Defeitos em sistemas eletropneumáticos

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Diagnostico de defeitos em sistemas sequenciais eletropneumáticos 
comandados por CLP 
Manuel Alonso Meis (PPGEPS/PUCPR) alonsomeis@gmail.com 
 
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. 
A
A+ A-
B
B+ B-
C
C+ C-
A0 A1 B0 C0B1 C1
 
Figura 2 - Sistema eletropneumático 
Neste sistema serão definidas as seguintes variáveis, conforme mostrado na Tabela 1. 
 
Variável Descripção 
BCU Botão Ciclo Ùnico 
BCC Botão Ciclo Contínuo 
RESET Botão de retorno a posição inicial 
STOP Botão de parada 
A0 Sensor atuador A recuado 
A1 Sensor atuador A avançado 
B0 Sensor atuador B recuado 
B1 Sensor atuador B avançado 
C0 Sensor atuador C recuado 
C1 Sensor atuador C avançado 
A+ Eletroválvula avanço atuador A 
A- Eletroválvula recuo atuador A 
B+ Eletroválvula avanço atuador B 
B- Eletroválvula recuo atuador B 
C+ Eletroválvula avanço atuador C 
C- Eletroválvula recuo atuador C 
M1 Memória etapa 1 
M2 Memória etapa 2 
M3 Memória etapa 3 
M4 Memória etapa 4 
M5 Memória etapa 5 
M6 Memória etapa 6 
M7 Memória etapa 7 
MCI Memória Condições Iniciais 
MDG Memória Defeito Geral 
MCC Memória Ciclo Continuo 
MPI Memória Posição Inicial atuadores 
 
Tabela 1- Variaveis do sistema 
 
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 BCU OR MCC AND NOT MDG
2
2 A1 AND NOT MDG
3
3 B1 AND NOT MDG
4
4 C1 AND NOT MDG
5
5 C0 AND NOT MDG
6
6 B0 AND NOT MDG
7
7 A0 AND NOT MDG
A+ 
B+ 
C+ 
C- 
B- 
A- 
A- B- C-8
8 BCC
9
9 STOP
10
10 RESET
11
11 =1 
MCC := 0
MCC := 1
MDG := 1
 F/ (X1) F/ (X8)
12 BCU
13 STOP
MDG := 0
S
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
 
Figura 3 - GRAFCET do sistema 
L
L
L
L
L
L
L
L
L
U
U
U
U
U
U
U
M7 A0 M1
M1 BCU MPI M2
M2 A1 M3
M3 B1 M4
M4 C1 M5
M5 C0 M6
M6 B0 M7
BCU MIC MIC
MDG
A0 B0 C0 MPI
MDG
MDG
MDG
MDG
MDG
MCC
BCC M8
M2 M1
M3 M2
RESET
M4 M3
RESET
M5 M4
RESET
M6 M5
RESET
M7 M6
RESET
M7M1
RESET
RESET
 
Figura 4 - Ladder das transições 
M2 A+
M3 B+
M4 C+
M5
M1 C0
C-
M6
M1 B0
B-
M7
M1 A0
A-
MDG
MDG
MDG
MDG
MDG
MDG
 
Figura 5 - Ladder das saídas 
L
U
L
U
L
U
U
L
U
L
U
U
L
L
L
L
U
L
M11 M8M11
M8 M9
M8
BCC
M9 M10
M9
STOP
M10
M10
RESET
M8 M10
M8
STOP
M9 M8
M9
BCU
M8
MCC
M9 MCC
M10 MDG
M11 M1
M8
MDG
M11
 
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
X- X0
( )
Tr
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+
( S )
MPA
X-
( R )
MPR
( S )
MPR
( R )
MPA
MPA X1
( )
MDP
MPR X0
 
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. 
X1X0
( )
Tr
Tr
X0 X1
( )
MDP
 
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 deposição 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.