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  • 1 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle sãointroduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, como fator preponderantedo 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 deprodução 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 donível de chão de fabrica para voltar seu foco para o gerenciamento da informação. Apesar dadiferença sutil entre os termos, é importante salientar a existência de dois termos muitodifundidos popularmente: automatização e automação. O termo automatização se difundiu desde a construção das primeiras máquinas e seconsolidou com a revolução industrial e, portanto, automatização está indissoluvelmente ligadaà sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é sinônimo de mecanização,portanto reproduz ação. Caso se entenda que tal mecanização implica somente em uma açãocega, sem correção, tem-se um sistema no qual a saída independe da entrada, ou seja, não existeuma relação entre o valor desejado para um sistema e o valor recebido por este, por meio davariável 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 determinadopor leis físicas indissoluvelmente associadas ao hardware utilizado. Hardware que pode ser danatureza mecânica, elétrica, térmica, hidráulica, eletrônica ou outra. A automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroemsistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas domeio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva maisapropriada 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 expressaentre o valor de saída em relação ao da entrada de referencia do processo. Essa relaçãoentrada/saída serve para corrigir eventuais valores na saída que estejam fora dos valoresdesejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de umprograma ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando ocálculo para ajuste e correção. O valor desejado também é conhecido da literatura inglese comosetpoint. Na automação, prevê-se o uso extensivo dos mesmos conceitos associados àautomatização. Entretanto, o nível de flexibilidade imputado ao sistema é bem mais elevado pelofato de estar indissoluvelmente associado ao conceito de software. Tal recurso provê, a umsistema dotado de automação, a fim de, intencionalmente, produzir-se uma gama diferenciada deresultados. Embora se esteja associando o conceito de um controle de malha aberta ao de malhafechada por meio dos termos automatização e automação, respectivamente, o termoautomatização também é empregado para situações em que a saída depende da entrada por meiode 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 deum sistema de controle inteligente”. Apesar de sutil diferença entre os termos, confundidos até por importantes autores naárea, em ambos os casos o sistema deverá seguir as leis básicas da cibernética (ciência queestuda e estabelece a teoria geral de sistemas). Uma delas é que todo sistema dotado de retroaçãoe controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal característica é arealimentação das informações requeridas para o seu controle, conforme ilustra a malha derealimentação da figura abaixo. Processo Atuador Sensor Processo Controlador 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 sensoresenviam um sinal, que pode ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos demedição e controle. Ou, caso exista a necessidade de medir um grandeza elétrica (como porexemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico qualquer envolvendo grandezas físicas quenão sejam de natureza elétrica, tem-se , conceitualmente, a necessidade de utilizar umtransdutor, que se caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ouestímulo, de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional àamplitude desse estímulo. Os transdutores também são conhecidos como conversores de sinais. Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinadaforça de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de umaação de controle (maneira pela qual o controlador produz o sinal de controle). Podem sermagnéticos, 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 decontrolador 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 serápossível obter uma efetiva ação de controle. Neste trabalho, porém, o controle abordado será dotipo discreto, portanto o controlador que se está preconizando é o controlador lógicoprogramável, a ser visto em detalhes posteriormente. Muitas das aplicações existentes destinadas ao controle de processos se mostraminsatisfatórias, pois dentro de um curto período de tempo, existe a necessidade de amostrar osinal a ser controlado e de obter uma alta velocidade de resposta. Basta um atraso narealimentação do sistema e os novos dados irão gerar uma solução de controle baseada emvalores 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 geralmenteencontrados 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 aautomação é sinônimo de desemprego. Com a pretensão de mostrar algumas facetas dessapolêmica frase, sem correr o risco de que vire mais um fetiche, é preciso uma contextualizaçãohistórica. Desde 1767, quando Hargreaves construiu uma máquina de fiar que substituía otrabalho que era executado pelo equivalente a 100 homens, e mais tarde, quando Arkwrightinventou o tear mecânico (movido pela força da água), calculava-se haver, na Inglaterra,aproximadamente 7900 pessoas empregadas na produção de tecidos de algodão. Todas elaspreocupadas com a dificuldade futura de encontrar emprego. Em apenas 25 anos, o número depessoas que estavam trabalhando em fiação e tecelagem de algodão era aproximadamente320.000, um aumento de quase 4.000%. O que se verificou neste caso foi um aumento da produção, proporcionado pelapossibilidade de se produzir em série, com máquinas automatizadas que revolucionaram oparadigma industrial da época. Em 1870 e 1880, a marinha mercante inglesa aumentou seu movimento para cerca de22.000.000 de toneladas, só em carregamentos para o exterior e descargas, entretanto, o númerode homens empregados na realização desse grande movimento diminuiu em 1880, quandocomparado ao de 1870. Isto ocorreu motivado pela introdução de máquinas de içar a vapor eelevadores de grãos e cereais. Verifica-se. neste caso uma aparente diminuição da mão-de-obra, porém outrosempregos foram criados, quando da fabricação dessas máquinas de içar a vapor e de taiselevadores, 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 vaporexistentes no mundo. e em operação no ano de 1887, foi calculada pelo departamento deestatística, em Berlim, como o equivalente à 200.000.000 cavalos, o equivalente a 1.000.000.000de homens, ou, pelo menos, três vezes a população ativa da Terra. Na depressão de 1932, começou-se novamente a lançar à máquina a culpa pelodesemprego. Por outro lado, a preocupação em criar empregos, em Houston, Texas, por volta de1941, era tanta, que mestres-encanadores e o sindicato concordaram em que canos pré-fabricadospara a instalação só seriam instalados pelos membros do sindicato, somente se a rosca de umadas extremidade do cano fosse cortada, para que se pudesse acrescentar uma nova rosca, no localda instalação. Em várias outras cidades, o sindicato dos eletricistas exigia que, se qualquer luz ouforça temporária tivesse que ser usada numa construção, deveria ser mantido na obra umeletricista, com tempo integral, ao qual não deixam o operário sem seu emprego.
  • 4 A primeira dama norte-americana, Sra. Eleanor Roosevelt, em 1945, escreveunuma coluna de jornal sindicalizado: “chegamos, hoje, a um ponto em que os processos paraeconomizar 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 falavamsolenemente da “automação” como a principal causa do desemprego. Esse processo tecnológicocontínuo e irreversível foi debatido como se fosse alguma coisa inteiramente nova no mundo. Neste avanço tecnológico alguns inventos apenas aperfeiçoam seus materiais, tornandosua aplicabilidade mais confiável e de mais qualidade como é o caso do plástico, vidro, madeirae o aço. Outros, como o avião, realizam operações que a mão-de-obra direta não poderia realizare são possíveis graças ao nível de automação que se tem atualmente. E a grande maioria delasacabam criando novas profissões, gerando diversas ocupações decorrentes de seu impacto socialtecnológico, 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 algumasprofissões 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 portransformações bem acentuadas como é o caso do agrônomo, do médico, do engenheiro e docostureiro. Como não poderia deixar de ser diferente, no Brasil, o setor de automação se constituium mercado emergente. O setor conta com fornecedores nacionais e internacionais de todas aslinhas de produtos para o controle de processos nos mais diferentes níveis. Como a informaçãose 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, oBrasil conta com o que há de mais moderno nessa área, apresentando soluções sofisticadas e deúltima geração, estando representado pelas principais empresas do setor mundial. Estima-se que a taxa de faturamento e crescimento desse mercado gira em torno de15%, caso persista o crescimento econômico dado pela estabilização da economia brasileiraneste final de século. O mercado potencial brasileiro para este setor, em 1998, segundo aABINEE – 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 deUS$ 1,8 bilhões. Observe o gráfico da figura abaixo mostrando o faturamento bruto das principaisempresas do setor até 1997, dados coletados no 8o Congresso e Exposição Internacional deAutomação. Faturamento Bruto US$ milhões 700 600 630 500 540 400 530 300 500 200 450 100 370 0 93 94 95 96 97 98(*)
  • 5 Segundo os dados do Ministério do Trabalho, no Brasil, entre 1990 e 1997, houveuma redução de mais de 2 milhões d empregos formais dentre os quais, os empregos deatividades relacionadas à automação contribuíram de maneira substancial. É clara que estasituação deve ser analisada juntamente com o contexto sócio-econômico global, em que fortescrises internacionais também contribuíram para que esses números fossem expressivos. Em linhas gerais, pairam atualmente sobre a sociedade questões de cunho filosóficocujas 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 entediantese 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 executoresde tarefas repetitivas, dentro de uma concepção mecênica, tornando-se escravos da máquina. Nasociedade 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 àrevolução científica e técnica do novo significado do trabalho. “O objetivo econômico de qualquer indivíduo, como o de qualquer nação, é o de obteros melhores resultados com um mínimo de esforço; este, talvez, seja o fetiche do plenoemprego”.
  • 7 LÓGICA COMBINACIONAL Quando se pretende medir uma determinada grandeza a ser observada, a instrumentaçãoeletrônica proporciona dispositivos que se caracterizam por serem digitais, uma vez que seusmostradores são a display, e outros, por serem analógicos, pelo fato de seus mostradores seremrepresentados por meio de ponteiros ou formas de onda. Na verdade, mesmo que este ou aquele equipamento esteja sendo classificado, porexemplo, como do tipo digital, não se pode esquecer que internamente ele pode estarmanipulando sinais analógicos ( um transistor operando como amplificador), assim comomanipulando sinais digitais ( um transistor operando como chave). Portanto, diz-se que, mesmo que um dispositivo seja do tipo digital ou analógico, eleopera internamente com um sistema misto digital/analógico).SINAIS ANALÓGICOS E DIGITAIS Muitas são as vantagens dos circuitos digitais em relação aos analógicos, mas paraentender tais primazias, faz-se necessárias a compreensão de suas diferenças.Sinais Analógicos Um sinal é dito analógico quando varia continuamente no tempo, também chamado desinal de tempo contínuo. Essa variação contínua estabelece a marcação de infinitos valoresdentro de um intervalo qualquer, como representado na figura abaixo. Com isto, qualquerinstrumento que indique variáveis por meio de ponteiros ou formas de ondas são exemplos dedispositivos analógicos, tais quais; velocidade de automóvel, relógios de ponteiros, entre outros. Sinal de tempo contínuo Sinal de tempo discretoSinais Digitais Um sinal é dito digital quando varia bruscamente no tempo, também chamado de sinalde tempo discreto. Essa variação discreta estabelece a marcação de uma quantidade finita devalore dentro de um intervalo qualquer, como representado na figura acima. Com isto, qualquerinstrumento que indique variáveis por meios de números ou dígitos são exemplos de dispositivosdigitais, 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 doisníveis: 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 digitalempregada (CMOS, TTL, entre outras). Sendo assim, enquanto os circuitos analógicos operampor 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 detensão, em relação aos circuitos analógicos. Imaginem se existisse um sinal digital de “base10”,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 representaçãode 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 aindafacilmente diferenciar entre a presença e a ausência numa boa margem de valores, e o 0 continuasendo 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 detensão, para o reconhecimento e um determinado nível lógico, seus projetos são mais baratos queos analógicos, uma vez que os digitais empregam essencialmente circuitos de chamamento(transistores, resistores e diodos) fundamentalmente) e os analógicos se utilizam de dispositivosmais robustos (capacitores, indutores, resistores de precisão, transformadores), sendo menosadequados 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 deoperações lógicas e aritmética, eliminam a possibilidade de correção de erros de transmissão ourecepção, além de serem mais simples e mais baratos.SISTEMAS NUMÉRICOS Os sistemas numéricos foram criados pelos homens para representara quantidaderelacionada às sua observações. Tais sistemas foram desenvolvidos por meio de símbolos,caracteres e do estabelecimento de regras para a sua representação gráfica. O número decaracteres 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-secolocando-a como subscrito à direita do caractere menos significativo do valor que está sendoidentificado, como por exemplo: 1610 que representa o algarismo dezesseis na base 10. Ossistemas 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 deregistrar cento e vinte e sete vírgula trinta e três unidades de tensão. Cada caracter possui umvalor referente à posição que ele ocupa em relação aos demais , ou seja, essa notação é chamadade notação posicional do valor observado. Os caracteres têm maior significação no sentido dadireita para a esquerda do número. Neste caso, o algarismo 1, à esquerda, é o mais significativo eo 3, mais à direita, o menos significativo. No caso da base ser decimal, esse índice pode seromitido. Qualquer sistema representado em sua forma posicional pode ser decomposto numaforma 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 10-2Binário O sistema binário é representado por dois símbolos que são os caracteres 0 e 1. Umarepresentação posicional no sistema binário pode ser desenvolvida numa forma polinomial queenvolve 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 ovalor 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 menossignificativo, 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 representaçãopolinomial 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
  • 10Conversão Decimal para Binário Neste caso, usa-se um método conhecido como método das “divisões sucessivas”, noqual 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 1Ocatal Uma representação posicional no sistema octal pode ser desenvolvida numa formapolinomial 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 = 46,40625Conversão Octal para Decimal O equivalente é obtido da representação polinomial, exemplo acima, do número da base8 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 1Hexadecimal Uma representação posicional no sistema hexadecimal pode ser desenvolvida numaforma 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 informaçãoprocessada num sistema digital deve ser convertida para o sistema decimal e, em muitasaplicações , o sistema digital estará representado pelo código BCD. Para efetuar a conversão do sistema decimal para o código BCD (Binary CodedDecimal), cada dígito decimal é diretamente convertido para 4 bits no código binário. O exemploabaixo mostra como representar o decimal no sistema BCD. 3 2 4 , 1 60011 0010 0100 0001 0110 324,1610 = 0011 0010 0100,0001 0110BDCESTADOS LÓGICOS Como foi anteriormente, os circuitos digitais processam informações utilizando-se dosistema 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 umaanalogia 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, taisquais: 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 estabelecidapor 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 duascondições 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 estejaacesa ou apagada, verdadeiro ou falso, respectivamente. Y será verdadeiro quando A e B foremverdadeiros. Se A e B forem falsos, Y será necessariamente uma proposição falsa. As relaçõesentre as variáveis A e B e A ou B representam operações lógicas. Como será definidoposteriormente, Y representa a saída da função lógica desse exemplo.
  • 12Tabela Verdade Também chamada de tabela de combinação. A confecção da tabela verdade é, emgeral, o primeiro passo para a análise e compreensão de um problema de lógica. Mostrar uma tabela verdade é escrever todas as combinações possíveis dos estadoslógicos 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 dalâmpada, 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 conhecidascomo variáveis de entrada. Neste exemplo, têm-se as variáveis A e B. Tais colunas devem serpreenchidas segundo o número total de hipóteses avaliadas no problema. Neste caso, como sãoapenas as variáveis de entrada, têm-se quatro combinações de ocorrência. A última colunadefine o resultado lógico esperado, ou variáveis de saída. A variável Y é verificada segundo ométodo dedutivo pelo argumento afirmação do antecedente. Verifique o resultado nas tabelas doexemplo abaixo. A B Y A B Y F F F 0 0 0 F V F 0 1 0 V F F 1 0 0 V V V 1 1 1 Observe que ao associar estado lógico “verdadeiro” ao valor binário “1” e “falso” aonível lógico “0”, estão sendo dadas as condições de realizar operações lógicas, com regrasapoiadas na álgebra de boole, que será estudada posteriormente. A figura abaixo traz um diagrama em blocos que mostra como resolver, em etapas, umproblema de lógica. Interpretação Tabela - Geração de lógica Verdade funções lógicas Organização do raciocínio na solução de problemas de lógicas
  • 13Funções Lógicas Define-se uma função lógica como aquela definida na álgebra elementar, porem suaimagem 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 decombinações é: Y=A*BEm que o símbolo “*” representa a operação lógica da multiplicação. As operações lógicas envolvidas fazem parte de um corolário baseado na álgebra deboole. A seguir, apresentam-se as funções lógicas básicas seguidas de sua tabela verdade eanalogias com um circuito elétrico e seu diagrama de contatos (também conhecido originalmentecomo diagrama de Ladder).Função “SIM ou IDENTIDADE” Função: Tabela verdade: A Y Y=A 0 0 1 1 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: A A Y Y Lâmpada apagada Observe em sua tabela de combinações que a saída é um espelho da entrada.Função “OU” Função: Tabela verdade: A B Y Y = A +B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: A B A Y B Y
  • 14Função “E” Função: Tabela verdade: A B Y Y=A*B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: A B A B Y YFunção “NÃO” Função: Tabela verdade: A Y Y=A 0 1 1 0 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: R A Y ou A Y A YFunção “NÃO OU” Função: Tabela verdade: A B Y Y = A +B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: R A Y B A B Y
  • 15Função “NÃO E” Função: Tabela verdade: A B Y Y=A*B 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: R A A B Y Y BFunção “OU EXCLUSIVO” Função: Tabela verdade: A B Y Y=A*B+A*B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: R A B A A B Y Y A B Y B A B A BFunção “NÃO OU EXCLUSIVO” Função: Tabela verdade: A B Y Y=A*B+A*B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Circuito elétrico equivalente: Diagrama de contatos: A B A B A B Y A B Y O diagrama de contatos apresentados em todas as funções lógicas representa alinguagem de programação mais usadas nos controladores lógicos programáveis, como serávisto mais adiante.
  • 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 emodelos matemáticos que possam ser interpretado por eles. Estes princípios matemáticos sãodenominados 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 dedemonstração. Os postulados servem de base e sustentação aos teoremas, assim como na álgebraconvencional. 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 possuemcorrespondência na álgebra tradicional. A operação “e” continua tendo prioridade sobre a operação “ou”, do mesmo modo queos 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 tornarevidentes. Tais proposições são apresentadas a seguir, segundo o grau de aplicação para oconteúdo abordado e explorado pelos circuitos lógicos orientados para o controle de processos. Uma vez que tais teoremas são de extrema simplicidade, sua demonstração não seránecessária. 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 seguealgumas operações que devem ser entendidas e memorizadas: 0*0=0 1+1=1 1*0=0 0+1=1 1*1=1 0+0=0 A*0=0 A+1=1 A*1=A A +0 = A 0=1 0=0 1=0 1=1 A+A=A A*A=A
  • 18MAPAS DE KARNAUGH Os diagramas ou mapas de Karnaugh, tais como uma tabela verdade, caracterizam ummeio de mostrar a relação entre as variáveis de entrada em função da saída de uma expressãobooleana. Tais mapas são representados por arranjos retangulares divididos em 2n quadradosmchamados celas, em que “n” caracteriza o número de variáveis envolvidas. Cada “cela” possuium código binário que a caracteriza. Esse código também pode ser o correspondente decimal ouainda, 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) c) B B BA 0 1 A 0 1 A 0 1 00 01 0 1 0 0 0 A*B A*B 10 11 2 3 1 1 1 A*B A*B Celas nominadas com Celas nominadas com código binário código decimal Celas nominadas algebricamente Embora todas as três formas de nomear uma “cela” sejam válidas, optar-se-á pelanomenclatura do item b) para a representação de mapas. Quando o interesse for de nomes agrupos 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 dispostasna forma vertical ou horizontal, como mostra a figura abaixo.a) B b)AB 0 0 1 1 BC 00 01 11 10 00 A 0 1 3 2 2 3 0 01 4 5 7 6 6 7 1 11 4 5 10 Para um mapa de quatro variáveis, tem-se um total de 16 “celas”, como mostra a figuraabaixo. CD 00 01 11 10 AB 0 1 3 2 00 4 5 7 6 01 12 13 15 14 11 8 9 11 10 10
  • 19Representação da Função Para obter a função algébrica de uma tabela verdade por meio de técnica gráfica deKarnaugh, deve-se obedecer a um procedimento básico quando do seu mapeamento. Tlalprocedimento é descrito em seguida: 1. Representação da função no mapa. Um bit “1” deve ser colocado na cela de mesmo nome (equivalente decimal) que afunção assume o valor 1, ou seja, os mintermos (produto algébrico de todas as variáveis) para osquais a função assume o nível lógico 1 devem ser transportados para o mapa. Por exemplo: umatabela verdade com três premissas, a combinação A = 0, B = 1 e C = 1, deve fazer com que afunção 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 umafunção 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. Porexemplo: caso se tenha uma tabela com três variáveis, devem-se formar grupos de no máximaquatro celas, seguidas de duas e por último, uma única cela. Observe que o número de celas dogrupo deve ser igual a uma potência de 2, cuja única exceção serve para o grupo unitário (comuma única cela). Deve-se repetir este procedimento até que todas as celas, para as quais a função assumiro estado lógico 1, estejam devidamente agrupadas. 3. Nomeação dos grupos formados Após a formação dos grupos formados, eles devem ser nomeados obedecendo a regraspróprias. Primeiramente, verifique os conjuntos comuns a todas as celas do grupo. O nome dogrupo será formado pelas variáveis comuns a todas essas celas. Caso uma variável seja comum epossuir o estado lógico 0, esta irá contribuir para o nome do grupo representado pelo seucomplemento. Ver exemplo abaixo. CD CD 00 01 11 10 00 01 11 10AB 0 AB 11 13 2 AD 0 1 3 2 00 00 4 A 15 17 4 5 7 6 6 01 01 12 13 15 14 12 13 15 14 11 11 8 9 11 10 8 9 11 10 10 10 D
  • 20 Observe que para as celas 1,3,5 e 7, as únicas variáveis que não variam são: A eD. Como a variável A assume o estado lógico 0 nas quatro celas, seu complemento dá nome aogrupo, bem como a variável D assume o estado lógico 1 nas quatro celas, ela também dá nomeao grupo. 4. Exclusão de grupos. Devem-se excluir grupos que estejam totalmente inclusos em outro grupo. Logo, sóparticipará da expressão minimizada, o grupo que pelo menos uma das suas celas não pertença aoutro grupo. Ver exemplo abaixo. CD 00 01 11 10AB O grupo AD deve ser excluído, 10 1 1 1 3 1 2 AD uma vez que suas celas já participaram da 00 4 15 17 6 formação de outros dois grupos. 01 12 1 13 1 15 14 A função lógica é um somatório de 11 BD 8 9 11 10 todos os grupos encontrados, ou seja 10 F = AB + BD AB 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 representaçãoda função por meio do mapeamento de Karnaugh. Observe a resolução de um problema de lógica combinacional em todas as suas etapasno exemplo abaixo. Exemplo Pedro decidiu ir ao boliche desde que Márcia fosse com ele e pudesse ser usado o carroda família. Márcia, no entanto, decidiu ir à piscina desde que não estivesse chovendo e atemperatura estivesse acima de 25 graus. O pai de Pedro planejou usar o carro para ir aosupermercado caso chovesse, ou se a temperatura estivesse acima dos 25 graus. Em quecondições 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, porémtanto Márcia quanto o carro dependem das condições ambientais, tais como: tempo etemperatura. Logo, Pedro depende do tempo e da temperatura. Veja como é feita a atribuiçãológica. sem chuva 0 maior que 25o 0Tempo (t) Temperatura (T) sem chuva 1 menor que 25o 1
  • 21 Esta atribuição de nível lógico é aleatória, ou seja: a hipótese de estar chovendopoderia 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 comoconseqüência 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), epuder sair (item 2), portanto: o resultado é a intersecção das condições (1) e (2). A única hipóteseque torna as proposições verdadeiras ao mesmo tempo é para T = 1 e t = 1. Observe a tabelaverdade. 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 ocritério segundo o qual: P = 0, não vai ao boliche; e P = 1, Pedro vai. A expressão lógica quetorna 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 deKarnaugh para a representação de sua função booleana, devido à facilidade de sua tabelaverdade, mas caso tivesse sido optado pelo mapa, o modelo seria o da figura abaixo. T t 0 1 00 01 0 10 1 11 Tt 1
  • 22Funções Incompletas Existem certos problemas que apresentam, em uma das combinações possíveis de suatabela verdade, o resultado lógico indefinido, ou seja, para aquela proposição tanto faz um estadológico 0 ou 1. Para esses casos, deve-se proceder marcando com a letra “x” o valor da saídadessa proposição. A cela correspondente no mapa de Karnaugh também recebe o mesmo valor, aletra “x”, que participa na formação dos grupos como se ali tivesse um nível lógico 1.
  • 23 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEISINTRODUÇÃO Este estudo tem como objetivo uma prover visão geral das características e recursoshoje disponível no mercado de Controladores Programáveis (CP’s), bem como, a sua aplicaçãonos diversos campos da automação industrial e controle de processos, onde as necessidades deflexibilidade, 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 decomando elaboravam circuitos digitais como contatos programáveis. O programa eraarmazenado em plugs multi-pinos e as instruções codificadas por meio de ligações elétricas entreos pinos destes plugs. Esses programas eram muito limitados, e, sua principal função era aseleção 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 onerososcom muitas alterações na fiação ocasionando número de horas paradas, além das dificuldades emmanter documentação atualizada dos esquemas de comando modificado. Com a industrialização da eletrônica, os custos diminuíram, ao mesmo tempo em que aflexibilidade aumentou, permitindo a utilização de comandos eletrônicos em larga escala. Mas alguns problemas persistiram, em que sentia estes problemas de forma significativaera a indústria automobilística, pois a cada ano com o lançamento de novos modelos, muitospainéis era sucateados pois os custos para alteração eram maiores do que a instalação de novospainéis. Porém, em 1968 a GM através de sua Divisão Hidromatic preparou as especificaçõesdetalhadas do que posteriormente denominou-se de Controlador Programável (CP). Estasespecificações retratavam as necessidades da indústria, independentemente do produto final queiria ser fabricado. Em 1969 foi instalado o primeiro CP na GM executando apenas funções deinter-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 dedados e introdução de terminais de programação. De 1975 a 1979 foram incrementados ainda maiores recursos de software quepropiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de malha fechada comalgoritmos PID, utilização de estações remotas de interfaces de E/S (Entradas e Saídas) e acomunicação com outros equipamentos “inteligentes”. Com os desenvolvimentos deste período, o CP passou a substituir o microcomputadorem muitas aplicações industrias. Nesta atual, através dos enormes avanços tecnológicos, tanto de hardware como desoftware, 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 custosextremamente atraentes.
  • 24 Abaixo 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 umdispositivo 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 deconfundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as trêscaracterísticas básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controleindustrial como sendo um controlador lógico programável:
  • 25 a) 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 marcaregistrada 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 aum equipamento capaz de efetuar controles diversos além do de lógica.DEFINIÇÃO Sistema eletrônico digital, desenvolvido para uso em ambiente industrial, que usa umamemória Programável para armazenamento interno de instruções do usuário, paraimplementação 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 seremintegrados dentro de um sistema de controle industrial e finalmente usados a todas as funções asquais são destinados. A norma NEMA define formalmente um PLC como: “Suporte eletrônico-digital paraarmazenar instruções de funções específicas, como de lógica, seqüencialização, contagem earitmética; 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 funcionamentobaseado 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, sãoapresentados, em seguida, alguns conceitos associados, os quais são de fundamental importânciaque sejam assimilados.Variáveis de entrada: São sinais externos do que recebidos pelo CLP, os quais podem ser oriundos de fontespertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Tais sinais sãogerados 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 poderãoservir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio, ou tambémpoderão servir para sinalização de saída de contactores, válvulas, lâmpadas, displays, dentreoutros.Programa Seqüência específica de instruções, selecionadas de um conjunto de opções oferecidaspelo CLP em uso e, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não as memóriasinternas e os pontos de saída do PLC a partir da monitoração do estado das mesmas memóriasinternas e/ou dos pontos de entrada do CLP. Um CLP é basicamente composto por dois elemento principais: uma CPU (UnidadeCentral de Processamento) e interfaces para os sinais de entrada e saída. A ilustração abaixomostra o diagramas de blocos de um CLP genérico. E Proces- Memó- S N sador ria A T R Í A D D C.P.U. A A O diagrama de blocos a seguir, ilustra a lógica funcional de um CLP. M E M Ó R IA D E PRO G RA M A U N ID A D E C E N T R A L D E PRO C ESSA M EN T O FO N TE M E M Ó R IA DE DADOS I N 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 Com a partida, o CLP executará as seguintes tarefas: 1. Transferirá os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados (RAM).
  • 27 2. 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, davelocidade e característica do processador utilizado, do tamanho do programa de controle dousuário, alem da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo seencontra 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 otempo de execução do ciclo de varredura, pois deve executar uma rotina imediatamente, ou aindaquando o sinal de entrada é emitido por um tempo inferior ao mesmo ciclo, há casos em que oCLP 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 devarredura 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, asseguintes partes básicas: FONTE DE ALIMENTAÇÃO UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTOS – (C.P.U.) MEMÓRIAS INTERFACE DE ENTRADA E SAÍDA (E/S) TERMINAL DE PROGRAMAÇÃOFONTE DE ALIMENTAÇÃO: É um dispositivo que converte a voltagem de rede elétrica local, de corrente alternadapara uma voltagem em corrente contínua (figura abaixo). Ela fornece todos os níveis de tensãoexigidos para as operações internas do CLP (Ex.: CPU, Memória, E/S). O CLP recebe alimentação da rede elétrica local; caso falte energia elétrica, a bateriamantém o programa do usuário para não perder toda a programação. Quando a energia elétricaretorna, o processador entra em operação e reinicia o ciclo de trabalho no programa do usuário.
  • 28 ALIMENTAÇÃO FONTE DE Mantém o CLP REDE ELÉTRICA ALIMENTA- em LOCAL ÇÃO ESTA- funcionamento 127VAC BILIZAÇÃO 220VAC A bateria mantém os COMPARTI- dados na memória, MENTO DE caso falte energia BATERIA elétrica Diagrama em blocos resumido do sistema de alimentação de CLPUNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU): A CPU é o cérebro do sistema. Ela lê o sinal das entradas na memória de dados, executaoperações aritméticas e lógicas baseadas na memória de programa, e gera os comandosapropriados para a memória de dados controlar os estados das saídas. A principal função do processador é o gerenciamento de todo o sistema composto peloCLP. 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 deexecução do ciclo de varredura. C . P . U. Periféricos Sistema Programa Terminal de Operacional Do programação do CLP Memórias Usuário Gravador “Monitor” 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
  • 29 alguns 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, quedeve estar armazenada e disponível em algum local. Tal região é denominada sistema dememória, que deverá estar organizada de modo a formar o “mapa de memória”. Para entender oassunto, faz-se necessário definir o que seja uma célula de memória e que tipo existemdisponíveis atualmente, para então, em seguida, compreender como são organizados os mapas dememória em um CLP. Uma célula de memória é a unidade básica para armazenamento de um único bit deinformações em um sistema de memória. As memórias semicondutoras, a gravação magnética ea gravação ótica são os métodos mais largamente utilizadas para armazenamento de informaçãodigital. Embora não se encontrem ainda discos de CD-ROM para armazenamento de programasde CLP, o armazenamento em meios magnéticos é largamente difundido entre os equipamentoscomerciais. Entretanto, para compreensão do funcionamento da CPU é importante que seconheça um pouco sobre as memórias semicondutoras, as quais substituíram dispositivos maisantigos formados por núcleos de ferrite. O circuito eletrônico utilizado para construir memórias semicondutoras são usualmenteflip-flops por meio de transistores bipolares, MOS ou outra tecnologia. Embora existam diversostipos 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 quebreve, de alimentação de energia resultará na perda da informação armazenada. Emcontrapartida, memórias de armazenamento não voláteis mantêm sua informação mesmo duranteausência de alimentação, o que às vezes é denominado memória retentiva. Na organização dosistema de memória dos CLP, encontra-se o uso de ambos os tipos, incluindo-se ainda, emalguns equipamentos, um sistema de fornecimento de energia via baterias ou acumulador, a fimde manter os dados que estão armazenados em memórias voláteis. Os tipos de memórias e comosuas principais características afetam a forma de armazenamento/alteração dos dados serãorelacionados em seguida: RAM: (Random Access Memory) é o tipo de memória volátil mais amplamenteutilizado. Sua principal característica reside no fato de que os dados podem ser gravados ealterados facilmente, ficando a critério das necessidades do usuário. Nos CLP’s, são utilizadaspara formar uma área de armazenamento temporário como espécie de rascunho de informaçõestanto de dados como de programas. ROM: (Read Only Memory) são memórias especialmente projetadas para manterarmazenadas informações que, sob hipótese alguma, poderão ser alteradas. Assim, sua únicaforma de acesso é para operação de leitura. Devido a essa característica, elas se encaixam nacategoria de memórias não voláteis. Num CLP, elas podem ser encontradas para oarmazenamento do programa executivo, por exemplo.
  • 30 PROM: (Programmable Read Only Memory) semelhante às ROM, esse tipo dememória permite que os dados sejam gravados pelo próprio usuário, porém em uma únicaoperação de gravação que, caso mal sucedida, comprometerá permanentemente a sua utilização. EPROM: (Erasable Programmable Read Only Memory) é um tipo especial de PROMque permite ao usuário efetuar alterações nos dados ali contidos. O processo de apagamento dosdados 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 decontrole que o CLP irá executar, após, porém, o mesmo Ter sido elaborado e totalmente isentode erros enquanto armazenado em RAM. EEPROM: (Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory) são dispositivosde memória que , apesar de não voláteis, oferecem a mesma flexibilidade de reprogramaçãoexistente nas RAM. A grande maioria dos CLP’s atuais vêm equipados com EPROM em seusistema de memória devido à sensível vantagem advinda do seu uso. Porém, elas apresentamduas limitações: primeiro, é o processo de regravação de seus dados que só pode ser efetuadoapós a limpeza da célula (o que exige um tempo da ordem de milissegundos por byte), esegundo, que a vida útil de uma EEPROM é limitada pelo número de reprogramação que elapode receber (da ordem de dez mil operações limpeza/escrita). Após esta rápida apresentação dos principais tipos de memórias semicondutoras, emseguida, será visto como elas são organizadas e, quais suas principais atribuições no casoespecífico de um CLP. Um sistema de memória pode ser, a princípio, visualizado como uma longa fila decélulas 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 osprocessadores podem manipular mais de um bit de cada vez, essa lista de bit na memória passa aser organizada em grupos compatíveis com a capacidade do processador. Esses grupos recebemdenominações específicas conforme seu tamanho, como já foi definido anteriormente. Tem-seque: Nibble = 4 bit Byte = 8 bit Word = 16 bit double Word = 32 bit Estes elementos formarão estrutura do mapa de sistema de memória, conformeilustrado abaixo, e cuja quantidade máxima de grupos irá depender da capacidade deendereçamento do processador. bit Nibble Byte Word DoubleWord Unidade de memória
  • 31 A forma como é organizado o mapa de memória em um CLP varia de fabricantepara fabricante e ainda entre modelos para um único fabricante. Porém, como as necessidadesinerentes à operação de um CLP são semelhantes, pode-se generalizar que seu mapa de memóriaseja 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 dotipo volátil, uma vez que os dados ali armazenados são constantemente atualizadas como, porexemplo, data, hora e estado do equipamento. Essas duas regiões previamente descritas sãointernas e de responsabilidade exclusiva do fabricante, sendo acessível ao usuário apenas paraleitura de algumas variáveis do sistema. Nas suas áreas do programa de aplicação e de trabalho, é que irão se localizar as linhasde controle escritas pelo usuário conforme desejada, bem como os dados necessários à suaparametrização. 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 podeser volátil, sendo que, em alguns equipamentos, apresenta uma parcela de sua região protegidapor baterias ou acumulador. Ë na área dedicada às entradas e saídas do CLP que se encontram as informaçõesreferentes ao estado de cada um dos dispositivos ligados a ele. Na ilustração abaixo, pode-severificar um exemplo de como é constituída uma área de memória para entradas /saídas. INTERFACE MEMÓRIA DE ENTRADA INTERFACE DE SAÍDA Mapa de memória da área de entrada/saída
  • 32 Observa-se que a chave fechada da entrada ocasiona a transição para o nívellógico 1 do seu respectivo bit na memória, assim como a colocação em nível 1 de um bit de saídaleva, por exemplo, ao acendimento de uma lâmpada que esteja hipoteticamente conectada a essasaída.INTERFACES DE ENTRADA E SAÍDA (E/S) O sistema de entrada/saída é que irá realizar a conexão física entre a CPU e o mundoexterno por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Tais circuitos possuem padrõessemelhantes nos diversos equipamento. A seguir, será feito menção a eles, subdividindo-os nosde 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 comCLP. Nesses tipos de interface, a informação consiste em um único bit cujo estado podeapresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado (daí sua característica discreta). Natabela seguinte, apresenta-se uma lista de vários dispositivos de entrada/saída com taiscaracterísticas. 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 quenormalmente não são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces comdispositivos 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 osquais normalmente suportam correntes de até 1A com isolação de 220 Vca, mas que podemvariar conforme o modelo do fabricante. Outra característica é o número de pontos deentrada/saída que possui terminal em comum, o qual pode variar entre dois, quatro ou maispontos, ou apenas um (saída isolada), o que também dependerá do modelo e fabricante doequipamento.
  • 33 A seguir, é apresentada uma série de diagramas referentes a exemplo deinterfaces de entrada/saída do tipo discreto. Filtro Capacitivo Entrada CPU Comum Ponte Divisor Optoacoplador Retificadora Resistivo Interface para entrada de sinais CA / CC Saída CPU Optoacoplador Triac Filtro RC Comum Interface para saída de sinal em CA +V CPU Saída Optoacoplador Transistor Comum Interface para saída de sinal CC +V Saída CPU Comum Optoacoplador Transistor Interface para saída de sinal via contato de reléEntradas/saídas Numéricas Com as potencialidades de processamento aritmético que passaram a integrar osprocessadores nos atuais CLP’s, novas características de controle puderam facilmente seradicionados a esse equipamento.
  • 34 Ainda que o tempo de ciclo de varredura seja demasiado lento, várias aplicações,como controle térmico ou reação físico-químicas diversas, possuem uma constante de temposuficientemente 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 deentrada/saída analógicos, o que implicitamente significa que dentro do CLP há um circuitoconversor analógico-digital ou digital-analógico conforme o caso. A diferença marcante emrelação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado, seja pela conversão dosinal analógico, seja pelo tratamento de dispositivos multibis, como é o caso do acionamento demotores de passo, ou o acendimento de display. A tabela seguinte exemplifica algunsdispositivos numéricos de entrada e de saída tanto de características analógicas comocaracterísticas 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 dealimentação distintas e que normalmente são de mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, asinterfaces com dispositivos de entrada/saída analógicas são disponíveis em várias faixas detensão ou corrente, conforme os seguintes padrões comerciais:CORRENTE CC: 0 A 20 mA 4 a 20 mATENSÃO CC: -10V a +10V -5V a +5V +1V a +5V A seguir, são apresentados diagramas de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas. Entrada em bit MSB corrente A/D CPU bit LSB Conversor de corrente Conversor em tensão analógico digital Interface para entrada analógica (por corrente)
  • 35 Saída bit MSB analógica CPU D/A bit LSB Comum Conversor digital analógico Interface para saída analógicaPERIFÉRICOS Dentre os diversos equipamentos periféricos aos CLP’s pode-se destacar os deprogramação, que basicamente, tem por finalidade principal a introdução do programa namemória 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 outrasindependentemente da UCP do controlador. Ele possui sua própria memória com software paracriação, alteração e monitoração dos programas. A grande vantagem é a de poder também editare armazenar os programas de controle sem estar acoplados ao CLP. Esta capacidade é conhecidacomo programação "off-line" Em geral estes terminais possuem acionadores de "Floppy-Disks” (discos flexíveis) eprogramadores de EPROMs o que possibilita também o arquivo de programas tento em Floppy-Disks como em EPROMs. Alguns terminais possuem ainda uma interface de rede o que permite acoplá-los àsredes locais de comunicação. Este arranjo permite o terminal acessar qualquer CLP na rede,alterar parâmetros ou programas, e monitorar quaisquer elementos sem estar acopladodiretamente a qualquer CLP. Com software adequado, este arranjo pode permitir também ummeio centralizado de aquisição e apresentação inclusive gráfica, dos dados dos diferentescontroladores da rede. Uma desvantagem, é que estes terminais não são intercambiáveis entrediferentes fabricantes de CLP’s.Microcomputadores Com o advento dos microcomputadores pessoais (PC’s) e com a crescente utilizaçãodos mesmos em ambientes industriais, a grande maioria dos fabricantes desenvolveram softwareespeciais que possibilitaram utilizá-los também como programadores tanto “on line" como “offline" A grande maioria destes software foram desenvolvidos com base na linha de microscompatíveis com os IBM-PC’s, facilitando inclusive a compilação de programas em linguagensde alto nível (BASIC, C, PASCAL, etc). Há atualmente uma acentuada utilização destes equipamentos com CLPs,principalmente como Interface Homem-Máquina/Processo no nível de Supervisão do controle deprocessos.
  • 36Mini-Programadores (Terminais de Bolso) São bastante compactos, assemelhando-se em muito com as calculadoras de mão. Esteequipamento 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 osseguintes:Interface Homem-Máquina Com dimensões reduzidas, são utilizados principalmente para introdução e visualizaçãode dados e mensagens. São compostos de um teclado numérico-funcional, muitas vezes do tipomembrana1 e de display alfanumérico, sendo gerenciados por um microprocessador.Impressoras São utilizadas normalmente para prover cópia do programa de controle e geração derelatórios e mensagens ao operador. A comunicação é feita normalmente através de interfaces decomunicação serial padrão RS 232C.Interfaceamento de PeriféricosComunicação Serial: É a mais comumente utilizada para a maioria dos periféricos e é feita utilizando-sesimples cabos de par-traçado. Os padrões mais utilizados são o RS 232C, loop de corrente2OmA, e o RS-22IRS485 em alguns casos. RS-232C: Este padrão define basicamente as características dos sinais elétricos, bemcomo os detalhes mecânicos (pinagem) da interface. É empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/seg) e distânciamáxima 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 até1200m, podendo alcançar velocidades da ordem de Mbaud para distancias menores. LOOP DE CORRENTE 2OmA: A interface de loop de corrente é idêntica a RS-232Ce, evidentemente como é baseada em níveis de corrente em vez de tensão, possibilita o empregoem distâncias bem maiores Muitos CPs oferecem ambos os padrões, RS232C e loop de corrente.SOFTWARERecursos de Software do CP: Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CP são osrecursos 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 CLPs tem sua capacidade de processamento aumentada surge anecessidade 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 ospainéis de controle a relés. Naquele contexto, uma linguagem de programação que fosse familiar 5experiência dos técnicos e engenheiros, já acostumados com a lógica de relés, seria a escolha maisadequada ao desenvolvimento de programas CLP. Assim, desde então, essa linguagem tem sido a formamais comumente encontrada nos equipamentos, independente de seu porte. Entretanto, com as sofisticações oferecidas pelos processadores e seus novos algoritmos, arepresentação simbólica dos programas tornou-se, em alguns casos, impossível de ser implementada pormeio de um diagrama de relés. Formas alternativas de especificação de programas passaram, então, a serutilizadas. 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 delinguagem, há certas particularidades que apenas cada um dos tipos irá fornecer, como é o caso, porexemplo, dos saltos de instruções, chamadas a sub-rotinas e processamento aritmético, dentre outras. Ailustração abaixo apresenta o aspecto de cada uma das formas de linguagem discutidas.
  • 38 Diagrama de Contatos Mnemônicos Booleanos E0 E2 S1 Ler E0 OU E1 E1 NÃO E E2 = S1 Blocos Funcionais Parâmetros Idiomáticos E0 + SAÍDA S1:= (E0 ou E1) NÃO E E2 E1 & S1 E2 Trecho de programa nas quatro linguagens Um diagrama de contatos (também referenciado como Iadder) é a forma mais clara paraapresentar uma lógica de controle aos técnicos e engenheiros eletricistas, uma vez que a principalrepresentação dos contatos NA, NF e relés lhes é familiar. Já um diagrama de bloco funcionaltem muita semelhança com os diagramas lógicos utilizados pelos eletrônicos em seus diagramasde portas digitas. Entretanto, são os mnemônicos booleanos a forma mais condizente com aforma como os processadores operam e, portanto, a maneira mais racional de programar umCLP. As três formas que acabaram de ser citadas foram adotadas por um importante fabricantede CLP, o qual passou a denominá-las STEP 5, sigla esta que não deve ser confundida como umalinguagem de programação em si, mas um conjunto delas. Adicionalmente, algumas experiênciascom 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 ePascal, são exemplos já encontrados. Deve-se observar que essas são características encontradas atualmente, e que, por seencontrarem num mundo tecnologicamente bastante dinâmico, podem, de uma hora para outra,ser rapidamente suplantadas por outras mais avançadas. Assim, devido aos objetivos propostosneste curso, a forma de linguagem de programação a ser adotada será a de diagramas de contatose os mnemônicos booleanos que, propositadamente, não correspondem ao equipamento de umúnico fabricante, mas, pelo contrário, buscando o máximo de similaridade com a grande maioriados PLC disponíveis no mercado. Por este motivo, recomenda-se que ao se implementaremprogramas reais, realize-se primeiramente um estudo detalhado do manual que o fabricantefornecer.PROGRAMANDO UM CLP No CLP deste curso, os pontos de entrada e saída serão identificados por E para asentradas e por S para as saídas, conforme ilustração abaixo.
  • 39 E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND CLP S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND Entradas e Saídas no CLPInstruções de Entrada e Saída O circuito-programa mais simples de ser efetuada é aquele no qual a atuação de urna entradacausa a conseqüente atuação de uma saída. Este, corno todos os outros programas de CLP, utiliza as duasprincipais 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 S0uma lâmpada L, como ilustrado abaixo. CH E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND 24 V CLP S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND L Circuito básico de Entrada/Saída Como a maioria dos CLP’s, o CLP acima também necessita que haja fonte dealimentação para energizar os pontos de entrada e saída, além de fonte de alimentação para aCPU 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 GNDdas entradas é eletricamente isolado do ponto comum GND das saídas. Assim, deseja-se que o programa de controle efetue a simples tarefa de acender alâmpada L sempre que a chave CH fechar. Tal programa terá então o seguinte aspecto: E0 S0 Ler E0 = S0 Programa básico de entrada e saída O que ocorre então é que o processador irá continuamente (conforme ciclo de varreduravisto anteriormente) efetuar a leitura da entrada E0 e efetuar um programa que trata de atribuir àsaída 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 tambéma 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 lógicaque pretende trabalhar. Qual seja positiva ou negativa. A adoção de uma delas pode depender defatores tecnológicos ou de padronização do usuário. Porém, qualquer que seja adotada, éimportante que o programador não cometa enganos na sua interpretação. A seguir, sãoapresentadas algumas variações possíveis do exemplo mostrado na figura abaixo. Leitura de variável negada: Ler N E0 S0 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, alâmpada L (na figura acima) irá acender enquanto a chave CH estiver aberta e, portanto, apagarquando 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 emlógica positiva, mas à saída é atribuído um valor lógico complementar. Atribuição de valor invertido: =N E0 S0 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 serácomo se nenhuma inversão tosse feita, ou seja1 a lâmpada L voltaria a acender quando dofechamento da chave CH, conforme ilustrado em seguida. E0 S0 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 dispositivode entrada pode ser invertida. Encontram-se disponíveis aos projetistas tanto dispositivos decontatos normalmente abertos (NA) como a chave CH da figura do CLP acima, comodispositivos com contatos normalmente fechados (NF), os quais abrem o circuito quandoatuados.
  • 41 Apesar de não haver, a princípio, empecilhos no uso de uma ou outra lógica, emalguns casos o uso de contatos NF apresenta uma vantagem para o pessoal da manutençãoelétrica. Tal ocorre pelo fato de os CLP’s trazerem junto a cada ponto de entrada um LEDsinalizador de entrada ativada. Assim, caso um ponto não esteja sinalizado enquanto o respectivosensor não esteja atuando facilmente conclui-se que existem problemas na interconexão elétricadaquele ponto. Esta conclusão não seria tão facilmente obtida com o uso de contatos NA, poisseria necessária a atuação do respectivo sensor, que pode, por exemplo, se encontrar em local dedifícil acesso.INSTRUÇÔES BOOLEANAS A realização de programas que exijam operadores lógicos booleanos é facilmente obtidana programação de CLP. Veja os exemplos seguintes para uma avaliação de seu uso. Operação E AND E0 E1 S0 Ler E0 AND E1 E2 E3 S1 = S0 Ler E2 AND E3 E4 S2 = S1 AND E4 = S2 Programa exemplo com operação lógica AND Operação E com variável invertida NA E0 E1 S0 Ler E0 AN E1 E2 E3 S1 = S0 Ler E2 AN E3 E4 S2 = S1 AN E4 = S2 Programa exemplo com operação lógica AND e contatos NF Observa-se que em um mesmo ramo do diagrama de contatos podem existir tantoscontatos 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 temmaior 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 = S0atribuir à saída 1 o resultado da avaliação lógica E entre as entradas 2 e 3, isto não significa quetal valor seja perdido; ao contrário, ele mantém-se intacto na memória para ser utilizado pelocomando de atribuição da saída 2 que passa então a receber o resultado da avaliação lógica Eentre as entradas 2, 3 e 4.
  • 42 Operação OU OR E0 S0 Ler E0 E1 OR E1 OR E2 E2 = S0 Programa exemplo com operação lógica OR Da mesma forma que na operação AND, não existe limite para o número de contatosem paralelo no CLP aqui estudado. Entretanto, tal regra pode não ser verdadeira no caso deequipamentos reais. Operação OU com variável invertida ON E0 S0 Ler E0 E1 OR E1 ON E2 E2 = S0 Programa exemplo com operação lógica OR e contatos NF Uma situação de uso da memória, como aquela que foi discutida anteriormente sobre ailustração 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 apenasda entrada E1, enquanto a saída S1 receberá como resultado a avaliação lógica OU entre asentradas 0 e 1, o que eqüivale a um diagrama contendo um diodo como apresentado na ilustraçãoabaixo em seguida. E0 S0 E1 S1 Programa com ‘diodo’
  • 43ELABORAÇÃO DE CIRCUITOS A obtenção de circuito mistos, os quais exigem mais do que a simples utilização deoperações booleanas, utiliza-se de uma estrutura computacional denominada PILHA. Com talrecurso, 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 cadavez que se efetua uma nova instrução de carregamento L, Essa estrutura às vezes é referida comoLIFO (Last In First Our). Por outro lado, a existência de um operador lógico desacompanhadodo operando significa que a função lógica será efetuada com o valor previamente armazenado notopo da pilha. Observam-se os exemplos seguintes: E0 E1 S0 Ler E0 AND E1 E2 E3 Ler E2 AND E3 OR = S0 Programa de circuitos mistos com ramos séries em paralelos E0 E1 S0 Ler E0 OR E2 E2 E3 Ler E1 OR E3 AND = S0 Programa de circuitos mistos com ramos paralelos em séries Ler E0 E0 E1 E4 E5 S0 AND E1 Ler E2 AND E3 E2 E3 OR AND E4 E1 E2 Ler E1 OR E6 Ler E2 E6 E7 OR E7 AND OR AND E5 = S0 Programa de circuito misto complexo Alternativamente, também poderiam ser utilizadas as regiões internas de memórias. Àsvezes 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 auxiliarpara uso no diagrama de contatos. Assim, o programa da figura acima, por exemplo, poderia ser refeito utilizando-se deflags como ilustrado na figura abaixo. Apesar de o programa apresentar o mesmocomportamento, 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 oprograma descrito na figura acima o mais adequado para ocaso. E0 E1 F0 E2 E3 Ler E0 F1 AND E1 = F0 F0 E4 F2 Ler E2 AND E3 F1 = F1 Ler F0 OR F1 E1 F3 AND E4 = F2 E6 Ler E1 OR E6 = F3 E2 F4 Ler E2 OR E7 E7 = F4 Ler F3 AND F4 F3 F4 F5 = F5 Ler F2 F2 E5 S0 OR F5 AND E5 F5 = S0 Programa de circuito misto implementado com flagsCIRCUITOS DE INTERTRAVAMENTO Um fato importante na programação de CLP é a possibilidade de utilizar tantos contatosiguais quantos forem necessários no programa. Isto vale para pontos de entrada, de saída ououtro registro interno do CLP, e essa característica é fundamental para a realização de circuitoscom memorização ou de intertravamento. Observa-se, por exemplo, o caso ilustrado pela figuraabaixo, no qual a saída S0 permanecerá indeterminadamente ligada após a entrada E0 ter sidoacionada pela primeira vez. E0 S0 Ler E0 S0 OR S0 = S0 Programa de memorização ou auto-retenção A estrutura do programa previamente apresentado é às vezes empregada quando sedeseja memorizar, numa aplicação prática, um evento sinalizado por E0 cuja informação terárelevância ao longo de toda execução da aplicação. Entretanto, pode ser de interesse que hajauma 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 Dpara desligamento, como ilustrado na figura abaixo. L D E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 GND 24 V CLP S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 GND K Circuito para ligar e desligar uma máquina com botoeiras Um programa para implementação do controle, como o proposto na figura acima, teráentão o aspecto como mostrado na figura abaixo, caso se deseje prioridade para o desligamento. E0 E1 S0 Ler E0 OR S0 S0 AN 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 asbotoeiras L e D sejam simultaneamente acionadas, prevalecerá a saída desligada uma vez que oramo E1 abrirá. Uma outra maneira de implementar a solução do problema proposto é por meio de umprograma que dê prioridade para o ligamento, como o mostrado na figura abaixo. S0 E1 S0 Ler S0 AN E1 E0 OR 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 dependerapenas da aplicação em questão, principalmente quanto a aspectos relacionados com a segurançade máquinas e/ou operadores da planta.
  • 46 INSTRUÇÃO DE MEMORIZAÇÃO SET Uma forma alternativa e recomendável de efetuar a memorização de um valor numavariável de CLP, é pela instrução SET, a qual tem um comportamento idêntico àqueleapresentado pelo programa de intertravamento. A principal vantagem obtida na utilização dessainstrução é a economia de uma linha de programa, conforme verifica-se na lista de instruções dafigura abaixo. E0 S0 set Ler E0 SET S0 Programa de memorização com instrução SET Convém aqui salientar que esta é uma das características que acaba por diferenciar umdiagrama de comandos a relés de um programa CLP. O código da lista de instrução correspondeexatamente à operação do CLP, mas, entretanto, a notação set junto ao diagrama de contatostrata-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 odesligamento, como o da saída S0 da figura abaixo, ou de prioridade para o ligamento, conformesaída S1 da mesma ilustração. E0 S0 set Ler E0 E1 SET S0 S0 ret Ler E1 RET S0 E2 S1 ret Ler E2 RET S1 E3 S1 Ler E3 set SET S1 Programa-exemplo de usos para a instrução RESCIRCUITO DE DETECÇÃO DE BORDA Existem situações no controle discreto em que o estado de uma variável não é suficientecomo 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 queuma variável transiciona para nível lógico alto (detecção de borda de subida) ou para nível lógicobaixo (detecção de borda de descida). O programa capaz de realizar a detecção de uma borda de subida numa variável de CLPutiliza-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 oequivalente a um impulso unitário. O programa capaz de efetuar tal tarefa é apresentada na figuraabaixo.