PROGRAMAÇÃO DE DIAGRAMAS LADDER EM MICROCONTROLADORES PARA O CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

Campus Medianeira

VIII ENDITEC - Encontro Nacional de Difusão

Tecnológica

PROGRAMAÇÃO DE DIAGRAMAS LADDER EM MICROCONTROLADORES

PARA O CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

DARIVA, D. M. 1; MOLGARO, R. M.

2; SENA, H. J. S.

3;

RODRIGUES, A. P. 4; QUIRINO, R. B.

5

RESUMO: A disponibilidade de ferramentas com correspondência de representações traz

grandes benefícios no desenvolvimento de projetos de controle e automação industrial. O

objetivo principal desse trabalho é avaliar a utilização de uma ferramenta computacional à

simulação e implementação de controle de processos industriais através da automação de um

processo particular de transporte, manipulação e manufatura de peças. A lógica de controle foi

elaborada em Grafcet, devido à facilidade de construção e interpretação que apresenta, e

posteriormente convertida em Ladder, por ser uma linguagem altamente disseminada no

ambiente industrial. Inicialmente, fez-se a compilação da lógica Ladder para a linguagem do

microcontrolador, através da ferramenta LDmicro, e posteriormente, através de um circuito

eletrônico virtual no software Proteus, a lógica da dinâmica do processo foi simulada. Os

resultados obtidos apontam que a dinâmica simulada, baseada na programação, representa

fielmente o comportamento do sistema, constituindo uma ferramenta alternativa à

implementação convencional de diagramas Ladder em CLP’s (Controladores Lógicos

Programáveis). Fica evidenciada o grande potencial das formas de programação

complementares ao desenvolvimento de projetos de controle e automação, principalmente no

meio acadêmico, em que a visão abrangente de meios de desenvolvimento de controladores é

extremamente construtiva.

PALAVRAS-CHAVE: Automação e Controle. Microcontroladores. Simuladores. Diagrama

Ladder. Programação. Grafcet.

1. INTRODUÇÃO

Quando se fala no controle de processos industriais, os primeiros fatores que vêm à

mente são a eficiência e a facilidade de utilização e manutenção. Na grande maioria das

aplicações, utilizam-se CLP's, sendo sua programação feita geralmente na forma de diagramas

Ladder, por ser uma linguagem altamente disseminada no ambiente industrial.

1, 2, 3, 4

Acadêmicos do Curso de Automação e Controle da Faculdade Assis Gurgacz; [email protected];

[email protected]; [email protected]; [email protected]. 5 Docente dos Cursos de Engenharia de Automação e Controle da FAG e Engenharia de Produção da UTFPR.



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Os microcontroladores ainda são pouco utilizados na indústria. Embora sejam

dispositivos flexíveis, em parte, sua utilização é minimizada pelo desconhecimento das

linguagens de programação, tais como 'C' e assembly, necessários à sua programação.

Entretanto, ferramentas como o LDmicro, possibilitam compatibilizar a programação em

Ladder para microcontroladores.

A realização de testes e simulações no desenvolvimento e implantação de lógicas de

controle de processos é tarefa dispendiosa no ambiente industrial, devido principalmente à

dificuldade que se tem em interferir nos processos.

O objetivo do trabalho é avaliar a utilização dos microcontroladores na automação de

processos industriais, através da aplicação de ferramentas de simulação computacional no

desenvolvimento e aplicação de lógicas de controle baseadas em Ladder.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.2 GRAFCET

O Grafcet ou SFC (Sequential Functional Charts), é uma representação gráfica da

parte de comando de um sistema automatizado, e é utilizado para desenvolver acionamentos

seqüenciais ou que dependam do tempo (Silveira, 2004).

Essa linguagem é composta por partes classificadas como: etapas, transições, arcos,

receptividade, ações e regras de evolução, representadas na Figura 1.

Figura 1: Elementos do Grafcet

Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/trojan/arquivos/GRAFCET.pdf



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- Etapas: representam um estado no qual o comportamento do circuito de comando não se

altera frente as suas entradas e saídas. O conjunto de etapas ativas num determinado instante

determina a situação em que se encontra o Grafcet, sendo identificadas por números;

- Transições: controlam a evolução do Grafcet, ou seja, a desativação e a ativação das etapas.

Uma transição pode encontrar-se válida ou não, sendo que é válida quando todas as etapas

precedentes e ligadas a ela estiverem ativas;

- Arcos: representa a ligação entre as etapas e as transições. O sentido convencionado de fluxo

é de cima para baixo, quando não for o caso, deve-se indicá-lo;

- Ações: representam os efeitos que devem ser obtidos sobre o mecanismo controlado em uma

determinada situação;

- Receptividade: função lógica combinacional associada a cada transição. Quando verdadeira,

uma receptividade ocasiona a ocorrência de uma transição válida.

2.2.1 Concorrência entre sequências

Uma estrutura com concorrência, vista na Figura 2, é utilizada na ocorrência de

situações em que uma determinada sequência deva ser executada em detrimento de outra(s), e

graficamente é representada por um elemento denominado divergência em OU.

Como requisito da estrutura Grafcet, entre duas etapas tem de haver uma e somente

uma transição, a concorrência requer que a etapa seja sucedida por duas ou mais transições.

O retorno da finalização de uma concorrência é também representado por um elemento

denominado convergência em OU.

2.2.2 Paralelismo das Sequências

Quando houver necessidade, pela própria dinâmica do processo, de as sequências

serem executadas simultaneamente, utiliza-se uma estrutura gráfica de divergência em E,

ilustrada na Figura 3, devendo a mesma obrigatoriamente ser antecedida por uma transição e

sucedida por sequências iniciadas por etapas.



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Figura 2: Exemplo de Estrutura com Seleção

Fonte: http://pessoal.utfpr.edu.br/trojan/arquivos/GRAFCET.pdf

O retorno da estrutura é representado por um elemento denominado de convergência

em E, que deve ser sucedida por transição e precedida por sequências finalizadas com etapas.

Figura 3: Exemplo de Estrutura com Paralelismo

Fonte:http://pessoal.utfpr.edu.br/trojan/arquivos/GRAFCET.pdf

2.3 PROGRAMAÇÃO VIA DIAGRAMA LADDER

O diagrama Ladder utiliza lógica de relés, com contatos e bobinas, sendo por isso a

linguagem de programação de CLP’s mais simples de ser assimilada por quem já tenha

conhecimento de circuitos de comando (Berlanda, 2000). É uma linguagem de programação

gráfica, em forma de diagrama, que por ser de fácil criação e interpretação e representar

ligações físicas entre componentes eletrônicos (sensores e atuadores), acaba sendo bastante

utilizada em ambiente industrial (Corteletti, 2006).



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A linguagem Ladder permite que se desenvolvam tanto lógicas combinacionais como

seqüenciais e lógicas que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas:

entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. A Figura 4 mostra os três principais

símbolos de programação.

Figura 4: Simbologia Ladder

Fonte: Antonio, M. (2006).

2.3 SOFTWARE CONVERSOR LDMICRO

(um espaço)

O LDmicro é um software que permite a programação LADDER para

microcontroladores, viabilizando o estudo e implementação de controles de baixíssimo custo.

Gera código nativo para alguns microcontroladores das famílias Microchip PIC16 e

Atmel AVR, conforme visto na Figura 5.

Usando LDmicro, é também possível simular a lógica em tempo real no PC, bem

como associar os pinos do microcontrolador as entradas e saídas do diagrama Ladder.

Figura 5: Microcontroladores suportados pelo LDmicro

Fonte: do Autor (2011).

2.4 SOFTWARE SIMULADOR PROTEUS



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O software de desenho e de simulação PROTEUS é uma ferramenta útil para o

desenvolvimento de aplicações analógicas e digitais. Ele permite o desenho de circuitos empregando

um ambiente gráfico no qual é possível colocar os símbolos representativos dos componentes e realizar a

simulação de seu funcionamento sem o risco de ocasionar danos físicos aos circuitos, situação passível de

ocorrência em circuitos reais.

A simulação pode incluir instrumentos de medição e a inclusão de gráficos que representam os sinais

obtidos na simulação. O PROTEUS oferece a capacidade de simular adequadamente o funcionamento dos

microcontroladores mais populares. Além disso, ele simula circuitos digitais e analógicos

simultaneamente. O PROTEUS fornece ainda equipamentos, de forma virtual, comuns de

bancadas de desenvolvimento de eletrônicos, como osciloscópios, multímetros, geradores de

sinais, entre outros.

3. MATERIAL E MÉTODOS

Um modelo de processo industrial que tem por finalidade o transporte, manipulação e

manufatura de peças metálicas, ilustrado na Figura 6, foi utilizado como referência para o

desenvolvimento do trabalho.

Nele estão dispostos atuadores capazes de movimentar as peças durante o ciclo do

processo. Da mesma forma estão dispostos sensores que têm por finalidade a indicação do

posicionamento de cilindros e peças a serem manipuladas.

As Tabelas 1 e 2 indicam, respectivamente, a nomenclatura utilizada para referenciar

ao microcontrolador as saídas e entradas (I/O’s) do processo.

O processo inicia-se com o acionamento da esteira (ME), movimentando a peça até

que a mesma acione o sensor de posicionamento FC1, para que, em seguida, o cilindro C1

movimente a mesma até o reservatório. Logo adiante, a peça já disposta no reservatório, é

direcionada através de um mecanismo sevo-acionado e conduzida até uma plataforma onde

uma garra manipuladora a posiciona para que uma ferramenta de corte execute o

cisalhamento. O diagrama Grafcet do processo é ilustrado na Figura 7.



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Figura 6: Representação da Planta e disposição dos Atuadores

Fonte: Adaptado de Hesse (2001).

Tabela 1: Variáveis de saída atribuídas ao processo

Saída Atributo Descrição

C1 Q0.0 Cilindro 01

C2 Q0.1 Cilindro 02

C3 Q0.5 Cilindro da garra

C4 Q0.6 Cilindro da ferramenta de corte

ME Q0.2 Motor da esteira transportadora

SR Q0.3 Servo-motor do camis

SG Q0.4 Servo-motor do braço da garra


Tabela 2: Variáveis de entrada atribuídas ao processo

Entrada Atributo Descrição

START I0.0

STOP I0.1

EMERGENCIA I0.2

C1R / C1A I0.3 / I0.4 Sensores de recuo e avanço de C1


FC1 I0.7 Sensor fim de curso posicionado na esteira

FC2 I1.0 Sensor fim de curso que detecta a peça em C2

SNT I1.1 Sensor que detecta nível alto do tanque de armazenamento



FC3 I1.6 Sensor fim de curso que detecta a peça no camis




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Figura 7: Diagrama em Grafcet do Processo


Nota-se no processo duas etapas distintas: processo de alimentação do reservatório e

processo de movimentação e cisalhamento, as quais podem ser executados simultaneamente

através de processamento paralelo na estrutura do Grafcet.

Para a implementação da lógica de controle foram utilizados os softwares LDmicro e

Proteus, juntamente com as linguagens de programação Grafcet e Ladder.

O software LDmicro foi utilizado para realizar a programação do microcontrolador

através da linguagem de programação Ladder. A lógica de controle em Ladder foi elaborada

através da conversão da linguagem Grafcet utilizada para representar graficamente a lógica de

controle da planta.



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Com a programação do microcontrolador realizada, iniciou-se a montagem do circuito

com o auxílio do software Proteus. A Figura 8 mostra o circuito que foi desenvolvido. Para

realizar os testes de funcionalidade do equipamento foi necessário compilar o arquivo gerado

pelo LDmicro para a extensão (.hex), e posteriormente importá-lo para o microcontrolador do

circuito montado no Proteus.

Figura 8: Circuito montado no software Proteus

Fonte: Do Autor (2011).

Finalmente, foi possível simular a operação do controle do processo conforme a

programação realizada no microcontrolador e efetuar as devidas modificações na lógica

dispensando, numa primeira fase, a montagem física real.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados apresentados com o desenvolvimento deste projeto mostraram-se

favoráveis à utilização desta ferramenta de projeto de controladores face a economia de tempo



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na realização de testes de funcionalidade, permitindo que o desenvolvedor possa realizar

vários testes de funcionamento sem a necessidade de levar a lógica até o campo.

5. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi desenvolvida a transcrição da lógica de projeto do controlador da

linguagem Grafcet para a linguagem Ladder, e sua posterior compilação na linguagem micro-

controlada. Uma das barreiras da utilização do microcontrolador na indústria é o parco

conhecimento de linguagens de programação como ‘C’ e assembler, geralmente utilizadas na

programação de micro-controladores.

A utilização do software LDmicro na perspectiva apresentada neste trabalho, procura

apontar meios alternativos à utilização de micro-controladores, ao invés de CLP’s, no controle

de processos industriais.

A utilização do software Proteus para simulação de circuitos, reduz o tempo gasto

para testes da dinâmica de controle de processos antes que esta seja de fato implementada em

campo.

6. REFERÊNCIAS

ANTONIO, M. Apostila de Controladores Lógicos Programáveis. Centro Federal de

Educação Tecnológica do Espírito Santo. Serra, 2006. Disponível em:

http://www.pictronics.com.br/downloads/apostilas/Apostila-Pic-C.pdf. Acesso em: 03 jun.

2011.

BERLANDA, J. Apostila de Informática Industrial. Faculdade Assis Gurgacz. Cascavel.

Disponível em: http://www.fag.edu.br/professores/ederson/Informatica%20Industrial%20I/.

Acesso em: 25 jun. 2011.

HESSE, S. 99 Exemplos de Aplicações Pneumáticas de automação Pneumática com

manipulação. Disponível em: http://www.festo-didactic.com. Acesso em: 12 Jun. 2011.

SILVEIRA, P. R.; SANTOS, W. E. Automação e Controle Discreto. 6. ed. São Paulo: Érica,

2004. 229 p.

TROJAN, F. Apostila de Grafcet. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta

Grossa. Disponível em: http://pessoal.utfpr.edu.br/trojan/arquivos/GRAFCET.pdf. Acesso

em: 05 jun. 2011.

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