Controladores Programaveis

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Wesley Maciel Luxinger

08/08/2021

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Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”
Campinas – S.P.

2002

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

Sumário

Controladores Programáveis 5

Estrutura Básica 9

Princípio de Funcionamento do CP 21

Programação 25

Anexos
Sistemas Automáticos de Controle 31

Computadores 45

Memórias 51

Microprocessador 57

Lógica Digital 61

Referências Bibliográficas 79

Controladores Programáveis
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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
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Aplicações

O controlador programável automatiza processos industriais, de seqüenciamento,
intertravamento, controle de processos, batelada, etc. Este equipamento tem seu uso
na área de automação da manufatura e de processos contínuos.

Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar
os CP’s. Por exemplo:
• máquinas industriais (operatrizes, injetoras de plástico, têxteis, calçados);
• equipamentos industriais para processos (siderurgia, papel e celulose,
petroquímica, química, alimentação, mineração, etc);
• equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga);
• controle de processos com realização de sinalização, intertravamento e controle
PID;
• aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes, etc;
• bancadas de teste automático de componentes industriais.

Com a tendência dos CP’s terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e
massificação das aplicações, este equipamento pode ser utilizado nos processos e
nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos,
residências e veículos.

Controladores Programáveis
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Estrutura básica do CP

Estrutura básica

O controlador programável tem sua estrutura baseada no hardware de um
computador, dispondo de uma unidade central de processamento (UCP), interfaces
de entrada e saída e memórias.

As principais diferenças em relação a um computador comum estão relacionadas à
qualidade da fonte de alimentação que possui boascondições de filtragem e
estabilização, interfaces de E/S imune a ruídos e invólucro específico para aplicações
industriais.

O diagrama de blocos, a seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador
programável:

Processador
Fonte de
Alimentação Interna
Terminal
de
Programação Memória de programa
Memória de dados Entradas
Saídas
E / S
Fonte de
Alimentação
Externa
UCP
Controladores Programáveis
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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
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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
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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.

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Mapa de memória
A capacidade de memória de um CP pode ser representada por um mapa, chamado
mapa de memória.

8, 16, ou 32 bits
25
51
Decimal Octal Hexadecimal
ENDEREÇO DAS PALAVRAS DE MEMÓRIA
377 FF
777 1FF
1023 1777 3FF
2047
4095
3777 7FF
7777 FFF
Controladores Programáveis
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Tipos de memória de um CP
A arquitetura de memória de um controlador programável pode ser constituída por
diferentes tipos de memória.
Quadro: Tipos de memória
Tipo de
Memória
Descrição Observação
RAM

Memória de acesso aleatório - Volátil
- Gravada pelo usuário
ROM Memória somente de leitura - Não Volátil
- Não permite apagamento
- Gravada pelo fabricante
PROM Memória programável somente de
leitura
- Não volátil
- Não permite apagamento
- Gravada pelo usuário
EPROM Memória programável/
apagável somente de leitura
- Não Volátil
- Apagamento por
ultravioleta
- Gravada pelo usuário
EPROM
EEPROM
FLASH EPROM
Memória programável/
apagável somente de leitura
- Não Volátil
- Apagável eletricamente
- Gravada pelo usuário

Estrutura
Independente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa de memória de um
controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais:
• memória executiva;
• memória do sistema;
• memória de status dos cartões de E/S;
• memória de dados;
• memória do usuário.

Memória Executiva - É formada por memórias do tipo ROM ou PROM e em seu
conteúdo está armazenado o sistema operacional responsável por todas as
operações que são realizadas no CP. O usuário não tem acesso a esta área de
memória.

Memória do Sistema - Esta área é formada por memórias tipo RAM, pois terá o seu
conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional.
Controladores Programáveis
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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 ossensores, 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.

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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
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SENAI 18
Atuadores discretos
Este tipo de saída pode assumir dois estados definidos: ligado e desligado (0 ou 1).
São usados para acionar atuadores, como solenóides, sinalizadores, etc.

Atuadores analógicos
Este tipo de saída atua numa faixa de valores conhecidos. São usados para acionar
dispositivos, como posicionadores, atuadores, indicadores, etc.

Terminal de programação

O terminal de programação é um dispositivo (periférico) que, conectado
temporariamente ao CP permitindo introduzir o programa do usuário e a configuração
do sistema. Pode ser um equipamento dedicado, ou seja, um terminal que só tem
esta utilidade e específico de um fabricante, ou um software que transforma um
computador pessoal em um programador.

Por meio de linguagem de fácil entendimento e utilização, será feita a codificação das
informações vindas do usuário numa informação que possa ser entendida pelo
processador de um CP.

No terminal de programação (TP), poderão ser realizadas funções tais como:
• elaboração do programa do usuário;
• análise do conteúdo dos endereços de memória;
• introdução e modificação de instruções;
• monitoração do programa do usuário;
• cópia do programa do usuário em disco ou impressora.

Terminal portátil dedicado
Geralmente compostos por um teclado dedicado que é utilizado para introduzir o
programa do usuário. Os dados e instruções são apresentados num display que
fornece sua indicação, e a posição da memória endereçada.

A maioria dos programadores portáteis é conectada diretamente ao CP através de
uma interface de comunicação (serial). Pode-se utilizar a fonte interna do CP ou obter
alimentação própria através de bateria.

Com o advento dos computadores pessoais portáteis (Lap-Top), esses terminais
estão perdendo sua função, já que se pode executar todas as funções de
Controladores Programáveis
SENAI 19
programação em ambiente mais amigável, com todas as vantagens de equipamento
portátil.

Terminal dedicado TRC
Tem como desvantagens seu custo elevado e sua baixa taxa de utilização, já que sua
maior utilização se dá na fase de projeto e implantação da lógica de controle.
Esses terminais são compostos por um teclado para introdução de dados/instruções e
um monitor (TRC - tubos de raios catódicos). O monitor tem a função de apresentar
as informações e condições do processo a ser controlado.

Como no caso dos terminais portáteis, com o advento da utilização de computadores
pessoais, este tipo está caindo em desuso.

Terminal não dedicado - PC
Pode-se utilizar um computador pessoal (PC) como terminal de programação. Isto é
possível através da utilização de um software aplicativo dedicado a esta função.
O custo do hardware (PC) e software é bem menor do que o de um terminal
dedicado. Além da grande vantagem de ter, após o período de implantação e
eventuais manutenções, o PC disponível para outras aplicações comuns a um
computador pessoal.

Outra vantagem é a utilização de softwares com mais interação com o usuário,
utilizando todo o potencial e recursos de software e hardware, disponíveis nos
computadores pessoais.

Controladores Programáveis
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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 23
Através do fluxograma a seguir e da figura na próxima página, este funcionamento é
demonstrado graficamente.

PARTIDA
START
Limpeza de memória
Teste de RAM
Teste de execução
OK?
Não
Sim
Leitura das
entradas
tabela imagem
Atualização da
das entradas
usuário
programa do
Execução do
das saídas
tabela imagem
Atualização da
Transferência da
tabela para
a saída
Tempo
de varredura
OK?
Sim
Não
PARADA
STOP

Controladores Programáveis
SENAI 24

o - 00
o - 01
o - 02
o - 03
o - 04
o - 05
o - 06
o - 07

IN
o - 00
o - 01o - 02
o - 03
o - 04
o - 05
o - 06
o - 07

OUT
1 0

1
Memória
Imagem

E
N
T
R
A
D
A
S

S
A
Í
D
A
S
IN 00 IN 04
OUT 04
Cartão de Saída
Cartão de Entrada
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 28
Forma de representação

Pode-se analisar também quanto à forma de representação:
• diagrama de Contatos;
• diagrama de Blocos;
• lista de Instruções.

Estas três formas são mais usuais e permitem que o usuário se adapte a uma forma
de programar mais próxima do ambiente de projeto usado para desenvolver projetos
de diagramas elétricos.

Documentação
A documentação é mais um recurso de editor de programa que de linguagem de
programação. De qualquer forma, uma abordagem neste sentido torna-se cada vez
mais importante, tendo em vista que um grande número de profissionais está
envolvido no projeto de um sistema de automação que se utiliza de CP’s, desde sua
concepção até a manutenção.

Quanto mais rica em comentários, melhor a documentação que normalmente se
divide em vários níveis.

Conjunto de instruções
É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de um CP.

Podem servir para mera substituição de comandos a relés:
• funções lógicas;
• memorização;
• temporização;
• contagem.

Serve também, para manipulação de variáveis analógicas:
• movimentação de dados;
• funções aritméticas.

Podem ter funções mais complexas como comunicação de dados, conexão com
interfaces homem-máquina (IHM), controle analógico, seqüênciamento, etc:
• saltos controlados;
• indexação de instruções;
• conversão de dados;
Controladores Programáveis
SENAI 29
• PID;
• seqüenciadores;
• aritmética com ponto flutuante.

Normalização

Existe a tendência de utilizar um padrão de linguagem de programação em que é
possível a intercambiabilidade de programas entre modelos de CP’s e até de
fabricantes diferentes.

Essa padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3. Este tipo de
padronização é viável, utilizando-se o conceito de linguagem de alto nível. Através de
um chamado compilador pode-se adaptar um programa à linguagem de máquina de
qualquer tipo de microprocessador. Isto é, um programa padrão pode servir tanto para
o CP de um fabricante A como de um fabricante B.

A norma IEC 1131-3 prevê três linguagens de programação e duas formas de
apresentação.

As linguagens são:
• Ladder Diagram - programação como esquemas de relés;
• Boolean Blocks - blocos lógicos representando portas “E”, “OU”, “Negação”, “Ou
exclusivo”, etc;
• Structured Control Language (SCL) - vem a substituir todas as linguagens
declarativas como linguagem de instruções, BASIC estruturado e inglês estruturado.
Esta linguagem, novidade no mercado internacional, é baseada no Pascal.

As formas de representação são :
• programação convencional;
• Sequencial Function Chart (SFC) - evolução do graphcet francês.

A grande vantagem de se ter o software normalizado é que ao se conhecer um,
conhece-se todos, economizando em treinamento e garantindo que, por mais que um
fornecedor deixe o mercado, nunca se fique sem condições de crescer ou de repor
equipamentos.

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
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A figura a seguir ilustra as etapas do diagrama funcional de processo.

Apresentação
do
Problema

↓
Esclarecimento
e
análise

↓
Descrição do
funcionamento
desejado
“algoritmo”

↓

Diagrama
de blocos
lógicos
Fluxograma
de controle
de processos

• Apresentação do problema - Esta etapa consiste na descrição do processo ou
sistema que se deseja automatizar. Esta descrição deve ser feita pelo especialista
do processo automatizado. A apresentação deve ser feita numa linguagem
compreensível e objetiva através da qual devem ser observados todos os detalhes
necessários a um bom desempenho do processo.
• Esclarecimento e análise do problema - Nesta etapa, um especialista em
automação faza análise do problema observado e de todos os detalhes citados na
etapa anterior. Dessa análise pode surgir uma melhoria no processo a medida em
que são eliminados passos dispensáveis e acrescentados outros necessários.

• Descrição do funcionamento (algoritmo) - Nesta etapa, faz-se uma descrição
passo a passo do processo e na seqüência correta de execução. A descrição é
basicamente o que foi abordado na primeira etapa, porém os eventos são
seqüenciados e hierarquizados com detalhamento técnico do sistema a ser
automatizado.
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SENAI 34
• Diagrama funcional por blocos - É constituído pelos mesmos blocos utilizados
em eletrônica digital. A seguir são detalhadas as regras dessa representação e, em
seguida, dois exemplos de aplicação

⇒ O formato básico é um quadrado com tamanho arbitrário (como uma
porta lógica)

⇒ As entradas e saídas de uma função são colocadas em
lados opostos de modo que as entradas fiquem à esquerda
ou em cima e as saídas à direita ou embaixo.

⇒ Um sinal de entrada ou de saída é negado por um pequeno
círculo entre o fio do sinal e o quadrado da função.

⇒ O estágio de memória é representado dividindo-se um
retângulo ao meio por meio de uma linha tracejada no
sentido das entradas para as saídas o que caracteriza o
comportamento biestável.

⇒ Uma variável de entrada pode ser representada na forma de
palavras ou números, porém, sempre representa a situação
equivalente a um estado, como por exemplo, tanque cheio,
válvula aberta.

⇒A natureza do sinal de saída correspondente deve ser
escrita dentro de um retângulo. No retângulo menor (x),
coloca-se de forma abreviada a natureza da saída:
S - ação memorizada (set);
NS - não - memorizada;
DY - ação dinâmica (impulso);
tc - tempo de controle;
tw - tempo de espera em vista do evento seguinte a ser
executado.

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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.
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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
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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

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O fluxograma de processo permite representar as condições do processo. Ele
apresenta os eventos na seqüência definida pelo processo que se deseja controlar e
utiliza a simbologia que é mostrada a seguir.
Nessa representação, “n” indicaa posição do evento (1,2,3...n) e no retângulo “x”
indica-se a função do evento, como por exemplo: misturar, esvaziar etc.

As condições de liberação do passo (ou entradas) são indicadas textualmente e de
forma resumida. Exemplo: Válvula V aberta, Válvula S fechada, Bomba B acionada.

As ordens de saída da etapa que são emitidas para os “operadores” (válvulas,
contatores, motores etc.) são colocadas em retângulos à direita do passo. Exemplo:
Desligar transportador ML, Zerar contador T2, Tempo de espera t2.

À esquerda da ordem de saída é colocada a natureza dessa mesma ordem.

À direita estão numeradas as ordens de saída que serão solicitadas pelo passo
seguinte.

A figura a seguir mostra os exemplos citados acima.

Na figura a seguir, as entradas com identificação 1 e 2 no passo 5 indicam que esse
passo depende da execução das ordens de saída do passo 4, identificadas com os
mesmos números. Essa regra só é válida para as ordens usadas nos passos
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SENAI 39
subsequentes. Quando se quer utilizar a mesma ordem em outro passo qualquer,
deve-se acrescentar a esse número de ordem o número do passo ao qual pertence.

Exemplo: 1.5, ou seja, ordem 1, passo 5.

Quando essas ordens não são numeradas, é porque elas não condicionam a liberação
de outros passos. Portanto, na figura acima, a realização do passo 5 independe da
realização da operação zerar contador T2 do passo 4.

Caso seja necessário colocar alguma condição adicional às entradas dos passos da
seqüência, pode-se usar os mesmos símbolos usados em diagramas de blocos
lógicos.

A solução de um comando seqüencial pode sofrer ramificações conforme indicado. A
natureza ou as condições dos eventos são colocadas ao lado da interserção:

⇒ & - todos os ramos são percorridos
⇒ >1 - pelo menos um dos ramos é percorrido
⇒ =1 - exclusivamente um dos ramos é percorrido
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⇒ ( )
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.

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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.

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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.

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Localização de defeitos em sistemas de controle

O processo de operação de uma máquina é controlado por um sistema principal e
diversos subsistemas. Na maioria dos processos, o sistema eletroeletrônico é o
sistema principal cuja função é receber informações, processá-las e tomar decisões
que são enviadas ao subsistemas.

Em virtude do sistema ser quase sempre controlado elétrica ou eletronicamente, o
operador tem a tendência de associar qualquer defeito do sistema a uma falha elétrica
ou eletrônica. Isso o leva a requisitar o técnico em manutenção eletroeletrônica para a
correção do defeito.

Por isso, o técnico deve ter uma visão geral do sistema e ser capaz de identificar qual
subsistema está danificado. Para isso, é necessário que ele conheça o funcionamento
da máquina e analise o sistema como um todo. O fluxograma a seguir mostra as
etapas que devem ser seguidas pelo profissional para detectação e eliminação do
defeito.

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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.

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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 computadoré 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:

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Primeira geração: os computadores da primeira geração funcionavam totalmente a
válvula, portanto seu tamanho físico era muito grande, o consumo de energia era
excessivo e quilômetros de fios eram usados na conexão de seus componentes.

Outra característica dessa geração de computadores era a falta de confiabilidade e o
tempo excessivo para processar as informações.

Nessa geração, a programação era feita em linguagem de máquina, e os programas
eram executados de forma estritamente seqüencial.

Segunda geração: nos computadores da segunda geração, as válvulas foram
substituídas por transistores. Essa inovação levou a uma grande redução no tamanho
físico e no consumo. Além disso, os fios de ligação foram substituídos por placas de
circuito impresso. Desta maneira, os computadores tornaram-se menores, mais
rápidos e mais confiáveis.

A linguagem de programação foi simplificada consideravelmente. Ao invés de se
utilizar linguagem de máquina, podiam ser utilizados comandos alfabéticos abreviados
(linguagem “assembler”).

Terceira geração: os computadores da terceira geração foram marcados pela
utilização de circuito integrados. Essa utilização permitiu um novo e apreciável
aumento da capacidade de trabalho dos computadores, pois aumentou a confiabilidade
e diminuiu o tempo de processamento das informações. A utilização de CLs também
reduziu consideravelmente o tamanho físico dos computadores.

A programação dos computadores é agora realizada com o auxílio de linguagens de
programação orientadas para o problema a ser resolvido. São linguagens de natureza
universal que se assemelham cada vez mais à linguagem humana. As mais
importantes dessa categoria são “fortran” (para problemas científicos) e “cobol” (para
tarefas comerciais e industriais).

Quarta geração: A quarta geração de computadores foi marcada pela larga
integração de componentes em um único circuito integrado que resultou no
microprocessador.

O microprocessador, apesar de seu tamanho (que justifica seu prefixo micro), é muito
mais rápido e possante que os mais populares computadores da geração anterior.

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A linguagem usada pelos computadores dessa geração é “basic”, especialmente
desenvolvida para os microcomputadores.

Estamos caminhando para a quinta geração de computadores que será provavelmente
caracterizada pela linguagem de programação ainda mais próxima da natural,
processamento paralelo de dados, inteligência artificial, reconhecimento de imagens.

Tipos de computadores

Os computadores podem ser classificados segundo sua capacidade de
armazenamento de dados e a velocidade com que manipulam esses dados. De acordo
com essa classificação, eles se dividem em três grupos:
• Computadores pequenos ou microcomputadores;
• Computadores médios ou microcomputadores;
• Computadores de grande porte ou “mainframes”.

Microcomputadores
Os microcomputadores são capazes de resolver problemas similares aos que os
computadores de grande porte resolvem, porém os problemas devem ser menos
complexos, com menor quantidade de dados e com velocidade maior de
processamento.

Os microcomputadores podem ser classificados de acordo com seu emprego: os de
uso dedicado em aplicações comerciais e os de uso geral, ou microcomputadores
pessoais.

Computadores de médio porte
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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.

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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.

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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.

Armazenamentode 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.

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O conteúdo de cada registrador está sujeito a duas operações possíveis leitura e
escrita.

A leitura é o processo de retirar a palavra armazenada do registrador e enviá-la para
algum outro lugar. Por isso, quando se efetua a leitura de um dado (palavra) na
memória, seu conteúdo se modifica.

A escrita é o processo de colocar uma nova palavra em um determinado registrador.

A operação de escrita apaga a palavra memorizada anteriormente e grava a nova
palavra.

Obsevação
Não são todos os tipos de memória que permitem a escrita de novas palavras como
veremos mais adiante

Endereçamento

Para que o dado que está sendo lido seja encontrado, é preciso que ele tenha um
endereço. Esse endereço tem a forma de um número e cada registrador recebe um
número. Esse número especifica a exata localização do registrador e,
conseqüentemente, da palavra armazenada.

A figura ao lado mostra
a representação
esquemática da
organização interna de
uma memória que
armazena 64 palavras
de 4 bits cada.

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Seleção da memória

A maioria das memórias têm uma entrada chamada “chip-select” (CS)que é utilizada
para habilitar ou desabilitar as entradas e saídas do CI.

Quando a entrada CS está no modo desabilitado todas as entradas e saídas de dados
do CI estarão desabilitadas. Isso impossibilita qualquer operação de escrita ou leitura.

Operação de leitura ou escrita

A operação de leitura ou escrita é selecionada pela entrada de leitura/escrita (R / W, do
inglês “read/write”). Quando está em nível alto, esta entrada habilita os amplificadores
de saída e faz a leitura do registrador endereçado.

Quando esta entrada está em nível baixo, habilita os amplificadores de entrada e
coloca níveis lógicos no registrador endereçado.

Observação
Para economizar pinos nos CIs, os fabricantes combinam as funções de entrada e
saída de dados em pinos de entrada e saída comuns.

Observe a figura a seguir que mostra os pinos sendo usados como entrada/saída (I/O,
do inglês “input/output”).

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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).

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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.

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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.

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Microprocessador

A UCP controla todas as funções realizadas pelo sistema de um microcomputador.
Nessa tarefa, ela chama as instruções da memória, decodifica-se e executa-as. Além
disso, ela alimenta a memória e as portas de entrada e saída para executar as
diversas instruções recebidas.

Dentro desse sistema, o CI que comanda todas essas funções é o microprocessador
que corresponde à unidade central de processamento. Esse microprocessador possui
algumas características que serão estudadas neste capítulo.

Blocos funcionais do microprocessador

O microprocessador executa um grande número de funções:
• Gera sinais de controle e temporização;
• Busca instruções e dados na memória;
• Transfere dados para dispositivos de entrada/saída;
• Executa operaçõeslógicas e aritméticas;
• Responde a sinais de controle gerados pelos dispositivos de entrada/saída.

Para executar essas funções, o microprocessador possui um circuito lógico completo
que pode ser dividido em três blocos:
1.registradores;
2.temporização e controle;
3.unidade lógica e aritmética.

Os registradores são unidades funcionais usadas para armazenamento temporário
dos bits do microprocessador. Eles também transferem os dados ali armazenados para
a memória ou dispositivo de entrada e saída.

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A unidade de temporização e controle tem a função de controlar as operações de
todas as unidades do sistema de modo que funcionem numa seqüência lógica e
sincronizada para que cada dispositivo opere no momento correto.

A unidade lógica e aritmética (ULA) executa as operações lógicas e aritméticas do
sistema.

Barramentos

Para que o microprocessador possa se comunicar com as outras unidades do sistema,
ele necessita de vias que transportem as informações e os sinais envolvidos na
operação do sistema. Essas vias são chamadas de barramentos.

Os barramentos têm a função de interligar os blocos funcionais do sistema e cada um
deles tem uma função específica.

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 62
Exemplo: 1.99510

Milhar Centena Dezena Unidade
1 9 9 5
1 x 103 9 x 102 9 x 101 5 x 100

1.000
900 +
90
5
1.995

Sistema Binário
O sistema binário representado por apenas dois símbolos (0 e 1), que representam
dois estados possíveis em um sistema: aberto/fechado, ligado/desligado, sim/não, etc.

Os números binários são usados para representar o sistema de funcionamento de um
computador, já que este utiliza a característica de chaves elétricas que abrem e
fecham. Aos dois estados possíveis da chave (aberta ou fechada) associam-se os
valores binários (0 e 1).

É um sistema de numeração posicional, isto é, os símbolos têm valores diferentes de
acordo com a posição que ocupam. Como possui dois símbolos é chamado de sistema
de base 2.

Representação
Algarismos: 0 e 1
Base: 2
Posição do algarismo no número: potências de 2 ( 2n )
Símbolo: bin
Exemplo: 11012

23 22 21 20
1 1 0 1
1 x 8 1 x 4 0 x 2 1 x 1

(1 x 8) + (1 x 4) + (0 x 2) + (1 x 1) = 8 + 4 + 1 = 13
Logo : 11012 = 1310
Controladores Programáveis
SENAI 63
Sistema Octal
O sistema octal é representado por oito símbolos ( 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 ) e é chamado
de sistema na base 8.

Este sistema é uma boa forma de simplificar a representação de números binários.
Representação
Algarismos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7
Base: 8
Posição do algarismo no número: potências de 8 ( 8n )
Símbolo: oct
Exemplo: 50278

83 82 81 80
5 0 2 7
5 x 512 0 x 64 2 x 8 7 x 1

(5 x 512 ) + ( 0 x 64 ) + ( 2 x 8 ) + ( 7 x 1 ) = 2.560 + 16 + 7 = 2.583
Logo : 50278 = 2.58310

Sistema hexadecimal
O sistema hexadecimal é representado por dezesseis símbolos ( 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,
8, 9, A, B, C, D, E e F ) e é chamado de sistema na base 16.

Este sistema também é uma boa forma de simplificar a representação de números
binários.

Representação
Algarismos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E e F
Base: 16
Posição do algarismo no número: potências de 16 ( 16n )
Símbolo: hex

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 67
15 = F

14 = E

Logo : 25410 = FE16

Representação binária

Os números binários são representados por dígitos que recebem denominações
específicas em função de sua utilização.

Os números binários podem receber as seguintes representações:
• Bit;
• Byte;
• Nibble ou Tétrada.

Bit
É o nome dado a um dígito binário, e pode assumir o valor 0 ou 1.
A palavra Bit vem do inglês Binary digit (dígito binário).
Exemplo:

1 0 1
é um número binário formado por três bits

Nibble ou TétradaÉ um número binário formado pela combinação de 4 bits consecutivos.
Exemplo :

1 0 1 0

Byte
Byte a palavra utilizada para denominar a combinação de 8 bits consecutivos.
Exemplo :

1 1 0 1 1 0 0 1

BYTE
NIBBLE NIBBLE
Controladores Programáveis
SENAI 68
Obs.: um byte é composto por dois nibbles.

Palavra (Word )
Uma palavra é um conjunto de 2 bytes consecutivos, isto é, 16 bits.

1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1

Números BCD - Decimal Codificado em Binário

É um código que utiliza números binários para representar os dígitos de um número
decimal.
Cada grupo de 4 dígitos binários representa um dígito de um número decimal.

Números
Decimais
Números
Binários
0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001

Exemplo :

0010 0101 0001 0011
2 x 103
2000
Milhar
5 x 102
500
Centena
1 x 101
10
Dezena
3 x 100
3
Unidade

PALAVRA
BYTE BYTE
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
&
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Equivalente Elétrico

Porta Lógica “OU”
Equação : Y = A + B
SÍMBOLO
Norma ASA

Norma ABNT

Equivalente Elétrico

A B
A
B
Y
A
B
Y
>
=
A
B
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SENAI 73
Porta Lógica “NÃO E”

Equação : Y = A . B
SÍMBOLO
Norma ASA

Norma ABNT

Equivalente Elétrico

A
B
Y
A
B
Y
&
A
B
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