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4 – O CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

4.1 - SURGIMENTO DO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL

O controlador programável surgiu em 1969. Anteriormente a isso, o hardware do controlesequencial era dominado principalmente pelos relés.No que concerne aos dispositivos de controle de sequência que utilizam os relés,apresentavam as desvantagens a seguir discriminadas:

- mau contato;- desgastes dos contatos;- necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros

terminais de contatos e de bobinas;- complexidade na introdução de alteração na sequência;- necessidade de manutenções periódicas.

Apesar de apresentarem todas as desvantagens acima citadas, os relés se tornaram elementosprincipais do hardware de controle de sequência em razão de não haver, na época, elementosque pudessem substitui-los eficazmente.No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-seo circuito integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmostornou-se o centro das atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento dohardware para controle dotado de grande versatilidade de processamento.Por outro lado, inicia-se a era da produção em grande escala, e os assuntos, como automação,incremento da produtividade, uniformidade na qualidade e outros, transformam-se em temasprincipais nas estações de trabalho, e a solução desses problemas era exigida também pelolado da tecnologia de controle de sequência. Na época, a General Motors (GM - empresaautomobilística americana) anunciou 10 itens relativos às condições que um novo dispositivoeletrônico de controle de sequência deveria atender para que pudesse substituir os tradicionaisrelés.Os itens são os seguintes:

1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho;2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-in-

unit);3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de

controle do tipo com relés;4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés;5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados;6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés;7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V];8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de

corrente; deverá ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando parapartida de motores e outros;

9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico;10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no

mínimo.

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Assim, baseando-se nesses 10 itens acima mencionados, a partir de 1969 foram lançados umasérie de produtos denominados PLC (Programmable Logic Controller - Controlador LógicoProgramável), através de diversas empresas americanas.Como pano de fundo tecnológico para o surgimento do PLC, houve a evolução dastecnologias de computação e semicondutores, especialmente a tecnologia de CIs,possibilitando a substituição do sistema de controle por relés, que havia atingido o seu limitede possibilidades.As características do PLC elaborado segundo as especificações dos 10 itens da GM são aseguir discriminadas:- Como se trata de dispositivo que utiliza o elemento semicondutor em substituição aos

relés, o controle será do tipo sem contato;- Enquanto o conteúdo do controle dos sistemas convencionais se realiza pela execução de

fiação entre os contatos dos relés, no caso do PLC será realizado através de programa;- Embora seja o PLC um dispositivo que utiliza o semicondutor, poderá utilizar energia

para entrada e saída nas faixas de 115[V] e 220[V], 2[A] diretamente em correntealternada;

- Poderá adequar ao sistema a capacidade ideal do PLC, segundo a dimensão do controle aser realizado.

Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudessesubstituir os sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias decomputação e dos CI’s, desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação,elevação das funções e outros, até atingir a maturidade como sendo hardware principal paracontrole sequencial.Com a evolução, foi eliminado o termo “logic” do nome PLC, passando este dispositivo a serchamado de PC - Controlador Programável (Programmable Controller)Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar variáveis analógicase no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de instrumentação,com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década deoitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's,os quais passaram a elevar sua performance, permitindo que vários controladoresprogramáveis pudessem partilhar os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessemconectados vários microcomputadores, os quais através de um software de supervisão econtrole, podiam monitorar, visualizar e comandar o processo como um todo a partir de umasala de controle distante do processo.Como resumo, podemos classificar historicamente o PLC como segue :

1a. Geração : Os PLCs de primeira geração se caracterizam pela programação intimamenteligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava deacordo com o processador utilizado no projeto do PLC, ou seja , para poder programar eranecessário conhecer a eletrônica do projeto do PLC. Assim a tarefa de programação eradesenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa emmemória EPROM , sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção doPLC.

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2a. Geração : Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão dependentes dohardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor “ no PLC , oqual converte ( no jargão técnico ,Compila), as instruções do programa , verifica o estado dasentradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. OsTerminais de Programação ( ou Maletas, como eram conhecidas ) eram na verdadeProgramadores de Memória EPROM . As memórias depois de programadas eram colocadasno PLC para que o programa do usuário fosse executado.

3a. Geração : Os PLC’s passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ouProgramador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar , gravar o programa do usuário,além de realizar testes ( Debug ) no equipamento e no programa. A estrutura física tambémsofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks.

4a. Geração : Com a popularização e a diminuição dos preços dos micro - computadores(normalmente clones do IBM PC ), os PLCs passaram a incluir uma entrada para acomunicação serial. Com o auxílio do microcomputadores a tarefa de programação passou aser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens ,possibilidade de simulações e testes , treinamento e ajuda por parte do software deprogramação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc.

5a. Geração : Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicaçãopara os PLCs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” como equipamento outro fabricante, não só PLCs , como Controladores de Processos, SistemasSupervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração afim defacilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis enormalizadas, fruto da chamada Globalização. Existe uma Fundação Mundial para oestabelecimento de normas e protocolos de comunicação.

4.2 - INTRODUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLADORES LÓGICOSPROGRAMÁVEIS – PLC’s

4.2.1- Hard Logic para Soft Logic

a) Hard LogicQuando se elabora uma sequência de controle utilizando os relés convencionais e/ou móduloslógicos de estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entreesses dispositivos, sendo que a sequência de controle é do tipo hard wired logic” ousimplesmente “hard logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiaçãoelétrica).

A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversospontos deficientes, enumerados a seguir:

1. Problemas relacionados ao projeto e fabricação:A elaboração do diagrama da sequência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou

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experiência pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de sequência propriamente dito,outros inúmeros serviços relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, lay-out dos componentes, determinação das espécies de fios e cabos e outros, têm que serprojetados. Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-seque efetuar adição e/ou deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custocom relação ao tempo e à mão-de-obra.

2. Problemas relativos à operação experimental e ajustes:Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da sequência foi elaborado corretamenteou as fiações foram executadas conforme o projeto, é necessário efetuar testes decontinuidade, utilizando aparelhos de testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campocom a sequência acoplada às partes mecânicas há a necessidade de assistência e orientação detécnicos de grande experiência.

3. Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção:Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade nolay-out, além da necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis(contatos, etc.) e, ainda, manter um estoque de peças sobressalentes considerando-se a vidaútil das mesmas.

4. Problemas relativos à função:Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado paraequipamentos que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamentedifícil o controle de um sistema com hard logic quando o mesmo necessita de memorizaçãotemporária, processamento e comparação de valores numéricos.

b) Soft Logic

O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por “hardware”. As suas funçõesserão ativadas somente quando houver um programa denominado “software”. Oscomputadores, através de programas ou software, podem realizar cálculos das folhas depagamentos, assim como, cálculos de equações das mais complexas. Isto significa que, comum mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software denominadoprograma. Ou seja, a lógica do computador é um “soft logic”. Aplicando o mesmo raciocíniode controle sequencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito derelés, poderão ser substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic” (lógica deinterligação dos dispositivos por meio de programas).Para realizar o controle sequencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de umdispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas.Esses equipamentos que objetivam o controle sequencial, são denominados “Stored ProgramSystem Controller” ou “Programmable Controller’ (PLC) - Controlador Programável, ouainda, abreviadamente, “PLC”.

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c) Significado da lógica por software

O fato de se transformar a lógica da sequência em software significa que as atribuições dasfiações do hard logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá serconstituído por um equipamento standard. Isso foi possível através da padronização docontrole sequencial, solucionando uma grande parte dos problemas que existiamtradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a promoção da automação eracionalização em níveis cada vez mais elevados.

Na tabela 4.1, indica-se a comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-seque, em praticamente todos os aspectos, o PLC apresenta-se com maiores vantagens.Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação, surgiu o controladorprogramável, proporcionando uma evolução excepcional no controle sequencial.

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4.2.2 - Diferenças entre o PLC e o Computador

O PLC é um novo equipamento que surgiu com o advento da tecnologia do computador,sendo sua utilização voltada à estação de trabalho. Assim, se o PLC for comparado aocomputador utilizado em escritórios, tanto o hardware quanto o software são significamentediferentes.

a) Hardware

O computador é um equipamento destinado a efetuar cálculos de alto nível e processamentode dados, de sorte que as entradas e saídas, como discos magnéticos e impressoras, sãoprojetadas para atender às necessidades do computador. Portanto, os dispositivos decomputação e de memória que correspondem ao cérebro, ocupam um grande espaço, e asentradas e saídas, que correspondem aos braços e pernas, são relativamente pequenas. Dessaforma, pode-se dizer que o computador é um superdotado de cabeça gigantesca com estruturafrágil, que trabalha com baixa tensão, tendo que ser instalado em sala climatizada, ou seja, umlocal de bom ambiente.

Em relação a isso, o PLC surgiu com o objetivo de substituir os painéis de relés. Assim, suasentradas e saídas são constituídas pelas chaves fim de curso, válvulas solenóides e outros,sendo, na maioria, equipamentos de alta tensão e corrente. Além disso, estão sujeitos aosruídos provenientes das máquinas e equipamentos existentes nas estações de trabalho, assimcomo, severas condições de temperatura e partículas suspensas na atmosfera. Como as partesque realizam a computação são constituídas de componentes eletrônicos de baixa tensão,como no caso dos CIs, será necessário instalar nas portas de entrada e saída os circuitos paratransformação e amplificação de sinais e, ainda, conforme o caso, circuito para eliminação deruídos. Além disso, sua estrutura construtiva deverá ter uma proteção robusta para resistir àsseveras condições do local de instalação.

b) Software

Nos programas de computador são utilizadas as linguagens como C, C++, Pascal e outras, e asmesmas podem ser utilizadas apenas pelos especialistas que tiveram os cursos específicospara esse fim.Por outro lado, no caso do PLC, a linguagem é idealizada de tal forma que as pessoas ligadasdiretamente à operação de máquinas e equipamentos, ao planejamento de instalações elétricase à manutenção possam entendê-la, utilizando códigos e/ou linguagens mais próximos dassequências dos circuitos tradicionais, ou seja, no que se refere à programação, foi idealizadapara que se possa programar utilizando códigos obtidos através do fluxograma e do diagramade tempo (time chart) do sistema a ser controlado, sendo essa programação realizável porqualquer pessoa com um treinamento relativamente simples.Dessa forma, embora o PLC seja tecnologicamente um computador, em termos de utilização éum equipamento de controle local.

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4.2.3 - Evolução do Controle Sequencial

O controle sequencial evoluiu de painel de relés para o método de programa armazenado. Noperíodo inicial, o método de programa armazenado partiu do método ‘discreto” com circuitostransistorizados e, em termos de funções não passava de simples substituição dos painéis derelés. Contudo, ultimamente, com o advento do microcomputador que surgiu da tecnologia doLSI (Large Scale Integration - Integração de Grande Capacidade), foram adicionadas asfunções que não havia nos painéis de relés, como cálculo comparativo, computação e outros.Além disso, esse método não se restringe apenas ao controle sequencial, sendo utilizado, porexemplo, no controle digital a realimentação (feed-back) e, assim, tendo a sua utilizaçãoampliada para o controle de uma forma global.O microprocessador é excelente para essas funções e pode-se dizer que o controle sequencialestá passando da fase do PLC de simples substituição de painéis de relés (primeira geração)para o PLC de alto nível (segunda geração).

4.3- ARQUITETURA DO CONTROLADOR PROGRAMAVEL

4.3.1 - Constituição Geral, Princípio de funcionamento e Operação

a) Constituição geralComo o controlador programável - PLC - será instalado na estação de trabalho da linha deprodução para operação e controle de equipamentos, dispositivos e máquinas, o mesmo éconstituído com robustez para resistir às condições desfavoráveis de um local de produção,como vibração, ruídos, partículas em suspensão. etc., além da facilidade na sua manipulação.

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Outro aspecto e a sua composição, que é executada de tal forma que possibilite a utilizaçãoatravés de combinações mais adequadas, selecionando a escala e funções segundo o objeto decontrole.Indica-se na figura 4.1 a constituição de um PLC. Assim, tem-se a CPU (Central ProcessingUnit) ou UCP (Unidade Central de Processamento), que corresponde ao cérebro humano, asunidades de entradas e saídas para intercâmbio de sinais entre os equipamentos, dispositivos emáquinas, a fonte para fornecimento de energia elétrica, além dos equipamentos periféricospara incrementar a operacionalidade do PLC.

Figura 4.1 – Constituição fundamental de um PC

b) Princípio de Funcionamento - Diagrama em Blocos

Figura 4.2 – Diagrama em Blocos do Funcionamento de um PLC

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Inicialização

No momento em que é ligado o PLC executa uma série de operações pré – programadas,gravadas em seu Programa Monitor :

- Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U. , memórias e circuitos auxiliares;- Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;- Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP , PROG, etc. );- Desativa todas as saídas;- Verifica a existência de um programa de usuário;- Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

Verificar Estado das Entradas

O PLC lê o estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. Oprocesso de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura ( Scan ) e normalmente é de algunsmicro – segundos ( scan time ).

Transferir para a Memória

Após o Ciclo de Varredura, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memóriachamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser umespelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo PLC no decorrerdo processamento do programa do usuário.

Comparar com o Programa do Usuário

O PLC ao executar o programa do usuário , após consultar a Memória Imagem das Entradas ,atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelousuário em seu programa.

Atualizar o Estado das Saídas

O PLC escreve o valor contido na Memória das Saídas , atualizando as interfaces ou módulosde saída. Inicia – se então, um novo ciclo de varredura.

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4.3.2 - Estrutura Interna do PLC

O PLC é um sistema microprocessado , ou seja, constituí – se de um microprocessador ( oumicrocontrolador ), um Programa Monitor , uma Memória de Programa , uma Memória deDados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e CircuitosAuxiliares.

Fonte de Alimentação

A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas :

- Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) para a tensão de alimentação doscircuitos eletrônicos , (+ 5Vcc para o microprocessador , memórias e circuitos auxiliarese +/- 12 Vcc para a comunicação com o programador ou computador );

- Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória dotipo R.ªM.;

- Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas ( 12 ou 24 Vcc ).

Unidade Central de Processamento :

Também chamada de C.P.U. é responsável pela funcionamento lógico de todos os circuitos.Nos PLC’s modulares a CPU está em uma placa ( ou módulo ) separada das demais,podendo-se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos PLC’s de menor portea CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comunssão :

- Microprocessadores ou Microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits ( INTEL 80xx,MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx );

- Endereçamento de memória de até centenas de Mega Byte;- Velocidades de CLOCK variando de 4 a 100 MHZ;- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.

Bateria

As baterias são usadas nos PLC’s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reterparâmetros ou programas ( em memórias do tipo RAM ) ,mesmo em caso de corte de energia ,guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas bateriasrecarregáveis do tipo Ni – Ca ou Li. Neste casos , incorporam se circuitos carregadores.

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Memória do Programa Monitor

O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do PLC. Ele é o responsávelpelo gerenciamento de todas as atividades do PLC. Não pode ser alterado pelo usuário e ficaarmazenado em memórias do tipo PROM , EPROM ou EEPROM . Ele funciona de maneirasimilar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permitea transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e oPLC, gerenciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc.

Memória do Usuário

É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alteradapelo usuário, já que uma das vantagens do uso de PLC’s é a flexibilidade de programação.Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memóriasdo tipo RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ) , EEPROM e FLASH-EPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca doprograma com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante deacordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos dePrograma.

Memória de Dados

É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dadossão valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc.São normalmente partes da memória RAM do PLC. São valores armazenados que serãoconsultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns PLC’s ,utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.

Memória Imagem das Entradas / Saídas

Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nassaídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memóriadenominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona comouma espécie de “ tabela ” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas paratomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.

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Circuitos Auxiliares

São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do PLC. Alguns deles são :

- POWER ON RESET : Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não épossível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra umacionamento indevido de uma saída , que pode causar um acidente , existe um circuitoencarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assimque o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado.

- POWER–DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamentedesenergizado . O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existeum circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e emcaso do valor desta cair abaixo de um limite pré – determinado, ocircuito é acionado interrompendo o processamento para avisar omicroprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempohábil.

- WATCH-DOG – TIMER : Para garantir no caso de falha do microprocessador , o programanão entre em “ loop” , o que seria um desastre, existe umcircuito denominado “Cão de Guarda “ , que deve ser acionadoem intervalos de tempo pré – determinados . Caso não sejaacionado , ele assume o controle do circuito sinalizando umfalha geral.

Módulos ou Interfaces de Entrada :

São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa serprocessado pela CPU ( ou microprocessador ) do PLC . Temos dois tipos básicos de entrada:as digitais e as analógicas.

Entradas Digitais

São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado , e alguns dosexemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são :

- Botoeiras;- Chaves ( ou micro ) fim de curso;- Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;- Chaves comutadoras;- Termostatos;- Pressostatos;- Controle de nível ( bóia );Etc.

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As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ( 24 Vcc ) ouem corrente alternada ( 110 ou 220 Vca ). Podem ser também do tipo N ( NPN ) ou do tipoP(PNP ). No caso do tipo N , é necessário fornecer o potencial negativo ( terra ou neutro ) dafonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P énecessário fornecer o potencial positivo ( fase ) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos éde praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação éfeita normalmente através de optoacopladores.

As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e oPLC não excedam 50 m. Caso contrário , o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

Exemplo de circuito de entrada digital 24 Vcc

Figura 4.3 – Entrada Digital 24Vcc

Exemplo de circuito de entrada digital 110 / 220 Vca :

Figura 4.4 – Entrada Digital 110/220 Vca

ENTRADA 24 VCCCPU

C.P.U.110/220

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Entradas Analógicas

As Interfaces de Entrada Analógica , permitem que o PLC possa manipular grandezasanalógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricastratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas deutilização são : 0 á 10 Vcc, 0 á 5 Vcc, 1 á 5 Vcc, -5 á +5 Vcc, -10 á +10 Vcc ( no caso asinterfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de EntradasDiferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 mA , 4 á 20 mA.

Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são :

- Sensores de pressão manométrica;- Sensores de pressão mecânica ( strain gauges - utilizados em células de carga );- Taco-geradores para medição rotação de eixos;- Transmissores de temperatura;- Transmissores de umidade relativa;- Etc.

Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta énormalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permiteuma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo : Uma placa de entradaanalógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV,enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mVe uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.

Exemplo de um circuito de entrada analógico :

Figura 4.5 – Entrada Analógica

C.P.U. ENTRADA

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Módulos Especiais de Entrada

Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplossão :

- Módulos Contadores de Fase Única;- Módulos Contadores de Dupla Fase;- Módulos para Encoder Incremental;- Módulos para Encoder Absoluto;- Módulos para Termopares ( Tipo J, K, L , S, etc );- Módulos para Termoresistências ( PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc);- Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges;- Módulos para leitura de grandezas elétricas ( KW , KWh , KQ, KQh, cos Fi ,

I , V , etc).

Módulos ou Interfaces de Saída :

Os Módulos ou Interfaces de Saída adequam eletricamente os sinais vindos domicroprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados . Existem dois tiposbásicos de interfaces de saída : as digitais e as analógicas .

Saídas Digitais

As saídas digitais admitem apenas dois estados : ligado e desligado. Podemos com elascontrolar dispositivos do tipo :

- Relés ;- Contatores ;- Relés de estado - sólido- Solenóides;- Válvulas ;- Inversores de Frequência;- Etc.

As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas : Saída digital à Relé , Saídadigital 24 Vcc e Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe , prover o circuito deum isolamento galvânico, normalmente opto - acoplado.

Exemplo de saída digital à relé :

Figura 4.6 – Saída Digital a Relé

CPU SAÍDA

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Exemplo de saída digital à transistor :

Figura 4.7 – Saída Digital à Transistor

Exemplo de saída digital à Triac :

Figura 4.8 – Saída Digital à TRIAC

Saídas Analógicas

Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em sinais de saídaem tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 à 10 Vcc ou 0 à 5 Vcc, e no caso decorrente de 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivosatuadores do tipo :

- Válvulas proporcionais;- Motores C.C.;- Servo – Motores C.C;- Inversores de Frequência;- Posicionadores rotativos;- Etc.

SAÍDA CPU

SAÍDA

C.P.U.

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Exemplo de circuito de saída analógico :

Figura 4.9 – Saída Analógica

Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são :

- Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.;- Módulos para controle de Servomotores;- Módulos para controle de Motores de Passo ( Step Motor );- Módulos para I.H.M. ( Interface Homem Máquina );- Etc.

4.3.3 - Auto-avaliação de Defeitos

O PLC é o centro nervoso do sistema, de sorte que, se ocorrer alguma falha no mesmo, poderácausar erro na execução do programa, colocando em risco todo o sistema sob controle. Assimsendo, quando ocorrer alguma falha no sistema do PLC, é muito importante identificarrapidamente a localização do defeito, se é interno ou externo ao PLC. Caso o defeito forinterno, verificar se é no hardware ou no software; se não ruídos, etc.Para fazer frente a esses problemas, formam-se diversas providências, como, por exemplo, aelaboração de programa do sistema que permite descobrir facilmente os defeitos, mesmosendo no próprio sistema do PLC. A função de auto-avaliação de defeitos é muito importantecomo meio de prevenção de falhas, reduzindo significantemente o tempo inativo (Downtime). Através dessa função, o próprio PLC faz a avaliação do defeito que tenha ocorrido nohardware, indicando o local avariado. Dessa forma, descobre-se o local defeituoso, permitindoentão uma rápida restauração do sistema.

8 bits

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O exemplo constante da tabela 4.5 refere-se a um modelo de auto-avaliação de defeitos,apresentado normalmente pelos fabricantes. Isto é, no que se refere à unidade de computação,existem: verificador de processamento e computação, que faz executar um programa deprocessamento modelo e compara o seu resultado com um valor correto existente; o watchdog timer, que faz a verificação quanto ao congestionamento do processamento ecomputação; e, também, o verificador de programas, que efetua a checagem dos erros dedeterminação de endereços, erros de sintaxe, erro de estrutura de circuito programado, etc.Na unidade de memória, por exemplo, existe o verificador de paridade que, acessado oconteúdo da memória tipo RAM, verifica se a quantidade de números “1’ existente em cadaendereço se encontra permanentemente ordenada em número ímpar (ou par). Quando osistema utiliza memória tipo ROM. devido às suas características, não se utiliza o método deverificação de paridade e sim o chamado verificador de soma total de memória (Sum check),que soma os dados de cada endereço de memória, gravando o valor total no último endereço,desconsiderando OVERFLOW. Desta forma, quando em operação, pode-se verificar se acomunicação entre a CPU e a unidade de memória tipo ROM está correta, somando-se osdados de cada endereço e comparando a soma total com o valor gravado no último endereço.Para as unidades de entrada/saída, existe o verificador de barramento (bus check), que efetuaa verificação da paridade dos barramentos entre a CPU e unidade E/S e também o sistemaduplo de verificação (dual system), que, dobrando cada circuito de entrada, faz a comparaçãode ambos os dados de entrada para a verificação da coincidência (este tipo é utilizado emsistemas onde se exige grande segurança e alta confiabilidade).Na fonte de energia, existem os sistemas de anunciadores de alarme, que informamanormalidades como sobretensão, sobrecorrente, elevação de temperatura e outros.

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4.4 – PROGRAMAÇÃO DE PLC’S

4.4.1 - Considerações sobre programação e métodos de programação

a) Considerações sobre programaçãoQuando se deseja efetuar o controle de aparelhos, dispositivos e máquinas através de um PLC,é necessário que o conteúdo de controle seja previamente gravado na unidade de memória doPLC. Assim, o controlador programável executará fielmente o controle das máquinas edispositivos, conforme a instrução do conteúdo de controle.Por exemplo, mesmo que se deseje gravar uma instrução de controle, como “A lâmpada hdeverá acender-se somente quando as botoeiras b0 e b1 estiverem pressionadas ao mesmotempo”, como o PLC não entende a linguagem humana de uso cotidiano, a gravação terá queser efetuada com termos compreensíveis pelas máquinas. Assim, denomina-se “programa afrase escrita segundo uma sequência definida, observando rigorosamente uma determinadaregra com os termos que podem ser compreendidos pelas máquinas, e “programação”, aelaboração desse programa e a subsequente gravação do mesmo na memória.

b) Métodos de programaçãoNa comunicação entre homens existe o português, o inglês, e assim por diante. Do mesmomodo, para a comunicação com PC’s, existem diversos tipos de linguagem de acordo com ofabricante e o modelo do equipamento.Em geral, os usuários dos PLCs são pessoas treinadas para a utilização de máquinas eequipamentos, manipulação de circuitos elétricos, etc. Assim, foram idealizadas diversaslinguagens de programação para que fossem acessíveis para essas pessoas.Classificando essas linguagens, tem-se : método de diagrama de circuitos, que consiste emtransformar diagrama de circuito elétrico em linguagem de programação; método de diagramafuncional, no qual programam-se os movimentos ou operação da máquina ao PLC.

Figura 4.10 – Métodos de programação

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No caso de método de diagrama de circuito, elabora-se primeiramente o diagrama através dosrecursos de circuitos a relés ou símbolos lógicos, para posteriormente transformar emprogramas. Trata-se de um método bastante eficaz para técnicos da área elétrica treinados emcircuitos sequenciais.No que concerne ao método de transformação, existem três, a saber:- Diagrama “Ladder’ (ladder symbol circuit);- Diagrama de portas lógicas;- Diagrama de lista de instruções.

Na utilização do método de diagrama ladder, é necessário o display para indicação dodesenho. Devido às facilidades que o método oferece em termos de desenhar e indicardiretamente os circuitos de relés, ultimamente o presente método está sendo o mais utilizadoem termos de métodos de programação.Por outro lado, no caso do método de diagrama funcional, trata-se de método no qualtransfere-se o movimento ou operação do objeto de controle para um fluxograma (flow chart),introduzindo diretamente no PLC, sem necessidade de elaborar o diagrama de circuitosequencial. Assim, trata-se de um método eficaz para as pessoas habituadas a lidar comprogramação de computadores inclusive técnicos da área de mecânica e afins. Esse métodotambém é classificado em outros dois, a saber: método de fluxograma e método sequencial(passo a passo).

1) Método de diagrama de circuito

A seguir, será efetuada uma explanação sobre diversos exemplos de programação sobre umcircuito a relés do mais simples, como no caso de um circuito de retenção.

Figura 4.11 – Exemplo de programa elaborado segundo o método de diagrama de circuito

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No método de diagrama “ladder”, o esquema do circuito deverá ser substituído pelos símbolosou códigos ladder. A seguir, pressionando sequencialmente as teclas que indicam os símbolosladder e as linha de conexão, dever-se-á traçar o circuito no display e, à medida que se forconcluindo, gravá-la na memória por unidade de circuito. Nesse método, a programaçãopoderá ser efetuada confirmando passo a passo o seu encaminhamento, sendo assim o métodomais intuitivo e simples.Entretanto, como necessita do display, se o PLC for de pequeno porte, o seu custo relativo (dodisplay) será muito alto.No método de apresentação por porta lógica, dever-se-á elaborar o esquema do circuitoutilizando os símbolos lógicos que indicam ‘AND”, “OR”, “NOT”, pressionando as teclassegundo o fluxo de sinais.Por outro lado, no método de equação lógica, adotando o método de entrada pelatransformação do esquema do circuito em equação algébrica booleana, representando aligação série com “•“, a paralela com “±“ e a saída com “=“ e utilizando os números deentrada e saídas, elaborar a equação lógica e digitar no teclado.No presente método, será necessário um certo treinamento para transformar o diagrama docircuito em equação lógica. Contudo, assim que estiver suficientemente treinado, o usuáriopoderá elaborar facilmente a equação de qualquer circuito, mesmo os mais complexos, e,ainda, se utilizar convenientemente os parenteses “( )“ poderá elaborar programas muitoeficazes, mesmo dispondo de limitada capacidade de memória.O método de instrução consiste em elaborar o programa substituindo o esquema do circuitopor determinados termos de instrução (LOAD, AND, OR, NOT, etc), tratando-se do métodode programação que mais se aproxima da metodologia de computação.

2) Método de diagrama funcional

No método de diagrama de circuito, foi visto que inicialmente as ações ou operações dasmáquinas eram apresentadas em termos de circuitos para posterior transformação emprogramas. Entretanto, no caso do método de diagrama funcional, as ações ou operações dasmáquinas poderão ser diretamente transformadas em programa, sem necessidade deelaboração prévia do circuito elétrico.No que se refere ao método de fluxograma, as ações ou operações das máquinas e dispositivossão representadas através de fluxograma. O PLC que adota esse método, proporcionafacilidades quanto à execução das derivações, de acordo com situações de entradas e saídas ousaltos (jump) a um endereço distante.

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Fig. 4.12 – Exemplo de programa com o método de diagrama funcional.

O método sequencial é um método dos mais simples em termos de diagrama de tempo e éindicado para manipulação do programa do tipo em que a operação global de controle édividida em pequenas etapas em uma determinada sequência; por exemplo: se a operaçãocontida no 1° passo for encerrada, passará para o 2° passo e assim sucessivamente. Essemétodo surgiu como substituto ao do tipo came rotativo e quadro de controle perfurado (pinboard), que eram destinados ao controle de programas de pequeno porte. Contudo, trata-se demétodo dotado de função de alto nível, utilizando as características como salto (jump),repetição, temporizador, contador e armazenamento de programas.

4.4.2 - Sequência para PLC’s

Como o PLC surgiu inicialmente em substituição aos painéis de relés, o método deprogramação foi baseado principalmente nos circuitos a relés (doravante será designadosequência de relés) e, assim, utiliza-se com maior intensidade o método de diagrama decircuitos.Além disso, dentro do método de diagrama de circuitos, os mais adotados são o de equaçãológica, que proporciona grande facilidade na representação de circuito a relés, e o de diagramaladder. Assim, no presente item, será efetuada a explanação sobre o procedimento paraprogramação, fundamentando-se nesses dois métodos.

a) Significado de sequência para PLCPor princípio, a parte interna de um controlador programável é uma concentração decomponentes eletrônicos como o LSI (Large Scale lntegration), de sorte que não há bobinas econtatos como no caso dos circuitos a relés, e, além disso, as fiações que unem os contatos’com as “bobinas”, são processadas pelo software. Por outro lado, em se tratando deacionamento, o PLC é completamente diferente da sequência de relés, onde, com a excitaçãoda bobina, ocorre o fechamento de um contato com a ativação do circuito. No caso do PC,trata-se do método em que se faz a exploração (scanning) periódica da memória com uma

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frequência determinada e, procedendo a leitura do seu conteúdo, executa a operação conformedeterminado pelo mesmo. Portanto, quando se for elaborar o programa da sequência para oPLC, ter-se-á que levar esse fato em conta. Por outro lado, ao se utilizar a sequênciaelaborada, tendo em mente a ação dos relés, será necessário introduzir no PLC algumasadaptações. Os programas para PLC assim elaborados serão doravante denominados“sequência para PLC”.

b) Considerações sobre sequência para PLCNa elaboração de sequência para PLC, o primeiro item a ser considerado é a diferença defunção proveniente da diferença de principio de funcionamento.

(1 ) O controle do PLC é do tipo processamento linear ou seriado.Conforme explanado anteriormente, como o PLC executa a computação pelo método deexploração, se tomar um instante qualquer durante o seu processamento, observa-se que omesmo estará executando apenas uma tarefa.

(2) Limitação no que se refere ao número de contatos a serem utilizados.Para cada relé, normalmente há uma limitação no número de contatos que esse poderápossuir. Para tanto, quando se elabora uma sequência de relés, procura-se economizar onúmero de contatos, para reduzir o número de relés a serem utilizados.Em relação a isso, o sinal de entrada do PLC, uma vez tendo sido introduzido, pode serutilizado inúmeras vezes dentro da sequência, e o próprio sinal de saída também poderá serutilizado inúmeras vezes.Portanto, a sequência poderá ser elaborada sem maiores problemas, não havendo necessidadede se preocupar com o número de contatos como no caso da sequência de relés.

(3) Circuito de interligação e circuitos em ponteNo circuito a relés, há casos em que inesperadamente ocorre algum desvio e ocasiona erro deoperação. Além disso, com o intuito de economizar o número de contatos, pode-se montarcircuitos em ponte. Na sequência para PLC, um mesmo contato poderá ser utilizadoilimitadamente. Assim, no PLC não haverá necessidade de utilizar esses circuitos perigosos,que poderão tornar-se causadores de erros, ou outras técnicas mais complexas. Portanto,

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utilizando ilimitadamente os contatos, pode-se elaborar sequências simples e de fácilcompreensão.

4.4.3 - Sequência de Programação

O programa deverá ser elaborado obedecendo a seguinte rotina:- distribuição das entradas e saídas;- elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas;- elaboração da sequência para PLC;- distribuição das saídas internas, temporizadas e contadores;- codificação (coding) e carregamento (loading)

a) Distribuição das entradas e saídasInicialmente, deve-se classificar o número dos equipamentos externos que serão conectadosàs unidades de entradas e saídas e, efetuando uma nova classificação, de acordo com asespecificações elétricas, deve-se definir a quantidade de módulos de entradas e saídasnecessárias. No que se refere aos módulos de E/S, geralmente cada módulo pode controlar 8ou 16 pontos dos equipamentos externos. Assim, deve-se dividir o total de pontos a seremcontrolados pelo número de pontos de cada módulo e, definir a quantidade de módulos deentradas e saídas.Assim que a quantidade de módulos E/S for definida, deve-se definir o seu lay-out. Para tanto,é necessário distribuir os módulos nas posições que facilitam a execução da fiação dosequipamentos externos.Existem inúmeros equipamentos que são conectados como elementos de entradas e saídas eassim, no diagrama de circuito elétrico, os mesmos são normalmente identificados comabreviaturas como b0 (botoeira), VS (válvula solenóide), etc. Entretanto, essas abreviaturasadotadas são incompreensíveis para os PLC’s.As únicas palavras compreensíveis para os PLC’s são os números específicos atribuídos aosseus terminais de entrada e saída. Assim, os equipamentos representados pelas abreviaturas(b0, VS, etc.) são identificados pelos números dos terminais onde serão conectados, para que ocontrolador programável possa identificá-los. Por exemplo, na tabela 4.7, distribuíram-se osmódulos de entrada de n° 100 e os de saídas na de n° 300 e fez-se, a seguir, a distribuição dosequipamentos externos em cada um dos números (terminais) de entradas e saídascorrespondentes.

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b) Elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídasQuando se for efetuar a distribuição das entradas e saídas, no caso de componentes queintegram o esquema em grande quantidade, como no caso das botoeiras, chaves fim-de-curso,etc., existem dois métodos de distribuição, a saber: a primeira consiste em distribuir nasequência b0, b1, ..., para um mesmo equipamento, e a segunda, em distribuir pela fiaçãoproveniente de uma mesma direção, de acordo com a posição ou direção em que se encontra oequipamento. Sobre esse assunto, durante a elaboração do diagrama de conexão de entradas esaídas, é importante estudar e definir qual dos dois métodos deve ser aplicado, considerando aobra de fiação que terá que ser executada.Além disso, deve-se identificar se os sinais provenientes dos equipamentos de entrada estãoconectados através de contatos abridores ou fechadores, pois, caso contrário, será difícilavaliar durante a elaboração do programa se há ou não a necessidade de se utilizar código(comando) de inversão.Dessa forma, como o diagrama de conexão de entradas e saídas torna-se um instrumentofundamental para a programação e obra de fiação, o mesmo deve ser elaborado em primeirolugar, juntamente com a distribuição das entradas e saídas.

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Figura 4.14 – Diagrama de conexão das entradas e saídas

c) Elaboração da sequência para PLC

Inicialmente, na elaboração da sequência para PLC, não há necessidade de se pensar emeconomia de contatos, como no caso da sequência de relés, bastando que se transfiramdiretamente para a sequência as ações ou operações do sistema a ser controlado. Por outrolado, se houver uma sequência de relés já pronta, deve-se então reelaborá-la para o PLC.

Figura 4.15 – Elaboração de sequência para PLC

Baseando-se no diagrama de sequência do circuito de partida/parada indicado na figura 4.15,será explanada a rotina de elaboração do programa (sequência lógica). Existem as botoeiraspara parada (b0) e partida (b1), que estão conectadas aos terminais 100 e 101, respectivamente,do módulo de entradas e a saída conectada ao terminal 300 do módulo de saídas. Porconseguinte, o programa será elaborado utilizando-se esses números. A entrada 100 utiliza umcontato abridor, e a 101 um fechador.

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Figura 4.16 – Rotina para elaboração da sequência lógica

1) Deve-se extrair os elementos do programa de tal forma que permaneçam uma bobina e obloco de contatos a ela conectados.

2) A fiação de conexão série entre os contatos, ou entre os contatos e o circuito paralelo,deve ser substituída pelo símbolo “.” que significa “AND” (E).

3) A fiação da parte inicial do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo “(“(abertura de parênteses).

4) O circuito paralelo deve ser substituído pelo símbolo “+”, que significa “OR” (OU).5) A fiação na parte final do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo “)”

(fechamento de parênteses).6) A fiação à bobina deve ser substituída pelo símbolo “=”.7) Como o terminal de número 100 é do tipo contato abridor (NF), então, invertendo a

entrada 100, obtém-se 100 e assim o programa será: 100. (101 + 300) = 300.

Na sequência descrita, todas as fiações foram substituídas por instruções. A sequência lógicarepresentada pelas instruções AND “.“, OR “+” e IGUAL “=” será compreensível pelo PLC eesse será o seu programa.

d) Distribuição das saídas internas, temporizadores e contadoresNo PLC existem as unidades de entrada e saída que realizam o intercâmbio de sinais entre osequipamentos externos. Contudo, dentre os sinais de saídas, existem aqueles que, embora nãosejam enviados para fora do equipamento, são mantidos armazenados temporariamente paraefeito de controle. Esta é a função dos relés auxiliares na sequência de controle de relés, sendo

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estes denominados saídas internas.Trata-se de modelos padrões que são utilizados nas diversas partes da sequência de relés, que,agrupados, recebem o tratamento como se fossem saídas provisórias, equivalentes aos relésauxiliares num circuito de relés. Em relação a isso, há casos em que se denominam as saídasnormais como sendo “saídas externas” apenas para efeito de diferenciação.Durante a elaboração do diagrama de sequência, deve-se atribuir números correspondentes àssaídas internas, temporizadores e contadores. Por exemplo, como no caso da tabela 4.8, deve-se efetuar a distribuição de números como segue: ZO, Z1, Z2, ... para saídas internas, TD paratemporizador com retardo na energização (ON DELAY TIMER), TF para temporizador comretardo na desenergização (0FF DELAY TIMER), CU para contador (COUNTER) e assimsucessivamente.Com relação ao método das saídas internas, temporizadores e contadores, observam-sediferenças de acordo com os fabricantes de PLC. Assim sendo, é necessário compreendersuficientemente o seu método, através da leitura do seu manual de instruções.

e) Codificação e carregamentoAssim que o programa for elaborado, deve-se então armazená-lo na memória do usuário.inicialmente, conforme se observa na figura 4.17, deve-se efetuar a codificação a fim de sabera partir de qual endereço de memória o programa será armazenado e quantos endereços(palavras de memória) serão utilizados para o armazenamento.

Essa atividade de “distribuição dos endereços de memória”, e ao papel utilizado para adistribuição é denominado “folha de codificação”.

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Figura 4.17 – Exemplo de programação

A atividade de gravar o programa na memória utilizando os equipamentos periféricosdenomina-se carregamento (loading). Para realizar o carregamento, deve-se inicialmenteativar os endereços de memória. Essa operação deve ser efetuada apenas na primeira vez,pois, posteriormente, ocorrerá o avanço automático, palavra por palavra de memória. Aseguir, deve-se efetuar o carregamento do programa passo a passo, certificando-se de que nãohá erro de programação nos mesmos. Quando se for efetuar o carregamento pelo método dediagrama ladder, pelo fato do diagrama de sequência ser indicado no display por unidade decircuito, não há necessidade de se efetuar a codificação, isto é, pode-se executar ocarregamento direto a partir da sequência para PLC.