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1 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle são introduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, como fator preponderante do aumento da qualidade de vida por meio do poder de compra adquirido pela sociedade. Torna- se o maior poder gerado de riquezas que jamais existiu. Segundo alguns autores, “as técnicas de produção e a produtividade do trabalho são o fator preponderante do poder de compra”. Pode-se dizer que automação industrial é oferecer e gerenciar soluções, pois ela sai do nível de chão de fabrica para voltar seu foco para o gerenciamento da informação. Apesar da diferença sutil entre os termos, é importante salientar a existência de dois termos muito difundidos popularmente: automatização e automação. O termo automatização se difundiu desde a construção das primeiras máquinas e se consolidou com a revolução industrial e, portanto, automatização está indissoluvelmente ligada à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é sinônimo de mecanização, portanto reproduz ação. Caso se entenda que tal mecanização implica somente em uma ação cega, sem correção, tem-se um sistema no qual a saída independe da entrada, ou seja, não existe uma relação entre o valor desejado para um sistema e o valor recebido por este, por meio da variável responsável por sua atuação. Diz-se que esse tipo de controle se dá por malha aberta. Neste caso, o sistema terá sempre o mesmo comportamento esperado, pois ele, é determinado por leis físicas indissoluvelmente associadas ao hardware utilizado. Hardware que pode ser da natureza mecânica, elétrica, térmica, hidráulica, eletrônica ou outra. A automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da ação e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja: aquele que mantém uma relação expressa entre o valor de saída em relação ao da entrada de referencia do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores na saída que estejam fora dos valores desejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando o cálculo para ajuste e correção. O valor desejado também é conhecido da literatura inglese como setpoint. Na automação, prevê-se o uso extensivo dos mesmos conceitos associados à automatização. Entretanto, o nível de flexibilidade imputado ao sistema é bem mais elevado pelo fato de estar indissoluvelmente associado ao conceito de software. Tal recurso provê, a um sistema dotado de automação, a fim de, intencionalmente, produzir-se uma gama diferenciada de resultados. Embora se esteja associando o conceito de um controle de malha aberta ao de malha fechada por meio dos termos automatização e automação, respectivamente, o termo automatização também é empregado para situações em que a saída depende da entrada por meio de uma realimentação em sua malha de controle, uma vez que máquinas da época apresentavam,

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1A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle são introduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, como fator preponderante do aumento da qualidade de vida por meio do poder de compra adquirido pela sociedade. Torna-se o maior poder gerado de riquezas que jamais existiu. Segundo alguns autores, “as técnicas de produção e a produtividade do trabalho são o fator preponderante do poder de compra”.

Pode-se dizer que automação industrial é oferecer e gerenciar soluções, pois ela sai do nível de chão de fabrica para voltar seu foco para o gerenciamento da informação. Apesar da diferença sutil entre os termos, é importante salientar a existência de dois termos muito difundidos popularmente: automatização e automação.

O termo automatização se difundiu desde a construção das primeiras máquinas e se

consolidou com a revolução industrial e, portanto, automatização está indissoluvelmente ligada à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é sinônimo de mecanização, portanto reproduz ação. Caso se entenda que tal mecanização implica somente em uma ação cega, sem correção, tem-se um sistema no qual a saída independe da entrada, ou seja, não existe uma relação entre o valor desejado para um sistema e o valor recebido por este, por meio da variável responsável por sua atuação. Diz-se que esse tipo de controle se dá por malha aberta. Neste caso, o sistema terá sempre o mesmo comportamento esperado, pois ele, é determinado por leis físicas indissoluvelmente associadas ao hardware utilizado. Hardware que pode ser da natureza mecânica, elétrica, térmica, hidráulica, eletrônica ou outra.

A automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem

sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da ação e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja: aquele que mantém uma relação expressa entre o valor de saída em relação ao da entrada de referencia do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores na saída que estejam fora dos valores desejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando o cálculo para ajuste e correção. O valor desejado também é conhecido da literatura inglese como setpoint.

Na automação, prevê-se o uso extensivo dos mesmos conceitos associados à

automatização. Entretanto, o nível de flexibilidade imputado ao sistema é bem mais elevado pelo fato de estar indissoluvelmente associado ao conceito de software. Tal recurso provê, a um sistema dotado de automação, a fim de, intencionalmente, produzir-se uma gama diferenciada de resultados.

Embora se esteja associando o conceito de um controle de malha aberta ao de malha

fechada por meio dos termos automatização e automação, respectivamente, o termo automatização também é empregado para situações em que a saída depende da entrada por meio de uma realimentação em sua malha de controle, uma vez que máquinas da época apresentavam,

2mesmo de forma primária, um controle em malha fechada, revelando ser possuidoras de um sistema de controle inteligente”.

Apesar de sutil diferença entre os termos, confundidos até por importantes autores na

área, em ambos os casos o sistema deverá seguir as leis básicas da cibernética (ciência que estuda e estabelece a teoria geral de sistemas). Uma delas é que todo sistema dotado de retroação e controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal característica é a realimentação das informações requeridas para o seu controle, conforme ilustra a malha de realimentação da figura abaixo.

Processo

ProcessoSensor

Controlador

Atuador

Sensor é definido como sendo um dispositivo sensível a um fenômeno físico, tais como:

temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle. Ou, caso exista a necessidade de medir um grandeza elétrica (como por exemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico qualquer envolvendo grandezas físicas que não sejam de natureza elétrica, tem-se , conceitualmente, a necessidade de utilizar um transdutor, que se caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ou estímulo, de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional à amplitude desse estímulo. Os transdutores também são conhecidos como conversores de sinais.

Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada

força de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle (maneira pela qual o controlador produz o sinal de controle). Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto. Como exemplo, tem-se: válvulas e cilindros pneumáticos, válvulas proporcionais, motores, aquecedores, entre outros.

Num sistema automatizado, para que se possa calcular e implementar um tipo de

controlador dedicado, é preciso modelar matematicamente o processo, conhecendo-se, portanto, toda sua planta. Por meio de critérios de estabilidade conhecidos da teoria “clássica de controle”, obtêm-se os parâmetros necessários para o correto projeto desse controlador, em que será possível obter uma efetiva ação de controle. Neste trabalho, porém, o controle abordado será do tipo discreto, portanto o controlador que se está preconizando é o controlador lógico programável, a ser visto em detalhes posteriormente.

Muitas das aplicações existentes destinadas ao controle de processos se mostram

insatisfatórias, pois dentro de um curto período de tempo, existe a necessidade de amostrar o sinal a ser controlado e de obter uma alta velocidade de resposta. Basta um atraso na realimentação do sistema e os novos dados irão gerar uma solução de controle baseada em valores passados. O problema será tão maior quanto for o seu atraso. Seu estudo e determinação

3são feitos pela análise dinâmica do processo. Tais problemas existem e são geralmente encontrados em sistemas de controle em tempo real.

A MALDIÇÃO DO EMPREGO DA MÁQUINA

A grande questão que deve ser abordada, com muito cuidado, é a velha falácia de que a automação é sinônimo de desemprego. Com a pretensão de mostrar algumas facetas dessa polêmica frase, sem correr o risco de que vire mais um fetiche, é preciso uma contextualização histórica.

Desde 1767, quando Hargreaves construiu uma máquina de fiar que substituía o

trabalho que era executado pelo equivalente a 100 homens, e mais tarde, quando Arkwright inventou o tear mecânico (movido pela força da água), calculava-se haver, na Inglaterra, aproximadamente 7900 pessoas empregadas na produção de tecidos de algodão. Todas elas preocupadas com a dificuldade futura de encontrar emprego. Em apenas 25 anos, o número de pessoas que estavam trabalhando em fiação e tecelagem de algodão era aproximadamente 320.000, um aumento de quase 4.000%.

O que se verificou neste caso foi um aumento da produção, proporcionado pela possibilidade de se produzir em série, com máquinas automatizadas que revolucionaram o paradigma industrial da época.

Em 1870 e 1880, a marinha mercante inglesa aumentou seu movimento para cerca de

22.000.000 de toneladas, só em carregamentos para o exterior e descargas, entretanto, o número de homens empregados na realização desse grande movimento diminuiu em 1880, quando comparado ao de 1870. Isto ocorreu motivado pela introdução de máquinas de içar a vapor e elevadores de grãos e cereais.

Verifica-se. neste caso uma aparente diminuição da mão-de-obra, porém outros empregos foram criados, quando da fabricação dessas máquinas de içar a vapor e de tais elevadores, além da possibilidade de redução dos custos portuários da época. Refletindo assim, no preço operacional final dos produtos que por ali passavam.

Além do que, a potência, que já estava sendo produzida pelas máquinas a vapor existentes no mundo. e em operação no ano de 1887, foi calculada pelo departamento de estatística, em Berlim, como o equivalente à 200.000.000 cavalos, o equivalente a 1.000.000.000 de homens, ou, pelo menos, três vezes a população ativa da Terra.

Na depressão de 1932, começou-se novamente a lançar à máquina a culpa pelo

desemprego. Por outro lado, a preocupação em criar empregos, em Houston, Texas, por volta de

1941, era tanta, que mestres-encanadores e o sindicato concordaram em que canos pré-fabricados para a instalação só seriam instalados pelos membros do sindicato, somente se a rosca de uma das extremidade do cano fosse cortada, para que se pudesse acrescentar uma nova rosca, no local da instalação. Em várias outras cidades, o sindicato dos eletricistas exigia que, se qualquer luz ou força temporária tivesse que ser usada numa construção, deveria ser mantido na obra um eletricista, com tempo integral, ao qual não deixam o operário sem seu emprego.

4A primeira dama norte-americana, Sra. Eleanor Roosevelt, em 1945, escreveu

numa coluna de jornal sindicalizado: “chegamos, hoje, a um ponto em que os processos para economizar mão-de-obra só são bons quando não deixam o operário sem seu emprego”.

Nos Estados Unidos, em 1961, líderes sindicais e funcionários do governo falavam

solenemente da “automação” como a principal causa do desemprego. Esse processo tecnológico contínuo e irreversível foi debatido como se fosse alguma coisa inteiramente nova no mundo.

Neste avanço tecnológico alguns inventos apenas aperfeiçoam seus materiais, tornando

sua aplicabilidade mais confiável e de mais qualidade como é o caso do plástico, vidro, madeira e o aço. Outros, como o avião, realizam operações que a mão-de-obra direta não poderia realizar e são possíveis graças ao nível de automação que se tem atualmente. E a grande maioria delas acabam criando novas profissões, gerando diversas ocupações decorrentes de seu impacto social tecnológico, como é o caso dos televisores, computadores e o telefone.

As novas profissões surgem também do hibridismo de duas ou mais ocupações como,

por exemplo, as oriundas da mecatrônica, biotecnologia, bioengenharia, entre outras. E algumas profissões encontram-se em extinção como é o caso do datilógrafo, sapateiro, torneiro mecânico, linotipista (compositor manual de textos de jornais, livros e revistas). Algumas passam por transformações bem acentuadas como é o caso do agrônomo, do médico, do engenheiro e do costureiro.

Como não poderia deixar de ser diferente, no Brasil, o setor de automação se constitui

um mercado emergente. O setor conta com fornecedores nacionais e internacionais de todas as linhas de produtos para o controle de processos nos mais diferentes níveis. Como a informação se constitui um processo rápido de atualização e o acesso a ela é feito de forma global e imediata, como, por exemplo: o acesso disponível pela rede mundial de computadores – a Internet, o Brasil conta com o que há de mais moderno nessa área, apresentando soluções sofisticadas e de última geração, estando representado pelas principais empresas do setor mundial.

Estima-se que a taxa de faturamento e crescimento desse mercado gira em torno de 15%, caso persista o crescimento econômico dado pela estabilização da economia brasileira neste final de século. O mercado potencial brasileiro para este setor, em 1998, segundo a ABINEE – Associação Brasileira da Indústria Elétrica Eletrônica, vais ser US$ 1,6 bilhões, devendo ultrapassar o milênio com um mercado aberto, seguindo a taxa estimulada, no valor de US$ 1,8 bilhões.

Observe o gráfico da figura abaixo mostrando o faturamento bruto das principais empresas do setor até 1997, dados coletados no 8o Congresso e Exposição Internacional de Automação.

0

100

200

300400

500

600

700

93 94 95 96 97 98(*)

630540530500450370

Faturamento Bruto US$ milhões

5Segundo os dados do Ministério do Trabalho, no Brasil, entre 1990 e 1997, houve

uma redução de mais de 2 milhões d empregos formais dentre os quais, os empregos de atividades relacionadas à automação contribuíram de maneira substancial. É clara que esta situação deve ser analisada juntamente com o contexto sócio-econômico global, em que fortes crises internacionais também contribuíram para que esses números fossem expressivos.

Em linhas gerais, pairam atualmente sobre a sociedade questões de cunho filosófico

cujas respostas não são imediatas e nem triviais. Entre elas: Por que automatizar

Trata-se de um processo de evolução tecnológica irreversível; Valorização do ser humano em sua liberação na execução de tarefas entediantes

e repetitivas, ou mesmo em situações de trabalho insalubres e de riscos; Aumento da qualidade de vida de toda uma sociedade, promovendo seu conforto e

maior integração; Maior enriquecimento pelo menor custo do produto (pela baixo manutenção, ou

pela rapidez e precisão na execução de tarefas) ou pelo aumento de produtividade (num curto período de tempo);

Uma questão de sobrevivência e forte apelo de marketing, dentro de um mercado altamente competitivo;

Criação de empregos diretos e indiretos, além de novos empregos relacionados com a manutenção, desenvolvimento e supervisão de sistemas;

Busca pela qualidade do produto e a satisfação do cliente. Por que não automatizar

Por ser um processo irreversível, torna-o imprevisível, cujas as consequências só poderão ser avaliadas no futuro;

Pelo fato de existir um profissional cada vez mais qualificado para o exercícios dessas funções, vem impondo uma política de emprego de afunilamento;

À medida que a população passa a crescer desordenadamente, aumentam as desigualdades sociais, provocando um limite de instabilidade;

Como toda tecnologia nova, pode trazer sérios riscos ao setor de produção; Devido ao mercado globalizado, somente os grandes grupos de empresas

possuem acesso rápido e fácil a toda essa nova tecnologia; Diminuição imediata de emprego disponível; Na busca pela qualidade , deixa de se valorizar o artesão para se apostar nas

grandes produções, tornando o homem cada vez mais dependente tecnologicamente.

Perfil para o profissional do século XXI

Conhecimento técnico especializado e profundo dos produtos comercializados pela empresa para obter uma maior compreensão do contexto econômico em que a empresa atua;

6 Capacidade de análise de mercado, avaliando a concorrência de modo a

poder medir com segurança o grau de satisfação de seus clientes; Visão ampla com capacidade de adaptação em outras áreas da empresa,

possuindo a característica flexível da empregabilidade; Disciplina e automotivação; Disposição para aprender, desenvolver suas próprias habilidades; Fazer bom uso do tempo, organizá-lo, priorizá-lo e equilibrá-lo; Ser honesto, trabalhador e ético.

A sociedade ativa da revolução industrial era formada por operários, homens executores

de tarefas repetitivas, dentro de uma concepção mecênica, tornando-se escravos da máquina. Na sociedade atual, verifica-se um trabalhador portador do conhecimento, executor de si mesmo, dentro de uma concepção digna, estão descobrindo uma nova relação de produção, inserida à revolução científica e técnica do novo significado do trabalho.

“O objetivo econômico de qualquer indivíduo, como o de qualquer nação, é o de obter

os melhores resultados com um mínimo de esforço; este, talvez, seja o fetiche do pleno emprego”.

7LÓGICA COMBINACIONAL

Quando se pretende medir uma determinada grandeza a ser observada, a instrumentação eletrônica proporciona dispositivos que se caracterizam por serem digitais, uma vez que seus mostradores são a display, e outros, por serem analógicos, pelo fato de seus mostradores serem representados por meio de ponteiros ou formas de onda.

Na verdade, mesmo que este ou aquele equipamento esteja sendo classificado, por exemplo, como do tipo digital, não se pode esquecer que internamente ele pode estar manipulando sinais analógicos ( um transistor operando como amplificador), assim como manipulando sinais digitais ( um transistor operando como chave).

Portanto, diz-se que, mesmo que um dispositivo seja do tipo digital ou analógico, ele opera internamente com um sistema misto digital/analógico).

SINAIS ANALÓGICOS E DIGITAIS

Muitas são as vantagens dos circuitos digitais em relação aos analógicos, mas para entender tais primazias, faz-se necessárias a compreensão de suas diferenças. Sinais Analógicos

Um sinal é dito analógico quando varia continuamente no tempo, também chamado de sinal de tempo contínuo. Essa variação contínua estabelece a marcação de infinitos valores dentro de um intervalo qualquer, como representado na figura abaixo. Com isto, qualquer instrumento que indique variáveis por meio de ponteiros ou formas de ondas são exemplos de dispositivos analógicos, tais quais; velocidade de automóvel, relógios de ponteiros, entre outros.

Sinal de tempo contínuo Sinal de tempo discreto

Sinais Digitais Um sinal é dito digital quando varia bruscamente no tempo, também chamado de sinal

de tempo discreto. Essa variação discreta estabelece a marcação de uma quantidade finita de valore dentro de um intervalo qualquer, como representado na figura acima. Com isto, qualquer instrumento que indique variáveis por meios de números ou dígitos são exemplos de dispositivos digitais, tais quais: calculadora eletrônica, relógio com saída tipo display, entre outros. Os circuitos digitais operam informações com base no processo de tomada de decisões em dois níveis: nível alto e nível baixo, também chamados de nível lógico 1 (um) e nível lógico 0 (zero) respectivamente. Cada nível estabelece um valor de tensão, dependendo da tecnologia digital empregada (CMOS, TTL, entre outras). Sendo assim, enquanto os circuitos analógicos operam por meio do sistema decimal de unidades, o digital opera pelo sistema binário. Muita são as vantagens dos circuitos digitais por operarem por meio de valores discretos de tensão, em relação aos circuitos analógicos. Imaginem se existisse um sinal digital de “base 10”,no qual dez níveis de tensão seriam processados para representar os algarismos de 0 a 9. Uma pequena variação da fonte e tudo estaria descontrolado. Um 9 poderia, repentinamente, se

8tornar um 8, e vice-versa. Quanto maior o número de variáveis envolvidas na representação de uma grandeza, menor sua estabilidade.

Com a presença ou ausência de tensão, mesmo com variações de tensão (ruídos internos – produzidos por chaves, externos – produzidos por flutuações da rede), os circuitos podem ainda facilmente diferenciar entre a presença e a ausência numa boa margem de valores, e o 0 continua sendo 0, assim como 0o 1 continua representando o mesmo nível lógico.

Diz-se que os circuitos digitais são mais precisos e mais exatos que as técnicas

analógicas, pois além de serem menos afetados por ruídos, são menos susceptíveis à mudança nos parâmetro elétricos.

Em função de os circuitos digitais poderem atuas segundo uma determinada faixa de

tensão, para o reconhecimento e um determinado nível lógico, seus projetos são mais baratos que os analógicos, uma vez que os digitais empregam essencialmente circuitos de chamamento (transistores, resistores e diodos) fundamentalmente) e os analógicos se utilizam de dispositivos mais robustos (capacitores, indutores, resistores de precisão, transformadores), sendo menos adequados para a integração de componentes.

Os projetos que incluem as técnicas digitais são menos complexos e mais

adequados quanto à integração dos componentes. Como conseqüência do exposto, os circuitos digitais são mais velozes na realização de

operações lógicas e aritmética, eliminam a possibilidade de correção de erros de transmissão ou recepção, além de serem mais simples e mais baratos. SISTEMAS NUMÉRICOS

Os sistemas numéricos foram criados pelos homens para representara quantidade relacionada às sua observações. Tais sistemas foram desenvolvidos por meio de símbolos, caracteres e do estabelecimento de regras para a sua representação gráfica. O número de caracteres que define um sistema é chamado de base ou raiz do sistema, representado pela letra “r”. A correta notação, para se representar a base que identifica um símbolo qualquer, faz-se colocando-a como subscrito à direita do caractere menos significativo do valor que está sendo identificado, como por exemplo: 1610 que representa o algarismo dezesseis na base 10. Os sistemas abordados ao longo deste estudo são:

Decimal Sistema de base 10 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9); Binário Sistema de base 2 (0,1); Octal Sistema de base 8 (0,12,3,4,5,6,7); Hexadecimal Sistema d base 16 (01,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F).

Observe que as seis primeiras letras maiúsculas do alfabeto representam os caracteres, equivalentes aos decimais 10,11,12,13,14 e 15 do sistema de base 16.

9Decimal

O sistema decimal é representado por dez símbolos, que são os caracteres de 0 a 9. Quando, por exemplo, necessitar efetuar um valor numérico de 127,33 volts, acaba-se de registrar cento e vinte e sete vírgula trinta e três unidades de tensão. Cada caracter possui um valor referente à posição que ele ocupa em relação aos demais , ou seja, essa notação é chamada de notação posicional do valor observado. Os caracteres têm maior significação no sentido da direita para a esquerda do número. Neste caso, o algarismo 1, à esquerda, é o mais significativo e o 3, mais à direita, o menos significativo. No caso da base ser decimal, esse índice pode ser omitido.

Qualquer sistema representado em sua forma posicional pode ser decomposto numa

forma polinomial, como um somatório de potências de mesma base igual à raiz desse sistema. Exemplo 435,2610 = 400 + 30 + 5 + 0,2 + 0,06 = 4 x 102 + 3 x x 101 + 5 x 100 + 2 x 10-1 +6 x 10-2

Binário O sistema binário é representado por dois símbolos que são os caracteres 0 e 1. Uma

representação posicional no sistema binário pode ser desenvolvida numa forma polinomial que envolve um somatório de potência de 2. Veja o exemplo abaixo.

10112 = 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 Caso se efetue o somatório dos valores anotados no exemplo anterior, obter-se-ia o

valor 11 (onze) no sistema decimal. Qualquer algarismo ou dígito de número binário é denominado “bit” (binary digit).

11101110112 ⇒ 9 bits. 1 byte está associado à combinação de números binários de o bits. 1 niblle ou tétrada está associado à combinação de números de 4 bits. 1 word está associada à combinação de 16 bits. 1 double-word, a 32 bits.

O caractere 1 mais á esquerda corresponde ao caractere mais significativo, ou seja:

most-significative-bit, e é denominado MSB. O caractere 1 mais à direita corresponde ao menos significativo, ou least-significative-bit, denominado LSB.

Os circuitos digitais processam informações representadas no sistema binário.

Conversão Binário para Decimal Conclui-se que o equivalente de um binário qualquer é obtido pela representação

polinomial do número na base 2, pelo processo da soma. Exemplo: 101,12 = 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 + 1 x 2-1

= 4 + 0 + 1 + 0,5 = 5,5

10

Conversão Decimal para Binário Neste caso, usa-se um método conhecido como método das “divisões sucessivas”, no

qual o número decimal é sucessivamente dividido por 2, o que mostra o exemplo abaixo.

2310 = 23 2 1 11 2 1 5 2 2310 = 101112 1 2 2 0 1

Ocatal Uma representação posicional no sistema octal pode ser desenvolvida numa forma

polinomial que envolva um somatório de potências. Os controladores programáveis possuem, em geral, seu endereçamento de memórias baseado no sistema octal.

Exemplo: 56,328 = 5 x 81 + 6 x 80 + 3 x 8-1 + 2 x 8-2

= 40 + 6 + 0,375 + 0,03125 = 46,40625

Conversão Octal para Decimal O equivalente é obtido da representação polinomial, exemplo acima, do número da base

8 pelo processamento da soma.

Conversão Decimal para Octal Método das “divisões sucessivas”. Número decimal dividido por 8. Exemplo: 7710 = 77 8 5 9 8 7710 = 1158 1 1

Hexadecimal Uma representação posicional no sistema hexadecimal pode ser desenvolvida numa

forma polinomial que envolva um somatório de potências de 16. Exemplo: 5A3,E116 = 5 x 162 + A x 161 + 3 x 160 + E x 16-1 + 1 x 16-2 = 5.256 + 160 + 3 + 14 + 0,0625 + 0,0039063 = 1443,8789...10 Lembre-se que:

A16 = 1010 EH = 1410 Ambas as formas de representar a base hexadecimal são válidas, com índice

”16” ou “H”.

11Código BCD

Em muitos casos, na indústria, para facilitar a interpretação pelo usuário, a informação processada num sistema digital deve ser convertida para o sistema decimal e, em muitas aplicações , o sistema digital estará representado pelo código BCD.

Para efetuar a conversão do sistema decimal para o código BCD (Binary Coded Decimal), cada dígito decimal é diretamente convertido para 4 bits no código binário. O exemplo abaixo mostra como representar o decimal no sistema BCD. 3 2 4 , 1 6 0011 0010 0100 0001 0110

324,1610 = 0011 0010 0100,0001 0110BDC

ESTADOS LÓGICOS

Como foi anteriormente, os circuitos digitais processam informações utilizando-se do sistema de numeração binária que correlaciona os níveis lógicos, altos e baixo, ou seja, 0 e 1. Sendo uma proposição caracterizada sempre como ”verdadeira ou falsa”, pode-se fazer uma analogia com uma lâmpada cujos estados serão correlacionados, como mostra a figura abaixo.

Lâmpada Apagada Lâmpada Acesa Os dois estados lógicos mostrados acima são correlacionados de várias maneiras, tais

quais: um dos estado 1 ligado alto verdadeiro sim. outro estado 0 desligado baixo falso não.

Operações Lógicas

A relação entre duas ou mais variáveis que representam estados binários é estabelecida por meio de três operações lógicas, classificadas em:

produto lógico (função e) soma lógica (função ou) inversão (função não)

Para melhor entender, suponha que uma lâmpada estará acesa sempre que duas

condições forem satisfeitas. São elas: A) a lâmpada esteja boa e B) o interruptor esteja ligado. Estabelecidas as premissas, suponha que Y seja a proposição de que a lâmpada esteja

acesa ou apagada, verdadeiro ou falso, respectivamente. Y será verdadeiro quando A e B forem verdadeiros. Se A e B forem falsos, Y será necessariamente uma proposição falsa. As relações entre as variáveis A e B e A ou B representam operações lógicas. Como será definido posteriormente, Y representa a saída da função lógica desse exemplo.

12Tabela Verdade

Também chamada de tabela de combinação. A confecção da tabela verdade é, em geral, o primeiro passo para a análise e compreensão de um problema de lógica.

Mostrar uma tabela verdade é escrever todas as combinações possíveis dos estados lógicos de todas as variáveis da função, incluindo o estado lógico resultante de cada combinação. O número de combinações possíveis de “n” variáveis é na ordem de 2n. Para o exemplo da lâmpada, o valor de “n” é 2, encerrando quatro combinações, portanto.

Observe como montar a tabela verdade do exemplo proposto anteriormente.

Primeiramente, listam-se todas s hipóteses possíveis pertinentes ao caso apresentado: 1. lâmpada queimada, interruptor desligado; 2. lâmpada queimada, interruptor ligado; 3. lâmpada boa, interruptor desligado e 4. lâmpada boa, interruptor ligado. A seguir, monta-se a tabela, criando as colunas das premissas, também conhecidas

como variáveis de entrada. Neste exemplo, têm-se as variáveis A e B. Tais colunas devem ser preenchidas segundo o número total de hipóteses avaliadas no problema. Neste caso, como são apenas as variáveis de entrada, têm-se quatro combinações de ocorrência. A última coluna define o resultado lógico esperado, ou variáveis de saída. A variável Y é verificada segundo o método dedutivo pelo argumento afirmação do antecedente. Verifique o resultado nas tabelas do exemplo abaixo.

A B Y F F F F V F V F F V V V

A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Observe que ao associar estado lógico “verdadeiro” ao valor binário “1” e “falso” ao nível lógico “0”, estão sendo dadas as condições de realizar operações lógicas, com regras apoiadas na álgebra de boole, que será estudada posteriormente.

A figura abaixo traz um diagrama em blocos que mostra como resolver, em etapas, um

problema de lógica.

Organização do raciocínio na solução de problemas de lógicas

Interpretaçãológica

Tabela -Verdade

Geração defunçõeslógicas

13Funções Lógicas

Define-se uma função lógica como aquela definida na álgebra elementar, porem sua imagem fica restrita aos valores representados pelos níveis lógicos 0 e 1.

No exemplo da lâmpada, pode-se prever que a equação lógica observada da tabela de combinações é:

Y = A * B Em que o símbolo “*” representa a operação lógica da multiplicação.

As operações lógicas envolvidas fazem parte de um corolário baseado na álgebra de boole. A seguir, apresentam-se as funções lógicas básicas seguidas de sua tabela verdade e analogias com um circuito elétrico e seu diagrama de contatos (também conhecido originalmente como diagrama de Ladder).

Função “SIM ou IDENTIDADE”

Função: Tabela verdade:

A Y0 01 1

A

Y

A Y

Lâmpada apagada

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Observe em sua tabela de combinações que a saída é um espelho da entrada.

Função “OU”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1

B

Y

A Y

A

B

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Y = A

Y = A +B

14Função “E”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 00 1 01 0 01 1 1

B

Y

A Y

A

B

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Função “NÃO”

Função: Tabela verdade:

A Y0 11 0

A Y

A YR

ouA Y

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Função “NÃO OU”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 10 1 01 0 01 1 0

A Y

BA Y

R

B

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Y = A * B

Y = A

Y = A +B

15Função “NÃO E”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 10 1 11 0 11 1 0

A YBAY

R

B

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Função “OU EXCLUSIVO”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 0

A YBAY

R

B

AB

A BA YB

A B

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

Função “NÃO OU EXCLUSIVO”

Função: Tabela verdade:

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 0

A YB

A B

B

Y

A

BA

Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos:

O diagrama de contatos apresentados em todas as funções lógicas representa a

linguagem de programação mais usadas nos controladores lógicos programáveis, como será visto mais adiante.

Y = A * B

Y = A * B + A * B

Y = A * B + A * B

16 Ainda com relação aos circuitos elétricos equivalentes, deve-se tomar o

cuidado para não relacionar o fato de um contato ser do tipo NA com o estado lógico 0, bem como, do tipo NF com o nível 1, pois, futuramente, descobrir-se-á que um contato NF poderá ser associado ao nível lógico 0, como também um NA, ao nível 1.

ÁLGEBRA DE BOOLE

Ao associar os bits 0 e 1 aos estados lógicos, cria-se um raciocínio lógico de operação. Uma vez que os computadores processam essas lógicas, devem-se criar procedimentos e modelos matemáticos que possam ser interpretado por eles. Estes princípios matemáticos são denominados Álgebra de Boole.

Como a álgebra tradicional, o silogismo matemático se apoia em postulados específicos. Tais postulados serão relacionados de forma sucinta e não rigorosa. Postulados

Entes abstratos que provocam uma definição intuitiva, em que haja a necessidade de demonstração. Os postulados servem de base e sustentação aos teoremas, assim como na álgebra convencional. São eles:

1. Associativa das operações “e” e “ou”.

(A*B) * C = A * (B*C) ∴ (A + B) + C = A + (B + C)

2. Comutativa das operações “e” e “ou”. A * B = B *A ∴ A + B = B + A

3. Elemento Neutro das operações “e” e “ou”. 1 * A = A ∴ 0 + A = A

4. Distributiva da operação “e” sobre a operação “ou”. A * (B + C) = (A * B) + (A * C)

5. Distributiva da operação “ou” sobre a operação “e”. A + (B * C) = (A + B) * (A + C)

6. Existência de um elemento complemento das operações “e” e “ou”. A * A = 0 ∴ A + A = 1

Com exceção dos dois últimos postulados apresentados, 5 e 6, todos os demais possuem

correspondência na álgebra tradicional. A operação “e” continua tendo prioridade sobre a operação “ou”, do mesmo modo que

os operações de multiplicação possuem sobre as operações de adição da álgebra tradicional. Valem, portanto, as mesmas regras da utilização dos parênteses, chaves e colchetes.

17Teoremas

São regras, leis, não intuitivas, que necessitam ser demonstradas para se tornar evidentes. Tais proposições são apresentadas a seguir, segundo o grau de aplicação para o conteúdo abordado e explorado pelos circuitos lógicos orientados para o controle de processos.

Uma vez que tais teoremas são de extrema simplicidade, sua demonstração não será necessária.

1. Teorema da Dualidade das operações e e ou.

A * A = A ∴ A + A = A

2. Teorema da Convolução (complemento do complemento)

A = A

3. Teorema “De Morgan” Parte 1. O complemento de uma “soma” de elementos é igual ao “produto” dos seus complementos.

A + B + C + ... = A * B * C * ... Parte 2. O complemento de um “produto” de elementos é igual à “soma” dos seus complementos.

A * B * C * ... = A + B + C + ... Dada a importância de tais postulados e teoremas, observe no quadro abaixo que segue

algumas operações que devem ser entendidas e memorizadas: 0 * 0 = 0 1 * 0 = 0 1 * 1 = 1

1 + 1 = 1 0 + 1 = 1 0 + 0 = 0

A * 0 = 0 A * 1 = A

A + 1 = 1 A +0 = A

0 = 1 1 = 0

0 = 0 1 = 1

A + A = A

A * A = A

18

A A A

AB A

AB

MAPAS DE KARNAUGH Os diagramas ou mapas de Karnaugh, tais como uma tabela verdade, caracterizam um

meio de mostrar a relação entre as variáveis de entrada em função da saída de uma expressão booleana. Tais mapas são representados por arranjos retangulares divididos em 2n quadradosm chamados celas, em que “n” caracteriza o número de variáveis envolvidas. Cada “cela” possui um código binário que a caracteriza. Esse código também pode ser o correspondente decimal ou ainda, representado de forma algébrica, como por exemplo: A * B.

A seguir, mostra-se um mapa de Karnaugh com duas variáveis. Observe que para “n” = 2, o número de combinações, ou celas, eqüivale a quatro.

a)

B 0 1

0 00 01

1 10 11

Celas nominadas com código binário

b) B 0 1

00 1

12 3

Celas nominadas com código decimal

c) B 0 1

0 A*B A*B

1 A*B A*B

Celas nominadas algebricamente

Embora todas as três formas de nomear uma “cela” sejam válidas, optar-se-á pela nomenclatura do item b) para a representação de mapas. Quando o interesse for de nomes a grupos de “celas”, dar-se-á maior importância à nomenclatura do item c).

Para um mapa de três variáveis, tem-se um total de oito celas que devem estar dispostas

na forma vertical ou horizontal, como mostra a figura abaixo. a)

B 0 1

00 0 1

01 2 3

11 6 7

10 4 5

b) BC 00 01 11 10

00 1 3 2

14 5 7 6

Para um mapa de quatro variáveis, tem-se um total de 16 “celas”, como mostra a figura abaixo.

CD 00 01 11 10

000 1 3 2

014 5 7 6

1112 13 15 14

108 9 11 10

19

AB AD

AB

A

D

Representação da Função Para obter a função algébrica de uma tabela verdade por meio de técnica gráfica de

Karnaugh, deve-se obedecer a um procedimento básico quando do seu mapeamento. Tlal procedimento é descrito em seguida:

1. Representação da função no mapa. Um bit “1” deve ser colocado na cela de mesmo nome (equivalente decimal) que a

função assume o valor 1, ou seja, os mintermos (produto algébrico de todas as variáveis) para os quais a função assume o nível lógico 1 devem ser transportados para o mapa. Por exemplo: uma tabela verdade com três premissas, a combinação A = 0, B = 1 e C = 1, deve fazer com que a função se torne verdadeira, isto é, assuma nível lógico 1, a cela correspondente ao decimal 3 (011 em binário) deve ser conter o valor 1 e as demais celas permanecerão inalteradas.

2. Formação de grupos. Deve-se entender por grupo, um número conveniente de celas adjacentes. Para uma

função com “n” variáveis, dá-se prioridade, e nesta ordem, aos grupos com 2n-1, 2n-2, 2n-3,..., 2n-(n-1) , 20 “celas”. Conclui-se que na formação dos grupos tem que se tomar o cuidado de formá-los com o maior número de celas possíveis, caracterizando o menor número de grupos. Por exemplo: caso se tenha uma tabela com três variáveis, devem-se formar grupos de no máxima quatro celas, seguidas de duas e por último, uma única cela. Observe que o número de celas do grupo deve ser igual a uma potência de 2, cuja única exceção serve para o grupo unitário (com uma única cela).

Deve-se repetir este procedimento até que todas as celas, para as quais a função assumir o estado lógico 1, estejam devidamente agrupadas.

3. Nomeação dos grupos formados Após a formação dos grupos formados, eles devem ser nomeados obedecendo a regras

próprias. Primeiramente, verifique os conjuntos comuns a todas as celas do grupo. O nome do grupo será formado pelas variáveis comuns a todas essas celas. Caso uma variável seja comum e possuir o estado lógico 0, esta irá contribuir para o nome do grupo representado pelo seu complemento. Ver exemplo abaixo.

CD 00 01 11 10

00 0 1 1 1 3 2

01 4 1 5 1 7 6

11 12 13 15 14

10 8 9 11 10

CD 00 01 11 10

000 1 3 2

014 5 7 6

1112 13 15 14

108 9 11 10

20

AB AD

BD

AB

Observe que para as celas 1,3,5 e 7, as únicas variáveis que não variam são: A e D. Como a variável A assume o estado lógico 0 nas quatro celas, seu complemento dá nome ao grupo, bem como a variável D assume o estado lógico 1 nas quatro celas, ela também dá nome ao grupo.

4. Exclusão de grupos. Devem-se excluir grupos que estejam totalmente inclusos em outro grupo. Logo, só

participará da expressão minimizada, o grupo que pelo menos uma das suas celas não pertença a outro grupo. Ver exemplo abaixo.

CD 00 01 11 10

00 1 0 1 1 1 3 1 2

01 4 1 5 1 7 6

11 12 1 13 1 15 14

10 8 9 11 10

O grupo AD deve ser excluído,

uma vez que suas celas já participaram da formação de outros dois grupos.

A função lógica é um somatório de

todos os grupos encontrados, ou seja F = AB + BD

Existem casos em que um grupo pode ser formado de mais de uma maneira, ou

seja, com celas diferentes. Tal arranjo deve gerar expressões algébricas distintas, porém equivalentes.

A exclusão de grupos torna-se o último procedimento a ser verificado na representação

da função por meio do mapeamento de Karnaugh. Observe a resolução de um problema de lógica combinacional em todas as suas etapas

no exemplo abaixo. Exemplo Pedro decidiu ir ao boliche desde que Márcia fosse com ele e pudesse ser usado o carro

da família. Márcia, no entanto, decidiu ir à piscina desde que não estivesse chovendo e a temperatura estivesse acima de 25 graus. O pai de Pedro planejou usar o carro para ir ao supermercado caso chovesse, ou se a temperatura estivesse acima dos 25 graus. Em que condições Pedro irá ao boliche? Encontre a expressão lógica que torne verdadeira sua reposta. Solução:

Primeiramente, deve-se organizar o problema, descobrindo quais são as premissas. Observe que Pedro só irá ao boliche se puder contar com o carro e se Márcia for com ele, porém tanto Márcia quanto o carro dependem das condições ambientais, tais como: tempo e temperatura. Logo, Pedro depende do tempo e da temperatura. Veja como é feita a atribuição lógica. sem chuva 0 Tempo (t) sem chuva 1

maior que 25o 0 Temperatura (T) menor que 25o 1

21

t

Tt

Esta atribuição de nível lógico é aleatória, ou seja: a hipótese de estar chovendo poderia também ter recebido o estado lógico1; fica evidente que o contrário seria 0.

Veja como ficaram as proposições: Para Márcia

Márcia vai à piscina se: não estiver chovendo e a temperatura estiver acima dos 25 graus

Márcia vais ao boliche se: estiver chovendo ou a temperatura estiver abaixo dos 25 graus.

Observe que a negação da primeira proposição implica no seu complemento e como

conseqüência o cumprimento do teorema de De Morgan. Márcia vais ao boliche para T = 0 “ou” T = 1.

Para o carro.

Pai de Pedro irá ocupar o carro caso: chover ou a temperatura estiver a acima dos 25 graus

Pai de Pedro não irá ocupá-lo se: não chover e a temperatura estiver abaixo dos 25 graus.

Pedro vais com o carro para: t = 1 “ou” T = 1. Observe que Pedro vai ao boliche somente se Márcia aceitar seu convite (item 1), e

puder sair (item 2), portanto: o resultado é a intersecção das condições (1) e (2). A única hipótese que torna as proposições verdadeiras ao mesmo tempo é para T = 1 e t = 1. Observe a tabela verdade. T t P 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Em que, a variável de saída determina se Pedro vai ao boliche ou não. Foi utilizado o critério segundo o qual: P = 0, não vai ao boliche; e P = 1, Pedro vai. A expressão lógica que torna este problema verdaeiro é representada pelo produto lógico entre as variáveis de entrada, ou seja, Pedro irá ao boliche se a temperatura for menor que 25o e o tempo estiver sem chuva:

P = T * t Observe que para o problema proposto não foi necessária a utilização do mapa de

Karnaugh para a representação de sua função booleana, devido à facilidade de sua tabela verdade, mas caso tivesse sido optado pelo mapa, o modelo seria o da figura abaixo.

T 0 1

0 00 01

1 10 1 11

22Funções Incompletas

Existem certos problemas que apresentam, em uma das combinações possíveis de sua tabela verdade, o resultado lógico indefinido, ou seja, para aquela proposição tanto faz um estado lógico 0 ou 1. Para esses casos, deve-se proceder marcando com a letra “x” o valor da saída dessa proposição. A cela correspondente no mapa de Karnaugh também recebe o mesmo valor, a letra “x”, que participa na formação dos grupos como se ali tivesse um nível lógico 1.

23CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS

INTRODUÇÃO Este estudo tem como objetivo uma prover visão geral das características e recursos

hoje disponível no mercado de Controladores Programáveis (CP’s), bem como, a sua aplicação nos diversos campos da automação industrial e controle de processos, onde as necessidades de flexibilidade, versatilidade, disponibilidade, alta confiabilidade, manutenabilidade, modularidade, robustez e baixos custos, o tornam uma excelente opção.

Mas, o que é um Controlador Programável? Como surgiu? Mesmo antes da industrialização da eletrônica digital, os primeiros projetistas de

comando elaboravam circuitos digitais como contatos programáveis. O programa era armazenado em plugs multi-pinos e as instruções codificadas por meio de ligações elétricas entre os pinos destes plugs. Esses programas eram muito limitados, e, sua principal função era a seleção das operações das máquinas e/ou processos.

Desta forma, além de uma operacionalidade muito baixa, existiam outros problemas: alto consumo de energia, difícil manutenção, modificações de comandos dificultados e onerosos com muitas alterações na fiação ocasionando número de horas paradas, além das dificuldades em manter documentação atualizada dos esquemas de comando modificado.

Com a industrialização da eletrônica, os custos diminuíram, ao mesmo tempo em que a flexibilidade aumentou, permitindo a utilização de comandos eletrônicos em larga escala.

Mas alguns problemas persistiram, em que sentia estes problemas de forma significativa era a indústria automobilística, pois a cada ano com o lançamento de novos modelos, muitos painéis era sucateados pois os custos para alteração eram maiores do que a instalação de novos painéis.

Porém, em 1968 a GM através de sua Divisão Hidromatic preparou as especificações detalhadas do que posteriormente denominou-se de Controlador Programável (CP). Estas especificações retratavam as necessidades da indústria, independentemente do produto final que iria ser fabricado. Em 1969 foi instalado o primeiro CP na GM executando apenas funções de inter-travamento.

Historicamente os CP’s tiveram a seguinte evolução: De 1970 a 1974, em adição às funções inter-travamento e sequenciamento (lógica),

foram acrescentadas funções de temporização e contagem, funções aritméticas, manipulação de dados e introdução de terminais de programação.

De 1975 a 1979 foram incrementados ainda maiores recursos de software que propiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de malha fechada com algoritmos PID, utilização de estações remotas de interfaces de E/S (Entradas e Saídas) e a comunicação com outros equipamentos “inteligentes”.

Com os desenvolvimentos deste período, o CP passou a substituir o microcomputador em muitas aplicações industrias.

Nesta atual, através dos enormes avanços tecnológicos, tanto de hardware como de software, pode-se dizer que o CP evoluiu para o conceito de controlador universal de processos, pois pode configurar-se para todas as necessidades de controle de processos e com custos extremamente atraentes.

24Abaixo descreve-se alguns dos recursos e funções que foram implementados:

Interfaces de E/S “inteligentes” (microprocessadas) para funções de controle PID, posicionamento, acoplamento, etc.

Unidades periféricas especiais, tais como: terminais de vídeo monocromático e coloridos, terminais de fita cassete, microcomputador PC, consoles locais com teclado numérico-funcional e display alfanumérico, impressora, etc.

O conceito de família de CP’s, ou seja, linha de produtos em diversas faixas de aplicação, desde pequenos controladores (pequena capacidade de memória e números de pontos de E/S) até sofisticados controladores de concepção bastante modular.

Linguagens de programação de alto nível para operações não atendidas pelas linguagens convencionais.

Desenvolvimento de pacotes de software aplicativos, de forma configurável, tais como: regulação e cálculos complexos de aritmética de ponto flutuante, monitoração de valores digitais e analógicos, protocolação (processamento de textos, relatórios de eventos, quando em operação conjunta com periféricos tais como terminais de vídeo e impressora), etc.

Redes de comunicação entre CP’s e entre CP’s a outros equipamentos. Assim os técnicos em controle de máquinas e processos passaram a contar com um

dispositivo capaz de: a) Permitir fácil diagnóstico de funcionamento ainda na fase de projeto do sistema

e/ou de reparos em falhas que vem a ocorrer durante a sua operação. b) Ser instalado em cabines reduzidas devido ao pequeno espaço físico exigido. c) Operar com reduzido grau de proteção, pelo fato de não serem gerados

faiscamentos. d) Ser facilmente reprogramado sem necessidade de interromper o processo

produtivo (programação on-line). e) Possibilitar a criação de um banco de armazenamento de programas que podem

ser reutilizados a qualquer momento. f) Manter uma documentação sempre atualizada com processo em execução. g) Apresentar baixo consumo de energia. h) Manter o funcionamento da planta de produção com uma reduzida equipe de

manutenção. i) Garantir maior confiabilidade pela menor incidência de defeitos. j) Emitir menos níveis de ruídos eletrostáticos. k) Ter flexibilidade de expansão do número de entradas e saídas por serem

controladas. l) Ter a capacidade de se comunicar com diversos outros equipamentos. Devido à ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial,

aliada à crescente capacidade de recursos que o CLP vem agregando, existe a possibilidade de confundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as três características básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo um controlador lógico programável:

25a) O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em

funcionamento; b) A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem

oriunda dos diagramas elétricos de relés; c) O produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial sujeito a

condições ambientais adversas. A utilização de siglas também é um fator de confusão. Veja as mais utilizadas:

CLP: tradução para o português da sigla Programmable Logic Controloller, ou seja, Controlador Lógico Programável, a qual tem sua utilização restrita uma vez que se tornou marca registrada de propriedade exclusiva de um fabricante nacional.

PLC: abreviatura do termo em inglês Programmable Logic Controloller;

CP: tradução da abreviatura do termo em inglês Programmable Logic, a qual se refere a um equipamento capaz de efetuar controles diversos além do de lógica. DEFINIÇÃO

Sistema eletrônico digital, desenvolvido para uso em ambiente industrial, que usa uma memória Programável para armazenamento interno de instruções do usuário, para implementação de funções específicas, tais como: lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entrada e saída (digital analógica), vários tipos de máquinas e processos.

O CLP e seus periféricos, ambos associados, são projetados de forma a poder serem integrados dentro de um sistema de controle industrial e finalmente usados a todas as funções as quais são destinados.

A norma NEMA define formalmente um PLC como: “Suporte eletrônico-digital para armazenar instruções de funções específicas, como de lógica, seqüencialização, contagem e aritmética; todas dedicadas ao controle de máquinas e processos”.

Já a norma ABNT cita que Controlador Programável é um equipamento eletrônico-digial, com harware e software compatíveis com as aplicações industriais. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O CLP, como todo sistema microprocessado, tem seu princípio de funcionamento baseado em três passos:

1. Trazer dados da máquina ou processo para o CLP, através de entradas; 2. Processar estes dados de acordo com uma lógica pré-determinada; 3. Transmitir os dados processados para as saídas do CLP. Para melhor compreensão do que seja um CLP e do seu princípio de funcionamento, são

apresentados, em seguida, alguns conceitos associados, os quais são de fundamental importância que sejam assimilados. Variáveis de entrada:

São sinais externos do que recebidos pelo CLP, os quais podem ser oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Tais sinais são gerados por dispositivos como sensores diversos, chaves ou botoeiras, dentre outros.

26Variáveis de saída:

São os dispositivos controlados por cada ponto de saída do CLP. Tais pontos poderão servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio, ou também poderão servir para sinalização de saída de contactores, válvulas, lâmpadas, displays, dentre outros. Programa

Seqüência específica de instruções, selecionadas de um conjunto de opções oferecidas pelo CLP em uso e, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do PLC a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do CLP.

Um CLP é basicamente composto por dois elemento principais: uma CPU (Unidade Central de Processamento) e interfaces para os sinais de entrada e saída. A ilustração abaixo mostra o diagramas de blocos de um CLP genérico.

Proces-sador

Memó-ria

C.P.U.

S

D

A

ENTRADA

O diagrama de blocos a seguir, ilustra a lógica funcional de um CLP.

M E M Ó R IA D EP R O G R A M A

U N ID A D E C E N T R A L D EP R O C E S S A M E N T O

M E M Ó R IAD E D A D O S

IN T E R F A C E D E E /S

P R O C E S S O O U M Á Q U IN A

F O N T E

Com a partida, o CLP executará as seguintes tarefas: 1. Transferirá os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados

(RAM).

272. Iniciará a varredura do software aplicativo armazenado na memória de

programa (SCAN), utilizando os dados armazenados na memória de dados. Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas no software aplicativo, como intertravamento, habilitações de temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na memória de dados, etc...

3. Concluída a varredura do software aplicativo, o CLP transferirá os dados processados (resultado de operações lógicas) para a interface de saída. Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar a memória de dados.

O tempo total para a execução dessas tarefas, depende, dentre outros fatores, da

velocidade e característica do processador utilizado, do tamanho do programa de controle do usuário, alem da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo se encontra na faixa média de milissegundos (até microssegundos nos CLP de última geração).

Em algumas situações críticas de controle, em que o processo não pode esperar todo o tempo de execução do ciclo de varredura, pois deve executar uma rotina imediatamente, ou ainda quando o sinal de entrada é emitido por um tempo inferior ao mesmo ciclo, há casos em que o CLP tem a capacidade de interromper a execução do ciclo de varredura, para, prioritariamente, atender a essa situação. Entretanto, apesar de não se regra geral, a compreensão do ciclo de varredura é suficiente para conhecer seu princípio básico de funcionamento.

CONSTITUIÇÃO DO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Para executar demonstrados acima é necessário que o CLP possua obrigatoriamente, as

seguintes partes básicas: FONTE DE ALIMENTAÇÃO UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTOS – (C.P.U.) MEMÓRIAS INTERFACE DE ENTRADA E SAÍDA (E/S) TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO

FONTE DE ALIMENTAÇÃO:

É um dispositivo que converte a voltagem de rede elétrica local, de corrente alternada para uma voltagem em corrente contínua (figura abaixo). Ela fornece todos os níveis de tensão exigidos para as operações internas do CLP (Ex.: CPU, Memória, E/S).

O CLP recebe alimentação da rede elétrica local; caso falte energia elétrica, a bateria mantém o programa do usuário para não perder toda a programação. Quando a energia elétrica retorna, o processador entra em operação e reinicia o ciclo de trabalho no programa do usuário.

28

Mantém o CLPem

funcionamento

ALIMENTAÇÃOREDE ELÉTRICA

LOCAL127VAC220VAC

A bateria mantém osdados na memória,caso falte energia

elétrica

FONTE DEALIMENTA-ÇÃO ESTA-BILIZAÇÃO

COMPARTI-MENTO DEBATERIA

Diagrama em blocos resumido do sistema de alimentação de CLP

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU):

A CPU é o cérebro do sistema. Ela lê o sinal das entradas na memória de dados, executa operações aritméticas e lógicas baseadas na memória de programa, e gera os comandos apropriados para a memória de dados controlar os estados das saídas.

A principal função do processador é o gerenciamento de todo o sistema composto pelo CLP. Tal função é efetuada pelo executivo, semelhante a um sistema operacional de computador (como o DOS ou Windows), o qual é responsável, dentre outras tarefas, pela garantia de execução do ciclo de varredura.

C . P . U.

PeriféricosTerminal deprogramação

Gravador

SistemaOperacional

do CLP“Monitor”

ProgramaDo

UsuárioMemórias

Abaixo são apresentados algumas considerações e características principais: Utiliza microprocessadores ou microcontroladores de 8, 16 0u 32 bits e, em CP’s

maiores, um coprocessador (microprocessador dedicado) adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos complexos com aritmética de ponto flutuante.

A maioria dos fabricantes de CLP’s especificam os tempos de varredura como função do tamanho do programa (p.e. 10ms/1k de programa), e situam-se na faixa desde 0,5 até 10ms/k, caracterizando a existência de CLP’s rápidos e lentos.

Alguns fabricantes provêem recursos de hardware e software que possibilitam interrupções na varredura normal de forma a “ler” uma entrada ou “atualizar” uma saída imediatamente.

Recursos auto-diagnose para detecção e indicação de falhas (comunicação, memória, bateria, alimentação, temperatura, etc) são também disponíveis em

29alguns CLP’s. Normalmente os indicadores estão localizados na parte frontal do cartão da CPU.

MEMÓRIAS

O termo programável do CLP implica numa seqüência de instruções, o programa, que deve estar armazenada e disponível em algum local. Tal região é denominada sistema de memória, que deverá estar organizada de modo a formar o “mapa de memória”. Para entender o assunto, faz-se necessário definir o que seja uma célula de memória e que tipo existem disponíveis atualmente, para então, em seguida, compreender como são organizados os mapas de memória em um CLP.

Uma célula de memória é a unidade básica para armazenamento de um único bit de informações em um sistema de memória. As memórias semicondutoras, a gravação magnética e a gravação ótica são os métodos mais largamente utilizadas para armazenamento de informação digital. Embora não se encontrem ainda discos de CD-ROM para armazenamento de programas de CLP, o armazenamento em meios magnéticos é largamente difundido entre os equipamentos comerciais. Entretanto, para compreensão do funcionamento da CPU é importante que se conheça um pouco sobre as memórias semicondutoras, as quais substituíram dispositivos mais antigos formados por núcleos de ferrite.

O circuito eletrônico utilizado para construir memórias semicondutoras são usualmente flip-flops por meio de transistores bipolares, MOS ou outra tecnologia. Embora existam diversos tipos disponíveis, as memórias semicondutoras podem ser classificadas em duas categorias: Volátil e Não Volátil

Memórias de armazenamento voláteis são aquelas nas quais uma perda, mesmo que breve, de alimentação de energia resultará na perda da informação armazenada. Em contrapartida, memórias de armazenamento não voláteis mantêm sua informação mesmo durante ausência de alimentação, o que às vezes é denominado memória retentiva. Na organização do sistema de memória dos CLP, encontra-se o uso de ambos os tipos, incluindo-se ainda, em alguns equipamentos, um sistema de fornecimento de energia via baterias ou acumulador, a fim de manter os dados que estão armazenados em memórias voláteis. Os tipos de memórias e como suas principais características afetam a forma de armazenamento/alteração dos dados serão relacionados em seguida:

RAM: (Random Access Memory) é o tipo de memória volátil mais amplamente

utilizado. Sua principal característica reside no fato de que os dados podem ser gravados e alterados facilmente, ficando a critério das necessidades do usuário. Nos CLP’s, são utilizadas para formar uma área de armazenamento temporário como espécie de rascunho de informações tanto de dados como de programas.

ROM: (Read Only Memory) são memórias especialmente projetadas para manter

armazenadas informações que, sob hipótese alguma, poderão ser alteradas. Assim, sua única forma de acesso é para operação de leitura. Devido a essa característica, elas se encaixam na categoria de memórias não voláteis. Num CLP, elas podem ser encontradas para o armazenamento do programa executivo, por exemplo.

30PROM: (Programmable Read Only Memory) semelhante às ROM, esse tipo de

memória permite que os dados sejam gravados pelo próprio usuário, porém em uma única operação de gravação que, caso mal sucedida, comprometerá permanentemente a sua utilização.

EPROM: (Erasable Programmable Read Only Memory) é um tipo especial de PROM

que permite ao usuário efetuar alterações nos dados ali contidos. O processo de apagamento dos dados pré-armazenados é feito pela exposição temporária do chip a uma fonte de luz ultravioleta. A EPROM pode se constituir um excelente meio de armazenamento não volátil do programa de controle que o CLP irá executar, após, porém, o mesmo Ter sido elaborado e totalmente isento de erros enquanto armazenado em RAM.

EEPROM: (Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory) são dispositivos

de memória que , apesar de não voláteis, oferecem a mesma flexibilidade de reprogramação existente nas RAM. A grande maioria dos CLP’s atuais vêm equipados com EPROM em seu sistema de memória devido à sensível vantagem advinda do seu uso. Porém, elas apresentam duas limitações: primeiro, é o processo de regravação de seus dados que só pode ser efetuado após a limpeza da célula (o que exige um tempo da ordem de milissegundos por byte), e segundo, que a vida útil de uma EEPROM é limitada pelo número de reprogramação que ela pode receber (da ordem de dez mil operações limpeza/escrita).

Após esta rápida apresentação dos principais tipos de memórias semicondutoras, em

seguida, será visto como elas são organizadas e, quais suas principais atribuições no caso específico de um CLP.

Um sistema de memória pode ser, a princípio, visualizado como uma longa fila de células de memória. Como cada uma dessas células contém uma informação digital do tipo “0” e “1”, passarão a ser denominadas simplesmente bit de memória. Entretanto, como os processadores podem manipular mais de um bit de cada vez, essa lista de bit na memória passa a ser organizada em grupos compatíveis com a capacidade do processador. Esses grupos recebem denominações específicas conforme seu tamanho, como já foi definido anteriormente. Tem-se que:

Nibble = 4 bit Byte = 8 bit Word = 16 bit double Word = 32 bit

Estes elementos formarão estrutura do mapa de sistema de memória, conforme

ilustrado abaixo, e cuja quantidade máxima de grupos irá depender da capacidade de endereçamento do processador.

bit Nibble WordByte

DoubleWord

Unidade de memória

31A forma como é organizado o mapa de memória em um CLP varia de fabricante

para fabricante e ainda entre modelos para um único fabricante. Porém, como as necessidades inerentes à operação de um CLP são semelhantes, pode-se generalizar que seu mapa de memória seja constituído por cinco regiões distintas, como ilustrado abaixo.

Programa Executivo

Área de Dados para o Executivo

Tabela de Entradas/Saídas

Área de Dados para a Aplicação

Programa Aplicação (escrito pelo usuário)

Mapa de memória genérico em um CLP A área referente ao executivo deve ser não volátil, já a sua área de trabalho deve ser do

tipo volátil, uma vez que os dados ali armazenados são constantemente atualizadas como, por exemplo, data, hora e estado do equipamento. Essas duas regiões previamente descritas são internas e de responsabilidade exclusiva do fabricante, sendo acessível ao usuário apenas para leitura de algumas variáveis do sistema.

Nas suas áreas do programa de aplicação e de trabalho, é que irão se localizar as linhas

de controle escritas pelo usuário conforme desejada, bem como os dados necessários à sua parametrização. Para o programa, encontram-se normalmente regiões de memória regraváveis, seja por RAM protegida via bateria ou acumulador, seja por EEPROM. Já na área de dados pode ser volátil, sendo que, em alguns equipamentos, apresenta uma parcela de sua região protegida por baterias ou acumulador.

Ë na área dedicada às entradas e saídas do CLP que se encontram as informações

referentes ao estado de cada um dos dispositivos ligados a ele. Na ilustração abaixo, pode-se verificar um exemplo de como é constituída uma área de memória para entradas /saídas.

MEMÓRIA

INTERFACEDE

SAÍDA

INTERFACEDE

ENTRADA

Mapa de memória da área de entrada/saída

32Observa-se que a chave fechada da entrada ocasiona a transição para o nível

lógico 1 do seu respectivo bit na memória, assim como a colocação em nível 1 de um bit de saída leva, por exemplo, ao acendimento de uma lâmpada que esteja hipoteticamente conectada a essa saída. INTERFACES DE ENTRADA E SAÍDA (E/S)

O sistema de entrada/saída é que irá realizar a conexão física entre a CPU e o mundo externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Tais circuitos possuem padrões semelhantes nos diversos equipamento. A seguir, será feito menção a eles, subdividindo-os nos de natureza discreta (ou de um único bit de informação) e naqueles de natureza numérica (analógicos ou de vários bits).

Entradas/Saídas Discretas

São os tipos de sinais mais comumente encontrados em sistemas automatizados com CLP. Nesses tipos de interface, a informação consiste em um único bit cujo estado pode apresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado (daí sua característica discreta). Na tabela seguinte, apresenta-se uma lista de vários dispositivos de entrada/saída com tais características.

DISPOSITIVOS DE ENTRADA DISPOSITIVOS DE SAÍDA Chaves Seletoras Relés de controle

Pushbottons Solenóides Sensores Fotoelétricos Partida de motores Chaves fim-de-curso Válvulas

Sensores de proximidade Ventiladores Chaves sensoras de nível Alarmes

Contatos de partida Lâmpadas Contatos de relés Sirenes

Cada um desses dispositivos é acionado por fontes de alimentação distintas e que

normalmente não são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída discretos são disponíveis em vários níveis de tensão CA ou CC, conforme os seguintes padrões comerciais:

12 Vcc 24 Vcc 110 Vca 220 Vca

Adicionalmente, para as saídas, também são encontrados contatos abre/fecha de relé os quais normalmente suportam correntes de até 1A com isolação de 220 Vca, mas que podem variar conforme o modelo do fabricante. Outra característica é o número de pontos de entrada/saída que possui terminal em comum, o qual pode variar entre dois, quatro ou mais pontos, ou apenas um (saída isolada), o que também dependerá do modelo e fabricante do equipamento.

33A seguir, é apresentada uma série de diagramas referentes a exemplo de

interfaces de entrada/saída do tipo discreto. Filtro

Capacitivo

Entrada

Comum

PonteRetificadora

DivisorResistivo

Optoacoplador

CPU

Interface para entrada de sinais CA / CC

Filtro RC

Saída

ComumOptoacoplador Triac

CPU

Interface para saída de sinal em CA

Saída

ComumOptoacoplador Transistor

+ V

CPU

Interface para saída de sinal CC

Saída

Comum

Optoacoplador Transistor

+ V

CPU

Interface para saída de sinal via contato de relé

Entradas/saídas Numéricas

Com as potencialidades de processamento aritmético que passaram a integrar os processadores nos atuais CLP’s, novas características de controle puderam facilmente ser adicionados a esse equipamento.

34Ainda que o tempo de ciclo de varredura seja demasiado lento, várias aplicações,

como controle térmico ou reação físico-químicas diversas, possuem uma constante de tempo suficientemente grande para que os CP’s possam ser empregados com sucesso.

A recepção ou envio de sinais numéricos se faz principalmente por meio de pontos de entrada/saída analógicos, o que implicitamente significa que dentro do CLP há um circuito conversor analógico-digital ou digital-analógico conforme o caso. A diferença marcante em relação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado, seja pela conversão do sinal analógico, seja pelo tratamento de dispositivos multibis, como é o caso do acionamento de motores de passo, ou o acendimento de display. A tabela seguinte exemplifica alguns dispositivos numéricos de entrada e de saída tanto de características analógicas como características multibits.

ENTRADAS ANALÓGICAS SAÍDAS ANALÓGICAS

Transdutores de tensão e corrente Válvula analógica Transdutores de temperatura Acionamento de motores DC

Transdutores de pressão Controladores de potência Transdutores de fluxo Atuadores analógicos

Potenciômetros Mostradores gráficos L.V.D.T. Medidores analógicos

ENTRADAS MULTIBITS SAÍDAS MULTIBITS Chave Thumbwhell Acionamento de motor de passo Enconder absoluto Display de sete segmentos

Enconder incremental Displays alfanuméricos Cada um dos dispositivos analógicos, em particular, é acionado por fontes de

alimentação distintas e que normalmente são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída analógicas são disponíveis em várias faixas de tensão ou corrente, conforme os seguintes padrões comerciais:

CORRENTE CC: 0 A 20 mA 4 a 20 mA TENSÃO CC: -10V a +10V -5V a +5V +1V a +5V

A seguir, são apresentados diagramas de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas.

bit MSB

bit LSB

Conversoranalógico

digital

Conversorde correnteem tensão

Entrada emcorrente

A/D CPU

Interface para entrada analógica (por corrente)

35

bit MSB

bit LSB

Conversordigital

analógico

Saídaanalógica

ComumCPU D/A

Interface para saída analógica

PERIFÉRICOS

Dentre os diversos equipamentos periféricos aos CLP’s pode-se destacar os de programação, que basicamente, tem por finalidade principal a introdução do programa na memória do CLP e a visualização e documentação do mesmo.

Os equipamentos de programação mais comumente utilizados são os seguintes:

Terminal inteligente: Sendo microprocessado, é capaz de executar funções de edição de programas e outras

independentemente da UCP do controlador. Ele possui sua própria memória com software para criação, alteração e monitoração dos programas. A grande vantagem é a de poder também editar e armazenar os programas de controle sem estar acoplados ao CLP. Esta capacidade é conhecida como programação "off-line"

Em geral estes terminais possuem acionadores de "Floppy-Disks” (discos flexíveis) e programadores de EPROM's o que possibilita também o arquivo de programas tento em Floppy-Disks como em EPROM's.

Alguns terminais possuem ainda uma interface de rede o que permite acoplá-los às redes locais de comunicação. Este arranjo permite o terminal acessar qualquer CLP na rede, alterar parâmetros ou programas, e monitorar quaisquer elementos sem estar acoplado diretamente a qualquer CLP. Com software adequado, este arranjo pode permitir também um meio centralizado de aquisição e apresentação inclusive gráfica, dos dados dos diferentes controladores da rede. Uma desvantagem, é que estes terminais não são intercambiáveis entre diferentes fabricantes de CLP’s.

Microcomputadores

Com o advento dos microcomputadores pessoais (PC’s) e com a crescente utilização dos mesmos em ambientes industriais, a grande maioria dos fabricantes desenvolveram software especiais que possibilitaram utilizá-los também como programadores tanto “on line" como “off line" A grande maioria destes software foram desenvolvidos com base na linha de micros compatíveis com os IBM-PC’s, facilitando inclusive a compilação de programas em linguagens de alto nível (BASIC, C, PASCAL, etc).

Há atualmente uma acentuada utilização destes equipamentos com CLP's, principalmente como Interface Homem-Máquina/Processo no nível de Supervisão do controle de processos.

36Mini-Programadores (Terminais de Bolso)

São bastante compactos, assemelhando-se em muito com as calculadoras de mão. Este equipamento é preferencialmente utilizado para aplicação o campo, para testes e parametrização.

Outros Periféricos

Ainda dentro da família de equipamentos periféricos aos CLP’s pode-se destacar os seguintes: Interface Homem-Máquina

Com dimensões reduzidas, são utilizados principalmente para introdução e visualização de dados e mensagens. São compostos de um teclado numérico-funcional, muitas vezes do tipo membrana1 e de display alfanumérico, sendo gerenciados por um microprocessador. Impressoras

São utilizadas normalmente para prover cópia do programa de controle e geração de relatórios e mensagens ao operador. A comunicação é feita normalmente através de interfaces de comunicação serial padrão RS 232C.

Interfaceamento de Periféricos Comunicação Serial:

É a mais comumente utilizada para a maioria dos periféricos e é feita utilizando-se simples cabos de par-traçado. Os padrões mais utilizados são o RS 232C, loop de corrente 2OmA, e o RS-22IRS485 em alguns casos.

RS-232C: Este padrão define basicamente as características dos sinais elétricos, bem como os detalhes mecânicos (pinagem) da interface.

É empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/seg) e distância máxima de 15 metros. (Com a utilização dos modens esta distância pode ser ampliada).

RS4221RS-485: É uma versão melhorada do padrão RS-232C. Ela possibilita, principalmente, o emprego de velocidade de transmissão de até 100k baud para distância de até 1200m, podendo alcançar velocidades da ordem de Mbaud para distancias menores.

LOOP DE CORRENTE 2OmA: A interface de loop de corrente é idêntica a RS-232C e, evidentemente como é baseada em níveis de corrente em vez de tensão, possibilita o emprego em distâncias bem maiores Muitos CP's oferecem ambos os padrões, RS232C e loop de corrente. SOFTWARE

Recursos de Software do CP:

Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CP são os recursos de software disponíveis, isto é, que funções ele pode executar.

Todos os CLP’s possuem as seguintes funções básicas de software

37 Lógica E, OU e XOR; SET e RESET Temporização e contagem; Cálculos com aritmética básica (+,-,x,÷); Parênteses ( para associação de lógicas): Comparação de valores; Registrador de deslocamento;

Salto A medida que os CLP's tem sua capacidade de processamento aumentada surge a

necessidade de funções de software mais avançadas tais como:

Cálculos com ponto flutuante; Cálculos integrais e trigonométricos Malhas de controle PID; Posicionamento; Contagem rápida; Leitura de sinais analógicos; Leitura de sinais de temperatura; Linearização de sinais analógicos; Lógica fuzzi; Outros.

LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO

Como visto anteriormente os CLP’s foram criados a partir da necessidade de substituir os painéis de controle a relés. Naquele contexto, uma linguagem de programação que fosse familiar 5 experiência dos técnicos e engenheiros, já acostumados com a lógica de relés, seria a escolha mais adequada ao desenvolvimento de programas CLP. Assim, desde então, essa linguagem tem sido a forma mais comumente encontrada nos equipamentos, independente de seu porte.

Entretanto, com as sofisticações oferecidas pelos processadores e seus novos algoritmos, a

representação simbólica dos programas tornou-se, em alguns casos, impossível de ser implementada por meio de um diagrama de relés. Formas alternativas de especificação de programas passaram, então, a ser utilizadas. Quatro formas de linguagem de programação predominam nos CLP’s disponíveis atualmente. São elas:

Diagrama de Contatos Blocos Funcionais Mnemônicos Booleanos Parâmetros Idiomáticos

Apesar de a maioria das instruções de programação poder ser representada em qualquer tipo de

linguagem, há certas particularidades que apenas cada um dos tipos irá fornecer, como é o caso, por exemplo, dos saltos de instruções, chamadas a sub-rotinas e processamento aritmético, dentre outras. A ilustração abaixo apresenta o aspecto de cada uma das formas de linguagem discutidas.

38

E0 S1E2

E1

Diagrama de Contatos

Mnemônicos Booleanos

Ler E0 OU E1 NÃO E E2 = S1

S1E2

E1

E0

Blocos Funcionais

+&

Parâmetros Idiomáticos

SAÍDA S1:= (E0 ou E1) NÃO E E2

Trecho de programa nas quatro linguagens Um diagrama de contatos (também referenciado como Iadder) é a forma mais clara para

apresentar uma lógica de controle aos técnicos e engenheiros eletricistas, uma vez que a principal representação dos contatos NA, NF e relés lhes é familiar. Já um diagrama de bloco funcional tem muita semelhança com os diagramas lógicos utilizados pelos eletrônicos em seus diagramas de portas digitas. Entretanto, são os mnemônicos booleanos a forma mais condizente com a forma como os processadores operam e, portanto, a maneira mais racional de programar um CLP. As três formas que acabaram de ser citadas foram adotadas por um importante fabricante de CLP, o qual passou a denominá-las STEP 5, sigla esta que não deve ser confundida como uma linguagem de programação em si, mas um conjunto delas. Adicionalmente, algumas experiências com programação em linguagem de alto nível têm sido encontradas no mercado de CLP, parâmetros idiomáticos em inglês ou português1 além de linguagens computacionais como C e Pascal, são exemplos já encontrados.

Deve-se observar que essas são características encontradas atualmente, e que, por se encontrarem num mundo tecnologicamente bastante dinâmico, podem, de uma hora para outra, ser rapidamente suplantadas por outras mais avançadas. Assim, devido aos objetivos propostos neste curso, a forma de linguagem de programação a ser adotada será a de diagramas de contatos e os mnemônicos booleanos que, propositadamente, não correspondem ao equipamento de um único fabricante, mas, pelo contrário, buscando o máximo de similaridade com a grande maioria dos PLC disponíveis no mercado. Por este motivo, recomenda-se que ao se implementarem programas reais, realize-se primeiramente um estudo detalhado do manual que o fabricante fornecer.

PROGRAMANDO UM CLP

No CLP deste curso, os pontos de entrada e saída serão identificados por E para as entradas e por S para as saídas, conforme ilustração abaixo.

39E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND

S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND

CLP

Entradas e Saídas no CLP

Instruções de Entrada e Saída O circuito-programa mais simples de ser efetuada é aquele no qual a atuação de urna entrada

causa a conseqüente atuação de uma saída. Este, corno todos os outros programas de CLP, utiliza as duas principais instruções de programação. São elas: a de leitura e atribuição, representadas por ‘Ler’ e ‘= ‘ respectivamente.

Leitura de variável: Ler Erro! Vínculo não válido. Atribuição de valor: = Suponha que seja ligada à entrada E0 do CLP uma chave CH do tipo on-off e, na sua saída S0

uma lâmpada L, como ilustrado abaixo.

E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND

S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND

L

24 V

CH

CLP

Circuito básico de Entrada/Saída

Como a maioria dos CLP’s, o CLP acima também necessita que haja fonte de

alimentação para energizar os pontos de entrada e saída, além de fonte de alimentação para a CPU que não está ilustrada. Será adotado como entrada do CLP um sina positivo de 24 Vcc e, como saída o fechamento de contatos de relés. Cabe ainda observar que o ponto comum GND das entradas é eletricamente isolado do ponto comum GND das saídas.

Assim, deseja-se que o programa de controle efetue a simples tarefa de acender a lâmpada L sempre que a chave CH fechar. Tal programa terá então o seguinte aspecto:

S0E0 Ler E0

= S0 Programa básico de entrada e saída

O que ocorre então é que o processador irá continuamente (conforme ciclo de varredura

visto anteriormente) efetuar a leitura da entrada E0 e efetuar um programa que trata de atribuir à saída S0 o valor que foi lido. Assim, em outras palavras, se a chave CH for fechada, isto fará com

40que E0 passe a nível lógico 1, o que implicará (segundo o programa) que S0 passe também a nível lógico 1 e finalmente atue a saída com respectivo acendimento da lâmpada L.

Circuitos Com Lógica Negativa

Ao utilizar um CLP, o projetista fica com total liberdade de optar pelo tipo de lógica que pretende trabalhar. Qual seja positiva ou negativa. A adoção de uma delas pode depender de fatores tecnológicos ou de padronização do usuário. Porém, qualquer que seja adotada, é importante que o programador não cometa enganos na sua interpretação. A seguir, são apresentadas algumas variações possíveis do exemplo mostrado na figura abaixo.

Leitura de variável negada: Ler N

S0E0 Ler N E0

= S0 Programa básico de entrada e saída com lógica invertida na leitura

No caso da situação apresentada na figura acima, observa-se que a instrução 'Ler N'

(Load Not) irá fazer a leitura do complemento lógico da entrada E0. Ou seja, na prática, a lâmpada L (na figura acima) irá acender enquanto a chave CH estiver aberta e, portanto, apagar quando CH for fechada, uma vez que a chave CH é do tipo normalmente aberta.

Situação prática igual à anterior pode ser obtida também caso seja utilizada a instrução '=N'. Neste caso, conforme apresentado na ilustração abaixo, a leitura da entrada é feita em lógica positiva, mas à saída é atribuído um valor lógico complementar.

Atribuição de valor invertido: = N

S0E0 Ler E0

= N S0 Programa básico de entrada e saída com lógica invertida na atribuição.

Obviamente, caso sejam ambos invertidos, leitura e atribuição, o resultado prático será

como se nenhuma inversão tosse feita, ou seja1 a lâmpada L voltaria a acender quando do fechamento da chave CH, conforme ilustrado em seguida.

S0E0 Ler N E0

= N S0 Programa básico de entrada e saída com lógica duplamente invertida.

Além da lógica de programação poder se invertida, também a natureza do dispositivo

de entrada pode ser invertida. Encontram-se disponíveis aos projetistas tanto dispositivos de contatos normalmente abertos (NA) como a chave CH da figura do CLP acima, como dispositivos com contatos normalmente fechados (NF), os quais abrem o circuito quando atuados.

41Apesar de não haver, a princípio, empecilhos no uso de uma ou outra lógica, em

alguns casos o uso de contatos NF apresenta uma vantagem para o pessoal da manutenção elétrica. Tal ocorre pelo fato de os CLP’s trazerem junto a cada ponto de entrada um LED sinalizador de entrada ativada. Assim, caso um ponto não esteja sinalizado enquanto o respectivo sensor não esteja atuando facilmente conclui-se que existem problemas na interconexão elétrica daquele ponto. Esta conclusão não seria tão facilmente obtida com o uso de contatos NA, pois seria necessária a atuação do respectivo sensor, que pode, por exemplo, se encontrar em local de difícil acesso.

INSTRUÇÔES BOOLEANAS

A realização de programas que exijam operadores lógicos booleanos é facilmente obtida na programação de CLP. Veja os exemplos seguintes para uma avaliação de seu uso.

Operação E AND

S0E0 Ler E0AND E1= S0Ler E2AND E3= S1AND E4= S2

E1

S1E2 E3

S2E4

Programa exemplo com operação lógica AND

Operação E com variável invertida NA

S0E0 Ler E0AN E1= S0Ler E2AN E3= S1AN E4= S2

E1

S1E2 E3

S2E4

Programa exemplo com operação lógica AND e contatos NF

Observa-se que em um mesmo ramo do diagrama de contatos podem existir tantos

contatos em série quanto se necessitar. Esta é uma limitação inexistente no CLP aqui estudado, mas que deve ser observada no caso de equipamentos comerciais.

Outro fato a ser observado é o de que a forma como um CLP executa um programa tem maior semelhança com as instruções booleanas do que com o diagrama de contatos. Assim, analisando o segundo ramo na penúltima figura acima, vê-se que apesar de a instrução '= S0' atribuir à saída 1 o resultado da avaliação lógica E entre as entradas 2 e 3, isto não significa que tal valor seja perdido; ao contrário, ele mantém-se intacto na memória para ser utilizado pelo comando de atribuição da saída 2 que passa então a receber o resultado da avaliação lógica E entre as entradas 2, 3 e 4.

42 Operação OU OR

S0E0

Ler E0

OR E1

OR E2

= S0

E1

E2

Programa exemplo com operação lógica OR

Da mesma forma que na operação 'AND', não existe limite para o número de contatos

em paralelo no CLP aqui estudado. Entretanto, tal regra pode não ser verdadeira no caso de equipamentos reais.

Operação OU com variável invertida ON

S0E0

Ler E0

OR E1

ON E2

= S0

E1

E2

Programa exemplo com operação lógica OR e contatos NF

Uma situação de uso da memória, como aquela que foi discutida anteriormente sobre a

ilustração com operação E, pode ser empregada igualmente no caso da operação 'OR', porém, uma certa atenção deve ser tomada quanto ao diagrama de contatos final obtido. Como exemplo, observa-se o caso do programa seguinte:

Ler E0 = S0 OR E1 = S1

Esse programa resultará em um diagrama de contatos tal que a saída S0 depende apenas

da entrada E1, enquanto a saída S1 receberá como resultado a avaliação lógica OU entre as entradas 0 e 1, o que eqüivale a um diagrama contendo um diodo como apresentado na ilustração abaixo em seguida.

S0E0

E1 S1

Programa com ‘diodo’

43ELABORAÇÃO DE CIRCUITOS

A obtenção de circuito mistos, os quais exigem mais do que a simples utilização de operações booleanas, utiliza-se de uma estrutura computacional denominada 'PILHA'. Com tal recurso, o resultado parcial de uma avaliação lógica é armazenado em uma região de memória, similar a uma pilha de pratos, em que o último valor colocado é o primeiro a ser retirado a cada vez que se efetua uma nova instrução de carregamento L, Essa estrutura às vezes é referida como LIFO (Last In First Our). Por outro lado, a existência de um operador lógico desacompanhado do operando significa que a função lógica será efetuada com o valor previamente armazenado no topo da pilha. Observam-se os exemplos seguintes:

S0E0 Ler E0AND E1Ler E2AND E3OR= S0

E1

E2 E3

Programa de circuitos mistos com ramos séries em paralelos

S0E0 Ler E0OR E2Ler E1OR E3AND= S0

E1

E2 E3

Programa de circuitos mistos com ramos paralelos em séries

E1

Ler E0AND E1Ler E2AND E3ORAND E4Ler E1OR E6Ler E2OR E7ANDORAND E5= S0

E2

E6 E7

S0E0 E1

E2 E3

E4 E5

Programa de circuito misto complexo

Alternativamente, também poderiam ser utilizadas as regiões internas de memórias. Às

vezes denominadas registro ou tag, aqui serão referidas como flags e identificadas por F0, F1, F2, e assim sucessivamente. Cada uma dessas flags representa, em última análise, um relé auxiliar para uso no diagrama de contatos.

Assim, o programa da figura acima, por exemplo, poderia ser refeito utilizando-se de flags como ilustrado na figura abaixo. Apesar de o programa apresentar o mesmo comportamento, do ponto de vista lógico, há uma desvantagem devido ao excessivo uso da

44memória. Este exemplo serve, portanto, apenas para apresentar o uso de flags, sendo o programa descrito na figura acima o mais adequado para ocaso.

F0

Ler E0AND E1= F0Ler E2AND E3= F1Ler F0OR F1AND E4= F2Ler E1OR E6= F3Ler E2OR E7= F4Ler F3AND F4= F5Ler F2OR F5AND E5= S0

F1

F5F3 F4

E2 E3

E4

F1

F2

E1

E6

F3

E2

E7

F4

F2

F5

E5 S0

F0E0 E1

Programa de circuito misto implementado com flags

CIRCUITOS DE INTERTRAVAMENTO

Um fato importante na programação de CLP é a possibilidade de utilizar tantos contatos iguais quantos forem necessários no programa. Isto vale para pontos de entrada, de saída ou outro registro interno do CLP, e essa característica é fundamental para a realização de circuitos com memorização ou de intertravamento. Observa-se, por exemplo, o caso ilustrado pela figura abaixo, no qual a saída S0 permanecerá indeterminadamente ligada após a entrada E0 ter sido acionada pela primeira vez.

E0

S0

S0

Ler E0OR S0= S0

Programa de memorização ou auto-retenção

A estrutura do programa previamente apresentado é às vezes empregada quando se

deseja memorizar, numa aplicação prática, um evento sinalizado por E0 cuja informação terá relevância ao longo de toda execução da aplicação. Entretanto, pode ser de interesse que haja uma forma de desligar o elemento memorizado. Tal é o caso, por exemplo, de uma máquina

45acionada por um contactor K que possua uma botoeira L para ligação e outra botoeira D para desligamento, como ilustrado na figura abaixo.

E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND

S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND

K

24 V

L

D

CLP

Circuito para ligar e desligar uma máquina com botoeiras

Um programa para implementação do controle, como o proposto na figura acima, terá

então o aspecto como mostrado na figura abaixo, caso se deseje prioridade para o desligamento. E0

S0

S0E1Ler E0OR S0AN E1= S0

Programa de liga/desliga com prioridade para o desligamento

Diz-se que o programa anterior tem prioridade para o desligamento, pois, caso ambas as

botoeiras L e D sejam simultaneamente acionadas, prevalecerá a saída desligada uma vez que o ramo E1 abrirá.

Uma outra maneira de implementar a solução do problema proposto é por meio de um programa que dê prioridade para o ligamento, como o mostrado na figura abaixo.

S0

E0

S0E1Ler S0AN E1OR E0= S0

Programa de liga/desliga com prioridade para o ligamento

A implementação de uma ou outra forma de programa é um fator que irá depender

apenas da aplicação em questão, principalmente quanto a aspectos relacionados com a segurança de máquinas e/ou operadores da planta.

46 INSTRUÇÃO DE MEMORIZAÇÃO SET

Uma forma alternativa e recomendável de efetuar a memorização de um valor numa

variável de CLP, é pela instrução 'SET', a qual tem um comportamento idêntico àquele apresentado pelo programa de intertravamento. A principal vantagem obtida na utilização dessa instrução é a economia de uma linha de programa, conforme verifica-se na lista de instruções da figura abaixo.

E0 S0set Ler E0

SET S0

Programa de memorização com instrução SET Convém aqui salientar que esta é uma das características que acaba por diferenciar um

diagrama de comandos a relés de um programa CLP. O código da lista de instrução corresponde exatamente à operação do CLP, mas, entretanto, a notação 'set' junto ao diagrama de contatos trata-se de uma adaptação para representar a função.

INSTRUÇÃO DE DESLIGA MEMÓRIA RES

A instrução que provê o desligamento de uma memória previamente 'setada' é a 'RES'

(do termo em inglês reset) a qual pode apresentar comportamento de prioridade para o desligamento, como o da saída S0 da figura abaixo, ou de prioridade para o ligamento, conforme saída S1 da mesma ilustração.

E0 S0set

E1 S0ret

E2 S1retE3 S1set

Ler E0SET S0Ler E1RET S0Ler E2RET S1Ler E3SET S1

Programa-exemplo de usos para a instrução RES

CIRCUITO DE DETECÇÃO DE BORDA

Existem situações no controle discreto em que o estado de uma variável não é suficiente como informação, mais do que isto, é o instante em que ela comuta que se torna relevante. Assim, chama-se detecção de borda o estratagema utilizado para determinar o momento em que uma variável transiciona para nível lógico alto (detecção de borda de subida) ou para nível lógico baixo (detecção de borda de descida).

O programa capaz de realizar a detecção de uma borda de subida numa variável de CLP utiliza-se do conceito de ciclo de varredura, pois a informação desejada ficará disponível por

47apenas o tempo de um desses ciclos. Para fins de interpretação, esse tempo é o equivalente a um impulso unitário. O programa capaz de efetuar tal tarefa é apresentada na figura abaixo.