Universidade Federal do Espírito Santo - Centro Tecnológico
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Curso de Pós-graduação Latu-sensu
Especialização em Instrumentação e Controle de Processos industriais
Sistemas de Controle:
Especificação e Implantação
A NORMA IEC 61131
Anísio Chagas Bernardino Alves
Outubro/2008
Parceria
Apoio
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Especialização em Instrumentação e Controle de Processos industriais
Norma IEC 61131
Conceitos
Um problema:
Existem no mercado de automação nacional e mundial, dezenas de
fabricantes de CLP´s, cada um com sua arquitetura, rede de comunicação,
linguagem e software de programação diferentes.
À exceção de alguns poucos fabricantes que, por força do mercado,
tiveram que desenvolver interfaces com outros Fornecedores, ainda a
grande maioria permanece isolado, incomunicável com outras marcas.
Isto obriga as indústrias a conviver com verdadeiras “ilhas tecnológicas”,
em muitos casos possuindo CLP´s de diferentes fabricantes ou, abrigando
CLP´s de mesmo fabricante mas com tecnologias diferentes por conta de
diferentes versões instaladas.
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Especialização em Instrumentação e Controle de Processos industriais
Norma IEC 61131
Conceitos
Fabricantes de CLP´s fecham “pacotes” com Fornecedores de equipamentos
maiores, onde a automação representa um custo minoritário no investimento
total.
Equipamentos tais como Filtros eletrostáticos, Prensas de Rolos, sistemas de
lubrificação automáticos, máquinas CNC, sistemas de robotização, máquinas
de pátio, etc. – os exemplos são enormes e diversos.
Ao Cliente final – indústria – só resta receber aquela solução “caixa-preta” e
conseguir deste Fornecedor o máximo de treinamentos e documentação
possíveis, para que consiga prosseguir com as manutenções necessárias após
a aceitação definitiva.
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Norma IEC 61131
Conceitos
Como tentativa de alteração deste cenário, seja por pressão de Clientes, seja
de alguns pequenos Fornecedores que não conseguiam acesso aos grandes
fornecimentos, surgiu a exigência de padronização de linguagens que
cumprissem com a maioria das exigências de software.
Em 1992, somente após mais de 20 anos de criação do primeiro CLP, o IEC –
International Electrotechnical Commission publicou a norma IEC 61131, a qual
estabeleceu padrões para Controladores Programáveis.
Portanto a norma IEC 611311 se aplica a Controladores Programáveis e seus
periféricos, tais como Ferramentas de Programação e Depuração,
Equipamentos de Testes e Interfaces Homem-Máquina.
Portanto a norma não se aplica a todos os componentes de um Sistema de
Automação, atendo-se somente àqueles que compõem os Controladores.
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Norma IEC 61131
Conceituação das partes
A norma 61131 é dividida em 8 partes:
61131-1 - Informações gerais (General Overview, Definitions)
61131-2 - Requisitos de hardware (Hardware)
61131-3 - Linguagens de programação (Programming Languages)
61131-4 - Guia de orientação ao usuário (User Guidelines)
61131-5 – Comunicação (Message Service Specifications)
61131-6 – Comunicação via Fieldbus (Fieldbus Communication)
61131-7 - Programação utilizando Lógica Fuzzy (Fuzzy Logic)
61131-8 - Guia para implementação das linguagens (Implementation
Guidelines)
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Norma IEC 61131
Objetivos da Norma
Estabelecer critérios e características para seleção e aplicação de
Controladores Programáveis (CP´s).
Especificar os requisitos mínimos para funcionalidades, condições de
trabalho, características construtivas, segurança geral e testes aplicáveis
para os Controladores Programáveis e seus periféricos.
Definir regras de semântica e sintaxe para as linguagens de programação
mais comuns, para que os fabricantes possam expandir e adaptar estas
regras para suas próprias implementações de CP´s.
Definir a comunicação entre CP´s e outros Sistemas usando o MMS –
Manufacturing Message Specification, conforme norma ISO/IEC 9508.
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Norma IEC 61131
Benefícios
Redução de custos com implantação devido às diferentes tecnologias:
treinamentos, “debugging”, manutenção de software, engenharia e
consultoria.
Foco na solução do problema e não na construção do software.
Redução na dependência de Fornecedores de Consultorias e hardwares.
Redução de Erros e Inconsistências na construção de lógicas.
Soluções iguais para áreas iguais em diferentes indústrias ou em mesmas
indústrias porém em lugares diferentes. Mudam algumas parametrizações,
mas não o software.
Usos de Bibliotecas padrões construídas por diferentes programadores.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 1 – Informações Gerais
A Parte 1 conceitua os CP´s e as Linguagens de Programação, trazendo
definições de termos como:
- Sistemas de Automação;
- Disponibilidade;
- Desligamentos Falha-Segura (Fail-safe);
- Entradas e Saídas – conceituação e Tabelas-Imagens;
- Linguagens Textuais x Gráficas;
- Estações Remotas de E/S;
- Reinicializações (Cold, Hot, Warm);
- Tempos (scan, atrasos, tempo de resposta total, etc);
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 1 – Informações Gerais
A parte 1 da norma define ainda as Características Funcionais de um CP,
entre elas:
- A Estrutura Funcional básica do hardware;
- O processamento dos sinais: armazenamento do aplicativo e
dados, leitura das Entradas, a execução da lógica de programação e
as correspondentes respostas obtidas;
- Comunicação entre CP´s;
- Interfaces Homem-máquina;
- Programação, Depuração, Testes e Documentação;
- Fontes de alimentação;
- Confiabilidade e Disponibilidade;
- Ergonomia.
Nota: a especificação e formas de instalação é encontrada na parte 4.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 2 – Requisitos de Equipamentos e Testes
A parte 2 da norma estabelece requisitos funcionais de Segurança de
Manuseio, proteções e recomendações contra Interferências eletromagnéticas
e requisitos construtivos elétricos, mecânicos e ambientais.
Outro ponto definido por esta parte da norma refere-se a memórias de
backup: tipos, especificação, capacidades.
Por conseqüência das definições de hardware, a parte 2 define também todos
os testes necessários à certificação de um determinado CP conforme definido
por esta norma.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Conceitos Básicos
A norma IEC em sua parte 3 tem por objetivo, entre outros:
-Fornecer metodologias de construção de lógicas de programação de forma
estruturada e modular, permitindo a quebra dos programas em partes
gerenciáveis;
-Definir 5 linguagens de programação, cada uma com suas características, de
forma a cobrir a maioria das necessidades de controle atuais;
-Permite o uso de outras linguagens de programação, desde que obedecidas as
mesmas formas de chamadas e trocas de dados (Visual Basic, Flow Chart, C++,
etc);
-Abordagem e estruturação top-down e botton-up, fundamentada em 3
princípios:
-Modularização;
-Estruturação;
-Reutilização;
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Norma IEC 61131
IEC 61131-3 – Linguagens de Programação - Modelo de Software
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Principais Conceitos:
Configurações (Configurations): corresponde ao software necessário a um
CP ou conjunto de CP´s para que este(s) cumpra(m) suas funções de
controle. A configuração define todos os elementos interagentes com suas
configurações individuais e uma configuração total dada pelo resultado das
diversas configurações.
Recursos (Resources): qualquer elemento com capacidade de
processamento dentro de uma configuração, capaz de executar programas. O
recurso pode existir fisicamente (CPU do processador, interfaces de operação
IHM, gateways de comunicação) ou virtualmente (uso ompartilhado de
memórias de processamento por softwares distintos.
Tarefas (tasks): controla a execução de programas ou blocos funcionais de
forma periódica ou por disparo por eventos (“triggers”)
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Unidade de Organização de Programas (POU): é a forma definida pela
norma para se implementar o software do CP através da associação de
variáveis e instruções, utilizando as linguagens da norma ou linguagens
adicionais. Portanto, o software aplicativo do CP consiste na criação e
associação de POUs entre si.
POUs podem ser formadas a partir de associação de outras POUs, de forma
a estruturar a programação e reutilizar o código.
Estruturam-se em Programas, Blocos Funcionais e Funções, reutilizáveis
mediante réplicas.
Podem ser de fornecimento do fabricante do CP ou desenvolvidas pelo
usuário.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Programas (programs): construído a partir de Blocos Funcionais e Funções
em qualquer das linguagens da norma. Pode acessar diretamente as
Entradas e Saídas e comunicar com outros programas. Diferentes partes de
um programa podem ser controladas por tarefas.
Blocos Funcionais: Partes de programas hierarquizados e estruturados de
forma a serem parametrizáveis e reutilizáveis. Os dados nos Blocos possuem
persistência, mantendo-se inalterados entre cada execução do bloco.
Exemplos de blocos funcionais são PID, temporizadores, contadores e blocos
criados com funções específicas como controle de motores. Podem ser
usados como partes integrantes de Blocos Funcionais mais complexos.
Funções (Functions): funções ou procedimentos (procedures) são
elementos de programação que, diferentemente de blocos funcionais, não
possuem persistência, gerando resultados a cada execução.
Exemplos de funções são blocos aritméticos, comparadores e lógicos.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Variáveis Globais e Locais:
Variáveis são declaradas de duas formas: localmente e globalmente. Uma
variável é dita Global quando é declarada na Configuração ou no Recurso,
passando a ser aceita por todas as partes dentro do nível declarado.
Variáveis globais podem ser aceitas também por outras Configurações ou
mesmo diferentes CP´s, dede que devidamente declaradas em cada um
deles.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
Comportamentos na Partida e Parada segundo a norma:
Partida:
- Quando uma configuração parte, todas as variáveis globais são
inicializadas e todos os recursos são ativados;
- Quando um recurso parte, todas as variáveis dentro do recurso são
inicializadas e todas as tarefas são habilitadas;
- Uma vez habilitadas as tarefas, todos os programas e blocos funcionais
associados a esta tarefa serão executados uma vez, quando a tarefa
estiver ativa;
Parada:
Quando uma configuração para, todos os recursos param;
Quando um recurso para, todas as tarefas são desabilitadas
interrompendo a execução de programas e blocos funcionais;
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
- Texto Estruturado (ST)
- Lista de Instruções (IL)
- Ladder Diagrams (LD)
- Diagramas de Blocos Funcionais (FBD)
- Funções Gráficas de Seqüenciamento (SFC)
As duas primeiras linguagens acima são ditas TEXTUAIS por conterem
instruções na forma de texto.
As duas seguintes são ditas gráficas por possuírem representação na forma
de símbolos.
A linguagem SFC é normalmente tida como linguagem gráfica, porém
também permite programações textuais.
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Instruction List (IL)
LD
A
ANDN B
ST
C:= A AND NOT B
C
Function Block Diagram (FBD)
AND
A
B
Structured Text (ST)
Ladder Diagram(LD)
A B
C
C
-| |--|/|----------------( )
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Na figura anterior, as quatro linguagens descrevem a mesma lógica de
programa.
A escolha da linguagem de programação depende:
- da formação do programador
- do problema a resolver
- do nível da descrição do problema
- da estrutura do sistema de controle
- da interface com outras pessoas/departamentos
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Texto Estruturado (ST)
-Linguagem de alto nível;
-Muito próxima de outras linguagens como C e Pascal, permitindo a
programação de funções e blocos que ficariam de difícil solução com outras
linguagens;
-Adequada para:
- Tomada de decisões;
- Cálculos;
- Uso de Algoritmos (IF-THEM-ELSE, CASE, REPEAT, WHILE-DO);
- Excelente para criação de Blocos Funcionais complexos;
- Outras.
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3: Texto Estruturado (ST)
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Lista de Instruções (IL)
-Linguagem de baixo nível, semelhante ao Assembler;
- Uso em pequenas aplicações ou otimizações de códigos ao nível de bits e
variáveis;
-Bastante eficiente e rápida ao nível de bits por se aproximar do código da
CPU;
-Linguagem pouco estruturada e de difícil compreensão se usada em grande
escala;
-Muito usada por pequenos fabricantes de CPs devido à simplicidade em
pequenas aplicações e sem necessidade de uso de compiladores como as
demais;
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3: Lista de Instruções (IL)
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Ladder Diagram (LD)
-A mais popular, de fácil entendimento e visualização;
-Baseada em Diagrama Elétrico de Contatos (diagrama trifilar) e graficamente
próxima do entendimento do mantenedor;
-Adequada para:
-Controle/comando discreto de equipamentos e sinais;
-Uso de lógicas sequenciais e combinacionais (Boole) – And-Or-XOr com
visualizaçao na forma de contatos de relés: -| |- -|/|- -(G)-|
-Permite o uso de funções especiais como blocos PID, controles
regulatórios, contadores e temporizadores;
-Destaca graficamente o fluxo de “energia” entre os elementos;
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As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3: Ladder Diagram (LD)
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Diagramas de Blocos Funcionais (FBD)
-Baseada em Diagramas Lógicos de Circuitos;
-De fácil entendimento, desde que o mantenedor esteja familiarizado com
representações gráficas das lógicas de Boole;
-Bastante próxima do Ladder à exceção da representação gráfica e algumas
funcionalidades específicas de cada linguagem;
-Adequada para:
-Controle/comando discreto de equipamentos e sinais;
-Uso de lógicas sequenciais e combinacionais (Boole) – And-Or-XOr com
representação na forma de blocos lógicos;
-Permite o uso de funções especiais como blocos PID, controles
regulatórios, contadores e temporizadores;
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3: Diagramas de Blocos
Funcionais (FBD)
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3:
Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC)
-Usada para descrever o comportamento seqüencial de lógicas;
-Permite a programação em forma textual;
-Estrutura as ações em partes a serem usadas de forma hierárquica e com
abordagem top-down;
-Promove ganhos de desempenho por só executar passos ativos na estrutura
do programa;
-Baseada no anterior padrão europeu Grafset;
-Foi adotada pela norma ISA SP 88 para descrição de processos em batelada;
-Fluxo de Informações normalmente de cima para baixo, podendo haver ramos
que retornem a lógica para passos anteriores;
-Fácil rastreabilidade de eventos;
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação
As cinco linguagens definidas pela norma IEC 61131-3: Seqüenciamento
Gráfico de Funções (SFC)
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação – Exemplo de tipos
de linguagens
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IEC 61131 – Parte 3 – Linguagens de Programação – Exemplo de tipos
de linguagens
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IEC 61131 – Parte 4 – Orientações para o usuário
Esta parte apresenta as orientações necessárias para que os usuários
(indústrias, empresas de engenharia, programadores e mantenedores, etc),
possam adquirir e instalar os CPs e seus periféricos associados.
Tratam-se portanto de diretrizes que permitem a esses usuários:
- Especificar hardware e software necessários ao projeto;
- Instalar, comissionar e certificar o sistema de automação instalado.
- Formalizar a comunicação entre Fornecedores e usuários finais;
Esta parte trata ainda de:
- Requisitos Gerais de Instalação;
- Condições ambientais e principais recomendações;
- Uso de fiações corretas e aterramento(s);
- Supressões de ruídos e transientes;
- Interação com as normas IEC61508 e IEC 61511 que tratam de
aplicação de CPs em sistemas de segurança.
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IEC 61131 – Parte 5 – Comunicações
Esta parte define o modelo de comunicação, seus blocos funcionais e
mecanismos para relacionamentos entre CPs e demais dispositivos de
Sistemas de Automação.
Atualmente com o avanço do padrão OPC, a comunicação entre CP e outros
sistemas de nível hierárquico superior (SCADA, PIMS, MÊS, ERP) tem sido
delegadas a este padrão OPC, ficando a parte 5 da norma para as orientações
para trocas de dados entre CPs.
Esta parte define tecnicamente:
- Os subsistemas de comunicação de um CP;
- Blocos funcionais de comunicação;
- Meios de comunicação entre diferentes tipos de redes de
comunicação;
- Comunicação da saúde (Health) do CP e estados internos
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IEC 61131 – Parte 7 – Programação de controle FUZZY
Face ao surgimento e uso crescente das lógicas nebulosas ou difusas (fuzzy
logics), foi incorporado recentemente à norma a parte 7 que trata desse
assunto.
A norma define e estrutura o uso de linguagem utilizada em programação
difusa – Fuzzy Control Language (FCL).
Composta de 6 tópicos, essa parte define:
- O escopo e objetivo da programação Fuzzy;
- Referências normativas;
- Termos técnicos;
- Integração da lógica Fuzzy com os CPs;
- Semânticas e sintaxes da FCL;
- 5 anexos contendo definições, exemplos práticos, símbolos,
abreviações e sinônimos ;
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IEC 61131 – Parte 8 – Implementação das Linguagens
A parte 8 da norma trata de orientações necessárias à implementação de
elementos comuns e linguagens de programação definidas na parte 3.
Tem por objetivo:
- Orientar usuários envolvidos com programação, configuração,
instalação e manutenção de CPs;
- Melhorar as práticas e a garantia de qualidade durante a construção
dos softwares mediante sistematização de ferramentas;
- Orientar quanto ao uso de linguagens adicionais;
- Orientação quanto ao uso de variáveis globais e locais;
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Norma IEC 61131
IEC 61131 – Parte 8 – Implementação das Linguagens
A parte 8 da norma trata de orientações necessárias à implementação de
elementos comuns e linguagens de programação definidas na parte 3.
Tem por objetivo:
- Orientar usuários envolvidos com programação, configuração,
instalação e manutenção de CPs;
- Melhorar as práticas e a garantia de qualidade durante a construção
dos softwares mediante sistematização de ferramentas;
- Orientar quanto ao uso de linguagens adicionais;
- Orientação quanto ao uso de variáveis globais e locais;
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Norma IEC 61131
A organização PLCOPEN
A PLCOPEN é uma organização mundial responsável pela divulgação,
intercâmbio de soluções e certificação de projetos que venham a utilizar a
norma IEC 61131-3.
A PLCOPEN possui internamente diversos grupos de trabalhos ou Comitês
Técnicos (TC), cada um deles responsável pela gestão de processos
relacionados à norma:
TC1 – Normas: trabalha na melhoria da IEC 61131, recebendo sugestões e
modificações de colaboradores interessados;
TC2 – Funções: padroniza o uso de funções e blocos já definidos e
“debugados” por outros programadores e fornecedores de softwares;
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Norma IEC 61131
A organização PLCOPEN
TC3 – Certificação: licencia laboratórios ou certifica instalações que
implantem sistemas de automação projetados e instalados de acordo com a
norma IEC 61131;
TC4 – Comunicações: trabalha na relação entre a comunicação e as
linguagens de programação, via IEC 61131-5 sobre a IEC 61131-3;
TC5 – Software Seguro: faz recomendações quanto ao uso da norma IEC
61131 com relação a seu uso em sistemas de segurança, em especial a
utilização em conformidade com as norma de segurança IEC 61508 E 61511;
TC6 – XML: trabalha na especificação e divulgação da padronização da
norma IEC 61131 para uso com a linguagem XML (eXtensible Markup
Language);
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Curso de Pós-graduação Latu-sensu
Especialização em Instrumentação e Controle de Processos industriais
Norma IEC 61131
A organização PLCOPEN
Finalmente, a PLCOPEN possui Comitês promocionais, responsáveis pela
divulgação, promoção, distribuição de materiais, newsletters, etc, além de
eventos e encontros da comunidade de programadores, fabricantes e usuários
da norma a nível mundial.
Para consultas e participação dessa comunidade, consulte o site da
organização:
http://www.plcopen.org
Universidade Federal do Espírito Santo - Centro Tecnológico
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Curso de Pós-graduação Latu-sensu
Especialização em Instrumentação e Controle de Processos industriais
OBRIGADO!
Anísio Chagas Bernardino Alves
anisio.chagas@accenture.com
anisioc@uol.com.br
(27) 8836 – 6959 - (27) 2123 - 0644