Ficha 02 · GRAFCET, PID, casos avançados

GRAFCET com paralelismo:

   ╔══╗
   ║ 0║ Repouso. Aguarda START + A,B recolhidos.
   ╚═╤╝
     │ Trans: START + B2A + B2B
     ▼
   ┌──┐
   │ 1│ Estado inicial paralelo
   └─┬┘
     │
     ═══════════════════ (divergência paralela — linha dupla)
     │              │
     │              │
   ┌─┴─┐          ┌─┴─┐
   │2.1│ EV_A+    │2.2│ EV_B+
   └─┬─┘          └─┬─┘
     │ B1A          │ B1B
     ▼              ▼
   ┌─┴─┐          ┌─┴─┐
   │3.1│ EV_A+=0  │3.2│ EV_B+=0 / aguarda peça
   │   │ T=3s     │   │
   └─┬─┘          └─┬─┘
     │ T1.Q         │ Sensor peça (I0.7)
     ▼              ▼
   ┌─┴─┐          ┌─┴─┐
   │4.1│ EV_A−    │4.2│ EV_B−
   └─┬─┘          └─┬─┘
     │ B2A          │ B2B
     ▼              ▼
   ┌─┴─┐          ┌─┴─┐
   │5.1│ (fim 1)  │5.2│ (fim 2)
   └─┬─┘          └─┬─┘
     │              │
     ═══════════════ (convergência paralela)
     │
     ▼
   ┌──┐
   │ 6│ Ambas operações terminaram
   └─┬┘
     │ Trans: incondicional (ou pequena temporização)
     ▼
   (volta a 0)

Interpretação: - Estado 1 inicia ambos os ramos paralelos. - Ramo esquerdo (2.1, 3.1, 4.1, 5.1) executa operação 1 com temporização. - Ramo direito (2.2, 3.2, 4.2, 5.2) executa operação 2 com sensor de peça. - Quando ambos os ramos chegam aos estados finais (5.1 e 5.2), sistema avança para estado 6. - De 6 volta a 0 (repouso).

Vantagem do paralelismo: - Operações independentes em simultâneo. - Aumenta produtividade vs sequencial. - Sincronização só onde necessário (no fim).

Implementação em PLC: - Siemens S7-GRAPH suporta nativamente. - Em ladder: cada ramo com suas próprias memórias de estado. Estado 6 activa quando memórias 5.1 e 5.2 ambas activas.

Tratamento de paragem de emergência em GRAFCET:

Opção 1 — Forçar estado de emergência:

   (Independente do estado actual)

   I_emergency = 1
   │
   ▼
   ┌──┐
   │99│ Estado de emergência
   └─┬┘
     │ Acções:
     │ - Todas as saídas desactivadas (EV = 0).
     │ - Alarme acende.
     │ - Sistema parado.
     │ Trans: I_emergency = 0 AND reset_emergency
     ▼
   ┌──┐
   │ 0│ Voltar a estado inicial (após reset manual)
   └──┘

Como implementar: - Macro de emergência: condição que transita imediatamente para estado 99, independentemente do estado actual. - Acções no estado 99: garantir que todas as saídas críticas estão desligadas. - Saída do estado 99 requer: - Botão de emergência libertado. - Acto deliberado (reset). - Sistema em condições seguras (todos os sensores em estado inicial).

Opção 2 — Emergência em hardware:

• Relé de segurança (Pilz, Sick) que corta directamente o contactor de alimentação dos actuadores.
• PLC continua a ver entradas e processar, mas saídas não actuam.
• Independência do PLC garante segurança mesmo em caso de falha do software.

Boas práticas: 1. Redundância: emergência em software (GRAFCET) + hardware (relé de segurança). 2. Reset manual obrigatório: nunca arrancar automaticamente após emergência. 3. Posição segura: actuadores vão para estado seguro (cilindros recolhem, válvulas fecham). 4. Sinalização clara: alarme visual + sonoro. 5. Log do evento: registar para análise post-mortem. 6. Categoria de segurança apropriada (Cat. 4 / PLe para máquinas perigosas).

Em GRAFCET de produção avançada: - Subgrafos para modos diferentes (auto, manual, manutenção, emergência). - Estado de "supervisor" que controla qual modo está activo. - Transições controladas entre modos.

a) Módulos PLC: - CPU S7-1212C (ou superior). - SM 1231 RTD: módulo de entrada Pt100 (1-4 canais). - SM 1232: módulo de saída analógica 0-10V (para SSR via conversor). - OU SB 1232: signal board para AO directo (mais compacto).

Em alternativa, se SSR aceita PWM: - DO directo do PLC com modulação PWM no software.

b) Bloco a usar:

PID_Compact (Siemens S7-1200/1500): - Bloco optimizado para PID standard. - Tempo de amostragem ajustável. - Auto-tuning automático. - Limites configuráveis. - Anti-windup integrado.

Em alternativa para controlo mais avançado: - PID_3Step: para válvulas com 3 posições (abrir, fechar, manter). - PID_Temp: especializado para temperatura (com modelos térmicos).

c) Configurações típicas:

Bloco: PID_Compact

Entrada (input):
- Input = MW100 (valor real, em REAL, em unidades de engenharia, ex: °C)
- Setpoint = MW102 = 150.0 (°C)

Saída (output):
- Output = MW104 (0-100%)

Configurações:
- Tempo de amostragem: 1 segundo (forno reage devagar)
- ManualValue = 0 (para modo manual)
- Mode = 4 (Automatic)

Limites:
- LimitMinValue = 0% (não há refrigeração activa)
- LimitMaxValue = 100% (potência máxima)

Sintonia inicial (chute):
- Kp (proporcional) = 5
- Ti (tempo integral) = 60 s
- Td (tempo derivativo) = 10 s

d) Sintonização:

Método 1 — Auto-tuning (recomendado):

1. Forno em condições normais, sem carga ou com carga estável.
2. Setpoint próximo do operacional (ex: 150 °C).
3. No bloco PID_Compact, iniciar Pretuning ou Fine Tuning.
4. PLC aplica degrau de potência, observa resposta, calcula Kp, Ti, Td automaticamente.
5. Duração: 10-30 minutos típico para sistema térmico.
6. Aceitar parâmetros se resposta for boa.

Método 2 — Manual (Ziegler-Nichols):

1. Definir Ti = ∞ e Td = 0 (apenas P).
2. Aumentar Kp gradualmente até oscilação sustentada (Kp_critico).
3. Medir período da oscilação (Pu).
4. Calcular parâmetros:
5. Kp = 0,6 × Kp_critico.
6. Ti = Pu / 2.
7. Td = Pu / 8.

Método 3 — Trial and error:

1. Começar com Kp baixo, Ti longo, Td=0.
2. Aumentar Kp até resposta rápida sem oscilação excessiva.
3. Diminuir Ti se há erro residual.
4. Adicionar Td se há overshoot grande.
5. Iterar.

Sinais de boa sintonização: - Atinge setpoint em tempo razoável. - Overshoot < 5%. - Oscilação rapidamente amortecida. - Erro residual zero (Ti elimina-o).

Sinais de má sintonização: - Demasiado lento: aumentar Kp ou reduzir Ti. - Oscilação contínua: reduzir Kp ou aumentar Td. - Overshoot grande: reduzir Kp ou aumentar Td. - Erro residual: reduzir Ti.

Documentar valores finais para futuras referências.

Diagrama do Loop de Controlo PID:

                 SP = 80 °C
                  │
                  ▼
          ┌──────────────┐
          │ PLC com PID  │
          │              │
          │   PV = ?     │
          │   SP - PV    │
          │   = erro     │
          │              │
          │   PID(erro)  │
          │   = output   │
          │              │
          └────┬─────────┘
               │ 0-100%
               │ (convertido a 0-10V em AO)
               │
               ▼
          ┌──────────────┐
          │  Válvula     │
          │ proporcional │
          │ (0-100%      │
          │  abertura)   │
          └────┬─────────┘
               │ Vapor quente
               ▼
          ┌──────────────┐
          │   Reactor   │
          │             │
          │  T = PV     │
          └────┬─────────┘
               │
               ▼ Reacção química
        Pt100 mede temperatura
               │
               ▼
          ┌──────────────┐
          │ Transmissor  │
          │ 4-20 mA      │
          └────┬─────────┘
               │ Sinal eléctrico
               │
               ▼
          ┌──────────────┐
          │ PLC entrada  │
          │ analógica    │
          │ (converte    │
          │  4-20 → PV)  │
          └────┬─────────┘
               │
               ▲ (feedback ao PID — fecha o loop)

Componentes: - PV (Process Variable): temperatura medida (variável real). - SP (Setpoint): temperatura desejada (80 °C). - Output do PID: percentagem de abertura da válvula. - Manipulated Variable (MV): caudal de vapor (controlado pela válvula).

Funcionamento:

1. Pt100 mede temperatura (PV).
2. Transmissor converte resistência em 4-20 mA.
3. PLC lê AI, converte para °C (PV).
4. PID calcula:
5. Erro = SP - PV.
6. Output = Kp × erro + Ki × ∫erro dt + Kd × d(erro)/dt.
7. PLC envia output (0-100%) → AO (0-10V) → válvula.
8. Válvula ajusta caudal de vapor.
9. Vapor aquece reactor → PV aumenta.
10. Loop fechado: PV aproxima-se de SP.

Em malha aberta (sem feedback): - Operador controla manualmente. - Sem auto-ajuste a perturbações. - Útil em sistemas simples ou para testes.

Em malha fechada PID: - Auto-ajuste contínuo. - Compensa perturbações (variações na carga, na temperatura ambiente, etc.). - Standard em controlo de processo.

Implementação no PLC: - 1 bloco PID por loop. - Em fábrica grande: dezenas de loops simultâneos. - Cada loop com sua tabela de variáveis.

a) Conexão HMI ↔ PLC Siemens:

Hardware: - HMI: Siemens KTP400 / KTP700 / KTP1200 (Basic, Comfort). - Cabo Ethernet (Profinet) entre HMI e PLC. - Ou via switch industrial se há mais dispositivos.

Configuração no TIA Portal: 1. Single projecto que contém PLC + HMI. 2. Network View: arrastar conexão Profinet entre PLC e HMI. 3. Atribuir IPs: - PLC: 192.168.0.1. - HMI: 192.168.0.2. 4. HMI Connections: definir PLC como source de variáveis. 5. Compilar e descarregar ambos.

b) Dados a trocar:

Do PLC para HMI (HMI lê do PLC): - Estados das máquinas: ON/OFF, em ciclo, em alarme. - Valores de processo: temperaturas, pressões, caudais. - Contadores: peças produzidas, ciclos. - Tempos: tempo de ciclo, tempo desde arranque. - Alarmes activos: lista, tipo, hora.

Do HMI para PLC (HMI escreve no PLC): - Setpoints: temperatura, pressão, velocidade desejadas. - Comandos: start, stop, reset, modo. - Parâmetros: receita seleccionada, modo de operação. - Configurações: limites de alarme, calibrações.

c) Frequência de actualização:

Visualizações em tempo real (estados, valores): - 100-500 ms típico. - Suficiente para visão humana (não é necessário mais rápido).

Trends (gráficos histórico): - 1-5 segundos por amostra. - Histórico armazenado em HMI ou servidor.

Alarmes: - Imediato (assim que evento ocorre). - Não esperar pelo polling — usar mecanismo de eventos.

Receitas / parâmetros: - Sob demanda (ao guardar / aplicar receita).

Critério para evitar sobrecarga: - Variáveis críticas: 100 ms. - Variáveis secundárias: 500-1000 ms. - Variáveis lentas (T, P estáveis): 2-5 s.

Limites técnicos: - PLCs S7-1200 / 1500 suportam centenas a milhares de variáveis em comunicação. - Ethernet 100 Mbit/s não satura facilmente com variáveis típicas.

Boas práticas: - Definir tags com nomes significativos. - Tipos correctos (BOOL, INT, REAL, STRING). - Documentação das comunicações. - Backup sincronizado.

a) Integração de sistema multi-PLC:

Arquitectura:

                  ┌──────────────────────────┐
                  │   PLC Supervisor        │
                  │   (Coordena tudo)        │
                  │   PLC S7-1500            │
                  └────┬─────────────────┬───┘
                       │                 │
        ┌──────────────┼──────────────┐  │
        │              │              │  │
        ▼              ▼              ▼  ▼
   ┌─────────┐   ┌─────────┐   ┌─────────┐ ┌─────────────┐
   │ PLC L1  │   │ PLC L2  │   │ PLC L3  │ │ Servidor    │
   │ S7-1200 │   │ S7-1200 │   │ S7-1200 │ │ SCADA / MES │
   └────┬────┘   └────┬────┘   └────┬────┘ └─────────────┘
        │             │             │
     I/Os, motors  I/Os, motors  I/Os, motors
     da linha 1   da linha 2   da linha 3

Funcionamento: - Cada PLC de linha controla sua linha localmente (autónomo). - PLC supervisor: - Recebe dados de cada PLC (produção, alarmes, status). - Coordena entre linhas (ex: priorizar produção conforme stock). - Reporta a SCADA / MES. - SCADA: visualização para operadores. - MES: integração com gestão (encomendas, produção, qualidade).

b) Protocolos:

PLC ↔ PLC (S7-1200 ↔ S7-1500): - Profinet entre todos (rede industrial dedicada). - PUT/GET instruções para troca directa de dados entre PLCs Siemens. - OPC UA (alternativa moderna, mais flexível).

PLC ↔ SCADA: - OPC UA (moderno). - OPC DA (mais antigo, ainda usado).

SCADA ↔ MES: - OPC UA. - Bases de dados (SQL). - Web services.

c) Arquitectura de software:

No PLC de cada linha (S7-1200): - Programa principal com a lógica de produção. - Blocos de dados (DBs) com: - Estados (em ciclo, em alarme, em paragem). - Contadores de produção. - Parâmetros actuais. - Comunicação: - Variáveis publicadas ao supervisor (PUT). - Comandos recebidos do supervisor (GET).

No PLC supervisor (S7-1500): - Programa de coordenação: - Lógica de prioridades. - Distribuição de carga. - Alarmes consolidados. - DBs de cada linha (espelham dados das linhas). - Comunicação com SCADA: - Servidor OPC UA integrado. - Tags expostas para SCADA.

No SCADA: - Visualização global (todas as linhas num só ecrã). - Drill-down para detalhes de cada linha. - Histórico (trends, alarmes). - Receitas (parametros de produção). - Permissões por utilizador.

Cybersegurança: - Rede industrial separada da rede corporativa (firewall, VLAN). - OPC UA com cifragem + autenticação. - Backup de cada PLC e SCADA. - Documentação completa (esquemas de rede, IPs, tags).

Tempo de desenvolvimento típico: - 3-6 meses para projecto desta complexidade. - Equipa: 2-4 programadores PLC + 1 engenheiro SCADA + 1 engenheiro de redes.

Investimento estimado: - 4 PLCs + acessórios: 5-10 000 €. - Software SCADA (anual): 5-15 000 €. - Switches industriais + cabos: 3-8 000 €. - Engenharia: 30-80 000 €. - Total: ~50-100 000 € para sistema completo médio.

ROI: - Visibilidade da produção: melhoria de eficiência 10-20%. - Alarmes precoces: redução de paragens 20-40%. - Decisões baseadas em dados: optimização contínua. - Payback típico: 12-24 meses.

a) Quando preferir cada:

PLC tradicional (Siemens S7, Allen-Bradley, etc.): - Aplicações standard industriais. - Maior fiabilidade comprovada. - Suporte local (fornecedores, técnicos). - Standardização em equipa familiar.

IPC com software PLC (Beckhoff TwinCAT, CodeSys): - Aplicações avançadas: - Controlo de movimento (servomotores múltiplos). - Visão por computador integrada. - Algoritmos complexos. - Integração com IT mais profunda. - Quando precisa de mais poder computacional. - Para prototipagem e desenvolvimento rápido.

b) Vantagens IPC:

1. Poder computacional: CPU mais rápida que PLCs tradicionais.
2. Memória: GBs vs MBs do PLC.
3. Linguagens: C++, .NET, Python além do IEC 61131-3.
4. Visão computacional: processar imagens directamente.
5. AI/ML: algoritmos de inteligência artificial no controlo.
6. Integração IT: usar software de servidor (bases de dados, web services).
7. Flexibilidade: actualizar OS, software, hardware mais fácil.
8. Custo por I/O: tipicamente mais baixo que PLC tradicional em larga escala.

c) Vantagens PLC tradicional:

1. Fiabilidade comprovada: décadas de evolução, MTBF muito alto.
2. Determinístico: ciclo de scan garantido (mais previsível).
3. Robustez: temperaturas extremas, vibração, EMI.
4. Sem update forçado: software estável durante a vida útil (10+ anos).
5. Cybersegurança: superfície de ataque menor (menos software).
6. Suporte global: fornecedores locais, peças, técnicos.
7. Curva de aprendizagem: técnicos formados em PLC tradicional abundam.
8. Certificações: PLCs Safety com SIL3 / PLe fáceis de obter.

Tendência:

Convergência: - PLCs modernos (S7-1500) já são essencialmente IPCs com firmware PLC. - Suportam algumas funcionalidades IT (OPC UA, web servers, Python). - IPCs com firmware "PLC-like" (Beckhoff TwinCAT) ganham terreno em aplicações avançadas.

Para maior parte das aplicações industriais: - PLC tradicional ainda é a escolha mais segura e prática. - IPC justifica-se em aplicações específicas (CNC complexo, visão, AI).

Em Portugal: dominância de PLCs tradicionais (Siemens, Schneider). IPCs (Beckhoff) crescem em automação avançada.

Integração de PLC em IoT Industrial / Indústria 4.0:

Conceito: dados de produção em tempo real disponíveis para análise, optimização e gestão estratégica.

Arquitectura:

PLC (Chão de fábrica)
   │
   │ OPC UA / MQTT
   ▼
Edge Gateway (local)
   │ - Pré-processa dados.
   │ - Filtra ruído.
   │ - Calcula KPIs locais.
   │ Cifragem / autenticação
   ▼
Cloud (AWS, Azure, Google)
   │ - Armazena histórico.
   │ - Visualização (dashboards).
   │ - Análise avançada (ML).
   │ - Integração com ERP, MES.
   ▼
Utilizadores (web, mobile)

Tecnologias-chave:

1. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture): - Standard para comunicação industrial moderna. - Cifragem + autenticação integradas. - Servidor OPC UA integrado em PLCs modernos (S7-1500, Beckhoff). - Permite que qualquer cliente (SCADA, MES, cloud) leia dados.

2. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): - Protocolo leve para IoT. - Publish-subscribe: dispositivos publicam, clientes assinam. - Eficiente em largura de banda. - Standard em IoT industrial.

3. Edge Computing: - Processamento local próximo dos PLCs. - Reduz latência (não precisa ir à cloud para cada decisão). - Reduz tráfego de rede. - Marcas: Siemens IoT2050, Beckhoff CX9020, Advantech.

4. Cloud platforms: - Siemens MindSphere. - Microsoft Azure IoT. - AWS IoT. - Google Cloud IoT.

5. Big Data e analytics: - Armazenamento de biliões de pontos de dados por ano. - Time-series databases (InfluxDB, TimescaleDB). - Visualização: Grafana, PowerBI, Tableau.

6. Machine Learning / AI: - Anomaly detection: detectar comportamentos anómalos. - Predictive maintenance: prever falhas antes de acontecerem. - Optimização: ajustar parâmetros para máxima eficiência.

Benefícios:

1. Visibilidade global da produção em tempo real.
2. Manutenção preditiva baseada em dados reais.
3. Optimização contínua (KPIs analisados continuamente).
4. Integração com gestão (ERP, MES) → decisões coordenadas.
5. Trabalho remoto (técnicos podem ajudar sem estar no local).
6. Benchmarking entre fábricas (mesma rede).

Desafios:

1. Cybersegurança: ataques a infraestrutura crítica.
2. Latência: nem todas as decisões podem ser na cloud.
3. Largura de banda: dados em massa custam transmissão.
4. Privacidade: dados de produção podem ser sensíveis.
5. Vendor lock-in: ficar preso a uma plataforma.
6. Custo: investimento significativo inicial.

Implementação faseada recomendada:

Fase 1 — Conectividade: - Ler dados básicos de PLCs (estados, contadores). - Visualização local (HMI + dashboard simples).

Fase 2 — Cloud: - Edge gateway envia dados à cloud. - Dashboards web. - Alertas básicos.

Fase 3 — Analytics: - Análise de tendências. - KPIs avançados (OEE em tempo real).

Fase 4 — IA: - Manutenção preditiva. - Optimização automática. - Tomada de decisões assistida.

Em Portugal: empresas grandes (automóvel, energia) já estão em fases avançadas. PMEs começam na fase 1-2.

Investimento típico para PME (5-10 PLCs): - Hardware (gateways, sensores adicionais): 5-15 000 €. - Software (cloud, licenças): 5-15 000 €/ano. - Engenharia: 20-50 000 €. - Total inicial: 30-80 000 €. - ROI esperado: 12-36 meses.