depois do tempo Tr, e não parte.

Atuador C com os dois sensores ligados antes da partida.

O sistema não parte. Falta de condições iniciais. Não sinaliza o defeito.

O sistema ativa o sinal MDPC e não parte.

Na etapa 4 o atuador C não avança.

O sistema fica parado em essa etapa sem sinalizar o problema.

O sistema fica parado nessa etapa e ativa MDPC.

Atuador A muda de posição durante a etapa 5 (recuar C).

O sistema evolui ate a etapa 7 e para. Há RISCO DE COLISÂO.

O sistema fica parado na etapa 5 e ativa o sinal MDPA.

Tabela 2 – Testes feitos em bancada

Comparando os dois métodos, pode-se ver que no convencional somente na etapa inicial é comprovada a posição de todos os atuadores (condições iniciais), sendo que depois somente é comprovado o estado do sensor que muda de desligado para ligado. Isto pode implicar em uma situação de risco, já que o sistema pode funcionar com atuadores na posição errada. Poderíamos incluir em cada transição a comprovação de todos os sensores, mais em um sistema com grande número de atuadores complicaria o código do programa. Já no método proposto o estado de todos os atuadores e monitorado em tudo momento, independente do estado do sistema. Isto faz que qualquer situação anômala seja detectada e se impeça ao sistema de funcionar, evitando assim possíveis situações de risco.

8. Conclusões e trabalhos futuros. Neste trabalho foi mostrado como é possível monitorar um sistema eletropneumático comandado por CLP para detectar as falhas que podem acontecer, e assim poder reativar o sistema mais rápido. Dos testes feitos em bancada pode-se concluir que o sistema proposto permite identificar varias situações anômalas e auxiliar no diagnóstico de defeitos em caso de uma parada do sistema, assim como evitar situações inseguras. Como sugestão de melhoria podemos sugerir que toda a gestão do atuador, que é idêntica para todos, se faça com ajuda de uma sub-rotina, para facilitar assim a escrita e manutenção do código de CLP.

Referências ASENSIO P. P. & ARBÓS R. V. Automatización de procesos mediante la guía GEMA. Barcelona: Edicions UPC, 2005. BARROS, M. Estudo da automação de células de manufatura para montagens e soldagem industrial de carrocerias automotivas. 2006. 115 p. (Mestrado) - ESC POLITÉCNICA, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006 BOLTON, W. Programmable Logic Controllers. 4. ed. Elsevier-Newnes, 2006. CASTRUCCI, P. L. & MORAES, C. C. Engenharia de Automação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. SALVADOR A. G. Aplicaciones industriales de la neumática. Barcelona: Marcombo-Boixareu, 1988. ROMERA J.P., LORITE J.A., MONTORO S. Automatización. Problemas resueltos con autómatas programables. Madrid: Paraninfo, 1996.