CONTROLADORES PROGRAMABLES

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CONTROLADORES PROGRAMABLES

• Professor Jair Jonko Araujo

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Sumario

• Tipos de industrias
• Niveles de Control
• Conceptos SVC, SED, Clasificación de los
  dispositivos
• CLP Histórico, componentes, funcionamiento,
  clasificación, ejemplos

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Introducción Conceptos Básicos
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Tipos de Industria

• Manufactura
• producir un bien cualquiera utilizando
  herramientas o máquinas (transformación mecánica
  a través de sucesivas operaciones)
• Proceso
• Conjunto de operaciones/transformaciones
  realizadas sobre un material, con la finalidad de
  variar sus propiedades físicas/químicas.
• Procesos pueden ser contínuos o discontinuos
  (batch).

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Niveles de control - Funciones
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Niveles de Control (1)
7
Niveles de Control (2)
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Niveles de Control (3)
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Conceptos

• Control es aplicación de una acción pre-planeada
  para que aquello que se considera como objeto de
  control alcance ciertos objetivos (Miyagi,
  1996).
• Sistemas de control
• SVC (sistemas de variables continuas) igualar el
  valor de una variable física (var. de control) a
  un valor de referencia
• SED (Sistema de eventos discretos) ejecución
  de operaciones conforme procedimiento
  prestablecido.

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Conceptos
Valores de referencia
Dispositivo de Control (SED)
Variables de actuación
Comandos de Control
Comandos de tarea
Procesador de Comandos
Actuador
Objeto de control
Detector
Variables controladas
Estados
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Conceptos
Sistema de Control SED
Recursos
Operador/ Usuario
Dispositivo de Actuación
Dispositivo de Realización de Control
Dispositivo de Comando
Dispositivo de Monitoreo
Dispositivo de Detección
Dispositivo de Control
Sistema de Control
Productos
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Conceptos

• Dispositivos de comando (E) botoneras, llaves
  rotativas, etc
• Dispositivos de actuación(S) contactores,
  solenoides(válvulas), servo-motores, etc
• Dispositivos de detección(E) llaves fin de
  curso, potenciómetros, sensores, encoders, etc
• Dispositivos de monitoreo(S) lámparas, bocinas,
  displays, registradores, etc.
• Dispositivos de Realización circuitos
  eléctricos, CLPs, etc.

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Dispositivos - Ejemplos
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CLP Controlador Lógico Programable
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Histórico

• Hasta el final de la década de 60 los sistemas de
  control eran electromecánicos (realizados para
  armarios/cuadros de relés)
• Ocupaban mucho espacio y eran de difícil
  mantenimiento
• Modificaciones en las líneas de producción
  demandaban mucho tiempo y practicamente exigían
  el montage de nuevos cuadros
• En 1968 la GM (USA) lanzó una especificación
  técnica de un nuevo dispositivo de control.

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Histórico

• Requisitos de especificación
• Fácil programación y mantenimiento
  (reprogramación)
• Alta confiabilidad en el ambiente industrial
  (vibración, calentamiento, polvo, etc.)
• Dimensiones reducidas
• Capacidad de enviar datos a un Sistema Central
• Ser modular (expansible)
• Señales de E/S de 115VCA (2A mínimo salida)

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Histórico

• En 1969 surgieron los primeros controladores
• Eran muy simples apenas con E/S digitales
• La fácil programación fue una de las claves del
  éxito (basada en ladder)
• A lo largo de la década del 70 fueron siendo
  introducidas nuevas funcionalidades
  (temporización, computación numérica, etc.)
• A partir de la década de 80 las funciones de
  comunicación fueron perfeccionadas

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Histórico

• Hoy el PLC es un sistema microcontrolador
  (microprocesador) industrial con software y
  hardware adaptado para ambiente industrial
  (especialmente ruído eletromagnético) con muchas
  opciones de programación, con capacidad de operar
  en red en diversos niveles.

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Componentes
20
Componentes

• CPU
• Microcontrolador de 16/32 bits
• Funciones
• Comunicación entre las partes del PLC
• Control de entradas y salidas
• Ejecución
• Operación de memoria
• Check-ups internos.

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Componentes

• Memoria
• La memoria es divida en 2 grandes bloques
• Memoria del Sistema
• Programa de Ejecución
• Área de Borrador flags, cálculos, alarmas,
  errores.
• Memoria del Usuario
• Programa del usuario (binario)
• Tabla de Datos Mapa E/S, valor actual y pre-set
  de contadores y temporizadores, variables de
  programa.

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Componentes

• Módulos de E/S
• Pueden ser Discretos o Analógicos
• Discretos
• Cantidad de Puntos Disponibles
• AC, DC, Relé
• DC Tipo P ou Tipo N
• Salida necesidad de alimentación externa,
  fusibles
• Analógicos
• Número de Canales, Resolución del conversor A/D
• Faja de operación 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V,
  -5V, -10V, temperatura (termopar - J,E,K ... ,
  termorresistencia PT100, ...)

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Funcionamiento

• Basado en procesamiento cíclico compuesto, de
  forma simplificada, por 3 etapas visibles al
  usuario
• Adquisición de las entradas
• Procesamiento
• Actualización de Salidas
• Comunicación y Mantenimiento del S.O
• (Carga de módulos, actualización de timers,
  tratamiento de interrupción, etc.)
• X ms para cada 1000 instrucciones

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Funcionamiento

• Las etapas son distintas e independientes
• El proceso se inicia después que las señales de
  entrada son mostradas
• Durante el proceso las entradas y salidas
  permanecen inalteradas (cualquier alteración de
  las E/S y estados internos solo puede ocurrir
  fuera de este intervalo)
• Durante la actualización de las salidas los
  valores de las entradas permanecen inalterados

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Funcionamiento
Una entrada debe permanecer accionada, como
mínimo tiempo de varredura de las entradas
tiempo de procesamiento
ALTERNATIVAS
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Características(ejemplo)
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Clasificación

• Basada en el número de E/S (no padronizado)
• Nano hasta 50 puntos de E/S
• Micro hasta 250 puntos de E/S
• Mediohasta 1000 puntos de E/S
• Generalmente asociado al aumento del número de
  E/S están asociados aumentos de los recursos de
  programación y disminución de los tiempos de
  respuestas.

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Ejemplos de Aplicaciones

• máquinas industriales (operadoras, inyectoras de
  plástico, textiles, calzados)
• equipamientos industriales para procesos (
  siderurgia, papel y celulosa, petroquímica,
  química, alimentación, minería, etc)
• equipamientos para control de energia (demanda,
  factor de carga)
• adquisición de datos de supervisión en fábricas,
  edificios
• bancadas de test automático de componentes
  industriales.

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Ejemplos (modelos)
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Norma IEC 61131
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Introducción

• Las herramientas para programación de CLP no
  evoluconarían a la misma velocidad que las
  herramientas para programación de computadores
  pues no presentan (aban)
• Facilidad de uso
• Portabilidad
• Interoperabilidad entre diferentes productos
• Padrones de comunicación
• La norma IEC 61131 busca llenar esta laguna

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Norma IEC 61131

• Define la sintaxis y el comportamiento del
  lenguage
• Provee un conjunto de lenguages interligados para
  resolver diferentes problemas de control
• Mejora la calidad del software aplicado a través
  de las técnicas de proyecto estructurado,
  encapsulamiento de datos, etc.

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Norma IEC 61131

• Part 1 General Overview, definitions
• Part 2 Hardware, I/O Signals, safety
  requeriments, environment
• Part 3 Programming Languages
• Part 4 User Guidelines
• Part 5 Messaging Service Specification

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Norma IEC 61131 parte 3 Principales
características

• Programación estructurada y lenguage de alto
  nivel para construcción de grandes programas
• Conjunto padronizado de instrucciones (en inglés)
• Programación Simbólica
• Gran variedad de tipos de datos padronizados
• Funciones reutilizables pueden ser creadas
• Conjunto de funciones matemáticas padronizadas
  disponibles (trigronométricas, logaritmos, etc.)

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La estrutura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación
36
La estructura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación
37
IEC 61131-3 Elementos Comunes
38
IEC 61131-3 Elementos Comunes
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Variables y Tipos de Datos

• Históricamente
• Referencia a una posición física de memoria
• Referencia a una entrada física

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Variables y Tipos de Datos

• Sensor_Temperatura_1 Integer
• Representación simbólica
• Área propia para mapeo de I/O
• Código independente de hardware
• Altamente transparente y comprensible
• Menos errores

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Variables y Tipos de Datos
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Representación de las Variables
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IEC 61131-3 Elementos Comunes
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IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Función de Comunicación
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IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso
Recurso
Función de Comunicación
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IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso
Recurso
Task
Task (Tarea)
Task
Task
un mecanismo de escalonamiento que ejecuta
Programs o function blocks periódicamente o en
respuesta a un evento (cambio de estado de alguna
variable booleana), permitiendo la ejecución de
programas en diferentes tareas con objetivo de
optimizar el uso de recurso del controlador
Função de Comunicação
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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Tipos de Tareas (Task )
• No preemptiva siempre completa su procesamiento
• Preemptiva puede ser interrumpida por otra de
  mayor prioridad
• Cualquiera puede ser activada cíclicamente, por
  tiempo o por evento)
• Cada tarea se puede atribuir un período de
  ejecución y una prioridad
• un Program o function block quedará aguardando su
  ejecución hasta que sea asociado a una
  determinada Tarea y esta sea activada por una
  ejecución periódica o por un determinado evento

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IEC 61131-3 Elementos Comunes
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IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso
Recurso
Task
Task
Task
Task
Program
Program
Program (Programa)
Program
Função de Comunicação
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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Programs ( Programas)
• pueden contener variables de acceso, las cuales
  permiten el acceso remoto por los servicios de
  comunicación.
• pueden contener instancias de bloques
  funcionales, mas no de otros programas, (no
  pueden ser aninhados)
• as instâncias de blocos funcionais de um programa
  podem ser executadas por diferentes tarefas de
  controle.

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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Programs ( Programas)
• podem ser declarados somente no nível do recurso.
• podem conter declarações de variáveis de
  endereçamento direto (endereçamento direto de
  pontos de E/S.
• podem conter declarações de variáveis globais, as
  quais podem ser acessíveis pelos Function Blocks
  através do uso de variáveis externas.

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IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuração
Recurso
Recurso
Tarefa
Tarefa
Tarefa
Tarefa
Programa
Programa
Variáveis globais e diretas
Caminho de acesso
Função de Comunicação
Todo o mapeamento de memória pode ser acessado
pelo gerenciador global de variáveis
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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Functions Blocks (Blocos de Funções)
• podem ser utilizados para a criação de elementos
  de software totalmente reutilizáveis, desde a
  criação de outros Function Blocks mais simples,
  até Programs complexos.
• possuem um conjunto de dados, os quais podem ser
  alterados por um algoritmo interno (algoritmos
  dados)
• podem ser escritos em qualquer linguagem

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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Functions Blocks (Blocos de Funções)
• Os dados possuem persistência (estados internos
  que são mantidos entre uma execução e outra)
• podem ser utilizados para a criação de outros
  Function Blocks (blocos derivados), aumentando
  ainda mais a capacidade de reutilização do
  software.

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Functions Blocks (Blocos de Funções)

• Blocos de Função padrões
• Biestáveis SR, RS, SEMA
• Detecção de Borda R_TRIG, F_TRIG
• Contadores CTU, CTD, CTUD
• Temporizadores TP, TON, TOF, RTC
• Blocos de Função fornecidos adicionalmente pelo
  fabricante
• Blocos de Função definidos pelo usuário
• Todos FBs são altamente reutilizáveis no mesmo
  programa, diferentes programas ou projetos

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Exemplo de Function Block adicional (ATOS)
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Exemplo de Function Block construído pelo usuário
Hysterisis
REAL
XIN1
BOOL
Q
XIN2
REAL
EPS
REAL
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IEC 61131-3 Modelo de Software

• Functions (Funções)
• são elementos de software que não aparecem no
  modelo de software, porém podem ser reutilizados
• não possuem persistência, existindo apenas em
  tempo de execução, assim como subrotinas (não
  armazenam dados)
• não possuem estados internos, ou seja, sempre
  produzem o mesmo resultado para o mesmo conjunto
  de entradas
• podem ter apenas uma saída
• podem ser escritas em qualquer linguagem

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Functions (Funções)

• Funções padrões
• Bit ADD, OR, XOR, NOT SHL, SHR, ROL, ROR
• Numéricas ADD, SUB, MULT, DIV, MOD, EXPT, ABS,
  SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS,
  ATAN
• Conversão de tipo
• Seleção SEL, MIM, MAX, LIMIT, MUX
• Cadeias de Caracteres LEN, LEFT,RIGHT, MID,
  CONCAT, INSERT, DELETE, REPLACE, FIND

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Functions (Funções)

• Exemplo de funções definidas pelo usuário
• FUNCTION SIMPLE_FUN REAL
• VAR_INPUT
• A, B REAL
• C REAL 1.0
• END_VAR
• SIMPLE_FUN AB/C
• END FUNCTION

61
Tarefas e POUS
62
Ir para arquivo de help da ATOS
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IEC 61131-3 x PLC convencional
Configuração
Recurso
Recurso
Tarefa
Tarefa
Tarefa
Tarefa
Programa
Programa
Variáveis globais e diretas
Caminho de acesso
Função de Comunicação
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PLC convencional x IEC 61131-3
Tarefa 1
Temporizada
Loop Infinito
Recurso
Tarefa 2
Tarefas
Evento
Tarefa 3
Programa
Evento
Tarefa 4
Temporizada
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Vantagens das POUs

• Crie suas próprias bibliotecas de FBs (por tipo
  de aplicação)
• FBs são testados e documentados
• Faça bibliotecas acessíveis em todo o mundo
• Reutilize o máximo possível
• Mude da programação para a criação de redes de
  FBs
• Economize 40 no próximo projeto

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A estrutura da Norma IEC 61131-3
Elementos Comuns
Linguagens de Programação
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Linguagens de Programação IEC 61131 parte 3

• Definição de Cinco Linguagens Interligadas
• Sintaxe e Semântica de 2 linguagens textuais e 2
  gráficas
• Instruction List (IL)
• Structered Text (ST)
• Ladder Diagram (LD)
• Function Block Diagram (FBD)
• Linguagem para estruturação da Programação
• Sequential Function Chart (SFC)

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Linguagens Tradicionais

• Ladder Diagram (LD)
• Function Block Diagram (FBD)

69
Linguagens Tradicionais

• Instruction List (IL)

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Linguagens Novas

• Structered Text (ST)
• Linguagem estruturada de alto nível
• Sintaxe semelhante ao Pascal
• Permitido o uso de declarações complexas e
  instruções aninhadas
• Suporte para
• Laços de controle (REPEAT-UNTIL WHILE-DO)
• Execução condicional (IF-THEN-ELSE CASE)
• Funções (SQRT(), SIN())

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Linguagens Novas

• Sequential Function Chart (SFC)
• Técnica gráfica muito poderosa para descrever o
  comportamento seqüencial de um programa de
  controle
• Usado para particionar um problema de controle
• Mostra uma visão geral, desejável para um rápido
  diagnóstico

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Processo de Fermentação
Como criar um programa de controle de forma
estruturada?
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Passo 1 Identificação das interfaces externas
do sistema

• Sinais de Entrada (sensores)
• sensor de temperatura
• sensor de PH
• posições das válvulas
• velocidade motor
• Sinais de Saída (atuadores)
• válvulas
• motor
• aquecedor

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Passo 2 Definição dos principais sinais entre o
Sistema e o restante do processo

• Neste exemplo não existe nenhum acoplamento do
  processo, mas poderia existir, do tipo
• acoplamento com os vasos com líquidos
  principais
• acoplamento com o sistema de transporte /
  estação de enchimento após o dreno

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Passo 3 Definição de todas as interações com o
Operador, intervenções e dados de supervisão

• Para o operador foram definidos
• um botão Liga
• um botão Desliga
• uma entrada Duracao
• Agora estão definidas todas as interfaces

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Passo 4 Quebrar o problema de cima para baixo
em partições lógicas (funcionalidades)

• SequenciaPrinc enchimento, aquecimento,
  agitação, fermentação, descarga, limpeza.
• ControleValvulas comando das vávulas para
  encher e esvaziar o vaso
• ControleTemp controle de temperatura
• ControleAgitador controle do motor do agitador
  (velocidade)
• ControlepH controle de pH

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Passo 5 Definição das POUs necessárias(Programa
s e Blocos de Função)

• Usando as definições anteriores e
• Representando na linguagem gráfica de programação
  Diagrama de Blocos de Função temos

78
Programa de Controle da Fermentação

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Seqüência principal (MainSequence) em SFC
Apresenta os principais estados do processo
S1
Inicialização
S2
Enchimento
Os Blocos de Ação e as Transições podem ser
programados em qualquer uma das quatro Linguagens
de Programação IEC
S3

Aquecimento
S4

Fermentação
S5
Descarga
S6
Limpeza
80
Passo 6 Definição dos tempos do ciclo de
scanpara as diferentes partes da aplicação

• Neste exemplo temos apenas um ciclo em modo
  contínuo
• O tempo restante pode ser usado por outros ciclos
  para
• . o sistema de enchimento / transporte
• verificação de limites e condições de erro (em
  uma seqüência paralela)

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Passo 7 Configuração do Sistema Definição dos
Recursos, Tarefas e conexão do programa com o
I/O físico

• Depende do sistema utilizado
• Inclui o mapeamento do I/O físico com os símbolos
  usados
• Mapeamento dos recursos (leia CPUs do sistema)
• Definição dos ciclos de scan e eventos (vide
  Passo 6)