No campo da automação industrial, a lógica ladder continua sendo uma das linguagens de programação mais utilizadas; entretanto, para objetos de controle mais complexos, a programação-orientada a objetos é certamente uma abordagem altamente eficiente. Vamos primeiro discutir a programação-orientada a objetos:
A programação-orientada a objetos é um paradigma de programação avançado em linguagens de computador-de alto nível. Esta filosofia de design também pode ser aplicada a programas PLC em sistemas de controle industrial. Embora não possamos implementar muitos dos excelentes recursos da programação-orientada a objetos-como "herança"-e a linguagem PLC possa nem possuir as características de uma linguagem de programação-orientada a objetos, os conceitos básicos da programação-orientada a objetos são classes e instâncias de classe (ou seja, objetos). Precisamos apenas utilizar esses conceitos. Na programação de computadores, precisamos abstrair e generalizar certas entidades para definir classes. Em sistemas de controle industrial, entretanto, objetos de controle como motores e válvulas são categorias de controle claramente definidas; podemos definir classes para eles diretamente, sem a necessidade de abstração. As seções a seguir usarão a linguagem de programação Step7 da Siemens e a linguagem de programação Unity da Schneider para explicar a programação-orientada a objetos para CLPs.
I. Métodos de Implementação
A programação-orientada a objetos na Etapa 7 é implementada usando blocos de função (FB). Quando esse assunto surge, muitas vezes as pessoas pensam na programação modular proposta pela Siemens. Na verdade, este é o mesmo conceito, mas termos como "modularização", "blocos de dados de segundo plano" e "fundos múltiplos" introduzidos pela Siemens nem sempre permitem que os usuários compreendam e apliquem claramente esta excelente filosofia de design.
No entanto, se você abordar isso da perspectiva da programação-orientada a objetos, poderá entender muito melhor esse padrão de design. Um “bloco FB” é considerado uma “classe”; pode ser visto como um agrupamento de código para objetos de controle semelhantes. Por exemplo, para o conversor de frequência-variável MM440, você pode escrever um bloco FB denominado "MtrMM440". Na programação-orientada a objetos, isso é chamado de "classe". Quando você precisar programar o controle para um motor específico, você pode atribuir um bloco de banco de dados de fundo a ele-na programação-orientada a objetos, isso é chamado de implementação da classe (ou seja, criar uma instância da classe: um objeto). Quando você precisar controlar vários motores, poderá atribuir diferentes bancos de dados de fundo a este bloco FB, o que equivale a criar várias instâncias da classe.
Step7 apresenta outro tipo de bloco de programa: o bloco FC. A programação usando principalmente blocos FC é chamada de programação estruturada nos sistemas Siemens, que pode ser comparada à programação processual na programação de computadores-ou seja, programação puramente baseada em funções-.
A programação com o software Unity da Schneider proporciona uma melhor compreensão da programação-orientada a objetos. Suas definições DFB incluem parâmetros de entrada/saída, variáveis privadas/públicas e implementação de código-que são precisamente os elementos básicos de uma "classe" na programação-orientada a objetos de computador. Criar uma instância de uma classe (um objeto) é tão simples quanto criar uma variável “booleana” regular; você só precisa definir uma variável desta "classe" em "Blocos Funcionais".
Tanto o Step7 quanto o Unity oferecem suporte a abordagens de programação procedurais e orientadas a objetos; a distinção entre essas duas abordagens é semelhante à diferença entre programar em C e C++ em linguagens de computador-de alto nível.
Na explicação a seguir, os FBs na Etapa 7 e os DFBs no Unity serão chamados de "classes", enquanto os FBs combinados com bancos de dados de segundo plano na Etapa 7 e as instâncias de DFBs no Unity serão chamados de "objetos".
II. Arquitetura de programação-orientada a objetos
A discussão acima cobre detalhes de implementação, mas a filosofia de programação é construída sobre a arquitetura do programa. O simples uso de métodos-orientados a objetos em uma parte específica do código não significa que todo o programa seja-orientado a objetos. Este tipo de programação requer uma abordagem baseada nos seguintes aspectos:
1. Projeto de circuito estruturado.
Esta seção concentra-se principalmente em linhas de produção automatizadas; para máquinas-ferramentas autônomas, uma estrutura simplificada pode ser usada:
<1>Camada de Linha de Produção Automatizada: Este é o nível mais alto, apresentando um PLC principal que controla as diversas zonas abaixo dele.
<2>Camada de Projeto: Esta camada possui um sistema de distribuição de energia independente, mas não possui PLC; consiste apenas em módulos distribuídos controlados pela linha de produção automatizada. Como o nome indica, possui um alto grau de independência e pode ser projetado e fabricado como um projeto separado. Quando a linha de produção automatizada é relativamente pequena, esta camada pode ser omitida.
<3>Nível de Grupo Funcional: Com base nos requisitos do processo, os segmentos de equipamentos que executam uma função específica do processo são agrupados em um grupo funcional. Este grupo pertence ao Nível Engenharia; quando o Nível de Engenharia é omitido, pertence ao Nível de Linha de Produção Automatizada. A programação-orientada a objetos não requer necessariamente o uso da estrutura acima, mas uma estrutura elétrica bem-projetada é mais propícia à programação-orientada a objetos.
2. Toda a lógica do objeto de controle é implementada dentro de "classes"
Para isso, é necessário analisar informações relacionadas ao objeto de controle. Por exemplo, para um motor, devem ser consideradas as seguintes informações relevantes:
Informações de entrada:
<1>,Informações de proteção de circuito, como disjuntor do motor e relé térmico.
<2>,Informações de proteção funcional, como chaves fim de curso para motores de movimento, pressostatos para ventiladores e chaves de nível de óleo para bombas de óleo.
<3>Condições de partida e parada: embora a proteção do circuito e a proteção funcional mencionadas acima possam fazer com que o motor pare de funcionar e uma reinicialização possa acionar uma reinicialização, as condições aqui mencionadas referem-se às condições de partida e parada durante a operação normal,-como as etapas em um processo de controle sequencial.
<4>Modos de controle: como manual e automático.
<5>Reinicialização de falha: Reinicialização do sistema através de sinais de reinicialização.
Informações de saída:
<1>,Saídas de controle, como o contator principal que controla o motor.
<2>,Saídas de informações de status
<3>,Saídas de falha
Informações de armazenamento de status:
Variáveis intermediárias utilizadas para implementação do código, bem como variáveis de status que podem ser lidas pela IHM. Integre todas as informações acima em uma única classe e padronize os parâmetros da classe tanto quanto possível. No entanto, ainda existem algumas diferenças em comparação com linguagens de programação de{2}}alto nível. Para a Etapa 7, o padrão a seguir é: a estrutura do programa é implementada usando FCs e o controle de objetos é implementado usando FBs, conforme ilustrado pela seguinte estrutura estrutural (cuja estrutura elétrica é baseada na introdução acima): Esta é apenas uma arquitetura aproximada do programa PLC; uma boa arquitetura deve ser mais abrangente e científica.
3. Planeje as estruturas de dados com cuidado
Definir estruturas de dados é crucial e você deve se esforçar para unificar essas estruturas tanto quanto possível, sem se preocupar com espaço de armazenamento; a memória PLC moderna é suficiente para acomodar grandes quantidades de dados. Vale ressaltar que na Etapa 7, você deve evitar definir tipos-definidos pelo usuário (UDTs) fora das classes sempre que possível; em vez disso, defina-os dentro das classes. Embora isto possa resultar em definições duplicadas da mesma estrutura em diferentes classes, aumenta a independência das classes.
Nas seções a seguir, compararemos essas duas abordagens de programação:
Vantagens da programação{{0}orientada a objetos Em comparação com a lógica ladder, a programação-orientada a objetos oferece as seguintes vantagens:
• Portabilidade de código e facilidade de reutilização;
• Facilidade de uso de funções matemáticas, loops e outras construções;
• A programação-orientada a objetos é ensinada em praticamente todos os cursos de programação de computadores;
• O código pode ser executado em diversas plataformas de hardware.
Para dominar a programação-orientada a objetos, você deve primeiro entender o conceito de objetos e como usá-los. Depois que um objeto ou classe é escrito, ele pode ser facilmente reutilizado por meio de múltiplas chamadas. Por exemplo, crie um objeto para controlar um motor, que lide com todas as entradas, saídas e falhas. Quando necessário, múltiplos motores podem ser controlados instanciando este único objeto de controle diversas vezes. Isso é conhecido como instanciação-sob demanda. Quando vários motores precisam ser controlados, este único objeto pode ser usado repetidamente. Ele é chamado quando necessário e as instâncias são criadas à medida que são usadas.
Cada instância de cada motor possui características próprias, como parada do motor, funcionamento do motor, velocidade do motor e sobrecarga do motor. A maior parte do trabalho de programação é concluída quando o objeto é criado pela primeira vez. Esta é uma forma de pensar diferente da lógica ladder e é mais poderosa porque, uma vez construído um objeto, ele é fácil de usar e reutilizar. A programação-orientada a objetos facilita a execução de funções matemáticas complexas, cálculos de loop, matrizes e sub-rotinas aninhadas. Praticamente todo curso de programação de computadores-seja no ensino médio, na faculdade ou em tutoriais on-line-ensina esse conceito. O código criado é portátil e pode ser executado em diversas plataformas de hardware.
"A lógica ladder segue o formato dos diagramas ladder elétricos usados em sistemas de controle de relés, e a maioria das pessoas pode aprendê-la e dominá-la rapidamente."
No entanto, em comparação com a lógica ladder, a programação{0}orientada a objetos tem as seguintes desvantagens:
• Maior custo;
• Uma curva de aprendizagem mais acentuada;
• A resolução de problemas não é particularmente fácil para o pessoal de manutenção;
• A compilação geralmente é necessária antes do upload do código-fonte para o processador.
Em comparação com a lógica ladder, a programação-orientada a objetos geralmente requer mais memória e maior capacidade de processamento, resultando em custos mais elevados. Aprender uma linguagem de programação-orientada a objetos pode levar mais tempo. Provavelmente é necessária instrução em sala de aula, e dominar os conceitos básicos exige tempo, prática, testes e aplicação significativos. Os programadores devem frequentemente estudar programação orientada a objetos para usar rastreadores para rastrear código ou depuradores para depurar lógica. Com esse tipo de programação de alto-nível, pode ser difícil implementar recursos de monitoramento on-line-em tempo real.
Antes que o código-fonte possa ser baixado para o controlador, ele deve ser compilado. Normalmente, o código-fonte não é armazenado na memória do processador. Isso significa que deve-se tomar cuidado ao fazer backup do código-fonte, pois o código compilado geralmente não é editável. Com a programação-orientada a objetos, os arquivos da biblioteca devem ser vinculados a outros recursos usados durante o processo de compilação. Sem uma compreensão das ligações e dos recursos, será difícil pôr o programa a funcionar.
Vantagens da lógica ladder:
A lógica ladder é um método de codificação simples e{0}}autodocumentado-alguns até questionam se ela se qualifica como uma linguagem de programação. Ele segue o formato dos diagramas de escada elétrica usados em sistemas de controle de relés, e a maioria das pessoas pode aprendê-lo e dominá-lo rapidamente. Tem sido a única linguagem de programação amplamente utilizada no campo da automação de máquinas durante décadas e continuará a ser uma das principais linguagens de programação na indústria de automação no futuro próximo.
Com o tempo, à medida que pessoas de diversas origens e áreas entraram na indústria, várias linguagens de programação foram introduzidas no kit de ferramentas de automação industrial. Isso inclui programação de blocos de funções, texto estruturado, programação de estado e gráficos de funções sequenciais. Essas quatro linguagens de programação, juntamente com a lógica ladder, constituem as linguagens de programação padrão definidas pela norma IEC 61131-3 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC).
A lógica por trás da IEC 61131 é que, se todos os fornecedores aderirem a esse padrão, então-pelo menos até certo ponto-uma pessoa só precisará aprender essas cinco linguagens de programação para alternar facilmente entre plataformas oferecidas por diferentes fornecedores. No entanto, este não é o caso.
A lógica ladder básica (como o uso de contatos de relé e bobinas) funciona da mesma maneira; entretanto, ao programar, é preciso aprender a sintaxe e a experiência do usuário de cada fornecedor, bem como as especificidades de como usar a plataforma de programação. Apesar da falta de padronização, a lógica ladder oferece as seguintes vantagens em relação à programação-orientada a objetos:
• É adequado-para controle de máquinas e processos;
• É mais fácil de entender porque é inerentemente auto-documentado;
• Facilita a resolução de problemas do sistema controlado;
• É fácil de depurar;
• O código-fonte normalmente pode ser armazenado no processador.
A lógica ladder é adequada-para controle de máquinas e processos, especialmente para sistemas de automação com um grande número de entradas e saídas (E/S) discretas. Ao longo dos anos, a lógica ladder também foi continuamente aprimorada para lidar com E/S analógicas, tornando-a mais adequada para inúmeras aplicações de controle de processo.
Em comparação com aplicações de controle de máquinas, as aplicações de processo geralmente têm uma proporção maior de E/S analógicas.
Como a lógica ladder é mais fácil de usar do que a programação{0}orientada a objetos, muitos técnicos e engenheiros qualificados podem aprendê-la rapidamente. A lógica é altamente sistemática e organizada, e sua natureza-autodocumentada torna-a mais fácil de entender e dominar. Cada linha de código deve ser avaliada como verdadeira antes que um dispositivo possa ser ativado. Se houver cinco motores para controlar, serão necessárias pelo menos cinco linhas de código, o que simplifica bastante o processo.
"O código-fonte e os descritores da lógica ladder normalmente são armazenados no controlador, eliminando a necessidade de acessar o código-fonte-o que elimina a frustração que os programadores costumam sentir ao tentar entender os programas compilados."
Para engenheiros elétricos e pessoal de manutenção, a lógica ladder é muito intuitiva. Embora a lógica ladder exija uma maneira de pensar diferente da programação-orientada a objetos, ela pode ser dominada rapidamente com algum estudo e leva menos tempo para entender o código escrito por outras pessoas. É absolutamente claro quando uma afirmação lógica é verdadeira e quando é falsa. Mesmo aqueles com experiência limitada em programação podem compreender facilmente conceitos como ligar/desligar, energização de bobina, variáveis de comparação e funções matemáticas comuns.
É simples e fácil de usar, agilizando a solução de problemas e a depuração. Ao monitorar a lógica, é fácil entender as condições operacionais atuais. Nenhum diploma de software ou habilidades avançadas de programação são necessários. Com a lógica ladder, o pessoal de manutenção e engenharia pode acompanhar facilmente o processo e entender o que está acontecendo. A lógica ladder pode ser considerada uma tabela verdade: se a lógica da esquerda for verdadeira, a lógica da direita é ativada.
O código-fonte e os descritores da lógica ladder são normalmente armazenados no controlador. Isso elimina a frustração que os programadores costumam sentir ao tentar entender o código compilado sem acesso ao código-fonte,-um problema também comum na programação-orientada a objetos.
No entanto, em comparação com a programação-orientada a objetos, a lógica ladder também tem as seguintes desvantagens:
• Os programadores de computador e profissionais de TI não estão familiarizados com a lógica ladder;
• É difícil executar funções matemáticas, processamento de texto e processamento de dados;
• Depende do tempo de varredura;
• Requer hardware especializado para execução, como um controlador lógico programável (CLP).
A lógica ladder é uma linguagem simbólica com a qual os programadores de computador e profissionais de TI não estão familiarizados, pois não a aprendem na escola. Lidar com funções matemáticas, cadeias de texto e dados na lógica ladder pode ser difícil, principalmente porque a lógica ladder não foi originalmente projetada para lidar com essas funções.
A lógica ladder também depende do tempo de varredura. Programas maiores requerem mais tempo para verificar e processar a lógica. Ao executar a lógica ladder, o sistema lê as entradas, varre a lógica, atualiza as tabelas de dados e as saídas, realiza a comunicação e então repete o ciclo. Recursos como interrupções e outras técnicas de programação podem ser implementados para garantir a execução mais rápida de determinadas lógicas.
Embora CLPs-baseados em software configurados com lógica ladder possam ser executados em um PC, o hardware (como o CLP) normalmente precisa ser compatível com o software de programação, e é melhor comprar ambos do mesmo fornecedor. Isso garante compatibilidade, mas não é particularmente conveniente se você deseja trocar de fornecedor.
Além de comparar os prós e os contras da lógica ladder e da programação{0}orientada a objetos, os usuários também devem avaliar como essas linguagens de programação serão usadas no ambiente onde serão implantadas. Se uma fábrica ou instalação já tiver padronizado a lógica ladder, não é recomendável substituí-la por programação orientada-a objetos, mesmo que esta última seja mais adequada para a aplicação. À medida que o uso da programação-orientada a objetos continua a crescer, espera-se que ela coexista com a lógica ladder nas próximas décadas. Um-profissional de automação com visão de futuro faria bem-que dominasse as duas linguagens.