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Controle Programável: Características e Tipos de Memória, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

Saiba sobre controladores programáveis, seus componentes, funcionamento e tipos de memória. Aprenda sobre memória executiva, memória do sistema, memória de status de e/s, memória de dados e memória do usuário. Compreenda as vantagens de usar controladores programáveis em máquinas industriais, equipamentos industriais e controle de energia.

Tipologia: Notas de estudo

2010

Compartilhado em 04/09/2010

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Baixe Controle Programável: Características e Tipos de Memória e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Manutenção, somente na Docsity! Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Campinas – S.P. 2003 Controladores Programáveis Controladores Programáveis  SENAI-SP, 2001 Trabalho elaborado pela Escola Senai “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Coordenação Geral Magno Diaz Gomes Equipe responsável Coordenação Luíz Zambon Neto Elaboração Edson Carretoni Júnior Conteúdo técnico Sérgio Luiz Risso Versão Preliminar SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP senaizer@sp.senai.br Controladores Programáveis SENAI 5 Controladores programáveis Informações gerais O primeiro CP surgiu na indústria automobilística, até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações seqüenciadas e repetitivas numa linha de montagem. A primeira geração de CP’s utilizou componentes discretos, como transistores e Circuitos Integrados (CI’s) com baixa escala de integração. Este equipamento foi batizado nos Estados Unidos como PLC (Programable Logic Control ), em português CLP (Controlador Lógico Programável ) e este termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de CP’s). Por esta razão usaremos o termo CP, Controlador Programável. Definição segundo a ABNT É um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Definição segundo a NEMA Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções para implementações específicas, como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. Características Basicamente, um controlador programável apresenta as seguintes características: • hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção da produção; Controladores Programáveis SENAI 6 • capacidade de operação em ambiente industrial; • sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e substituição; • hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia; • possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou sistema, através da comunicação com computadores; • compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída; • capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que consomem correntes de até 2 A; • hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de módulos, de acordo com a necessidade; • custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de controle convencionais; • possibilidade de expansão da capacidade de memória; • conexão com outros CP’s através de rede de comunicação. Histórico O controlador programável nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de se mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira. Nascia, assim, a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais, que no Brasil é estimado em 50 milhões de dólares anuais. Evolução Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware. Controladores Programáveis SENAI 7 O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc. Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos no nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade. Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais em nível de chão-de-fábrica. Este barramento diminui sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo. Hoje os CP’s oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem resultar em economia que excede o custo do CP e devem ser considerados na seleção de um dispositivo de controle industrial. Vantagens As vantagens da utilização dos CP's, comparados a outros dispositivos de controle industrial, são: • menor espaço ocupado; • menor potência elétrica requerida; • reutilização; • programável: • maior confiabilidade; • fácil manutenção; • maior flexibilidade; • permite interface através de rede de comunicação com outros CP’s e microcomputadores; • projeto mais rápido. Todos estes aspectos mostram a evolução de tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite acesso a um maior número de pessoas nos projetos de aplicação de controladores programáveis e na sua programação. Controladores Programáveis SENAI 10 Dentre as partes integrantes desta estrutura temos: • UCP; • Memória; • E/S (Entradas e Saídas); • Terminal de Programação. Unidade central de processamento (UCP) A Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento. Este processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de um programa: • processamento cíclico; • processamento por interrupção; • processamento comandado por tempo; • processamento por evento. Processamento cíclico É a forma mais comum de execução que predomina em todas as UCP’s conhecidas. Delas advém o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa, contidas na memória, são lidas uma após a outra, seqüencialmente, do início ao fim, daí retornando ao início, ciclicamente. Início Fim Controladores Programáveis SENAI 11 Um dado importante de uma UCP é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 1ms a cada 1.000 instruções). Processamento por interrupção Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a UCP interrompe o ciclo normal de programa e executa outro programa chamado rotina de interrupção. Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção. Uma interrupção pode ser necessária, por exemplo, numa situação de emergência. Início Fim Interrupção Ciclo normal de programa Rotina de interrupção Processamento comandado por tempo Da mesma forma que determinadas execuções não podem ser dependentes do ciclo normal de programa, algumas devem ocorrer com certos intervalos de tempo, as vezes muito curto, na ordem de milisegundos. Esse tipo de processamento também pode ser encarado como um tipo de interrupção, porém, ocorre com intervalos regulares de tempo dentro do ciclo normal de programa. Controladores Programáveis SENAI 12 Processamento por evento Trata-se de processamento em eventos específicos como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da UCP. Neste último caso temos o chamado Watch Dog Time (WD), que normalmente ocorre ao se detectar condição de estouro de tempo de ciclo da UCP, parando o processamento numa condição de falha, indicando-a ao operador através de sinal visual e às vezes, sonoro. Memória O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável. Armazena todas as instruções e dados necessários para executá-las. Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende: • Tipo de informação armazenada; • Forma como a informação será processada pela UCP. As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, formadas sempre com o mesmo número de bits. A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória, previstas para o sistema. Controladores Programáveis SENAI 15 Armazena resultados e/ou operações intermediárias, geradas pelo sistema, quando necessário. Pode ser considerada como um tipo de rascunho. Não pode ser acessada nem alterada pelo usuário. Memória de Status de E/S - A memória de status dos módulos de E/S são do tipo RAM. A UCP, após efetuar a leitura dos estados de todas as entradas, armazena essas informações na área denominada status das entradas ou imagem das entradas. Após o processamento dessas informações, os resultados serão armazenados na área denominada status das saídas ou imagem das saídas. Memória de Dados - As memórias de dados são do tipo RAM, e armazenam valores do processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário. Funções de temporização, contagem, aritméticas e especiais, necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados. Estes dados podem ser: • Valores pré-selecionados ou acumulados de contagem e temporização; • Resultados ou variáveis de operações aritméticas; • Resultados ou dados diversificados a serem utilizados por funções de manipulação de dados. Controladores Programáveis SENAI 16 Memória do Usuário - A UCP lê as instruções contidas nesta área a fim de executar o programa do usuário, de acordo com os procedimentos do sistema operacional. As memórias destinadas ao usuário podem ser do tipo: • RAM; • RAM/EPROM; • RAM/EEPROM. Quadro: Tipos de memória de usuário Tipo de Memória Descrição RAM A maioria do CP’s utiliza memórias RAM para armazenar o programa do usuário assim como os dados internos do sistema. RAM/EPROM O usuário desenvolve o programa e efetua testes em RAM. Uma vez checado o programa, este é transferido para EPROM. RAM/EEPROM Esta configuração de memória do usuário permite que, uma vez definido o programa, este seja copiado em EEPROM. Uma vez efetuada a cópia, o CP poderá operar tanto em RAM como em EEPROM. Para qualquer modificação bastará um comando via software, e este tipo de memória será apagada e gravada eletricamente. Módulos de entrada Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores, localizados no campo, e a lógica de controle de um controlador programável. Esses módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber certo número de variáveis. Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Controladores Programáveis SENAI 17 Elementos discretos Este tipo de entrada trabalha com dois níveis definidos: ligado e desligado (0 ou 1). Elementos analógicos Este tipo de entrada trabalha numa faixa de valores conhecidos. Módulos de saída Os módulos de saída são elementos que fazem interface entre o processador e os elementos atuadores. Esses módulos são constituídos de cartões com capacidade de enviar sinal para atuadores, conforme a lógica de controle. BOTÃO CHAVE PRESSOSTATO FLUXOSTATO TERMOSTATO FIM DE CURSO TECLADO CHAVE BCD FOTOCÉLULA OUTROS CARTÕES DISCRETOS UCP TRANSMISSORES UCP C.A. C.A. C.A. C.A. C.A. C.A. TACO GERADOR TERMOPAR TERMO RESISTÊNCIA SENSOR DE POSIÇÃO OUTROS Controladores Programáveis SENAI 21 Princípio de funcionamento de um CP Um controlador programável tem seu funcionamento baseado num sistema de microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de varredura. Estados de operação Basicamente, a UCP de um controlador programável possui dois estados de operação : • programação • execução A UCP pode assumir, também, o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa. Programação Neste estado o CP não executa programa, não assumindo nenhuma lógica de controle. Ficando preparado para ser configurado, receber novos programas ou modificações de programas já instalados. Este tipo de programação é chamado off- line (fora de linha). Execução Estado em que o CP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores podem sofrer modificações de programa. Este tipo de programação é chamado on-line (em linha). Controladores Programáveis SENAI 22 Funcionamento Ao ser energizado, o CP, no estado de execução, cumpre uma rotina de inicialização gravada em seu sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas : • limpeza da memória imagem, para operandos não retentivos; • teste de memória RAM; • teste de executabilidade do programa. Após a execução desta rotina, a UCP passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop (laço). Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto ocorre a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas. Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória. Terminando o processamento do programa, os valores obtidos serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas. Ocorre também, a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc. Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores desta tabela de saídas para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento, é iniciado um novo ciclo (loop). Para a verificação do funcionamento da UCP, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito, chamado Watch Dog Time, supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da UCP será interrompido, sendo assumido um estado de erro (WD). O termo varredura ou scan, é usado para dar nome a um ciclo completo de operação (loop). O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura e depende do tamanho do programa do usuário e da quantidade de pontos de entrada e saída. Controladores Programáveis SENAI 25 Programação Linguagem de programação Na execução de tarefas ou resolução de problemas com dispositivos microprocessados, é necessária a utilização de uma linguagem de programação, para o usuário se comunicar com a máquina. A linguagem de programação é uma ferramenta necessária para gerar o programa que vai coordenar e seqüenciar as operações que o microprocessador deve executar. Classificação • linguagem de baixo nível • linguagem de alto nível Linguagem de baixo nível Conhecida por linguagem de máquina, é a linguagem corrente de um microprocessador ou microcontrolador, onde as instruções são escritas em código binário (bits 0 e 1). Para minimizar as dificuldades de programação usando este código, pode-se utilizar também o código hexadecimal. Cada microprocessador ou microcontrolador possui estruturas internas diferentes. Portanto, seus conjuntos de registros e instruções também são diferentes. Linguagem de alto nível É uma linguagem próxima da linguagem corrente, utilizada na comunicação de pessoas. Controladores Programáveis SENAI 26 Quando um microcomputador trabalha com uma linguagem de alto nível, é necessária a utilização de compiladores e interpretadores para traduzir este programa em linguagem de máquina. Vantagem - Elaboração de programa em tempo menor, não necessitando de conhecimento da arquitetura do microprocessador. Desvantagem - Tempo de processamento maior do que o despendido em sistemas desenvolvidos em linguagens de baixo nível. Programação de controladores programáveis Podemos programar um controlador através de um software que possibilita usualmente quatro formas de apresentação da lógica do usuário: • diagrama de contatos; • diagrama de blocos lógicos; • lista de instruções; • texto estruturado. Alguns tipos de software de programação possibilitam a programação em mais de uma forma. É o caso do STEP 5 da Siemens, como também os baseados na norma IEC 1331-3 Diagrama de contatos Também conhecida como: • diagrama de relés; • diagrama escada; • diagrama Ladder. Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima à forma normalmente usada em diagramas elétricos. COMPILADORES OU INTERPRETADORES PROGRAMA 1111 0000 0101 0100 Controladores Programáveis SENAI 27 Diagrama de blocos lógicos Mesma linguagem utilizada em lógica digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas. Lista de instrução Linguagem semelhante à utilizada na elaboração de programas para computadores. Análise das linguagens de programação Com o objetivo de ajudar na escolha de um sistema que melhor se adapte às necessidades de cada usuário, pode-se analisar as características das linguagens de programação disponíveis em CP’s. Esta análise se deterá nos seguintes pontos: • forma de programação; • forma de representação; • documentação; • conjunto de instruções. Forma de programação É a maneira pela qual o programa se estrutura. Esta forma pode ser linear ou estruturada. Programação Linear - Programa escrito em um único bloco. Programação Estruturada - Estrutura de programação que permite: • organização; • desenvolvimento de bibliotecas de rotinas utilitárias para uso em vários programas; • facilidade de manutenção; • simplicidade de documentação e fácil entendimento por outras pessoas, além do autor do software. Permite também dividir o programa segundo critérios funcionais, operacionais ou geográficos. Controladores Programáveis SENAI 31 Sistemas automáticos de controle A cada dia que passa, os sistemas manuais de controle, ou seja, aqueles comandados por um operário, vem sendo mais e mais substituídos por sistemas de controle automáticos. Estes, por sua vez, vêm apresentando um desenvolvimento que torna necessário seu estudo pormenorizado, pois são encontrados nos mais diversos setores da indústria como por exemplo, em controle de máquinas operatrizes, linhas de montagem automáticas, controle de temperatura e qualidade, robótica e até mesmo em controle de tráfico urbano. Estudaremos o sistema de controle automático no que se refere ao subsistema eletrônico. Sistema Sistema é um conjunto de elementos (ou subsistemas) reunidos de forma a executar uma determinada tarefa, como por exemplo, o comando de uma máquina. Um sistema comporta vários subsistemas que podem ser, por exemplo mecânico, hidráulico, pneumático, eletrônico. Subsistema eletrônico Um sistema eletrônico é composto por blocos funcionais que, por sua vez, são formados por agrupamentos de componentes eletrônicos. Ele pode ser analógico, digital ou híbrido. Controladores Programáveis SENAI 32 O subsistema eletrônico analógico é um sistema de controle que trabalha com circuitos não-lineares ou com tensão analógica e é, na maioria das vezes, construído com amplificadores operacionais. O subsistema eletrônico digital é um sistema de controle que opera com portas lógicas, níveis lógicos definidos e números digitais. O subsistema eletrônico híbrico é formado por conjuntos lógicos e digitais. Os sistemas de controle atuais têm no microcomputador seu elemento principal. Microcomputador como elemento de controle A utilização do microcomputador como elemento de controle, exige circuitos de interface para que ele se comunique com o processo controlado. A maioria dos circuitos interfaceados são analógicos, de forma que os circuitos controlados por microcomputador são sempre híbricos. A figura a seguir mostra um diagrama de blocos de um subsistema eletrônico comandado por um microcomputador. Computador (micro/mini) ↔ Interface Conversores AD/DA ↔ Controle do Processo Bloco funcional Bloco funcional é uma das subdivisões do subsistema eletrônico. Ele representa uma função a ser executada por conjuntos de componentes discretos e pode ser uma porta lógica, um temporizador, um multivibrador, um oscilador etc. Diagrama funcional de processo O diagrama funcional de processo tem com objetivo transmitir informações sobre o funcionamento do sistema. Ele apresenta o processo de acordo com a função de cada etapa e as relações existentes entre elas. Pode ser representado de duas maneiras: • Por fluxograma • Por blocos Controladores Programáveis SENAI 35 ⇒ No retângulo maior é colocado a ordem a ser executada, como por exemplo, abrir válvula, tanque cheio. ⇒ O tempo de duração definido (impulso) em que a saída permanece no nível lógico 1 é indicado por um sinal de impulso sobre o qual se escreve a duração (tL) ⇒ A função de temporização é representada por uma barra indicando à esquerda o retardo na ligação e à direita o retardo no desligamento. Exemplo 1: Acionamento de reversão de um motor - Um motor elétrico deve operar com reversão de sentido de rotação. Cada um dos sentidos é determinado por comando manual. O desligamento deve desativar o motor em qualquer um dos sentidos de rotação. Deseja-se evitar que, ao ser desligado quando se encontra em um sentido de rotação, o motor possa ser religado, principalmente em sentido contrário. Para isso, o intervalo de tempo entre o desligamento não deve ser inferior a 10s. O motor não deverá entrar em funcionamento se pelo menos uma dessas condições estiver presente: • O desligamento de emergência foi acionado; • A pressão do óleo lubrificante nos mancais do motor for igual a zero; • A temperatura da carcaça for superior a 70ºC. Observação A ocorrência de uma dessas condições deve levar o motor a se desligar, se ele estiver em funcionamento. Solução O problema pode ser representado em diagrama funcional de blocos dividido em duas partes: comando e proteção. Operações de comando: • Ligar o motor para girar em sentido horário. • Ligar o motor para girar no sentido anti-horário. Controladores Programáveis SENAI 36 • Desligar o motor. A ação de ligar o motor deve se dar através de sinal momentâneo que, adequado ao estágio memorizador, transforma-se em sinal contínuo. Da mesma forma, o desligamento deve provocar a desmemorização da ordem de ligação. Entre o funcionamento do motor em sentido horário e o seu funcionamento em sentido anti- horário deve existir um bloqueio mútuo, obtido pela associação adequada de saídas e entradas dos memorizadores. A proteção requerida implica no desligamento do motor e na inibição de sua ligação. Todas as funções que executam a proteção devem atuar na desmemorização e bloqueio das ordens de ligar o motor. Finalmente, a temporização exigida deve ser de 10s. O diagrama funcional por blocos resultante é: Exemplo 2: Iluminação de escadaria - Deseja-se um sistema de iluminação para a escada de um edifício de três andares. No pavimento térreo e em cada patamar haverá uma lâmpada e um interruptor ao ser acionado, o interruptor do pavimento térreo ou de Controladores Programáveis SENAI 37 qualquer dos três patamares, todas as lâmpadas devem se acender e permanecer acesas por três minutos ao fim desse tempo, o desligamento se fará automaticamente. Restrições: • Acionada por um dos interruptores, a iluminação não deverá ter seu tempo de permanência prolongado pelo acionamento do próprio interruptor ou por outro, antes de esgotado o tempo de três minutos, decorrentes do primeiro acionamento. • A iluminação só deverá funcionar à noite ou no caso de a iluminação natural cair a um nível compatível ao da noite. Solução O processo proposto é relativamente simples e pode ser representado satisfatoriamente pelo seguinte diagrama funcional de blocos: Fluxograma de processo Controladores Programáveis SENAI 40 ⇒ ( ) m n - dos “n” ramos, “m” são percorridos Passos de funções como memórias, temporizadores, contadores etc, são representados como na simbologia dos diagramas de blocos lógicos. Observação Esse tipo de representação gráfica apresentada se aplica bem para comandos seqüenciais ou em situações em que o número de variáveis e de etapas do processo é elevado. Exemplo: Preparação de solução salina A figura a seguir mostra o esquema do processo. Descrição do funcionamento desejado: a) processo pode ser iniciado manual ou automaticamente. Controladores Programáveis SENAI 41 b) No início do processo, a válvula VA se abre, admitindo água no tanque. O volume QA de água é previamente fixado para a operação e medido por um medidor de fluxo. O volume QA deve ser superior ao necessário para atingir a nível Nmin do tanque e igual ou inferior ao necessário para o nível Nmax do tanque. c) Quando a água atingir o nível Nmin, o motor M1 do agitador deve ser ligado. O tempo entre a ordem de iniciar o processo e a ligação do motor M1 não deve ser superior a quinze minutos. d) Quando o volume pré-fixado da água for atingido, a válvula VA deve ser fechada. O tempo tQA é necessário para se alcançar o volume Q. Caso ele seja ultrapassado, deve ser dado alarme. e) Volume QA de água admitido no tanque determina o volume QS de sal a ser dissolvido. A proporção QA/QS deve ser constante para qualquer volume de água. O volume QS é medido por uma balança fotoelétrica de conversão massa-volume, colocada na saída da válvula VS. f) A correia transportadora acionada pelo motor M2 é ligada ao se fechar a válvula VA. Dez segundos após a ligação de M2, a válvula VS deve abrir para a admissão de sal. g) Quando o valor QS é atingido, a válvula VS deve ser fechada e o motor M2 desligado 30s após. h) A partir desse instante, deve transcorrer o tempo tK de agitação (variável conforme o volume QA de água e QS de sal. i) Ao final do tempo tK, a correlação entre a condutividade da solução e sua temperatura deve apresentar um valor K. Caso esse valor não seja alcançado, deve ser dado aviso de tempo tK ultrapassado. j) Quando o valor K é atingido, ou através de comando manual, inicia-se a descarga do tanque de mistura, se o nível do tanque de eletrólise for ND. A descarga do tanque de mistura é iniciada com a abertura da válvula S. Vinte segundos após a abertura da válvula S, a bomba B é ligada. O motor M1 deve ser desligado ao ser atingido o nível Nmin. O tanque deve ser esvaziado até que seja dada a indicação de tanque vazio No. Nesse instante, deve-se desligar a bomba B e 10s após, a válvula S deve ser fechada. Controladores Programáveis SENAI 42 k) Desligada a bomba B e fechada a válvula S, o sistema deve se manter em repouso durante 30s. Não ocorrendo ordem manual de desligar, o processo pode ser automaticamente reiniciado. Antes que isso aconteça, os contadores QA e QS devem ser levados a zero. Esta deve ser a condição inicial do processo. Solução O exemplo apresentado é complexo e sua solução corresponde ao diagrama funcional por fluxograma de processo mostrado a seguir. Controladores Programáveis SENAI 45 Controladores Programáveis SENAI 45 Computadores Este capítulo tem por objetivo apresentar os blocos componentes de um computador, como eles funcionam e como se relacionam entre si. O que é um computador O computador é um equipamento que executa automaticamente uma seqüência de operações para as quais foi anteriormente programado. Essas operações podem apresentar a solução de problemas matemáticos ou controle de certas funções como, por exemplo, o comando de uma máquina. Os computadores têm a fama de processar muitos dados de uma só vez. Contudo, na verdade, eles processam apenas um dado de cada vez. O que dá a impressão de que ele executa muitas funções ao mesmo tempo é alta a velocidade com que essas operações são realizadas. O computador é composto basicamente pelo “hardware” e pelo “software”. “Hardware” é o termo utilizado para designar a parte física do computador, ou seja, todos os componentes eletrônicos, mecânicos, magnéticos, fios e conexões que são utilizados na sua fabricação. O “hardware” se divide em três blocos principais: • O processador, • A memória, • Os dispositivos de entrada e saída. O processador é o “cérebro” do computador. Ele tem a capacidade de executar as instruções (programa) enviadas ao computador pelo usuário. Tem também a função de somar, subtrair e executar operações lógicas. Controladores Programáveis SENAI 46 Em um computador de grande porte, o processador é chamado de UCP ou unidade central de processamento. Em um mini ou microcomputador, o processador é chamado de microprocessador. A memória é a área de trabalho do computador e sua capacidade determina o que ele pode fazer ou não. Por isso, a capacidade de um computador é determinada pela quantidade de memória que ele possui. Os dispositivos de entrada e saída (ou I/O do inglês “input/output”) são todas as formas usadas pelo computador para receber ou enviar dados. Esses dispositivos incluem a entrada que digitamos pelo teclado e a saída que o computador apresenta na tela do monitor, imprime na impressora e os conteúdos dos discos de armazenamento. Esses dispositivos são também chamados de periféricos. Dentre todos os dispositivos citados, o mais importante e é o “hard disk”, ou disco de armazenamento, pois é nele que o computador guarda seus dados quando não estão em uso na memória principal. “Software” é o termo utilizado para designar o programa dos computadores, ou seja, uma série de instruções que informam ao computador como ele deve operar. É o programa que traz o computador “a vida” e o transforma numa poderosa ferramenta de trabalho. O computador, portanto, nunca pode ser considerado isoladamente, como estrutura física (circuitos, componentes, interconexões), mas sim como um conjunto de dois blocos interdependentes: o “hardware” e o “software”. Origens do computador Os computadores começaram a ser usados comercialmente na década de 50. O avanço da tecnologia empregada na construção dos componentes fez com que estes ficassem cada vez menores, mais rápidos e econômicos, já que consomem menos energia. O desenvolvimento dos computadores aconteceu rapidamente a ponto de se distinguirem claramente até agora quatro gerações: Controladores Programáveis SENAI 49 Esses computadores estão numa posição intermediária entre os micros e os computadores de grande porte. São computadores que possuem uma razoável quantidade de memória e são capazes, por exemplo, de controlar o processo de produção de uma indústria. Computadores de grande porte Os computadores de grande porte são aqueles empregados para resolver problemas complexos de ordem técnica e científica, em situações onde exista uma grande quantidade de dados a serem processados em tarefas que envolvem usualmente um número extremamente grande de cálculos e dados. Os computadores de grande porte normalmente trabalham com número elevado de periféricos que muitas vezes se encontram espalhados geograficamente. O processamento das informações é extremamente rápido. Um exemplo desse tipo de computador é o computador usado pelo sistema bancário. Características dos computadores Os computadores são caracterizados de uma maneira geral por três aspectos: • Capacidade de memória, ou seja, o total de memória residente que o computador possui. É expressa em bytes (kilobytes) ou mbytes (megabytes) • Tamanho da palavra, ou seja, o número de bits de dados que o computador pode manusear de uma só vez. Existem computadores de oito, dezesseis, trinta e dois e sessenta e quatro bits. • Velocidade de processamento, ou seja, o tempo que o computador leva para processar as informações. Acima vimos que para apresentar as características dos computadores, precisamos empregar algumas palavras novas como “Kbytes e bits”. Vamos, então ver o significado delas e de mais algumas outras importantes para entender o funcionamento dos computadores. Bit, do inglês “binary digit”, é a menor unidade de informação que um computador pode processar. Os bites são expressos em números binários e podem assumir os valores zero e um. Controladores Programáveis SENAI 50 Palavra - Binária, ou simplesmente palavra é um conjunto de números binários. Essas palavras têm nomes especiais dependendo do número de bits que ela contenha, ou seja: • Byte é uma palavra de oito bits. • Nibble corresponde a meio byte, isto é, quatro bits. • Word é uma palavra de dezesseis bits. • Doubleword (palavra dupla) é uma palavra de trinta e dois bits. Kylobyte, ou simplesmente Kbyte ou ainda Kb, é múltiplo de byte e corresponde a 1024 bytes. Quando ouvimos falar em 64Kb, isso significa 64 vezes 1024, ou 65 536 bytes. Megabyte corresponde a 1Kb de 1Kb (1024 x 1024), ou mais exatamente, 1048 576 bytes. Controladores Programáveis SENAI 51 Memórias Em qualquer computador, tanto as instruções quanto os dados do programa devem ser armazenados a fim de que possam estar disponíveis sempre que o usuário do equipamento necessitar deles. Essa função imprescindível no sistema é realizada pelas memórias. Neste capítulo, estudaremos as operações que as memórias realizam, como essas operações são realizadas e quais os tipos de memórias que existem para realizá-las. Armazenamento de dados Os circuitos integrados de memória têm uma capacidade de armazenamento de um determinado número de palavras com um determinado número de bits. Assim, um circuito de memória muito usado tem capacidade de armazenamento de 1 kbyte, ou seja, 1024 palavras de 8 bits. Cada unidade de armazenamento da memória pode ser comparada a um registrador capaz de guardar uma palavra de dados. O número de palavras que pode ser armazenado é igual ao número de registradores que a memória possui. A “largura” de cada registrador corresponde ao número de bits que a palavra possui. Observe a figura a seguir. Controladores Programáveis SENAI 54 Tipos de memória Os CIs de memória se dividem em duas grandes classificações de acordo com as funções de leitura ou escrita que desempenham. As memórias em que se pode ler ou escrever dados são chamadas de memórias de leitura e escrita (RWM, do inglês “read/write memory”). O termo usual para identificar esse tipo de memória é RAM (do inglês “random access memory” e que quer dizer memória de acesso aleatório). Na verdade, o termo RAM define qualquer memória capaz de ter qualquer de seus registradores acessados sem ter que passar antes por outros registradores. As RAMs são utilizadas em computadores para o armazenamento temporário de programas e dados. A principal característica e desvantagem desse tipo de memória é o fato de serem “voláteis”, ou seja, elas perdem a informação armazenada ao serem desenergizadas. Existem dois tipos de memórias RAM: a estática e a dinâmica . A RAM estática usa flip-flops internos para armazenar os dados. Cada flip-flop corresponde a um bit de dado, o que limita a capacidade de armazenamento a 64 kbytes por CI. A vantagem da RAM estática é que a informação armazenada fica no biestável que permanece travado enquanto a alimentação for mantida constante. A RAM dinâmica não utiliza flip-flops para o armazenamento de dados, mas minúsculos capacitores. Essa técnica permite que apenas alguns componentes sejam utilizados por dado armazenado. Isso aumenta a capacidade de armazenamento do CI para 64 kbytes. A RAM dinâmica é assim chamada porque os capacitores tendem a se descarregar e precisam ser periodicamente recarregados. Essa recarga periódica é chamada de refrescamento (“refreshing”) da memória. Esse refrescamento é feito a cada 2ms (milissegundos). Controladores Programáveis SENAI 55 Além de maior capacidade de armazenamento, as RAMs dinâmicas têm menor consumo. Da mesma forma como as RAMs estáticas, as RAMs dinâmicas também perdem os dados armazenados quando são desenergizadas. Além das RAMs, existem também as ROMs (do inglês “read only memory”) que são memórias utilizadas apenas para terem seus dados lidos. Sua principal característica é ser não-volátil, isto é, ela não perde o dado armazenado mesmo depois de desenergizada. Em operação normal, nenhum dado pode ser escrito em uma ROM. O processo de escrita não é simples e dependendo do tipo de ROM usado, os dados podem ser escritos apenas uma vez ou quantas vezes for necessário. Devido à sua característica principal (memória não-volátil), as ROMs são utilizadas para armazenar dados que não mudam como por exemplo, programas monitores de computadores ou de controladores lógicos programáveis. As ROMs podem ser classificadas de acordo com o processo de escrita de dados que é empregado: • ROM programável por máscara - a escrita é feita pelo fabricante sob encomenda do usuário. Durante o processo de fabricação, o fabricante confecciona uma máscara (ou gabarito fotográfico do circuito) que permite a produção das memórias. Esse processo, porém tem custo elevado e sua produção só se torna economicamente viável quando feito em larga escala. Essas ROMs estão disponíveis pré-programadas com dados que são utilizados comumente como tabelas matemáticas e códigos geradores de caracteres. • ROM programável - (PROM do inglês “programmable read only memory” ) permite que o próprio usuário armazene os dados ou programas desejados. Isso é feito com o auxílio do programador PROM. A memória contém elos fusíveis que se queimam à medida que os bits são gravados com os níveis lógicos desejados. Uma vez completada a gravação, esta não pode mais ser alterada. • ROM apagável -(EPROM, do inglês “erasable programmable read only memory”) pode ser apagada e reprogramada um número indefinido de vezes. Uma vez programada, ela é uma memória não volátil e mantém os dados armazenados indefinidamente. Existem dois tipos de EPROMs que são diferenciadas pelo processo de apagamento. Controladores Programáveis SENAI 56 O primeiro processo é o que usa exposição à luz ultravioleta através de um janela de quartzo na face superior do CI. O segundo processo é utilizado na EEPROM (do inglês “electrically erasable programmable read only memory”, ou seja, PROM eletricamente apagável). O CI possui um pino ao qual se aplica determinada tensão que apaga os dados armazenados. Controladores Programáveis SENAI 59 O barramento de endereço leva as informações para a memória ou para os dispositivos de entrada e saída. É uma via unidirecional pois os dados só fluem da UCP para as memórias ou para os dispositivos de entrada e saída. O barramento de dados é uma via bidirecional pela qual os dados podem entrar ou sair, dependendo da operação que está sendo realizada (leitura ou escrita). Ele envia ou recebe informações das posições de memória ou dos dispositivos de entrada e saída que são selecionados pelas informações geradas pela UCP e enviadas pelo barramento de endereços. O número de bits do barramento de dados determina o tamanho da palavra que o computador manipula. O barramento de controle também é uma via bidirecional e tem a função de controlar e coordenar as operações da UCP. Praticamente, o barramento se divide em duas partes, pois tem algumas vias que recebem sinais e algumas enviam sinais. Através do barramento de controle, o microprocessador é informado sobre qual a operação que deve ser efetuada. Em seguida, a UCP gera os sinais de controle e informa aos blocos funcionais qual é a operação que deve ser efetuada. Controladores Programáveis SENAI 61 Lógica Digital Sistemas de Numeração Através dos tempos foram criados vários sistemas de numeração para atender variadas aplicações, dentre os quais se destacam : • Sistema Decimal; • Sistema Binário; • Sistema Octal; • Sistema Hexadecimal. Sistema Decimal O sistema decimal é o mais conhecido e utilizado em nosso dia-a-dia. É formado por dez símbolos (0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9) que através de suas posições terão um determinado valor. Por possuir dez símbolos possíveis, é chamado sistema de numeração na base 10. Representação Algarismos: 0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9 Base: 10 Posição do algarismo no número: potências de 10 ( 10n ) Símbolo: dec Controladores Programáveis SENAI 64 Exemplo: 19FA16 163 162 161 160 1 9 F A 1 x 4096 9 x 256 F(15) x 16 A(10) x 1 ( 1 x 4096 ) + ( 9 x 256 ) + ( 15 x 16 ) + ( 10 x 1 ) = 4096 + 2304 + 240 + 10 = 6650 Logo : 19FA16 = 6.65010 Equivalentes entre sistemas numéricos DEC BIN OCT HEX 0 0000 0 0 1 0001 1 1 2 0010 2 2 3 0011 3 3 4 0100 4 4 5 0101 5 5 6 0110 6 6 7 0111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F * * Controladores Programáveis SENAI 65 Conversão entre os sistemas de numeração Binário para Decimal Exemplo: 10102 23 22 21 20 1 0 1 0 1 x 8 0 x 4 1 x 2 0 x 1 (1 x 8) + (0 x 4) + (1 x 2) + (0 x 1) = 8 + 2 = 10 Logo : 10102 = 1010 Octal para Decimal Exemplo: 17508 83 82 81 80 1 7 5 0 1 x 512 7 x 64 5 x 8 0 x 1 ( 1 x 512 ) + ( 7 x 64 ) + ( 5 x 8 ) + ( 0 x 1 ) = 512 + 448 + 40 = 1.000 Logo : 17508 = 1.00010 Hexadecimal para Decimal Exemplo: 0AFE16 163 162 161 160 0 A F E 0 x 4096 A(10) x 256 F(15) x 16 E(14) x 1 ( 0 x 4096 ) + ( 10 x 256 ) + ( 15 x 16 ) + ( 14 x 1 ) = 0 + 2560 + 240 + 14 = 2.814 Logo : 0AFE16 = 2.81410 Controladores Programáveis SENAI 66 Decimal para Binário Dividir o número sucessivamente por 2 até que o quociente seja 0. A leitura do número em binário é feita do último resto para o primeiro (vide seta). Exemplo: 1210 = ?2 Logo : 1210 = 11002 Decimal para Octal Dividir o número sucessivamente por 8 até que o quociente seja 0. A leitura do número em octal é feita do último resto para o primeiro (vide seta). Exemplo: 10010 = ?8 Logo : 10010 = 1448 Decimal para Hexadecimal Dividir o número sucessivamente por 16 até que o quociente seja 0. A leitura do número em hexadecimal é feita do último resto para o primeiro (vide seta). Exemplo: 25410 = ?16 16 16254 1 01 14 8 8 8 100 1 14 4 1 0 2 2 2 1 6 30 0 1 1 21 0 Controladores Programáveis SENAI 69 2000 + 500 + 10 + 3 = 2.513 Fundamentos da lógica digital O sistema binário tem uma grande aplicação em técnicas digitais e computação, sendo a base de operações de dispositivos digitais. No sistema binário só existem duas possibilidades de operação. Esse conceito de dois estados 1 ou 0, se encaixa no que se conhece como lógica binária. Dependendo do contexto que for usado, um sinal designado com um valor de 1 ou 0, também pode ser descrito conforme mostrado abaixo: Estado 1 Estado 0 Elemento Ligado Desligado Motor Avançado Recuado Cilindro Pneumático Aberta Fechada Porta Ligado Desligado Circuito Elétrico Tocando Muda Buzina Acesa Apagada Lâmpada +5V 0V Sinal Digital +12V 0V Sinal Digital Aberta Fechada Chave Obs.: Deve-se notar que a definição de 1 como sendo a condição de ligado e 0 como desligado, é arbitrária. Em algumas aplicações pode ser conveniente definir 1 como desligado e 0 como ligado. Operações lógicas A relação entre duas variáveis que representam estados binários é estabelecida através de operações lógicas que são realizadas conforme os princípios da álgebra booleana. Controladores Programáveis SENAI 70 Para realizar uma operação lógica é necessário um arranjo físico que é chamado de porta lógica. Dentro da lógica digital pode se fazer arranjos para se obter as seguintes funções: Portas Lógicas Básicas Portas Lógicas Derivadas “E” “NÃO E” “OU” “NÃO OU” “NÃO” “OU EXCLUSIVO” “SIM” “EQUIVALÊNCIA” Todos os arranjos para se conseguir as funções, terão sempre duas ou mais entradas e uma saída, com exceção das funções “NÃO” e “SIM” que sempre terão apenas uma entrada. Tabela verdade Para uma melhor análise e compreensão de uma função lógica, se utiliza a tabela verdade, onde são retratadas as possíveis condições dos elementos de entrada, e como conseqüência a condição de cada elemento de saída. Exemplo: Tabela Verdade da função lógica “E” de duas entradas. Convenção: 1 - Botão acionado 0 - Botão desacionado 1- Lâmpada acesa 0 - Lâmpada apagada Tabela Verdade A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Entradas Saída Controladores Programáveis SENAI 71 O número de combinações possíveis entre os elementos de entrada pode ser obtido através da seguinte fórmula: 2n = X Exemplo: 22 = 4 As entradas podem assumir 4 combinações possíveis entre elas. Simbologia Porta Lógica “E” Equação: Y = A . B SÍMBOLO Norma ASA Norma ABNT N° de entradas N° de combinações possíveis para a(s) entrada(s) N° de estados que assumem os elementos de entrada A B Y A B Y & Controladores Programáveis SENAI 74 Porta Lógica “NÃO OU” Equação : Y = A + B SÍMBOLO Norma ASA Norma ABNT Equivalente Elétrico A B Y A B Y > = A B Controladores Programáveis SENAI 75 Porta Lógica “OU Exclusivo” Equação : Y = A + B SÍMBOLO Norma ASA Norma ABNT Equivalente Elétrico A B Y A B Y =1 A B BA Controladores Programáveis SENAI 76 Porta Lógica “NÃO” Equação : Y = A SÍMBOLO Norma ASA Norma ABNT Equivalente Elétrico A Y A Y 1 A Controladores Programáveis SENAI 79 Referências Bibliográficas SENAI-SP. Controladores Programáveis - Teoria. São Paulo, 1998. SENAI-SP. Eletricista de Manutenção IV – Acionamentos – Teoria. São Paulo, 1997. SILVEIRA, Paulo R. e SANTOS, Winderson E. Automação – Controle Discreto. Ed. Érica, São Paulo, 2000.
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