Módulos de entrada e saída analógica de um CLP

     A alta escala de fabricação, o baixo custo e a disponibilidade de circuitos integrados possibilitaram que na estrutura do CLP fosse incluída grande capacidade de processamento de dados. Isso também propiciou a expansão da capacidade de E/S e a implementação de módulos analógicos e digitais no CLP. Os módulos de E/S analógicas permitem controlar e monitorar correntes e tensões compatíveis com muitos sensores, válvulas, acionadores de motores e instrumentos de processo. 
     Apresentam-se a seguir os dispositivos típicos que são interfaceados com os módulos de E/S analógicas.
     a) Dispositivos com módulos de entrada analógica:
• transdutores diversos;
• transmissores eletrônicos;
• instrumentos analíticos;
• potenciômetros.
     b) Dispositivos com módulos de saída analógica:
• indicadores analógicos;
• drives de motores;
• registradores;
• transdutores I/P;
• válvulas elétricas.
     As interfaces analógicas normalmente estão disponíveis para diversos tipos de padrão, como operação unipolar e diferencial de corrente ou de tensão.

Módulos de entrada analógica

     Os dispositivos de campo fornecem sinais (de tensão ou corrente elétrica) para os módulos de entrada analógica, que, por meio de circuito (conversor analógico- -digital – A/D), converte esses sinais analógicos em uma informação digital.
     Esses sinais analógicos de entrada são inseridos no CLP na forma binária e armazenados em uma posição de memória para uso posterior. Os módulos de entrada possuem alta impedância, possibilitando a interface com os dispositivos de campo sem causar sobrecarga ou afetar sua operação. A interligação com os dispositivos de campo é feita por cabos blindados, que reduzem os ruídos elétricos de fontes externas, além de possuírem filtro e isolação elétrica para proteger os módulos.

     Os padrões usuais para os módulos de entrada analógica são apresentados na
tabela a seguir:

     Os módulos são projetados para receber quatro, oito ou dezesseis entradas analógicas.
A conversão analógico-digital é feita em 12 ou 14 bits codificados em binário. A configuração de entrada e a operação bipolar ou unipolar podem ser selecionadas por jumpers ou por software.

Módulos de saída analógica

     Os módulos de saída analógica possuem um conversor digital-analógico (D/A) que recebe os valores numéricos na forma binária alocados nos registros do CLP e os converte em grandezas analógicas de tensão ou corrente proporcionais à informação digital e as envia para a saída. A resolução do conversor é de 12 ou 14 bits. Uma saída analógica tem como função fornecer sinal analógico para comandar atuadores analógicos. Todas as outras características são semelhantes às do módulo de entrada analógica.

     

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CLP versus computador

Detalhe da ventilação forçada

     Uma das principais dúvidas no tema automação industrial é se um computador pode ser utilizado para controlar tais tarefas.
     Os computadores atuais possuem grande capacidade de processamento e armazenamento de dados e vasta possibilidade de interfaceamento com dispositivos externos.
     No entanto, existem pontos fracos que devem ser levados em consideração. A princípio, os sistemas operacionais projetados para trabalharem com várias funções, muitas delas não testadas previamente, podem gerar estragos em programas dedicados e específicos, concebidos para controles. Outro problema é o fato de serem plataformas abertas, pois, caso não sejam tomados os devidos cuidados, pode ocorrer invasão de softwares mal-intencionados. A instabilidade de alguns sistemas operacionais também pode ser um item decisório à não utilização de computadores coordenando processos de alta segurança. Um fato importante é que alguns fabricantes têm se especializado na produção de computadores para o trabalho na indústria, os chamados computadores industriais.
     Aos olhos de um operador, por trás do monitor, essas máquinas são similares aos computadores (possuem teclado e mouse), mas tecnicamente existem grandes diferenças construtivas entre ambos.
     Para compatibilizar seus computadores aos ambientes industriais, alguns fabricantes utilizam recursos mecânicos, o que torna os equipamentos mais robustos e resistentes a vibrações e choques, evitando que as placas internas saiam dos slots em que foram encaixadas, bem como coxins de borracha que absorvem parte dessas interferências mecânicas, protegendo o conjunto disco rígido e unidades de CD e outras mídias.
     Além desses cuidados, aplicam o chassi metálico com pintura condutiva e antiestática, que garante níveis de aterramento em todos os pontos do gabinete e forma também uma gaiola de Faraday, proporcionando grande redução de interferências eletromagnéticas nos componentes internos do gabinete. Dessa maneira, completam as características físicas e técnicas desse equipamento os componentes eletrônicos industriais, que toleram altas temperaturas e o posicionamento das placas, que facilita o fluxo de ar filtrado e forçado para dentro do gabinete, criando uma bolsa de ar que impede a entrada de pequenas partículas prejudiciais ao funcionamento do computador.
     Os CLPs possuem um sistema operacional dedicado ao gerenciamento do equipamento, prevendo quais os tipos de periféricos que serão utilizados. Esses periféricos, como os cartões de entrada e saída, digitais e analógicos, são fabricados pela mesma empresa que desenvolveu a unidade de processamento e o respectivo sistema operacional. Normalmente, não aceitam cartões de outros fabricantes, reduzindo, assim, a probabilidade de falhas por incompatibilidades de CLPs.
      Os computadores possuem barramentos universais que permitem que outros fabricantes de outras marcas compatibilizem seus produtos. Isso requer processos de homologação que nem sempre são rápidos e completos, pois tais homologações são executadas com softwares e versões de sistemas operacionais específicos.
     Qualquer variação nessa configuração pode exigir nova homologação. Os computadores possuem capacidade de processamento para equacionamentos matemáticos superiores à boa parte dos CLPs de mercado. Esse detalhe, em alguns processos, é um diferencial importante, como no caso de equipamentos de medição em massa e aferição de produtos acabados. A possibilidade de geração de relatórios locais e a totalização desses resultados já formatados para análises posteriores acabam flexibilizando a solução de automação em células de aferição de produtos.
     Já nas aplicações lógicas e sequenciais, o CLP se destaca pela velocidade de resposta, pela facilidade de implementação de projetos e por sua robustez. Mesmo com todas as características apresentadas sobre computadores industriais, ainda assim os CLPs superam os computadores industriais no que se refere à velocidade de programação e à tolerância a ruídos externos nos canais de comunicação e na entrada de dados, além de suas interfaces já estarem dimensionadas para os diversos padrões elétricos industriais utilizados.
     O tempo reduzido de manutenção e substituição de interfaces dos CLPs também é um ponto muito forte na utilização dessa tecnologia em processos e controles industriais, o que motiva os projetistas a adotá-los. No entanto, ainda resta um papel muito importante do computador na indústria: o monitoramento do processo. Exercendo a função de interface homem-máquina no monitoramento e interação com os processos industriais, o computador tem ganhado espaço importante nessa aplicação. 

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Comandos elétricos e eletropneumáticos com CLP

     A eletropneumática engloba o controle e a detecção dos movimentos realizados por válvulas de comando e atuadores pneumáticos por meio de dispositivos e sensores elétricos. As lógicas de acionamento utilizadas em comandos elétricos também são empregadas para o acionamento de solenoides, que, por sua vez, servem como pilotos em válvulas eletropneumáticas, assim como os sensores de fim de curso detectam o movimento dos atuadores. Entre os dispositivos e sensores elétricos, pode-se destacar o uso de controladores eletrônicos “inteligentes” (CLPs e computadores).
     Para que o CLP possa interagir com sistemas de comandos eletropneumáticos, é necessário realizar uma simples adequação das grandezas manipuladas no painel elétrico com os padrões utilizados em suas interfaces. As botoeiras e chaves usadas em painéis de comandos elétricos convencionais continuam servindo a necessidade das entradas digitais do CLP, assim como os contatores continuam servindo como atuadores no acionamento de motores e carga de maior potência, uma vez que o CLP não tem por função o “chaveamento” de cargas de potência diretamente em suas interfaces.
     Já para a substituição da lógica em sistemas pneumáticos, é necessária a adequação dos elementos utilizados nesse sistema. Para o acionamento dos atuadores, o CLP assume o controle das válvulas eletropneumáticas, fazendo com que os solenoides executem o acionamento mecânico dos pilotos dos mais diversos tipos de válvulas, independentemente do número de vias e mecanismos de retorno.
     Desse modo, a corrente elétrica que o CLP pode chavear é utilizada no acionamento das válvulas eletropneumáticas, que, por sua vez, podem controlar oavanço e o retorno de atuadores pneumáticos. Já a detecção dos movimentos dos atuadores, se realmente ocorreram ou não, é possibilitada por chaves chamadas sensores de fim de curso. O acionamento das chaves fim de curso é mecânico e possibilita a passagem de corrente elétrica por seus terminais quando o movimento esperado é executado.
     Outra forma muito comum de detectar se o acionamento dos atuadores foi executado é por meio de sensores magnéticos instalados em posições estratégicas no corpo do cilindro. O êmbolo do cilindro possui características magnéticas que acionam pequenas microchaves magnéticas instaladas em suas extremidades.
     Na figura abaixo, podem-se observar detalhes de um atuador pneumático. 

     Comandos eletropneumáticos são dispositivos que utilizam energia elétrica para acionar dispositivos pneumáticos, assim como para detectar eletricamente o posicionamento de seus elementos controlados. A figura 2 exemplifica uma simples automação em comando eletropneumático. 

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Atuadores

     Os atuadores pneumáticos são os dispositivos que realizam o trabalho quando recebem a energia do ar comprimido por meio das válvulas de distribuição e controle. Em sua grande maioria, são cilindros ou atuadores pneumáticos que propiciam o deslocamento de um eixo de acordo com suas características de construção interna. São basicamente classificados como atuadores de simples ação e atuadores de dupla ação.
     A figura 1 ilustra o atuador de simples ação. Apesar de ser compressível, quando o ar comprimido enche uma das câmaras do cilindro, passa a exercer força na parede do êmbolo que isola uma câmara da outra. Dessa maneira, a força contrária que a mola exerce é vencida e ocorre o deslocamento axial de acordo com o modelo do cilindro. Esse avanço é representado pelas situações A e B da figura 1.
     Ao ser acionado, o eixo permanecerá avançado enquanto a pressão interna da câmara for superior à pressão atmosférica, mais a força que a mola exerce no sentido  contrário. Assim, uma vez interrompido o fluxo de ar, a pressão em ambos os lados passa a ser a mesma. A mola devidamente instalada faz sua função, ou seja, garantir que o eixo do cilindro recue, até que seja novamente requisitado seu avanço com uma nova “injeção” de ar comprimido. Esse recuo é representado pelas situações C e D da figura 1.

     O atuador de dupla ação possui avanço igual ao atuador de simples ação, porém, não utiliza mola interna. Depois de se movimentar, o eixo desse atuador permanecerá na mesma posição e imóvel, até que receba uma força mecânica externa ou que a câmara oposta receba ar comprimido. O esquema de funcionamento é apresentado na figura 2.

 

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Válvulas de controle direcional

      No momento em que o sistema exige, as válvulas de controle direcional distribuem o ar aos dispositivos atuadores. Elas permitem ou não a passagem de ar em um único sentido, abrindo ou fechando dutos internos que a compõem. São utilizadas normalmente no avanço ou no recuo dos atuadores.
     As válvulas pneumáticas são classificadas conforme o número de vias que possuem, as posições em que podem ser atuadas e a forma de seu acionamento. O dispositivo de acionamento de uma válvula pneumática também é comumente chamado de piloto.
     Para a diagramação de circuitos pneumáticos, as válvulas são representadas de modo a simular seu funcionamento interno. São sempre simbolizadas por um retângulo, dividido em quadrados, que indicam o número de posições da válvula, correspondendo ao número de movimentações que essa válvula executa por meio de acionamentos externos. A figura exemplifica os retângulos e números de posições de válvulas.

     O controle de fluxo do ar feito pelas válvulas é possível graças à disposição mecânica interna de seus cilindros em relação às vias de acesso a esse atuador. As vias de uma válvula são os acessos pelos quais o sistema de distribuição de ar comprimido chega aos atuadores. A representação das vias é feita com números em volta do diagrama esquemático da válvula.
     No interior de cada quadrado desenhado no retângulo que simboliza uma válvula, podem existir setas, representando a livre passagem de ar entre duas vias, e bloqueios (T), representando a interrupção da passagem de ar de uma das vias. Esses quadrados recebem os sinais da linha de distribuição do ar (linhas que interligam válvulas e acionadores do diagrama esquemático).
     O quadrado interligado no diagrama de distribuição indica a situação de funcionamento da válvula no estado normal. O quadrado ao lado que não possui as linhas de distribuição de ar ligadas a ele representa a situação em que as vias estarão intercomunicadas a partir do acionamento do piloto, o estado normal de funcionamento da válvula garante que a via 4 está ligada à via 3 e que a via 1 está ligada à via 2. Quando o piloto da esquerda é acionado, a via 1 passa a ter comunicação direta com a via 4, e a via 3, comunicação direta com a via 2.
     Essa situação permanece enquanto o piloto estiver pressionado. Ao ser liberado, a mola à direita garante o retorno automático à posição original da válvula.

     O acionamento do piloto dessas válvulas nada mais é que a movimentação de seus cilindros internos. Essa movimentação pode ser executada por ação muscular (provocada pelo homem), por ação mecânica (provocada por um dispositivo mecânico ou outro atuador pneumático) ou por ação eletromecânica (por meio de solenoides que movimentam um núcleo magnético e provocam o deslocamento).
     A figura mostra a simbologia utilizada para cada modelo de piloto usado em pneumática.

     Vamos analisar um modelo de válvula comun encontrado na automação industrial: duas vias e duas posições.
     Na válvula de duas vias e duas posições, o ar que entra pela via 1 é interrompido pela posição 1 do cilindro da válvula, porém, tem possibilidade de escoamento pela via 2, uma vez que o piloto esteja acionado para movimentar o cilindro da válvula para a posição 2.

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Periféricos de interface com o usuário

     A maioria das aplicações com controladores lógicos programáveis necessita de uma interface homem-máquina (IHM). Em um processo produtivo, o operador precisa interagir com o processo ou a máquina, comandando operações, alterando parâmetros, visualizando situações e recebendo diagnósticos.
     Quando se iniciou o desenvolvimento dos CLPs, a interface com o usuário era praticamente igual à existente nos painéis de relés. Funções booleanas podiam ser introduzidas por meio de botoeiras e visualizadas com o uso de lâmpadas de sinalização. Os CLPs com grande número de bits de entrada e capacidade de processamento aritmético permitiam a leitura de dados numéricos utilizando chaves thumbwheel. Tratava-se de chaves com dez posições, cada uma delas representando um número. Quando conectada às entradas digitais do CLP, a thumbwheel indicava qual número o usuário escolheu. A indicação podia ser em código hexadecimal ou BCD. Várias chaves podiam ser combinadas para a entrada de números com vários dígitos.
     Com a redução do custo dos displays de cristal líquido, surgiram as interfaces homem-máquina (IHMs) conforme mostra a figura. Esses dispositivos eram constituídos de teclado, display e processador, conectados por meio de uma rede de comunicação de dados a um ou mais CLPs.

Periféricos de interface com o usuário

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Sistema digital de controle distribuído (SDCD)

     O sistema digital de controle distribuído (SDCD) não é um único produto, mas um conjunto de dispositivos e elementos interligados em redes de comunicação de alta velocidade e confiabilidade, utilizados em sistemas e plantas industriais mais complexas. Esse conjunto de dispositivos possui certa independência da parte do processo para a qual foi destinado, porém, obedece a uma lógica única em um nível superior hierárquico no controle do sistema. O SDCD é um sistema complexo e redundante, no qual eventuais falhas são corrigidas de maneira automática por outros elementos previamente programados que assumem o controle em caso de falhas.
     A programação desse tipo de topologia é avançada, exigindo conhecimento muito claro do processo a ser controlado. A programação de cada elemento do processo deve ser sincronizada com a programação digital do sistema. Sistemas desse porte são utilizados em indústrias petroquímicas e químicas, que exigem grande capacidade de processamento, distribuição da inteligência no processo e velocidade no tratamento das informações. Um esquema de interligação de um SDCD.

Diagrama em blocos
de um SDCD

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Como funciona a memória

     Memória é o local em que são armazenados instruções e dados, ou seja, as informações necessárias para o funcionamento do CLP. As memórias podem ser classificadas em:
     • Memória executiva ou do programa monitor.
     • Memória do sistema.
     • Memória imagem das entradas e saídas (E/S).
     • Memória de dados.
     • Memória do usuário ou de aplicação.
     As primeiras memórias foram desenvolvidas usando pequenos anéis de ferro magnético, cada um com 1,5 mm de diâmetro. Quando o anel era magnetizado em certo sentido, a direção de magnetização indicava o estado “0” ou “1” do bit associado a esse núcleo. Os núcleos de ferrite eram bem maiores que os chips hoje utilizados para armazenar dados. A memória com esse tipo de núcleo era bastante rápida: um bit nela armazenado era lido em um milionésimo de segundo. No entanto, essa memória era cara, volumosa e de leitura destrutiva, pois apagava os dados armazenados no núcleo, tornando necessário armazená-los novamente cada vez que fossem lidos. 

     A primeira memória de semicondutores foi produzida em 1970 pela Fairchild. Tratava-se de uma pastilha que tinha quase o tamanho de um núcleo de ferrite, podia conter até 256 bits de memória, era de leitura não destrutiva e muito mais rápida do que o núcleo de ferrite, mas volumosa quando comparada com as memórias existentes hoje em dia. Apenas 70 bilionésimos de segundo eram necessários para ler um bit. O custo do bit da memória de semicondutor, entretanto, era mais alto do que o do núcleo de ferrite. Já em 1974, o preço por bit da memória de semicondutores tornou-se menor do que o da memória de núcleo de ferrite. Em seguida, houve rápido declínio do custo de memória e aumento da densidade da memória física.
     A evolução da microeletrônica viabilizou o uso de memórias semicondutoras.
     No início, foram utilizadas as memórias RAM (random access memory), que, por serem intrinsecamente voláteis, eram acompanhadas de baterias que as mantinham permanentemente alimentadas. Depois, as memórias PROM (programmable read only memory) passaram a ser empregadas, porém, não eram reprogramáveis.
     O próximo passo foi adotar as memórias não voláteis EPROM (erasable programmable read only memory), que eram apagadas pela exposição à luz ultravioleta.
     Surgiram, então, as memórias EEPROM (electrically erasable read only memory), que podiam ser apagadas eletricamente.
     O desenvolvimento tecnológico da memória e do microprocessador melhorou significativamente o desempenho dos CLPs.

 

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UCP Unidade Central de Processamento

     A unidade central de processamento (UCP) gerencia todo o sistema, controlando
as operações realizadas pelas diferentes unidades funcionais.
     A principal função da UCP é controlar e executar instruções presentes na memória. Ela é responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle.
     O microprocessador é um dos componentes vitais da UCP. O primeiro microprocessador fabricado foi o Intel 4004, lançado em 1971. Somente depois de esses dispositivos adquirirem confiabilidade é que passaram a ser utilizados na fabricação dos controladores lógicos programáveis.

      Os primeiros CLPs usavam microprocessadores com lógica discreta. Alguns microprocessadores possuíam uma característica conhecida como microcoded, que foi muito importante para o desenvolvimento dos CLPs. Esses microprocessadores tinham seu conjunto de instruções formado pela combinação de um conjunto de operações básicas.
     O preço dos microprocessadores no final dos anos 1970 e início dos 1980 caiu muito e eles se tornaram componentes permanentes do CLP.
     Na década de 1980, os CLPs já eram utilizados normalmente em sistemas de automação que envolviam lógica e sequenciamento. Surgia, então, a necessidade de desenvolver novas aplicações para esses equipamentos. O crescimento do mercado fez com que eles começassem a migrar para aplicações como:
     • controle de processo;
     • comunicações entre homens e máquinas;
     • processamento numérico.
     O surgimento de novas aplicações fez com que os CLPs sofressem evoluções, de início em razão da insuficiência de memória, dos limitações do barramento e do aumento da complexidade do sistema. Para melhorar seu desempenho, associado à necessidade de maior processamento, os CLPs passaram a realizar multiprocessamento.
    A introdução significativa de novos produtos e das redes de comunicação de CLPs e a disponibilidade de processadores cada vez mais poderosos fizeram com que muitas das tarefas executadas por processadores, antes localizados em módulos de entrada e saída inteligentes, fossem executadas em software pela unidade central de processamento.

Esquema de controle de processo em indústria

 
 

 

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A automação industrial

     A automação industrial é uma área de pesquisa que vem ampliando sua atuação gradativamente nos últimos anos. O uso de dispositivos e a aplicação de soluções desenvolvidos em automação industrial tem grande repercussão sobretudo no setor industrial. As aplicações não se resumem a substituir o trabalho humano em tarefas exaustivas, monótonas e perigosas; elas trazem melhoria na qualidade de processos, otimização dos espaços, redução no tempo de produção e custos.
     Existem diversos equipamentos utilizados na automação industrial, porém, o controlador lógico programável (CLP) é um dos mais importantes. O CLP surgiu no final da década de 1960 e revolucionou os comandos e controles industriais.
     Nessa época, a automação era executada quase totalmente por relés com base em lógica fixa, ou lógica hardwired, o que resultava em enormes armários de relés eletromecânicos interligados por circuitos elétricos e extensas fiações.
     O primeiro CLP foi criado em 1968 por Dick Morley, funcionário da empresa Bedford Associates. Ele foi desenvolvido com o objetivo de substituir os armários empregados para controlar operações sequenciais e repetitivas na linha de montagem da indústria automobilística General Motors.
     Essa primeira geração de CLPs usava componentes discretos e tinha baixa escala de integração. Sua utilização só era viável quando substituía painéis que continham mais de 300 relés. Tal equipamento ficou conhecido pela sigla PLC (programmable logic controller) – em português, CLP (controlador lógico programável).
     Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), CLP é um “equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais”. Já para a National Electrical Manufacturers Association (NEMA), trata-se de um “aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar através de módulos de entrada e saída vários tipos de máquinas e processos”.
     Com o surgimento dos circuitos integrados, foi possível viabilizar e difundir a utilização do CLP em grande escala, melhorando o poder de processamento e diminuindo o tamanho dos equipamentos. Esse avanço está atrelado, em grande parte, ao desenvolvimento tecnológico dos computadores, até mesmo em sua arquitetura de hardware e software. O uso de microprocessadores e microcontroladores de última geração e o de arquitetura híbrida, aliada às novas técnicas de processamento paralelo e às redes de comunicação, contribuíram para o sucesso desse equipamento industrial.
     Há pouco tempo o CLP possuía arquitetura proprietária, na qual cada fabricante produzia o próprio modelo e desenvolvia os softwares de programação e simulação exclusivos para seus equipamentos, ou seja, não existia portabilidade.
     Com a adoção da norma IEC 61131-3, ocorreu a padronização da linguagem de programação e a solução para softwares e aplicativos foi alcançada.
     Atualmente, os CLPs possuem funções específicas de controle e canais de comunicação que permitem interligá-los entre si e a computadores em rede, formando um sistema integrado. Enquanto se estudavam as propostas de padronização do fieldbus (barramento de campo), as redes wireless suplantaram essa tecnologia e se incorporaram aos CLPs como opção de coleta de sinais de chão de fábrica.
     Dessa maneira, eliminaram-se os condutores usados para interligá-los, propiciando troca de informações e distribuição de dados por todo o processo.
     As vantagens da utilização do CLP em aplicações industriais são inúmeras e cada dia surgem novas, que resultam em maior economia, superando o custo do equipamento. Essa evolução oferece grande número de benefícios, por exemplo:
     • Maior produtividade.
     • Otimização de espaço nas fábricas.
     • Melhoria na qualidade do produto final.
     • Alto MTBF (tempo médio entre falhas).
     • Baixo MTTR (tempo de máquina parada).
     • Maior segurança para os operadores.
     • Menor consumo de energia.
     • Redução de refugos.
     • Reutilização do cabeamento.
     • Fácil manutenção.
     • Projeto de sistema mais rápido.
     • Maior flexibilidade, satisfazendo maior número de aplicações.
     • Interface com outros CLPs através de rede de comunicação.

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