Apostila clp - blocos funcionais

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS (IFG)

CAMPUS JATAÍ

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS (CLP´s)

Diagrama de Blocos de Funções (FBD – Function Block Diagram)

Prof. Dr. André Luiz

6º Período de Engenharia Elétricaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Diagrama de Blocos de Funções (FBD)

1 - Diagrama de Blocos de Funções – Function Block Diagram (FBD)

É uma das linguagens gráficas de programação, muito popular na Europa, cujos elementos

são expressos por blocos interligados, semelhantes aos utilizados em eletrônica digital. Essa

linguagem permite um desenvolvimento hierárquico e modular do software, uma vez que podem

ser construídos blocos de funções mais complexos a partir de outros menores e mais simples.

Por ser poderosa e versátil, tem recebido uma atenção especial por parte dos fabricantes.

Devido à sua importância, foi criada uma norma para atender especificamente a esses

elementos (IEC 61499), visando incluir instruções mais poderosas e tornar mais clara a

programação.

Os blocos lógicos correspondem a uma linguagem de nível intermediário e muito prática,

pois traz consigo várias funções de temporização pré-definidas, facilitando assim a confecção

de programas. Desse modo neste curso será abordada essa linguagem de programação.

Vamos supor que seja necessário determinar a função lógica interna de um sistema

desconhecido, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - Sistema binário com duas entradas (A e B) e uma saída (L)

A idéia é injetar sinais lógicos nas entradas A e B de todos as combinações possíveis e,

para cada uma dessas combinações, registrar o resultado obtido na saída L. A Tabela 1

apresenta um exemplo de tabela que poderia ser obtida.

Tabela 1 - Exemplo de uma tabela de um sistema com duas entradasA B L0 0 00 1 11 0 0

2


1 1 1

Observe que a listagem das combinações de entrada obedece à seqüência da contagem

binária, o que torna fácil sua construção.

1.1 - Fluxograma para o desenvolvimento de projetos combinacionais

A primeira etapa do desenvolvimento do projeto de um sistema combinacional consiste na

análise do problema, buscando identificar as variáveis de entrada e de saída, bem como um

modelo que vai solucionar o problema. Em seguida, constrói-se a tabela verdade, simulando

todas as possibilidades para as variáveis de entrada e obtendo os respectivos valores de saída.

Na seqüência, obtêm-se as expressões lógicas simplificadas por um dos métodos a serem

estudados nesta apostila e por último, desenha-se o diagrama esquemático equivalente à

função lógica obtida. Esta seqüência é ilustrada pela figura 2.

Figura 2 – Seqüência de desenvolvimento de um projeto combinacional

1.2- Álgebra Booleana

No caso das chaves, apresentadas anteriormente, podemos ver que só existem duas

possibilidades para o circuito: ou a chave esta fechada ou está aberta. Quando somente duas

situações são possíveis, trata-se de um sistema chamado binário, ou seja, de duas

possibilidades.

Quem primeiramente estudou este assunto foi o matemático George Boole que desenvolveu

uma teoria para tratar os sistemas binários. O conjunto de seu trabalho é citado nos textos

como “álgebra de booleana”. Mais tarde, em 1938, Claude E. Shannon desenvolveu a aplicação

da álgebra booleana no projeto de circuitos de comutação telefônica.

Uma revisão da formulação apresentada pela Álgebra de Boole é importante para os

usuários de circuitos à relés e controladores programáveis. O objetivo deste capítulo é revisar

os conceitos básicos da lógica booleana visando a sua utilização em projetos de circuitos

baseados em relés ou de programação do controlador programável.

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1.2.1- Variável e Expressão Booleana

Variável booleana é um literal que representa o estado de alguma coisa que possui somente

dois estados: falso ou verdadeiro, aberto ou fechado, está presente ou não está presente, etc.

Por exemplo, (se um relé está energizado então podemos representar o estado do relé

energizado ou desenergizado) por uma variável X cujos valores podem ser somente 1 ou 0. Por

exemplo, uma chave que pode estar aberta ou fechada, como ilustra a figura 3.

Figura 3 – Variável lógica associada a uma chave

Uma proposição lógica, relativa a essa chave, é “a chave esta fechada”. Essa proposição é

representada pelo símbolo A. Então, quando a chave está fechada, a variável A é verdadeira, e

quando a chave esta aberta, a variável A é falsa.

Como visto, a variável booleana (também chamada binária) possui dois valores que no caso

da representação do estado de uma chave são fechado e aberto.

Simbolicamente, costuma-se representar a variável booleana por 1 e 0. Portanto, em relação

à figura anterior, tem-se A = 1 ou A = 0.

Cabe lembrar que os símbolos 1 e 0 não têm aqui um significado numérico apenas lógico.

No campo dos sistemas digitais, esses dois valores são dois níveis de tensão prefixados aos

quais associamos os símbolos 1 e 0. Por exemplo, + 5 V = 1 e 0 V = 0.

Uma denominação muito comum de 0 e 1 são os termos baixo / alto ou nível lógico baixo /

nível lógico alto.

Os dois estados lógicos de um sistema binário são correlacionados de várias maneiras,

como, por exemplo:

Um dos estados Complemento1 → 0

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Ligado → DesligadoAlto → BaixoVerdadeiro → FalsoAtivado → DesativadoSim → NãoFechado → AbertoEnergizado → Sem Energia

A álgebra booleana usa três operações básicas: Não, E e Ou. A operação não é a negação

ou o complemento, indicada por uma barra sobre a variável, e as operações E e OU são

representadas pelo símbolo de multiplicação (“•”) e adição (“+”) respectivamente. Note que, na

verdade, não se trata de uma multiplicação nem de uma adição, mas apenas um símbolo para

indicar a operações lógicas E e OU.

2 - Funções Lógicas

Porta lógica é um circuito que contém um ou mais terminais de entrada de sinais (onde são

colocadas as variáveis booleanas) que executa uma operação booleana entre as variáveis

presentes nas suas entradas e transfere o resultado para a saída. Tais dispositivos obedecem

às leis da álgebra de Boole.

Vamos fazer a equivalência das portas lógicas com símbolos utilizados normalmente em

esquemas eletrônicos (blocos de funções), com o circuito de chaves e com diagrama a relés.

2.1 - Função Inversora (NOT)

A operação inversora, ou de negação, atua sobre uma única variável de entrada. O nível

lógico de saída é sempre oposto ao nível lógico de entrada; ele inverte (complementa o sinal de

entrada).

A figura 4 representa o circuito equivalente de uma porta inversora e seu diagrama de

contatos. A lâmpada acende se a chave A estiver aberta e apaga se ela estiver fechada

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Figura 4 – Circuito equivalente de uma função inversora.

A figura 5 apresenta os símbolos lógicos para uma porta inversora em diagrama de blocos

de funções, também conhecidos pela sua abreviação do idioma inglês FBD (Function Block

Diagram).

Figura 5 – Símbolos da função lógica inversora em FBD

A tabela 2 apresenta a tabela – verdade para a operação de inversão.

A L0 11 0

Tabela 3 – Tabela - verdade da operação lógica inversora

Exemplo 1: Uma lâmpada vermelha deve ser acesa sempre que um motor estiver desligado

Solução:

Figura 6 – Se o estiver desligado, vai ligar a lâmpada.

2.2 - Função E (AND)

2.2.1 - Representação da porta E no diagrama elétrico

A figura 7 mostra um circuito com duas chaves (A e B). A lâmpada (L) só acende se as

chaves A e B estiverem fechadas.

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Assumindo que a “chave fechada” corresponda a nível 1 e “lâmpada acesa” corresponda

também a nível 1, em uma operação E o resultado será 1somente se todas as entradas foram

iguais a 1: nos outros casos o resultado é 0. Baseado nessas observações pode-se construir

sua tabela-verdade, conforme a tabela 3.

2.2.2 - Representação da porta E (AND) no diagrama de blocos de funções.

Outra forma de representar o sistema é utilizando blocos de função os símbolos

correspondentes estão representados na figura 8.

Figura 8 – Símbolos para a porta lógica E (AND) convencional, Clic02 e Ladder respectivamente

2.3 - Função OU (OR)

2.3.1 - Representação da porta OU no diagrama elétrico.

A Figura 9 mostra o circuito elétrico equivalente de uma porta utilizando chaves

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Figura 9 – Função OU utilizando chaves

Analisando o diagrama da Figura 9, podemos concluir que basta que qualquer uma das

chaves (A ou B) seja pressionada para que a lâmpada L seja acesa ou também se ambas

estiverem fechadas simultaneamente.

Então, em uma operação OU o resultado será 1 se qualquer uma das entradas for igual a 1.

O resultado somente é 0 se nenhuma chave estiver fechada.

Baseado nas observações anteriores pode-se construir a tabela – verdade da função OU,

conforme a Tabela 4.

Tabela 4 – Tabela – verdade da função lógica OUA B L0 0 01 0 10 1 11 1 1

Podemos observar que, exceto para o caso A = B = 1, a operação OU é semelhante a uma

adição aritmética comum. No caso A = B = 1, a soma lógica é 1, já que os valores possíveis na

álgebra booleana são 0 ou 1.

Em que L = A + B deve ser lida no seguinte modo: L é igual a A OU B; o sinal “+” simboliza a

operação lógica OU.

2.3.2 - Representação da porta OU (OR) no diagrama de blocos de funções.

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Figura 10 – Símbolos da porta lógica OU convencional, Clic02 e Ladder respectivamente.

2.4 - Função Não – E (NAND)

2.4.1 - Representação da função NÃO-E no diagrama elétrico

É a junção das portas Não e E. A Figura 11 mostra o circuito elétrico equivalente de uma

porta NÃO – E utilizando chaves. A lâmpada só vai apagar se as chaves A e B estiverem

fechadas. Em todas as outras condições, fica acesa.

Baseado nas observações anteriores pode-se construir a tabela-verdade da função NÃO-E,

conforme a tabela 5.

Nota-se que a Tabela 5 é exatamente inversa a tabela 3 e portanto a associação em

paralelo de contatos NF é denominada “função não E”.

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Em que deve ser lido do seguinte modo: L é igual ao complemento do resultado da

operação A E B

Antes de continuar, vamos apresentar alguns teoremas da álgebra de Boole, muito útil na

transformação de funções lógicas, principalmente quando se utilizam as funções inversoras. E

também quando convenientemente utilizados facilitam a simplificação de uma expressão

complicada.

2.4.2 - Representação da função NÃO – E em diagrama de blocos de funções

Figura 12 – Símbolos gráficos para porta NÃO - E

2.5 - Função NÃO – OU (NOR)

2.5.1 - Representação da função NÃO-OU no diagrama elétrico

É a junção das portas NÃO e OU. A figura 13 mostra o circuito elétrico equivalente de uma

porta NÃO-OU utilizando chaves.

A lâmpada apaga se a chave A ou B estiver fechada. Também se apaga se ambas

estiverem fechadas. A única condição em que permanece acesa é se nenhuma das chaves

estiver fechada.

Função NÃO – OU utilizando chaves Tabela 6: Tabela verdade da função Lógica NÃO - OU

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A B L0 0 11 0 00 1 01 1 0


2.5.2 - Representação da função NÃO – OU em diagrama de blocos de funções

Figura 13 – Símbolos gráficos para porta NÃO - OU

3 - Postulado de Boole

1) X = 0 e X = 1 Qualquer variável e qualquer função, pode assumir somente dois valores representados por 0 e 1. Estes dois valores podem corresponder a duas situações ou grandezas físicas que se excluem mutuamente mas, necessariamente uma delas deve estar presente em qualquer instante.

Onde o ponto () representa o operador lógico E ou "AND" do inglês. Pode-se em termos de contatos de relés associar o E a conexão em série de contatos;

5) 1 + 0 = 0 + 1 = 16) 0 + 0 = 07) 1 + 1 = 1 Onde ( + ) representa o operador lógico OU ou "OR" do inglês. Pode-se em termos de contatos de relés associar o operador a conexão em paralelo de contatos;

8) 09) 1 Onde o sinal () sobre a variável significa negação.

3.1 - Teoremas da álgebra de Boole

Num Teorema

1 - 0 X 02 - 1 X X3 - X X X4 - X X 05 - X Y Y X6 - X Y Z XYZ XY Z7 - Teorema de De Morgan8 - X X 19 - X,Y,..., Z,,f , ,...., ,,

11


10 - XY XZ XY ZObs: XY = XY11 - XY X X12 - X XY X13 - X Y X Y14 - ZX Z Y ZX ZY15 - XY Z XY ZYZ16 - XY Z X Z Y

4 – Circuitos a Contatos

Examinaremos agora o relacionamento das expressões booleanas com circuitos a contatos.

A partir das expressões booleanas podemos, através dos teoremas, simplificar os circuitos

através da eliminação de redundâncias. Isto representa em termos de implementação menor

custo, menos componentes, etc.

4.1 – Controlador Lógico Programável

O contato aqui referenciado representa o estado de qualquer dispositivo do tipo liga/desliga

utilizado em circuitos a relés. Um painel de relé, utilizado para controlar uma máquina ou um

processo, pode ser visto como um conjunto de relés e um conjunto de dispositivos de entrada e

saída, tais como, chaves, interruptores, válvulas, lâmpadas, contatores, etc. Por exemplo, para

verificar se uma chave está ligada ou não, é preciso obter a informação de um contato do relé,

ou para verificar se o motor está ligado é preciso, verificar se um contato auxiliar do contator do

fechado (caso se use um contato NA - Normal Aberto).

Nos circuitos eletrônicos digitais, as entradas e saídas só podem estar em dois níveis de

tensão, por exemplo, 0 V e 5 V. Nos circuitos a contatos, utilizamos dois estados - aberto e

fechado, para representar o estado do contato. O estado da bobina do relé ou do circuito a

contato é denominado energizado ou desenergizado. Assim sendo, podemos relacionar uma

expressão booleana (valor 0 e 1) ao circuito a contatos (lógica por fios) e a variável booleana ao

contato ou estado de chaves, botoeiras, etc. Portanto teremos:

Expressão Booleana Circuito a contatos

1 energizado0 desenergizado

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Variável Booleana Contato do relé

1 acionado0 repouso

4.2 - Associação de contatos normalmente abertos

Basicamente existem dois tipos, a associação em série (figura 14. a) e a associação em

paralelo (14.b).

Quando se fala em associação de contatos é comum montar uma tabela contendo todas as

combinações possíveis entre os contatos, esta é denominada de “Tabela Verdade”. As tabelas

7 e 8 referem-se as associações em série e paralelo.

Nota-se que na combinação em série a carga estará acionada somente quando os dois

contatos estiverem acionados e por isso é denominada de “função E”. Já na combinação em

paralelo qualquer um dos contatos ligados aciona a carga e por isso é denominada de “função

OU”.

Figura 14 – Associação de contatos NA

Tabela Verdade 7Associação em série de contatos NA

CONTATO E1 CONTATO E2 Cargarepouso repouso desenergizadarepouso acionado desenergizadaacionado repouso desenergizadaacionado acionado energizada

C1 = E1 Função E (AND)

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Tabela Verdade 8Associação em paralelo de contatos NA

CONTATO E1 CONTATO E2 Cargarepouso repouso desenergizadarepouso acionado energizadaacionado repouso energizadaacionado acionado energizada

C1= E1 + E2 – Função OU (OR)

4.3 - Associação de contatos normalmente fechados

Os contatos NF da mesma forma podem ser associados em série (figura 15.a) e paralelo

(figura 15. b), as respectivas tabelas verdade são 9 e 10.

Nota-se que a tabela 9 é exatamente inversa a tabela 8 e portanto a associação em série de

contatos NF é denominada “função não OU”. Da mesma forma a associação em paralelo é

chamada de “função não E”.

Figura 1.5 – Associação de contatos NF

Tabela Verdade 9Associação em série de contatos NF

CONTATO E1 CONTATO E2 Cargarepouso repouso energizadarepouso acionado desenergizadaacionado repouso desenergizadaacionado acionado desenergizada

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- Função não OU (NOR)

Tabela Verdade 10 Associação em paralelo de contatos NF

CONTATO E1 CONTATO E2 Cargarepouso repouso energizadarepouso acionado energizadaacionado repouso energizadaacionado acionado desenergizada

- Função não E (NAND)

De acordo com a nossa convenção podemos escrever a seguinte tabela:

Contator C1 Contato NA Contato NFDesenergizado -0 Aberto -0 Fechado -1

Energizado -1 Fechado -1 Aberto -0

Onde observamos que: NA = X NF =

Exemplos de Circuitos a contatos

1) A saída de um circuito deve ser energizada se o relé X está operado e deve-se usar

contato NA.

Solução:

A expressão booleana que expressa a solução deste exemplo é simplesmente : L = X, e o

circuito a contatos pode ser desenhado como a seguinte figura.

2) A saída de um circuito deve ser energizada se o relé X está inoperado e deve-se usar

contato NF.

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Solução:

O circuito abaixo atende esta exigência.

3) A saída de um circuito deve ser energizada se o relé X está operado e o relé Y está

inoperado.

Solução:

Observe que agora temos uma função E devido ao conectivo "e" na sentença de proposição

o exemplo. A função E em circuitos a contatos pode ser obtida pela associação em série de

contatos, como ilustrado abaixo.

4) A saída de um circuito deve ser energizada se uma chave A for ligada e se o relé X ou o

relé Y estiverem energizados.

Solução:

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5) Um depósito é alimentado por uma bomba que retira água de um poço é ilustrado na

figura abaixo. Pretende-se que a bomba B1 apenas entre em funcionamento quando as

válvulas V1 e V2 estiverem abertas simultaneamente ou enquanto o nível de água no

tanque estiver abaixo de um valor predeterminado. Essa indicação é fornecida por um

sensor de nível S1.

Considere que os estados de cada uma das variáveis podem ser representados pelos

seguintes níveis lógicos:

Variável Estado Valor Lógico

Motor B1Ligado 1

Desligado 0

Válvula V1Fechada 1Aberta 0

Válvula V2Fechada 1Aberta 0

Sensor S1Nível Baixo 0Nível Alto 1

Pode-se verificar que o estado do motor (ligado ou desligado) depende da combinação dos

valores de três variáveis: as duas válvulas e o sensor de nível. Cada uma das variáveis de

entrada é representada em Ladder como um contato normalmente aberto ou normalmente

fechado dependendo da função lógica a desempenhar.

6) Se as duas portas de uma sala estiverem abertas será acesa uma lâmpada de aviso. A

lâmpada também poderá ser acesa de maneira manual.

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Exercícios propostos

1 - Desenhar os circuitos a contatos para realizar a lógica das seguintes expressões booleanas:

a) L = A.B+C e) b) L = A. (B+C) f) c) g) d) h)

2 - Dado o diagrama Ladder a seguir, determine a equação lógica correspondente.

a)

b)

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c)

Para os exercícios de 3 a 6, determine a equação lógica e desenhe o diagrama em

linguagem Ladder e FBD que resolva o problema.

3 - Um processo contém três motores M1, M2 e M3. Caso os motores M1 e M3 estejam

ligados, deve acender uma lâmpada L

4 - As três chaves A, B e C devem estar ligadas ou simultaneamente desligadas para que

uma lâmpada seja energizada

5 - Uma lâmpada L deve ser ligada caso o sensor A ou B não detectem a presença de um

objeto à frente.

6- Uma lâmpada sinalizadora (L) deve ser ligada se uma bomba (A) estiver ligada e a

pressão for satisfatória (representada por pressostato B que abre um contato quando a pressão

está abaixo do máximo permitido) ou se um botão de contato momentâneo (C) para teste da

lâmpada for pressionado.

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Engineering

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