Apostila de Automação Industrial

Prévia do material em texto

Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 1 / 33
SISTEMAS NUMÉRICOS
1) INTRODUÇÃO:
A dimensão de um certo conjunto ou seu número de elementos se traduz por um
número. Para representar um número, podemos usar palavras, sinais ou símbolos que são
chamados numerais. Assim, quando queremos representar a quantidade de elementos de um
conjunto, podemos usar uma qualquer das representações.
Exemplo: os elementos do conjunto de letras do alfabeto (a, b, c, ..., x, z) são 23 ou vinte
e três.
Conclui-se que um certo conjunto pode ser representado por diversos numerais. O
numeral é a maneira de representar um conjunto de elementos, ao passo que o número nos dá
uma idéia de quantidade.
2) SISTEMA DECIMAL:
Entre os sistemas numéricos existentes, o sistema decimal é o mais utilizado. Os
símbolos ou dígitos utilizados são os algarismos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Os elementos
são agrupados de dez em dez e, por essa razão, os números podem ser expressos por
intermédio de potência de dez e recebem o nome de sistema de numeração decimal.
Exemplo:
486 = 400 + 80 + 6 = 4 x 100 + 8 x 10 + 6 x 1 = 4 x 102 + 8 x 101 + 6 x 100 , ou seja,
210
486 = 4 x 102 + 8 x 101 + 6 x 100
Observe que o número 4 está numa posição tal que seu peso é igual a 2 e que o
número 6 por sua vez tem o peso igual a zero. Então podemos concluir que o algarismo ou
dígito, dependendo do seu posicionamento terá um peso. Note que aquele situado na
extrema esquerda do número está sendo multiplicado pela potência de dez maior, ou seja, é
o dígito mais significativo (most significant digit – MSD).
Analogamente, o que está situado na extrema direita será multiplicado pela menor
potência, ou seja, é o dígito menos significativo (least significant digit – LSD)
NOTA: a) O princípio de posicionamento, que formula o expoente da base 10, pode ser
estendido a qualquer sistema numérico, ou seja, independe da base numérica em que está
representado.
b) Por ser o sistema padrão de uso (é o sistema que utilizamos em nosso dia-a-dia), o
sistema decimal não necessita de representação de base, a fim de simplificação de escrita.
3) SISTEMA BINÁRIO:
Como o próprio nome já indica, tem base 2 e é o sistema de numeração mais utilizado em
processamento de dados digital, pois utiliza apenas dois símbolos ou algarismos 0 e 1. Também
vale ressaltar, que em processamentos digitais, que o dígito 1 também é conhecido por nível lógico
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 2 / 33
1, nível lógico alto, ligado, verdadeiro e energizado. Já o dígito 0 poder ser nível lógico 0, nível
lógico baixo, desligado, falso e desernegizado.
Assim a cada posição de cada algarismo corresponde uma potência de 2, como foi exposto
para número decimal ao qual correspondia uma potência de 10.
3.1) Conversão de Binário em Decimal:
É o mesmo processo já estudado para base 10, ou seja:
10111(2) = 1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 = 16 + 0 + 4 + 2 + 1 = 23
logo: 10111(2) = 23(10) ou 10111(2) = 23 ou 10111(2 = 23
NOTA: devido a sua importância em sistemas digitais e processamentos de dados digitais, os
dígitos binários são denominados de “bit” (da contração do inglês Binary Digit). Da mesma forma, o
que falamos no sistema decimal, dependendo do posicionamento do algarismo ou bit, terá um
peso; o da extrema esquerda será o bit mais significativo (most significant bit – MSB) e o da
extrema direita o bit menos significativo (least significant bit – LSB).
4 3 2 1 0
Ex.: 11011(2 = 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 = 16 + 8 + 0 + 2 + 1 = 27
MSB LSB
3.2) Conversão de Decimal em Binário:
Na conversão decimal-binário, podem ser utilizados dois métodos: o primeiro que é mais
geral, dito das divisões sucessivas, consiste m dividir sucessivamente o número por 2 até obtermos
o cociente 0 (zero). O resto dessa divisão colocado na ordem inversa corresponde ao número
binário, resultado da conversão de decimal em binário de um certo número de dados.
Ex.: 54 = ?(2 54 2
0 27 2
1 13 2
1 6 2
0 3 2
1 1 2
1 0
54 = 110110 (2
O segundo método de conversão consiste em, começando como número decimal a ser
convertido, extrair a maior potencia de 2 (menor ou igual) possível. Repetindo este processo para o
resto dessa subtração até que o resto seja zero. Concluindo, marque com o dígito 1 os expoentes
utilizados e com dígito zero os expoentes não utilizados.
Ex.: 54 = ?(2 64 32 16 8 4 2 1
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 3 / 33
54 – 32 = 22 22 – 16 = 6 6 – 4 = 2 2 – 2 = 0
Portanto nós utilizamos as potencias 32=25, 16=24, 4=22 e 2=21, ou seja:
6 5 4 3 2 1 0
64 32 16 8 4 2 1
resposta = 1 1 0 1 1 0 (2
Este método, evidentemente, exige um pouco mais de raciocínio, devido ao problema de
memorização das potências de dois e subtrações.
3.3) Conversão de Números Binários Fracionários em Decimal:
A conversão segue o mesmo processo binário para decimal já visto, utilizando a mesma
expressão, inclusive os dígitos após a vírgula em que as potências ficam com o expoente negativo.
Ex.: 110,11(2 = 1 x 22 + 1 x 21 + 0 x 20 + 1 x 2-1 + 1 x 2-2 = 4 + 2 + 0 + 1 x 1 + 1 x 1
21 22
= 4 + 2 + 0 + 0,5 + 0,25 = 6,75 110,11(2 = 6,75
3.4) Conversão de Número Decimal Fracionário em Binário:
Neste tipo de conversão vamos dividir o processo de conversão em duas etapas: conversão
da parte inteira (já estudada) e conversão da parte fracionária.
Exemplo: 6, 75 6 = parte inteira 0,75 = parte fracionária
A conversão da parte fracionária é efetuada por um processo inverso ao da parte inteira, ou
seja, em vez de divisões sucessivas, são efetuadas multiplicações sucessivas, e a parte inteira que
advier desse processo é isolada a cada operação.
Exemplo: 0,75 x 2 = 1,50 1
0,50 x 2 = 1,00 1 logo: 6,75 = 110,11(2
NOTA: Dependendo do número, chegar ao resultado zero na parte fracionário, às vezes, é muito
extensa ou impossível (caso de dízima). Então teremos de definir o número de casas decimais que
se quer após a vírgula, como acontece no sistema decimal.
3.5) Exercícios:
a) 111011(2) = ? b) 110111(2) = ? c) 10011(2) = ? d) 1011,101(2) = ?
e) 102 = (2) f) 43 = (2) g) 45,675 = (2) h) 36 = (2)
4) SISTEMA OCTAL:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 4 / 33
O sistema octal ou base 8 é composto por oito símbolos ou dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, e 7. Os
números binários, como vimos, são longos demais para manipularmos; são muito apropriados para
as máquinas ou computadores, mas para seres humanos são muitos trabalhosos.
Se considerarmos três dígitos binários, o maior que pode ser expresso por esses três dígitos
é 111 ou em decimal 7. Como 0 7 é também o algarismo mais significativo do sistema octal,
conclui-se que com a combinação de três dígitos binários pode-se ter o algarismo octal
correspondente; daí também poder dizer que os números octais têm um terço do comprimento de
um número binário e fornecem a mesma informação.
4.1) Conversão de Octal em Binário:
A conversão de uma base em outra é bastante simples, uma vez que se trata da operação
inversa à já descrita, ou seja, basta converter individualmente cada dígito octal em três binários.
Ex.: 137(8 = ?(2
O número 1 equivale a 001(2), o número 3 igual a 011(2) e o número 7 vale 111(2). Portanto:
137(8) = 001011111(2) ou seja 137(8) = 1011111(2)
4.2) Conversão de Binário em Octal:
É feita pela combinação de três dígitos binários, como vimos, podendo assim ter todos os
algarismos octais:
Ex.: 11011011(2) = 11 011 011 = 3 3 3 (8) � 11011011(2) = 333(8)
1011101(2) = 1 011 101 = 1 3 5 (8) � 1011101(2) = 135(8)
4.3) Conversão de Octal em Decimal:
Esta conversão se passa pela conversão em binário e posteriormente em decimal, ou seja:
17(8) = ? � 001 111 (2) � 1 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 �8 + 4 + 2 + 1 � 15
4.4) Conversão Decimal para Octal:
Conforme vimos anteriormente, também neste caso devemos passar pelo sistema binário.
22 = ?(8) � 10110(2) � 10 110 � 26(8)
4.5) Exercícios:
a) 45(8) = ?(2) = ? b) 1011(2) = ?(8) c) 56(8) = ? d) 101 = ?(8)
e) 101(2) = ? f) 47 = ?(2) = ?
5) SISTEMA HEXADECIMAL:
O sistema hexadecimal (hexa) foi criado com o mesmo propósito do sistema octal, para
minimizar a representação de um número binário que é o utilizado em processamento. Tanto os
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 5 / 33
números em hexa como em octal são os meios de manipulação do homem, porém existirão sempre
conversores internos à máquina que os converta em binário, com o qual a máquina trabalha.
Analogamente, se considerarmos quatro dígitos ou bits binários, o maior número que se
pode ser expresso por esses quatro dígitos é 1111 ou em decimal 15, da mesma forma que 15 é o
algarismo mais significativo do sistema hexadecimal, portanto com a combinação de 4 bits ou
dígitos binários pode-se ter o algarismo hexadecimal correspondente.
Assim, com esse grupamento de 4 bits ou dígitos, podem-se definir 16 símbolos, o até 15.
Contudo, como não existem símbolos dentro do sistema arábico que possam representar os
números decimais entre 10 e 15 sem repetir os símbolos anteriores, foram usados os símbolos A,
B, C, D, E e F, portanto o sistema hexadecimal será formato por 16 símbolos alfanuméricos: 0, 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E e F.
5.1) Conversão Hexa para Binário:
Basta converter cada dígito hexadecimal em seu similar binário, ou seja, cada dígito em
hexa equivale a um grupo de 4 bits.
Ex.: B15(16) = ? (2) B � 11 � 1011(2)
1 � 1 � 0001(2)
5 � 5 � 0101(2)
Logo, B15(16) = 101100010101(2)
5.2) Conversão Binária para Hexa:
De maneira análoga, basta realizar o processo inverso de hexa para binário.
Ex.: 10011011(2) = ?(16) 1001(2) � 9 � 9 (16)
1011(2) � 11 � B(16)
Portanto, 10011011(2) = 9B(16)
5.3) Conversão Hexa nos demais sistemas e vice-versa:
Como podemos perceber para realizarmos a conversão nos demais sistemas basta
passarmos pela binária e/ou pelo sistema decimal.
5.4) Exercícios:
a) 211 = ?(2) = ?(8) = ?(16) b) 1101011(2) = ?(16) = ? = ?(8)
c) 3747(8) = ?(16) = ?(2) = ? d) AAE(16) = ? = ?(8) = ?(2)
e) Fazer um programa para sistema de conversão entre as diversas bases, somente números
inteiros.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 6 / 33
PORTAS LÓGICAS
1) INTRODUÇÃO:
Durante séculos os matemáticos sentiram que havia uma conexão entre a Matemática e a
Lógica, mas ninguém antes de George Boole pôde achar este elo ausente. Em 1854 ele inventou a
lógica simbólica, conhecida por álgebra booleana. Cada variável na álgebra booleana tinha
qualquer um de dois valores: verdadeiro ou falso. Após algumas décadas os engenheiros
entenderem que a álgebra booleana podia ser aplicada à Eletrônica dos Computadores.
2) Portas Inversoras (NOT):
Uma inversora é uma porta com apenas um sinal de entrada e um sinal de saída, o estado
da saída é sempre o oposto da entrada.
Simbologia:
A A
Tabela Verdade:
A A
1 0
0 1
Representação em Álgebra Booleana: S = A
3) Portas OU (OR):
A porta OR tem dois ou mais sinais de entrada (padrão 02 ou 03) mas somente um sinal de
saída. Se qualquer sinal de entrada for alto (nível 1 - fechado), o sinal de saída será alto.
A
Nível 1 B Saída
C
Simbologia: A
S
Tabela Verdade:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 7 / 33
A B C S
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
Representação em Álgebra Booleana: S = A + B + C
4) Portas E (AND):
A porta AND tem dois ou mais sinais de entrada (padrão 02 ou 03) mas somente um sinal
de saída. Se qualquer sinal de entrada for baixo (nível 0 - aberto), o sinal de saída será baixo.
Nível 1 A B C Saída
Simbologia:
Saída
Tabela Verdade:
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Representação em Álgebra Booleana: S = A . B
5) Exercícios:
a) Fazer o circuito de portas lógicas equivalente a seguinte equação booleana: S = (A + C) . B
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 8 / 33
b) Fazer a tabela verdade para porta AND com 3 entradas.
c) Fazer a tabela verdade para porta OR com 4 entradas.
d) Fazer o circuito de portas lógicas equivalente a S = ((A+B).C) + (A.C) + B
e) Fazer o circuito de portas lógicas para S = ((A.B)+C) . (A+B) . C
6) Portas Não OU (NOR):
As portas NOR apresentam as mesmas características das portas OR, com relação à
entrada e saída. Sua diferença esta no fato de ter associado a sua saída uma porta NOT, o que
inverte o resultado de S, ou seja, só teremos nível lógico 1 na saída quando todas as entradas
forem de nível 0.
Simbologia:
A S
B
Representação em Álgebra de Boole: S = A + B
7) Portas Não E (NAND):
De maneira análoga às portas NOR, as portas NAND nada mais são que portas AND onde
foram acrescentadas portas NOT em sua saída. Portanto, só obteremos nível 0 quando todos as
suas entradas forem de nível 1.
Simbologia:
A S
B
Representação em Álgebra de Boole: S = A . B
Talvez esta porta seja a mais importante de todas pois através dela podemos implementar
as demais:
7.1) Porta NOT:
A S
7.2) Porta AND:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 9 / 33
A
B S
7.3) Porta OR:
A
S
B
Tabela Verdade:
A B A B S
0 0 1 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 1
1 1 0 0 1
7.4) Exercícios:
Fazer as tabelas verdades para as portas NOT e AND implementadas com portas NAND de
02 entradas.
8) Portas OU Exclusivo – EXOU (EXOR):
Uma porta EXOR reconhece apenas quando houver um número impar de entradas em nível
alto.
Simbologia:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 10 / 33
Para figura (a) temos o circuito equivalente real e na fig. (b) temos a representação convencionada.
Representação em Álgebra de Boole: Y = A ⊕ B ou S = A ⊕ B
Tabela Verdade:
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
9) Portas EXNOR:
Como mas demais portas, para obtermos uma porta EXNOR, basta adicionarmos ao final de
uma porta EXOR uma porta inversora, o que provocará a inversão dos resultados na saída.
Simbologia:
Representação Booleana: S = A ⊕ B ou S = A � B
10) Exercícios (Consultar na biblioteca o livro Microcomputadores e Microprocessadores do autor
Malvino)
a) Fazer os problemas 2-16 a 2-21 do livro
b) Fazer os problemas 3-1 a 3-20 do livro
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 11 / 33
MICROPROCESSADORES
I - INTRODUÇÃO
A velocidade com que acontece a evolução da Informática poderia levar a crer que a tarefa
do professor de uma disciplina como a de Microprocessadores seria a de atualizar continuamente o
material apresentado aos alunos, para que estes ficassem a par das constantes inovações
tecnológicas.
Esta idéia não resiste porém a uma análise mais profunda se é este o tipo de conhecimento
dado aos alunos que estão no meio do seu curso então dificilmente ele lhes será útil quando se
formarem, depois de alguns anos. Os conceitos fundamentais que norteiam o funcionamento dos
microprocessadores são, sob este aspecto, mais importantes do que os últimos lançamentos da
indústria, porque não mudam e serão úteis sempre. Por esta razão, o material aqui contido procura
valorizar, sobretudo, os conceitos independentes da inovação tecnológica. Da mesma forma,
justifica-se a ementa a ser trabalhada durante o curso, pois esta apresenta a simplicidade
necessária para o devido aprendizado do estudante de informática ou engenharia.
A finalidade é fazer com que os alunos ao concluírem a disciplina, possam sercapazes de
entender o funcionamento de microprocessadores.
Este conteúdo a ser apresentado deve ser entendido como um guia para aqueles que
pretendem se aprofundar em livros específicos sobre um ou outro processador ou que irá cursar
uma especialização nessa direção. A densidade da exposição de cada assunto está num formato
apropriado para o curso de graduação. À medida que se avançam os tópicos, o aluno se aproxima
de ter capacidades básicas para trabalhar em um projeto profissional.
Existem três elementos fundamentais em um microprocessador, cada um executando uma
tarefa especial. Estes elementos são:
1. A Unidade Central de Processamento (CPU)
2. A Memória
3. Os Dispositivos ou Portas de Entradas e Saídas (I/O)
C P U
MEMÓRIA
I/O
BARRAMENTO DE ENDEREÇO
BARRAMENTO DE CONTROLE
BARRAMENTO DE DADOS
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 12 / 33
1. A Unidade Central de Processamento (CPU)
O coração de um microprocessador é a CPU. Ela executa o processamento numérico, as
operações lógicas e as funções de temporização.
As operações da CPU são controladas por um conjunto de instruções que, quando
organizadas em uma seqüência lógica, formam o chamado programa.
Os programas e os dados a serem manipulados são armazenados na memória.
A CPU é alimentada com dados e sinais de controle, executa uma instrução por vez e
produz como saída dados e sinais de controle.
Internamente, uma CPU é formada por 3 unidades fundamentais:
1. Os Registradores
2. A unidade Lógica e Aritmética (ULA)
3. O Circuito de Controle
Os registradores armazenam informações temporárias tais como: endereços de memória,
códigos de estado e outras informações úteis durante a execução do programa.
Todas as CPU's possuem a Unidade Lógica Aritmética. A ULA contém um somador que
executa operações aritméticas binárias sobre os dados obtidos da memória dos registradores ou de
entradas.
O Circuito de Controle coordena todas as atividades do microprocessador. Através de
pulsos externos de temporização chamados "clocks", o circuito de controle gera as seqüências
apropriadas de eventos necessários à execução das tarefas de processamentos.
Ao decodificar os bits de uma instrução o circuito produz sinais internos e externos de
controle do processamento.
2. Memória
Os microprocessadores usam dispositivos semicondutores para armazenar programas e
dados. Os mais utilizados são:
• RAM (Random Acess Mernory): memória de acesso aleatório
• ROM (Read Only Memory): memória somente de leitura
Para expandir o espaço de armazenamento de dados, os sistemas microprocessados usam
algum dispositivo de armazenamento de massa, tais como:
• Discos flexíveis;
• Discos rígidos;
• Fitas magnéticas;
• CD´s / DVD´s;
• etc
Devido ao seu grau de importância estaremos estudando em detalhes este assunto mais á
frente.
3. Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/0)
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 13 / 33
Os dispositivos I/O, também conhecidos por periféricos, são os meios pelos quais a CPU se
comunica com o mundo exterior.
Em um sistema típico, as portas ou canais de entrada são conectados ao teclado, e as
portas ou canais de saída são interligados ao vídeo, unidade de disco, impressora, etc.
4. Vias de Dados, Endereços e Controle
A conexão entre CPU, memória e dispositivos I/0 é realizada por um conjunto de fios ou
linhas paralelas, chamadas de via ou barramento. Como vimos temos 3 vias diferentes:
• Via de Dados;
• Via de Endereço; e
• Via de Controle
Os dados trafegam a CPU, memória e I/0 através de via de dados. Estes dados poderão ser
instruções para CPU ou informações da CPU para portas I/0 e vice-versa.
A via de endereço é utilizada pela CPU para selecionar uma célula de memória ou um
dispositivo 1/0 através de um código binário.
A via de controle conduz os sinais de controle para a memória e para os dispositivos I/0,
especificando as direções dos dados em relação a CPU, o momento exato da transferência, o tipo
de operação, etc.
II - MEMÓRIAS
Existem 2 tipos de memórias:
1. Memória de Massa
2. Memória Semicondutora
1. Memória de Massa
São memórias utilizadas para armazenagem de grandes quantidades de informações, ficam
externamente a CPU e normalmente requerem dispositivo periférico de interfaceamento.
Exemplos: Disco Rígido (Winchester - HD), Fita Magnética, Disco Óptico (CD-ROM), Disco
Magnético (disquetes) e etc.
2. Memória Semicondutora
São memórias utilizadas para armazenagem de pequenas quantidades de informações,
não necessitam de interface com a CPU, velocidade elevada em relação à memória de massa
(para acesso) e trabalham em blocos para armazenamento de dados.
Os tipos de memórias semicondutoras são:
a) ROM;
b) PROM;
c) EPROM;
d) EEPROM;
e) RAM (SRAM e DRAM)
As memórias DRAM possuem o adjetivo dinâmica devido ao fato de que seu conteúdo
muda com o tempo durante a operação de espera (armazenamento). Isto faz com que o projeto de
memória dinâmica seja mais complicado, mas chips modernos normalmente ocultam a
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 14 / 33
complexidade do usuário. A principal desvantagem das DRAM´s é o fato de que elas não são tão
rápidas quando as SRAM´s. A principal vantagem está no baixo custo por bit, tornando-as
economicamente atrativas.
Com base na situação descrita anteriormente (custo x velocidade) a solução para esse
problema foi à introdução de um pequeno arranjo de memória local, chamado de memória cache.
Que utiliza a memória rápida SRAM. Para manter o custo do sistema razoável, o tamanho do cache
é mantido relativamente baixo em relação à memória principal (DRAM). Memórias cache são
utilizadas como um local de armazenamento temporário que pode ser utilizado pela CPU como se
fosse a memória do sistema.
A última característica importante deste tipo de memória tem haver com seu tipo de
construção modular, para as DRAM´s. Tal tipo de construção facilita aumentos futuros. Estes
módulos são chamados SIMMs (Single In-Line Memory Modules) ou as DIMMs (Dual In-Line
Memory Modules), dependendo de seus projetos.
III – HISTÓRICO EVOLUTIVO
2000 ac – invento do ábaco pelos fenícios
1642 - Blaise Pascal desenvolveu a primeira máquina mecânica de cálculo, que permitia a
realização de somas e subtrações.
1834 - construção da Máquina Analítica, na Inglaterra, por Charles Babbage. Esta máquina é
considerada por muitos a precursora dos atuais computadores, e Babbage, o "Pai do Computador".
A Máquina Analítica tinha dispositivos de entrada para ler cartões perfurados que continham
instruções a serem executadas, unidade de memória ou armazenamento, em que se guardavam as
informações para uso futuro. Processava as quatros operações básicas e tinha uma unidade de
saída que fazia as impressões em cartões.
C P U
CACHE
PRINCIPAL
SRAM´s
DRAM´s
DADOS DADOS
CONTROLE
ENDEREÇO
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 15 / 33
1880 - Hollerith, nos EUA, a partir das idéias de Babbage, inventou uma máquina para auxiliar e
classificar informações para o censo americano de 1890. O resultado final pôde ser apurado em
seis semanas, enquanto, que pelo processo anterior, o resultado do censo saiu sete anos depois.
Holierith fundou uma indústria em 1896, que cresceu e tornou-se a atual IBM (International
Business Machines Corporation).
1949 - John Louis von Neumann introduziu na indústria o conceito de programa armazenado, ao
compreender que seria possível representar programas em forma numérica e, portanto, armazená-
los em memória da mesma maneira que os dados. Von Neumann percebeu ainda que era possível
substituir com vantagens a aritmética decimal, pela aritmética binária. Criou, assim, sua máquina,
que ficou conhecida como A Máquina de von Neumann, queé, ainda hoje a base da arquitetura de
quase todos os computadores.
Os computadores eletrônicos, em função da função tecnológica, são classificados da
seguinte forma:
Computadores de 1a Geração (1945-1955)
Em 1946 concluiu-se o que se pode considerar o "pai" de todos os computadores modernos,
o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator Analyser and Computer - Analisador e Computador
Integrador Numérico Eletrônico), com 17.468 válvulas nos circuitos eletrônicos, 10.000 capacitores
e milhares de Km de fios e cabos elétricos para realizar a sua programação. Ocupava 170 m2 ,
pesava cerca de 30 toneladas e consumia 150.000 Watts por segundo, o que equivale ao consumo
mensal de aproximadamente 2.500 residências. Operava com cartões perfurados, impressora,
disco magnético fixo e possuía 100 bytes de memória.
Computadores de 2a Geração (1956-1965)
Utilizavam transistores em lugar de válvulas. Operavam com cartões perfurados, impressora
mais rápida, disco magnético fixo ou removível e fita magnética. Cálculos passaram a ser medidos
de segundos para microssegundos. Nesta época, duas empresas se tornaram mundialmente
conhecidas: a DEC e a IBM. Os computadores que surgiram neste período foram o PDP-1, PDP-8,
IBM-7090, IBM-7094, CDC-6000, IBM 7030 e Gamma-60. No entanto, os elevados custos destas
máquinas, restringiam sua utilização a aplicações estratégicas do governo e a grandes empresas.
Computadores de 3a Geração (1966-1980)
Os transistores foram substituídos por Circuitos Integrados (Cl), permitindo a
popularização e o desenvolvimento da Informática, como a conhecemos hoje. Como inovações
operacionais, surgiram: a multiprogramação e o teleprocessamento (processamento à distância).
Nesta época houve uma grande diminuição nos custos, criando assim, uma nova faixa de mercado,
que incluía empresas de médio porte, universidades e centros de pesquisa. Alguns exemplos desta
nova geração de máquinas são o IBM-360 e os minicomputadores da série PDP-11, da DEC.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 16 / 33
Computadores de 4a Geração (1981-1990)
Surgiram em decorrência do uso da técnica dos circuitos LSI (LARGE SCALE
INTEGRATION) e VLSI (VERY LARGE SCALE INTEGRATION). Nesse período surgiu também o
processamento distribuído, o disco ótico e o a grande difusão do microcomputador, que passou a
ser utilizado para processamento de texto, cálculos auxiliados por planilhas eletrônicas e em
projetos gráficos, atividades para as quais os grandes computadores não eram bem adaptados.
Computadores de 5a Geração (1991- )
As aplicações exigem cada vez mais uma maior capacidade de processamento e
armazenamento de dados. Sistemas especialistas, sistemas multimídia (combinação de textos,
gráficos, imagens e sons), banco de dados distribuídos e redes neurais, são apenas alguns
exemplos dessas necessidades.
Uma das principais características dessa geração é a simplificação e miniaturização do
computador, além de melhor desempenho e maior capacidade de armazenamento. Tudo isso, com
os preços cada vez mais acessíveis.
A tecnologia VLSI está sendo substituída pela ULSI (ULTRA LARGE SCALE
INTEGRATION).
O conceito de processamento está partindo para os processadores paralelos, ou seja, a
execução de muitas operações simultaneamente pelas máquinas. A redução dos custos de
produção e do volume dos componentes permitiram a aplicação destes computadores nos
chamados sistemas embutidos, que controlam aeronaves, embarcações, automóveis e
computadores de pequeno porte.
São exemplos desta geração de computadores, os micros que utilizam a linha de
processadores Pentium, da INTEL.
IV - PROGRAMAÇÃO
Nosso objetivo será dar uma pequena noção de programação em microprocessadores
através da linguagem ASSEMBLER (ou ASSEMBLY). Afim de que possamos entender como
funcionam os pulsos elétricos internos em um microprocessador e como o mesmo processa as
informações, vamos estudar o SAP (Simple As Possible) que é um microprocessador didático.
O Microprocessador SAP-1
O SAP-1 é um microprocessador que possui 8 bits para dados e 4 bits para endereçamento.
Pelo diagrama de bloco podemos verificar os 12 sinais de controle e sua designação são:
• L = LOAD: carrega o registrador;
• E = ENABLE: habilita saída do registrador;
• Su = determina o tipo de operação da ULA (1 = subtração e O = adição);
• Cp = prepara o contador de programa para contar, nas transições positivas do clock, para
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 17 / 33
que o mesmo possa ler a próxima instrução.
Definição dos Blocos do SAP-1
• PC = contador de programa. Aponta o endereço da próxima instrução a ser executada.
• REM = registrador de endereços da memória. Armazena temporariamente o endereço da
instrução a ser executada.
• RAM = área de memória onde estará o programa executável. Não faz parte do conjunto,
ou seja, fica fora do microprocessador.
• RI = registrador de instrução. Armazena o código da instrução a ser executada.
• C/S = controlador / sequencializador. Responsável pela temporização e geração das linhas
de controle do microprocessador.
• Acumulador (A) = registrador
• Somador/Subtrator = responsável pelas operações aritméticas
• Registrado B = registrador
• Registrado de Saída = registra temporariamente os dados de saída
• Display = indicação visual, não faz parte do conjunto.
Possui o seguinte diagrama de blocos:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 18 / 33
A execução de uma instrução é dividida em 2 etapas (ciclos):
• Ciclo de Busca: consiste na leitura do código da instrução armazenada na RAM e
armazenamento deste código no RI; e
• Ciclo de Execução: consiste na execução da instrução armazenada no RI.
O tempo do ciclo de busca e execução é equivalente a 3 períodos de clock no SAP-1
Portanto, o ciclo de instrução tem 6 períodos. No SAP-1 o clock é sensível à borda de descida e o
microprocessador é sempre resetado no início do processamento, iniciando sempre do endereço
0000 da memória.
ANÁLISE DO DIAGRAMA TEMPORAL (FASORIAL)
A fim de facilitar nossa compreensão iremos estudar o diagrama fasorial para instrução LDA
(Load Registrador A - carregar registrador A com conteúdo da memória no endereço determinado)
T1) Habilita Ep Contador de Programa (PC) coloca seu conteúdo no barramento Habilita Lm
B
A
R
R
A
M
E
N
T
O
P
R
I
N
C
I
P
A
L
8
B
I
T
PC
REM
RAM
RI
C/S
A
+/-
B
RS
DSP
Cp
Ep
Lm
CE
Li
Ei
La
Ea
Su
Eu
Lb
Lo
4
4
4
4
12
8
8
8
8
8
8
8
88
8
4
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 19 / 33
que está no barramento vai para REM na descida do clock
Portanto em T1 temos Ep = 1 e Lm = 0
T2) Habilita Cp na descida do clock o PC irá apontar para o endereço 0000 + 1, ou seja,
incrementa de uma unidade binária o PC.
Portanto em T2 Cp = 1
T3) Habilita CE e Li ao final de T3 temos RI com a instrução que a RAM liberou no barramento
(fim do eido de busca)
Logo em T3 CE = 0 e Li = 0
Obs Os tempos T1, T2 e T3 são idênticos para todas as operações da SAP-1 pois consiste no ciclo
de busca da instrução.
T4) Habilita Ei e Lm endereça a memória e o C/S recebe a instrução a ser executada gerando os
sinais de controle necessários
Obs Em um dado de 8 bits temos XXXXYYYY onde X = instrução e Y = endereço
T5) Habilita CE e La na descida do clock o conteúdo da RAM vai para A
T6) NOP = nenhuma operação a executar, ou seja, todos os sinais de controle recebem pulsos que
os desabilitem.
Obs Vale lembrar da eletrônica digital que 1 =ativo e 0 = desativo mas se tivermos a indicação de
sinal barrado o raciocínio é oposto.
TIPOS DE INSTRUÇÕES DO SAP-1
• Instrução LDA YYYY = esta instrução carrega o registradorA. com o conteúdo da RAM do
endereço (em hexadecimal) indicado.
A � M yyyy
Código binário: 0000 YYYY
• Instrução ADD YYYY = soma ao registrador A o conteúdo da RAM do endereço indicado.
A � A + Myyyy
Código binário: 0001 YYYY
• Instrução SUB YYYY = subtrai do registrador A o conteúdo da RAM do endereço indicado.
A � A - Myyyy
Código binário: 0010 YYYY
• Instrução OUT = coloca o conteúdo do registrador A no registrador de saída (RS) e
conseqüentemente o resultado aparecerá no display
RS � A
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 20 / 33
Código binário: 1110 XXXX (não interesse o endereçamento)
• Instrução HLT = finaliza a execução de um programa.
Código binário: 1111 XXXX (não interesse o endereçamento) Exercícios
Exercício 1: Descreva os tempos de instrução (T1 a T6) e monte a tabela da RAM para um
programa com as seguintes instruções LDA CH, ADD 7H, SUB AH, OUT HLT Sabendo-se que os
endereços possuem os seguintes dados: CH = 0100 0010(2), 7H = 0100 0000(2) e AH -- 0001
0010(2).
Exercício 2: Sabendo-se que os endereços AH, 8H e CH contém 70, 48 e 08 respectivamente.
Descrever os tempos das instruções abaixo e qual será o valor do display.
LDA AH
SUB8H
ADD CH
OUT
HLT
Exercício 3: O manual de programação de microprocessador diz que são necessários 13 estados
para buscar e executar a instrução LDA. Se o relógio do sistema (clock) tiver uma freqüência de 25
MHz quanto tempo levará um ciclo de instrução?
Exercício 4: Sabemos que no SAP-1 a instrução ADD gasta 6 tempos para completar o ciclo de
instrução. Supondo que o SAP-1 tenha um cristal interno de 4,5 MHz, quanto tempo ele gasta para
executar ADD?
Exercício 5: Fazer um programa para que o SAP-1 execute a seguinte operação decimal:
5 + 4 - 6 e dizer qual o tempo necessário para realização de tal tarefa. Dado: f = 3,0 MHz e usar os
endereços DH, EH e FH para os dados, respectivamente.
Exercício 6: Fazer um programa para que o SAP-1 execute a seguinte operação decimal 5+4+3-6-
2e dizer qual o tempo necessário para realização de tal tarefa. Dado: f = 4,0 MHz e usar os
endereços DH, EH e FH para os dados, respectivamente. Construa a tabela RAM do programa em
binário.
Exercício 7: Em uma tabela RAM temos na primeira linha a seguinte instrução LDA 6H e na linha
6H temos 70 como conteúdo. Qual será o conteúdo da REM em T4 para a instrução SUB AH se
esta instrução estiver na linha 3 da tabela RAM?
Exercício 8: Fale sobre as memórias semicondutoras ROM e RAM.
Exercício 9: De quantas unidades podemos dizer que são constituídos um microprocessador?
Com base nesta informação quais são os blocos da SAP-1 que não pertencem a CPU?
Exercício 10: Cite quais são os blocos do SAP-1 que trabalham exclusivamente com os
barramentos de endereço e controle.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 21 / 33
CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS (CLP ou PLC)
I - INTRODUÇÃO
A cada dia que passa, os equipamentos elétricos e mecânicos vão dando lugar aos
microprocessadores. Tanto na vida profissional como na cotidiana, estamos sendo envolvidos por
microprocessadores e computadores. Na indústria, estas máquinas estão sendo empregadas para
facilitar e melhorar o serviço. Estamos vivendo na “era da automação”.
Na indústria, o computador chegou para aumentar a produção, reduzir gastos e
principalmente para automatizar as máquinas. Um microprocessador, por exemplo, pode tomar
decisões no controle de uma máquina, pode ligá-la, desligá-la, movimentá-la, sinalizar defeitos e
até gerar relatórios operacionais. Mas, por trás dessas decisões, está a orientação do
microprocessador, pois elas estão baseadas em linhas de programação (código de máquina).
Vamos pensar somente na linguagem de programação de contatos que é usada nos
Controladores Programáveis instalados nas indústrias.
O progressivo desenvolvimento tecnológico, sem a interferência do homem, exige
equipamentos que supram o controle humano.
A automatização é o conjunto de fenômenos destinados a substituir o esforço dos homens.
O número de componentes automáticos aumentou muito e, assim chegam a eliminar a intervenção
do ser humano. O progresso da tecnologia eletrônica e da informática, associado ao plano
industrial, é uma evolução paralela da robótica.
A indústria automobilística, por exemplo, introduziu em suas linhas de montagem,
dispositivos controlados por computador, semelhantes às articulações dos braços e mãos
humanas. Os primeiros foram chamados "robôs de primeira geração".
Os movimentos desses pseudobraços são gravados na memória do computador que depois
guiará sua repetição, por quantas vezes for necessário. As indústrias começaram a exigir mais
precisão e isso foi chamado de "segunda geração".
Os robôs de "terceira geração", que estão em fase experimental, usam métodos conhecidos
como "sistema de inteligência artificial". A união das tecnologias informáticas e automáticas se
materializam na robótica. Esses princípios da eletrônica e da mecânica buscam no cérebro e no
corpo humano, fundamentos para o projeto de andróides, com enormes possibilidades.
A magia do movimento aparentemente espontâneo do autômato, é o que exerce a
fascinação desse tipo de mecanismo. A maioria dos autômatos é representações diretas de
criaturas, plantas ou fenômenos naturais. Os autômatos são divididos em dois grupos: os que
ajudam um objeto funcional e os que servem de decoração e prazer.
Os mais complicados são os andróides, autômatos com figura de homem, capazes de
andar, tocar um instrumento musical, escrever ou desenhar. O fato de a robotização causar ou não
desemprego é, realmente, um fato muito discutido hoje em dia.
Nem sempre a robotização causa perda de trabalho. No Japão, por exemplo, onde a
quantidade de robôs é mais elevada,principalmente no setor automobilístico, não houve
desemprego. Em outros países como Estados Unidos, França e Itália, foi enorme o número de
trabalhadores substituídos por robôs.
Embora as novas tecnologias coloquem novas exigências no trabalho, nem sempre causam
muito prejuízo. Tudo depende do tipo de trabalho. Os estudos do assunto, realizados até agora,
não nos permitem concluir e nem fazer previsões exatas.
São várias as opiniões e teorias dos estudiosos e especialistas que desenvolvem projetos
de automação industrial. O professor Alexandre Bracarense do "Departamento de Engenharia
Mecânica" que pesquisou e executou projetos de robotização em indústrias mineiras e paulistas
afirma: "Com a automatização, a produção aumentará tanto que as empresas precisarão contratar
mais funcionários".
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 22 / 33
Por outro lado não podemos deixar de analisar os impactos negativos da automação.
Dietmar Edler e Tatiana Ribakova realizaram uma pesquisa para medir o impacto de onze robôs
industriais sobre o emprego na Alemanha de 1980 a 2000. O número desses robôs era de 1.250 no
ano de 1980; saltou para 28.240 em 1990; atingiu 34.140 no ano 2000.
As conclusões desse estudo são as seguintes: de um modo geral, a introdução de robôs ao
longo do tempo, causa uma modesta redução de emprego no início; a redução que no começo é
modesta se acelera rapidamente; os robôs reduzirão 180 mil empregos no ano 2000. O maior
número de desemprego ocorrerá no setor automobilístico, mecânico e elétrico.
Os soldadores, por exemplo, perderão sessenta mil empregos até o ano 2000. Apesar dos
efeitos compensadores a robotização destrói mais do que cria empregos. Os empregados
qualificados têm uma chance de usar a nova tecnologia. Os sem qualificação não têm
oportunidades. No Brasil, os números de mercado de robôs e sistemas de mecanização de
produção, devem crescer este ano num ritmo dez vezes maior do que o do resto da economia
brasileira.
Pequenas e médias indústrias começaram a investir na automação e robotização.No Brasil
deverá ter uma revolução no mundo do emprego, por causa da modernização das multinacionais.
Segundo a "Sociedade Brasileira de Automação Industrial e Computação Gráfica", o número de
robôs no Brasil em 1989 era cinqüenta. Em 1991 já havia sessenta e três robôs; a partir daí o
crescimento foi fantástico: em 1995 tinha 500 e no ano passado já existiam 960 robôs. Hoje devem
existir mais de mil robôs, afirma o presidente da sociedade, o senhor Roberto Camanho.
A "Asea Brown Boveri", a ABB, é a empresa que atende 60% do mercado de robôs
brasileiros. Estes são produzidos na Suécia e na Noruega. Segundo a ABB, há procura também de
sistemas mecanizados de produção, em linhas de montagem. O impacto que isso pode causar é
imprevisível. Há setores, como os projetos da aeronáutica, nos quais o uso de robôs pode
aumentar até nove vezes a produtividade. Os sistemas de computadores, hoje, estão ao alcance do
mais modesto empresário. Pequenas e médias indústrias, segundo Roberto Camanho, quando
partem para a automação, algumas vezes até aumentam o nível de emprego, por que aceleram
demais uma etapa da produção. Acabam precisando de mais pessoas para ajudar no processo.
Quando a automação começa a atingir todas as etapas da produção o emprego cai. O
Brasil, afirma Camanho, têm alguns anos para pensar como proteger o trabalhador da automação.
Isso acontece por que são as pequenas e médias empresas que têm capacidade de empregar
atualmente. Este é um desafio para o mundo todo. O Brasil não pode ficar para trás, sob o risco de
ter o que chamamos de "Evolução destrutiva", diz o presidente da “Sociedade Brasileira de
Automação Industrial e Computação Gráfica”.
Automação Industrial é um conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticos
vários processos numa indústria: o Comando Numérico, os Controladores Programáveis, o
Controle de Processo e os Sistemas CAD/CAM (Computer Aided Design e Computer Aided
Manufacturing – projetos e manufaturas apoiados em computador).
O Comando Numérico controla automaticamente máquinas operatrizes (tornos, frezas,
furadeiras, etc); os Controladores Programáveis são equipamentos eletrônicos programáveis
destinados a substituir sistemas controlados por dispositivos eletromecânicos e interfacear
Comandos Numéricos, os relés e suas interligações por programas que simulam estes
componentes; o Controle de Processo visa o controle global de um processo, em vez de parcial,
como o Controlador Programável e o Comando Numérico (também conhecido como Sistemas
Supervisórios).
A microeletrônica invade os setores produtivos das indústrias, propiciando a
automação. O processo de automação não atinge apenas a produção em si, substituindo o trabalho
braçal por robôs e máquinas com Comando Numérico computadorizado: permite enormes ganhos
de produtividade ao interagir tarefas distintas como a elaboração de projetos, o gerenciamento
administrativo e a manufatura.
Na automação industrial alguns itens devem ser avaliados:
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 23 / 33
�
Instalação elétrica compatível com os pontos de Entrada e Saída;
�
Chaves de proteção do hardware
�
Tipo e forma de endereçamento;
�
Estrutura da palavra;
�
Tipo e forma de sinais aceitáveis; e
�
Compatibilidade dos equipamentos eletromecânicos.
Passos para automação de um equipamento:
INICIO
DEFINIÇÃO:
- PONTOS E/S
- OPERANDOS
ELABORAÇÃO DO
PROGRAMA DE
USUÁRIO
TESTE DO
PROGRAMA DE
USUÁRIO
FUNCIONA
?
ANALISAR E
MODIFICAR
PROGRAMA
INSTALAR
EQUIPAMENTO E
LIBERAÇÃO PARA
PRODUÇÃO
FIM
N
S
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 24 / 33
�
Definir Pontos de Entrada/Saída e Operandos: projetar a instalação do equipamento no CLP,
verificando quantas saídas e quantas entradas deverá ter o CLP para a automação do
equipamento. Verificar os operandos, relés de interfaces entre CLP e equipamento.
�
Elaboração do Programa do Usuário: projetar o programa que controlará o equipamento, a
lógica de diagrama de contatos. Supor os movimentos imprevistos da máquina, todas as
condições de funcionamento, intertravamentos emergências.
�
Teste do Programa do Usuário: submeter o programa elaborado, já com os operandos e a
interface entre CLP e equipamento instalados, a um teste elétrico (sem operação do
equipamento). Simular todas as condições como se o equipamento estivesse operando.
�
O Programa Funciona Perfeitamente?: caso não esteja funcionando conforme o esperado,
realize alterações no programa ou projete um outro programa mais eficiente, levando em conta
o controle que o programa anterior não realizou. É bom lembrar que o programa não está dando
bons resultados devido ao fato de a lógica de diagrama de contatos não estar de acordo com a
lógica de funcionamento do equipamento.
�
Instalação e Liberação para a Produção: fazer a listagem do programa, descrevendo linha a
linha as instruções e operações das condicionantes e das saídas. Deixar a listagem próxima ao
CLP para manutenção ou alterações futuras.
Na automação industrial, os CLP’s dominam os dispositivos pneumáticos, hidráulicos,
mecânicos e eletromecânicos. Também são utilizados para controlarem grandezas tais como
vazão, temperatura, pressão, nível, velocidade, torque, densidade, rotação, voltagem e corrente
elétrica (variável de controle).
II – CONSTITUIÇÃO DOS CLP’s
O Controlador Lógico Programável é um sistema de controle de estado sólido, com memória
programável para armazenamento de instruções para controle lógico, pode executar funções
equivalentes às de um painel de relés ou de um sistema de controle lógico. É ideal para aplicações
em sistemas de controle de relés e contatores, os quais se utilizam principalmente de fiação,
dificultando, desta forma, o acesso, possíveis modificações e ampliações do circuito de controle
existente.
O CLP monitora o estado das entradas e saídas, em resposta às instruções programadas na
memória do usuário, e energiza ou desenergiza as saídas, dependendo do resultado lógico
conseguido através das instruções de programa.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 25 / 33
Sistema de Redes na Automação Industrial:
O programa é uma seqüência de instruções a serem executadas pelo CLP para executar
em processo. A tarefa do CLP é ler, de forma cíclica, as instruções contidas neste programa,
interpretá-las e processar as operações correspondentes.
Um CLP realiza as seguintes funções básicas:
�
Processamento do Programa; e
�
Varredura das Entradas e Saídas.
O CLP consiste basicamente em:
�
Fonte de Alimentação;
�
Unidade Central de Processamento – CPU;
�
Memórias;
�
Dispositivos de Entradas e Saídas; e
�
Terminal de Programação.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 26 / 33
ALIMENTAÇÃO MEMÓRIA TERMINAL
BATERIA USUÁRIO PROGRAMAÇÃO
MEMÓRIA MÓDULO
C.P.U DADOS SAÍDAS
MEMÓRIA MEMÓRIA MÓDULO
PROGRAMA IMAGEM ENTRADAS
MONITOR DAS E/S
ALIMENTAÇÃO REDE ELÉTRICA LOCAL
III – LÓGICA E LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO
A linguagem de programação, segundo IEC 1131-3, tem se mostrado bastante eficiente,
principalmente porque permite ao usuário representar um programa de automação de um processo
ou manufatura, tanto em diagrama lógico, como em lista de instruções e principalmente por ser hoje
um padrão entre diversos fabricantes de CLP.
A linguagem IEC 1131-3 é uma entre as muitas de alto nível existentes, entendendo-se por
alto nível aquela que se aproxima muito da humana. Ela foi desenvolvida levando-se em conta os
conhecimentos da área de automação, tendo, a partir daí, surgido representações para a mesma
linguagem: Diagrama de Contatos (do inglês Ladder Diagram – LAD), Lista de Diagrama em Bloco
de Funções (FDB) e outras.
Automatizar um sistema significa fazeruso de funções lógicas, representadas, por sua vez,
por portas lógicas que podem ser implementadas, fazendo uso de componentes independente do
nível de sua tecnologia, ou seja, relé, diodo, transistor, circuito integrado, etc.
A programação em diagrama de contatos permite programar desde funções binárias até
funções digitais complexas. Através desta programação, damos as decisões a serem tomadas pelo
CLP em relação ao equipamento em automação. Esta programação é um grupo de instruções
utilizado para controlar um equipamento. Instrução é um comando que permite ao CLP realizar
determinada operação prescrita.
A lógica de diagrama de contatos assemelha-se à lógica das portas lógicas ou circuito TTL
(AND, OR, INVERSOR, etc).
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 27 / 33
A C S
B
D E
F
Diagrama de Contato
A
B
C
S
D
E
F
Circuito TTL
Na programação em diagrama de contatos as instruções se referem:
NA -| |- contato normalmente aberto, referente a um bit
NF -|/|- contato normalmente fechado, referente a um bit
Saída -( )- energiza ou desenergiza um bit, (no caso Bobina).
Estes bits podem ser da memória de dados ou da memória das E/S. No módulo das
entradas, os bits de entradas somente poderão informar ao programa de aplicação o que está
ocorrendo com o circuito elétrico que envolve o equipamento de controle, ou seja, informa ao CLP o
estado do equipamento em controle. Estes bits aparecem no programa de aplicação sempre na
forma de NA e NF. Isso se deve ao fato de que no CLP está sempre “lendo” os módulos de
entradas e atualizando sua memória referente a estes dados.
No módulo de saída, os bits de saída poderão, também, informar ao programa de aplicação
o que está ocorrendo com o equipamento e também comandar a realização de tarefas. Isso
acontece porque o CLP está sempre “escrevendo” nos módulos de saída ou atualizando as saídas
conforme o programa de aplicação.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 28 / 33
E1 S1 E1
SITUAÇÃO 1
S1
E2 S2 E2
SITUAÇÃO 2
S2
Na situação 1, somente quando E1 estiver com nível lógico 0 e que teremos a saída S1
energizada, ou seja, lógica invertida. Já para a situação 2 teremos a saída S1 em nível lógico 1,
quando a entrada E1 estiver energizada.
No programa de aplicação da automação, usamos a ramificação para a combinação de
condições dadas. A ramificação permite ao CLP analisar condições para fechar o circuito na saída
da linha.
IV – FUNÇÕES LÓGICAS BÁSICAS
São Três funções básicas, a partir das quais as demais surgem.
1) Função E (AND): uma função lógica E terá, nível lógico 1 na saída, se e somente se todas
as entradas estiverem no nível 1 simultaneamente.
E1 E2 E3 S1
No exemplo acima só teremos nível lógico 1 em S1, somente quando todas as entradas E1,
E2 e E3 também estiverem em nível lógico 1 simultaneamente.
2) Função OU (OR): um outro tipo de função é a OU, neste caso o nível lógico 1 na saída será
obtido quando umas das entradas estiver no nível 1.
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 29 / 33
E1 S2
E2
Neste caso, teremos nível lógico 1 em S2, quando a entrada E1 tiver nível 1 ou enquanto a
entrada E2 permanecer em nível lógico 0.
3) Função NÃO (NOT): uma outra função lógica básica é a de inversão ou negação, ou ainda
função NÃO ou NOT, a qual estabelece que se NÃO A é 0 e A é 1. Não podemos escrever
NÃO A como, descrito como complemento de A. Dizer NÃO a uma dada proposição implica,
portanto, o oposto ou inverso da condição estabelecida.
E1 S3
No exemplo acima só obteremos nível lógico 1 em S1 enquanto a entrada E1 estiver em
nível 0.
Exercício 1: Com base no diagrama abaixo, faça a análise de quando teremos a saída
liberada (energizada) pelo CLP.
E1 E2 E3 S1
E4
E5 E6
Exercício 2: Em uma industria existe um painel elétrico de comando de um motor de
exaustão, o qual se necessita de automatizar em conjunto com uma série de equipamento.
Com base no esquema elétrico deste painel como ficaria a lógica de contatos em um PLC
para este acionamento?
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 30 / 33
FASE I
CH1 A (R1)
(ON)
CH2
(OFF)
R1 (Bobina contator do motor)
Exercício 3: Faça uma lógica de contatos para seguinte tabela abaixo
E1 E2 S1
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0
IV – INSTRUÇÕES BÁSICAS
As instruções básicas são representadas por blocos funcionais a introduzir na linha de
programação em lógica de contatos. Estes blocos funcionais podem ser diferentes de um
Controlador para outro.
1) INSTRUÇÃO TEMPORIZADOR: O temporizador conta intervalos de tempo transcorridos em
relação ao tempo prefixado. Quando a temporização estiver completa esta instrução energiza um
bit de tempo transcorrido. A instrução TEMPORIZADOR pode ser utilizada para energizar ou
desenergizar um dispositivo quando tiver transcorrido um intervalo de tempo prefixado na instrução.
BLOCO
FUNCIONAL
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 31 / 33
Quando o valor temporizado se iguala ao valor prefixado, o temporizador energiza o bit de tempo
transcorrido, o qual pode ser utilizado para energizar ou desenergizar uma instrução de saída.
Em geral, a função temporizador, trabalha com 02 bits de controle auxiliar que indicam
Temporizador energizado (TE) e Tempo igualado ao valor prefixado (TD).
E1 E2
T1E
T1D S1
No exemplo anterior, quando acionamos a entrada E1, estamos energizando o temporizador
(T1), que por sua vez habilita o bit T1E, selando a entrada E1. Neste momento T1 inicia a
contagem de tempo e ao se passar 30 segundos, o bit T1D é energizado, habilitando a saída S1.
Esta situação permanece inalterada enquanto T1 estiver energizado.
Para voltarmos a esta anterior basta acionar a entrada E2, o qual irá desenergizar T1 e
consequentemente T1E e T1D.
2) INSTRUÇÃO CONTADOR: O contador conta o número de eventos que ocorre e deposita essa
contagem em um byte reservado. Quando a contagem estiver completa, ou seja, igual ao valor
prefixado, esta instrução energiza um bit de contagem completa. A instrução Contador pode ser
utilizada para energizar ou desenergizar um dispositivo quando tiver completa a contagem.
Funciona de maneira similar ao Temporizador porém há somente um bit de controle e há
necessidade de estarmos realizando o reset do mesmo.
E1
C1D S1
E2
TEMPORIZADOR
T1 30seg
CONTADOR
C1 50 pulsos
CONTADOR
(reset)
C1 50 pulsos
Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 32 / 33
Na situação acima, a cada mudança de estado da entrada E1 (de “0” para “1” e vice-versa)
o contador C1 contará um pulso. Quando a contagem atingir ao valor prefixado, C1 energizará
C1D. esta situação permanecerá inalterada até que a entrada E2 seja energizada, resetando C1
(ou seja zerando sua contagem).
Exercício 1: Em uma indústria se deseja controlar uma estufa por aquecimento a gás (ar aquecido
atrás de chama) de maneira que o gás só seja liberado ao ignitor após 30 segundos a entrada de
funcionamento do motor da exaustão. Para o desligamento, deverá haver uma chave única que
primeiro irá cortar o gás e a exaustão só poderá ser desligada após 30 minutos. Faça um programa
de diagrama de contatos que administre esta situação.
Exercício 2: Em uma loja de parafusos se deseja montar um contador automático de parafusos,
separando-os em centenas. O sistema é composto por um reservatório tipo funil, que contém os
parafusos, e em sua extremidade mais fina há uma válvula tipo borboleta que quando é energizada
se abre permitindo a queda de parafusos um a um e também um sensor de pulsos que gera um
sinal todas as vezes que um parafuso passe em sua frente. Elabore um programa em diagrama de
contatos para atender esta necessidade.Automação Industrial Engenharia Mecânica
Prof. Paulo Henrique C. Pereira 33 / 33
BIBLIOGRAFIA
1. Microcomputadores e Microprocessadores, A Malvino, McGraw Hill
2. 8086 / 8088 Hardware, Software, Aplicações e Projetos, Wilson Alonso Dias Jr., McGraw Hill
3. Automação Industrial, Ferdinando Natale, Érica
4. Controlador Programável, Júlio César Peixoto de Oliveira, Makron Books
5. Programmable Controller – Manual do Usuário, Allen Bradley Company
6. Simatic – Step 5 – Manual do Usuário, Siemens Compa