Ficha 02 · Programa, HMI, diagnóstico, segurança

a) GRAFCET:

   ┌──┐
   │ 0│  Inicial. Aguarda START.
   └─┬┘  Condições: START AND B2A AND B4B
     │
     ▼
   ┌──┐
   │ 1│  EV_A+ = 1 (avanço de A)
   └─┬┘  Transição: B1A (A no fim)
     │
     ▼
   ┌──┐
   │ 2│  EV_A+ = 0; EV_B+ = 1
   └─┬┘  Transição: B3B (B no fim)
     │
     ▼
   ┌──┐
   │ 3│  EV_B+ = 0; EV_A− = 1 (em biestável) / EV_A+ = 0 (em monostável)
   └─┬┘  Transição: B2A (A recolhido)
     │
     ▼
   ┌──┐
   │ 4│  EV_A− = 0; EV_B− = 1
   └─┬┘  Transição: B4B (B recolhido)
     │
     ▼
  (volta a 0)

b) Vantagens GRAFCET vs ladder em sequências longas: - Visual e claro — qualquer engenheiro mecânico ou electrotécnico lê GRAFCET facilmente. - Estado actual visível — em runtime, vê-se qual o estado activo. - Manutenção fácil — modificar uma fase não afecta as outras. - Documentação implícita — o esquema é praticamente o manual. - Permite paralelismo (vários estados activos em ramos paralelos).

Ladder torna-se confuso para sequências com > 5 estados (muitas memórias auxiliares, lógica difícil de seguir).

c) PLCs com suporte nativo de GRAFCET: - Siemens TIA Portal (S7-1200/1500) — implementação chamada GRAPH (S7-GRAPH). - Schneider EcoStruxure Control Expert (Modicon Quantum, M580) — implementação chamada SFC (Sequential Function Chart). - Beckhoff TwinCAT — SFC standard. - CodeSys (PLCs OEM como Wago, Eaton) — SFC.

Norma: IEC 61131-3 define SFC (Sequential Function Chart) que é praticamente equivalente a GRAFCET (IEC 60848).

Para PLCs sem suporte nativo: pode-se implementar GRAFCET em ladder, usando uma memória por estado e transições explícitas. Mas perde-se a vantagem visual.

a) Diferenças: - Não-retentiva (volátil): conteúdo perdido em queda de tensão; reinicia em zero quando PLC arranca. - Retentiva (não-volátil): conteúdo guardado em memória não volátil (EEPROM, flash, RAM com bateria); recuperado tal como estava antes da queda de tensão.

b) Aplicações: - Não-retentiva: estados temporários, contadores que devem reiniciar, comunicação com sensores em tempo real. - Retentiva: contadores de produção, parâmetros de configuração, estado da máquina (para retomar sequência após reset).

c) Em queda de tensão: - Não-retentiva: vai a zero. Sistema arranca como novo. - Retentiva: mantém último valor. Sistema pode retomar onde parou.

d) Segurança em sistemas com retentivas:

Problema: se memória retentiva guardou "máquina em estado 5 (cilindro avançado, peça apertada)" e há queda de tensão, ao voltar: - Memória retentiva ainda diz estado 5. - Mas posição real dos cilindros pode ter mudado (recuo por mola em monostáveis, ou estão na última posição em biestáveis mas a peça foi removida). - Risco: sistema pensa que está em estado 5 e executa estado 6 (que assume condições do 5) → movimento inesperado, perigoso.

Soluções: 1. Estado de inicialização forçado: após queda de tensão, sistema vai sempre para estado inicial (todos os cilindros recolhidos verificados por sensores). Memória retentiva é ignorada para a sequência. 2. Validação de coerência: ao arrancar, PLC verifica se sensores correspondem ao estado retentivo. Se discrepância, vai para estado seguro e alerta operador. 3. Apenas dados não-críticos retentivos: contadores, parâmetros, alarmes históricos. Estado da sequência: não-retentivo.

Recomendação norma: ISO 13849 (segurança em máquinas) exige análise de queda de tensão. Em prática: maioria das máquinas modernas vai para estado inicial seguro após queda de tensão, ignorando memórias retentivas críticas.

a) Ecrãs típicos:

1. Ecrã principal / Operação: status geral da máquina, botões essenciais.
2. Manual: comando individual de cada cilindro (para teste e manutenção).
3. Receitas: parâmetros de produto (tempo de ciclo, força, sequência).
4. Alarmes: histórico e activos.
5. Estatísticas / produção: contadores, gráficos.
6. Configuração: parâmetros gerais, IP, password (admin).
7. Diagnóstico: estado de cada I/O, comunicação fieldbus, versão de software.

b) Dados a mostrar no ecrã principal:

• Status da máquina: parada / em ciclo / pausa / alarme. Cor: verde / azul / amarelo / vermelho.
• Diagrama esquemático dos cilindros (animado, mostrando posição actual de cada um).
• Sensor de pressão: valor numérico actual + barra gráfica.
• Contador de ciclos: peças produzidas hoje, total.
• Tempo de ciclo médio: indica eficiência.
• Próximo alarme prevista: ex: "manutenção em 50h".
• Modo actual: auto / manual.
• Operador logado: nome + nível.

c) Botões / funções essenciais:

• START: inicia ciclo automático (botão verde).
• STOP: pára ciclo (botão amarelo).
• EMERGÊNCIA: paragem total imediata (botão vermelho, físico no painel, não touch).
• RESET ALARMES: limpa alarmes após resolver causa.
• MODO MANUAL / AUTO: comutador.
• RECEITA: seleccionar produto.
• CONTADOR RESET: zerar contadores (com password).
• DIAGNÓSTICO: ver estado interno.

Em modo manual (ecrã separado): - Botão AVANÇA A / RECUA A para cada cilindro individualmente. - Sinalização do estado de cada sensor.

Boas práticas HMI: - Cores consistentes: verde = OK, amarelo = aviso, vermelho = alarme. - Tamanho dos botões: ≥ 30 × 30 mm para serem premíveis com luvas. - Hierarquia clara: ecrã principal não cheio de informação; detalhes em sub-ecrãs. - Multilingue se aplicável (PT, EN, ES). - Backup do projecto sempre (cartão SD + cloud).

Software: Siemens WinCC (TIA Portal), Schneider Vijeo Designer, Pro-face GP-Pro EX.

a) Diferenças: - Profibus (Process Field Bus, anos 1990): comunicação série tipo "daisy chain" (RS-485). Velocidade até 12 Mbit/s. Endereçamento até 127 nós. - Profinet (Process Field Network, anos 2000+): comunicação Ethernet industrial (100 Mbit/s ou 1 Gbit/s). Endereçamento por IP.

b) Profinet é mais moderno porque: - Velocidade superior (100 Mbit/s vs 12 Mbit/s) → ciclos rápidos. - Baseado em Ethernet → compatibilidade com IT (rede corporativa, internet). - Topologia flexível (estrela, linha, anel, mistas). - Diagnóstico avançado com web servers nos dispositivos. - IRT (Isochronous Real-Time) garante tempo determinístico para aplicações críticas (servomotores, robôs).

c) Quando usar cada:

• Profibus ainda é usado em:
• Instalações existentes (compatibilidade).
• Processos químicos/farmacêuticos (PA — Profibus PA é tipo especial).

• Quando há muitos sensores simples em série.

• Profinet usar em:

• Instalações novas (standard moderno).
• Quando há HMI, MES, SCADA na mesma rede.
• Aplicações que exigem velocidade ou IRT.
• Quando se quer um único cabo Ethernet para toda a infraestrutura.

d) Concorrentes em fieldbus industrial: - EtherCAT (Beckhoff) — Ethernet industrial muito rápido (microssegundos). Standard em automação de movimento, servo. - EtherNet/IP (Rockwell/Allen-Bradley) — Ethernet para CIP (Common Industrial Protocol). Popular nos EUA. - Modbus TCP — versão Ethernet do Modbus RTU. Simples, universal, muito usado em retrofit e equipamentos diversos. - PowerLink (B&R) — Ethernet determinístico. - CC-Link IE (Mitsubishi) — popular na Ásia. - IO-Link — comunicação ponto-a-ponto sensor/actuador (não é fieldbus, é interface). Crescimento rápido.

Tendência: convergência para Ethernet (TCP-IP based). PROFINET, EtherNet/IP e EtherCAT são os 3 grandes globalmente.

a) Ferramentas online TIA Portal:

• Monitor: ver valores actuais de cada I/O e variável em tempo real.
• Watch table: agrupa variáveis de interesse para monitorização paralela.
• Cross-references: encontra onde cada variável é usada no programa.
• Trace: gravação de sinais ao longo do tempo (osciloscópio digital).
• Diagnostic buffer: log interno do PLC com eventos (erros, restart, alarmes).
• Status: hardware, firmware, programa.
• Force: forçar valores de I/O para teste (com cuidado).

b) Detectar sensor em estado errado: - Em Monitor, observar a entrada correspondente ao sensor. - Mover/activar manualmente o sensor (peça à frente / íman aproximado). - Entrada deve mudar o estado (0→1 ou 1→0). - Se não muda: sensor avariado, cabo cortado, ou problema na entrada do PLC. - Se muda mas no momento errado: sensor mal posicionado ou tipo errado (NO em vez de NC).

c) Verificar comunicação Profinet: - Em Network View, ver topologia. - Estado de cada dispositivo Profinet com indicador verde (OK) ou vermelho (erro). - Diagnostic buffer mostra eventos: dispositivo perdeu comunicação, restart, etc. - Web server de cada dispositivo (acessível por browser): mostra estado interno.

d) Cuidados com "Force": - Risco: forçar uma saída faz a máquina mover-se mesmo sem o programa o pedir. - Antes de forçar: - Garantir que ninguém está perto da máquina. - Verificar que o movimento forçado é seguro. - Em sistemas com inter-bloqueios (segurança, fim-de-curso), o force pode contornar essas protecções. - Forçar entradas geralmente é mais seguro (não move actuadores directamente). - Forçar saídas é mais perigoso (move actuadores). - Indicação clara no TIA Portal quando há force activos. - Limpar forces após teste (caso contrário ficam permanentemente, criando comportamento inesperado).

Em programa industrial real, força deve ser usada apenas por técnicos qualificados, com permissão, e durante intervenções controladas.

a) Categoria de segurança:

Norma ISO 13849 define categorias com base em PL (Performance Level): - PLa (mais baixo): baixo risco. - PLb, PLc, PLd, PLe (mais alto): risco crescente.

Categoria correspondente: - Cat. B: básica. - Cat. 1: bem testada. - Cat. 2: monitorização periódica. - Cat. 3: falha única detectada. - Cat. 4 (mais alta): qualquer falha detectada, sistema vai a estado seguro.

Prensa pneumática perigosa: tipicamente PLd ou PLe (Cat. 3 ou 4). Análise de risco precisa será feita conforme ISO 12100 (avaliação de riscos).

Para PLe (mais comum em prensas): - Redundância em todos os caminhos de segurança. - Auto-monitorização de falhas. - Validação por terceiros (CE, marcação).

b) Componentes de segurança:

1. Botões de emergência (E-stop) — vermelhos cogumelo, com latch, mínimo 1 por área:
2. Contactos: 1 NC duplo (2 canais independentes).

3. Posicionamento: < 0,6 s alcance de qualquer ponto de operação.

4. Comando bi-manual (em prensas):

5. 2 botoeiras de segurança espaçadas > 50 cm.

6. Contactos: cada com 1 NO + 1 NC.

7. Barreira óptica ou scanner laser (se a zona perigosa não pode ser totalmente fechada):

8. Resolução conforme tamanho a detectar.

9. Distância de paragem calculada.

10. Porta de protecção com sensor de bloqueio:

11. Magnético com codificação (não simulável com íman comum).

12. Bloqueio mecânico se há perigo residual (cilindros em movimento).

13. Relés de segurança certificados:

14. Pilz PNOZ, Sick UE, Schmersal SRB, ABB Jokab.
15. Categoria PLe / Cat. 4.

16. Auto-monitorização interna.

17. PLC de segurança (em sistemas grandes):

18. Siemens S7-1500F, Allen-Bradley GuardLogix.
19. Programa de segurança auditável.
20. Custo: 2-4× PLC standard.

c) Cablagem de segurança:

• Duplos canais redundantes para cada sinal (2 contactos em cada botão de emergência).
• Cabos blindados em zonas com EMI.
• Cores diferenciadas (típicamente amarelo para cabos de segurança).
• Diagrama de cablagem específico de segurança separado do diagrama de comando normal.

d) Integração PLC standard com segurança:

Componentes seguros (E-stop, bi-manual, barreira)
            │
            │ Sinais redundantes
            ▼
    Relé de segurança certificado
            │
            │ Saída de segurança (contacto seco, único)
            ▼
    Habilitação para:
    ── Contactor de potência (corta motor / electroválvula crítica)
    ── Entrada do PLC (Q PLC fica desactivado se entrada de habilitação = 0)

Princípio: o relé de segurança é a barreira de hardware certificada. Mesmo que o PLC standard falhe (programa corrupto, software bug), o relé de segurança intervém em hardware: - Corta directamente o contactor de potência. - Sinaliza ao PLC que segurança está activa (PLC reage adequadamente).

PLC standard nunca pode ser o único elemento de segurança em máquina perigosa — é necessário hardware certificado independente.

Marcação CE: prensa que será comercializada precisa de declaração CE com avaliação de conformidade. Categoria PLe geralmente exige terceiros (TÜV, organismo notificado). Análise de risco, documentação técnica, manual do utilizador são obrigatórios.

Riscos identificados:

Risco 1 — Esmagamento das mãos durante descida do cilindro: - Severidade: muito alta (lesões graves, possível amputação). - Probabilidade: média-alta (operador trabalha junto à mesa). - Mitigação: - Comando bi-manual obrigatório com relé de segurança Cat. 4. - Distância dos botões à mesa > 50 cm (operador não consegue ter as mãos na mesa e premir os botões). - Barreira óptica sobre a zona de trabalho se bi-manual não for suficiente (limita acesso durante movimento).

Risco 2 — Queda do cilindro por falha de pressão: - Severidade: alta (esmagamento de objectos ou pessoas se houver mão sob o cilindro parado). - Probabilidade: média (queda de pressão acontece em fugas, manutenção, falha de bomba). - Mitigação: - Travão de retenção no cilindro (mecânico) que actua em falta de pressão. - Válvula de bloqueio no cilindro que mantém pressão na câmara inferior em caso de falha (válvula pilotada de bloqueio). - Suporte mecânico de segurança (calço inserível) quando há intervenção sob o cilindro.

Risco 3 — Movimento inesperado em retorno de tensão eléctrica: - Severidade: alta (operador pode estar a fazer manutenção quando tensão volta). - Probabilidade: baixa-média (depende de procedimentos de LOTO). - Mitigação: - LOTO (Lockout/Tagout) obrigatório: bloquear interruptor principal antes de qualquer intervenção. - Sequência de arranque controlada: ao retornar tensão, sistema vai para estado seguro inicial; cilindro não move até operador confirmar. - Sinalização visual (lâmpada vermelha) durante movimento.

Risco 4 — Ruído pneumático na descarga (escape) excessivo: - Severidade: baixa-média (lesão auditiva crónica em exposição prolongada). - Probabilidade: alta (descarga frequente em ciclos rápidos). - Mitigação: - Escapes silenciados em todas as válvulas (acessórios Festo U-1/4 ou equivalente). - Protectores auriculares se nível ainda > 80 dB(A) após silenciadores. - Medição de ruído anual para confirmar conformidade.

Risco 5 — Sopro de partículas (em sistemas com sopragem): - Severidade: média (lesão ocular). - Probabilidade: média. - Mitigação: - Óculos panorâmicos obrigatórios. - Defletor na zona de sopragem. - Pressão de sopragem reduzida ao mínimo necessário.

Risco 6 — Fogo (em pó de madeira ou similar): - Severidade: alta. - Probabilidade: baixa em ar comprimido normal. - Mitigação: - Sistema bem ligado à terra (eliminar electrostática). - Extintor próximo.

Matriz de risco (severidade × probabilidade) ajuda a priorizar: - Riscos alto + alto: agir imediatamente. - Riscos médio + alto: implementar mitigações rápido. - Riscos baixo + qualquer: aceitar mitigações simples.

Esta análise é obrigatória conforme Directiva Máquinas 2006/42/CE (transposta em Portugal por Decreto-Lei). Resultado: dossier técnico de máquina com avaliação de riscos, medidas implementadas, e marcação CE.

a) Vantagens da conversão:

• Flexibilidade: modificar sequência = mudar código (sem refazer tubagem).
• Diagnóstico: PLC mostra cada I/O em tempo real; muito mais rápido do que rastrear ar.
• Integração com restantes sistemas (SCADA, contagem, qualidade).
• HMI dá feedback visual ao operador.
• Manutenção: peças de substituição (electroválvulas) padronizadas e disponíveis; válvulas pneumáticas antigas podem ser raras.
• Documentação: programa do PLC é o "manual" (versionado, backup).
• Modos de operação: manual, automático, ciclo único, ciclo contínuo — fácil de implementar em código.
• Alarmes e estatísticas integradas.
• Comando à distância (HMI ligado por cabo longo, ou wifi).

b) Componentes a substituir:

A manter (não precisa substituir): - Cilindros (com pistão magnetizado para usar sensores Reed). - Compressor, reservatório, secador. - Tratamento (FRL). - Canalização principal.

A acrescentar: - PLC (Siemens S7-1200 ou equivalente). - Quadro eléctrico com fonte 24V CC, disjuntores, bornes. - HMI touch panel. - Sensores e cabos. - Documentação técnica nova.

c) Investimento estimado (sistema com 2 cilindros):

Para sistema com mais cilindros, custo escala (cada cilindro adicional ~500-700 €).

d) Cuidados na transição:

1. Documentar o sistema actual completamente antes de começar:
2. Esquema pneumático actual.
3. Sequência de operação.
4. Tempos típicos.

5. Comportamento em emergência.

6. Manter um período de coexistência se possível:

7. Pode-se converter parte a parte (1 cilindro de cada vez).

8. Sistema antigo continua operacional enquanto se constrói novo.

9. Pré-testar tudo em bancada antes de instalar na máquina:

10. PLC programado e simulado.
11. HMI configurado.

12. Sensores e válvulas individualmente testados.

13. Plano de paragem da produção:

14. Comunicar com cliente.
15. Janela de 1-3 dias para instalação física + comissionamento.

16. Plano B se algo correr mal (voltar ao antigo? ter peças de reserva?).

17. Treinar operadores:

18. Antes do HMI ser produtivo.
19. Manual de utilizador novo.

20. Sessão prática de 1-2 horas.

21. Treinar técnicos de manutenção:

22. Novo paradigma (PLC vs pneumática pura).
23. Onde encontrar documentação, backups, contactos do fornecedor.

24. Procedimentos de manutenção alterados.

25. Documentação final completa:

26. Esquema eléctrico.
27. Programa do PLC (impresso e em arquivo).
28. Manual do operador.
29. Manual de manutenção.
30. Backup do programa (cartão SD + cloud).
31. Lista de peças de substituição (BOM com referências).

Garantia: integrador típicamente dá 6-12 meses de garantia + suporte. Inclui correcções de bugs descobertos após arranque.

Conclusão: conversão pneumático → electropneumático paga-se geralmente em 1-3 anos por: - Redução de tempo de manutenção (~50%). - Aumento de produtividade (HMI permite optimizar parâmetros). - Redução de avarias não programadas (diagnóstico imediato). - Flexibilidade para novos produtos.