Atuadores, controladores e sensores industriais

Prévia do material em texto

AUTOMAÇÃO 
INDUSTRIAL
Maikon Lucian Lenz
Atuadores, controladores 
e sensores industriais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Descrever a instrumentação de sensores.
 � Identificar os princípios das conexões elétricas de sensores e atuadores 
industriais.
 � Analisar o funcionamento de atuadores e controlares industriais.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar os três elementos fundamentais da 
automação: atuadores, controladores e sensores. Os atuadores modificam 
o comportamento do sistema, oferecendo energia para manipular os ob-
jetos envolvidos. Já os controladores são dispositivos utilizados na tomada 
de decisão e correspondem ao cérebro da aplicação; eles orientam os 
atuadores sobre quando e como funcionar. Por fim, os sensores retornam 
informações relevantes do ambiente e dos objetos manipulados, para 
que estas sirvam de base para os controladores tomarem as decisões 
para as quais foram programados ou parametrizados.
1 Instrumentação de sensores
Os processos automatizados podem se apresentar em diferentes formas e 
naturezas. Um sistema de controle de vendas, por exemplo, exerce parte do 
trabalho que antes estava sob total responsabilidade de um operador, cal-
culando impostos, registrando mudanças de estoque, avaliando métricas de 
desempenho, produzindo relatórios e tantas outras funções. Nos ambientes 
industriais, no entanto, a automação se faz presente principalmente por meio 
de instrumentos para:
 � sensoriamento de máquinas;
 � acionamento de dispositivos que transformam de alguma forma os 
materiais envolvidos na produção ou o próprio ambiente que os cerca; e
 � controlar, organizar e orientar todos esses elementos.
É graças ao feedback dado pelos sensores que esses outros dispositivos, 
atuadores e controladores podem ser empregados para controlar e alterar o 
processo produtivo. A instrumentação, responsável por alimentar o sistema 
com informações a respeito do processo, é o ponto de partida de qualquer 
automação (DUNN, 2013). Essa automação, quando bem projetada, poderá 
não apenas diminuir os custos e aumentar a produtividade, como também 
garantir maior segurança e qualidade (LAMB, 2015).
Foi uma mudança de estrutura e natureza dos dispositivos utilizados que deu 
início à instrumentação industrial, que visa ao aperfeiçoamento do processo 
de automação. Tão logo a eletrônica começou a se desenvolver, a automação, 
antes essencialmente mecânica e pneumática, passou a ser substituída, a 
partir da metade do século XX, por componentes eletrônicos, em especial, 
sensores e controladores. Essa mudança possibilitou que formas mais com-
plexas de automação fossem desenvolvidas e reduziu parte dos problemas de 
confiabilidade e manutenção, antes corriqueiros, devido ao desgaste físico 
dos meios de controle.
Sensores e controladores que antes costumavam falhar com frequência ou 
apresentar vida útil reduzida, principalmente devido ao desgaste mecânico 
de todos os componentes envolvidos, foram gradualmente substituídos por 
componentes de estado sólido, em que partes móveis são empregadas somente 
quando estritamente necessário ou mais adequado ao tipo de aplicação desejada.
Tanto os métodos essencialmente mecânicos de controle quanto os métodos mo-
dernos, predominantemente eletrônicos, exercem o mesmo papel sob o ponto de 
vista da automação industrial: o de reduzir a necessidade de intervenções e tomadas 
de decisões humanas para guiar o processo de produção. 
Atuadores, controladores e sensores industriais2
Sensores
Os sensores são os elementos que alimentam o sistema com as informações 
necessárias para se modificar o processo, seja para sequenciar as operações 
na ordem correta ou para regular o comportamento de um mecanismo em 
diferentes intensidades, velocidades e formas de atuação. A seleção de sensores 
deve considerar a natureza da medida, para definir quais efeitos e tipos de 
sensores são mais adequados para cada situação. Existem inúmeras formas 
diferentes de se medir temperatura, deslocamento, velocidade, luminosidade 
e qualquer grandeza que seja (BOLTON, 2010).
Na sequência, o sensor deverá ser capaz de fornecer sinal no formato ou na 
intensidade que possa ser utilizada pelo restante do projeto ou, ao menos, que 
possa ser adequada por alguma interface (ALCIATORE; HISTAND, 2014). 
Assim, os sensores integram um componente maior da automação, denominado 
sistema de medição, em que podem se fazer presentes o elemento de senso-
riamento em si e também interfaces para condicionamento e adequação de 
sinais, além de um meio de exibição das informações no próprio equipamento.
Ao contrário da utilização de sensores em sistemas embarcados, cujo projeto 
visa, entre outros fatores, a diminuir redundâncias, gastos e, muitas vezes, 
espaço físico, no ambiente industrial, maior ênfase é dada à segurança, à 
recuperação e à manutenção dos componentes. Logo, um simples sensor de 
temperatura que seria empregado diretamente em uma placa e cuja interface 
provavelmente seria desenvolvida especificamente para ela, na indústria, se 
apresentaria em um módulo robusto, envolto em uma carcaça que o protegesse 
de ruídos, umidade, choques e outras interferências. Em muitos casos, contaria 
ainda com um visor que exibisse a informação, e o acesso se daria por meio de 
conexões padronizadas para um determinado tipo de comunicação, com níveis 
de tensão, de corrente e, até mesmo, de frequência adequados para o padrão 
esperado. A Figura 1 apresenta um sensor industrial de diferença de pressão.
3Atuadores, controladores e sensores industriais
Figura 1. Sensor de pressão industrial.
Fonte: ekipaj/Shutterstock.com.
As características mais relevantes que devem ser observadas em qualquer 
sensor utilizado são: faixa de operação, alcance, erro, precisão, sensibilidade, 
repetibilidade, estabilidade, resolução e, quando elétrico, também a impedância 
de saída (RODRIGUES, 2016). A faixa de operação descreve o conjunto de 
valores possíveis de serem mensurados pelo sensor, especificando valores de 
mínimo e máximo. O alcance, por sua vez, nada mais é que a diferença entre 
esses limites. Por exemplo, um sensor de temperatura cuja faixa de operação 
seja entre −4°C e 120°C terá um alcance de 124°C (DUNN, 2013).
O erro de um sensor pode se dar de diferentes formas:
 � o erro absoluto é a diferença entre o valor medido e o valor real;
 � o erro de histerese é a diferença de comportamento que um sensor 
apresenta conforme o sentido de variação da grandeza mensurada — 
em outras palavras, um mesmo valor pode ser mensurado de forma 
diferente, se a grandeza está em ascensão ou em declínio (Figura 2);
 � já o erro de não linearidade é a diferença existente entre uma linha 
reta da medição mínima até a máxima do sensor, para cada intervalo 
de medição, cujo valor representa a maior diferença esperada ao longo 
de toda a faixa de operação.
Atuadores, controladores e sensores industriais4
A precisão indica o quanto um valor medido pode estar errado, seja acima 
ou abaixo do esperado. Por exemplo, é esperado que um sensor de temperatura 
com precisão de 1°C tenha apenas 1°C de diferença entre o valor medido e o 
valor real, podendo ser até 1°C menor ou maior. Já a sensibilidade especifica 
a relação entre os sinais de entrada e de saída. O valor de entrada é dado em 
termos da unidade de grandeza mensurada, e o de saída é dado em termos da 
unidade de grandeza do sinal gerado pelo sensor — por exemplo, um sensor 
de temperatura com sensibilidade de 0,1 Ω/°C.
A repetibilidade é a capacidade que um sensor tem de fornecer a mesma 
saída repetidas vezes (RODRIGUES, 2016). Normalmente é expressa em termos 
percentuais da variação esperada para uma série de medições (equação 1).
 (1)
A estabilidade é similar à repetibilidade, porém, visa a determinar a ca-
pacidade de se retornar o mesmo valor de saída dentro de um dado intervalo 
de tempo de medições constantes. Em outras palavras, especifica avariação 
de uma saída esperada ao longo do tempo. Já a resolução define a variação de 
entrada mínima perceptível e representável na saída do sensor — é o menor 
intervalo de medição.
Por fim, a impedância se refere especificamente aos sensores cuja saída 
se dá na forma de um sinal elétrico. Quanto menor a impedância de saída, 
menor será o impacto do próprio sensor sobre o sinal de saída, sendo possível 
fornecer correntes maiores e transferir a maior parte do sinal para o elemento 
de controle ou qualquer outro dispositivo que esteja integrado ao sensor.
Como se vê, parte das características envolve diretamente a grandeza a 
ser medida, como faixa de operação e precisão, outras têm impacto sobre os 
componentes que farão uso do sinal do sensor, como é o caso da impedância 
de saída. De qualquer forma, a seleção de sensores deve levar em consideração 
todo o sistema envolvido no processo de automação.
Tendo sido elencados os possíveis sensores a serem utilizados, outras 
características ainda poderão ser consideradas, como tamanho, tempo de vida, 
custo e se o material ou o componente como um todo se adequa ao restante 
do projeto — por exemplo, suportando as condições do ambiente a que estará 
exposto (BOLTON, 2010). Em sistemas integrados, como é o caso da maioria 
das automações, é mais comum o uso de sensores cuja saída é um sinal elétrico, 
especialmente devido à necessidade de se utilizar controladores eletrônicos 
que possam processar essas informações.
5Atuadores, controladores e sensores industriais
O sinal dos sensores elétricos pode ser do tipo analógico, com variações 
contínuas de valor e em proporção direta com o sinal de entrada — por exemplo, 
relacionando a umidade relativa do ar de 0 a 100% a um valor de tensão entre 
0 e 5 V. Os sensores também podem ser do tipo digital, cujo valor medido é 
amostrado e codificado no tempo para representar, por meio de um número 
binário, um valor aproximado do mensurado. No caso dos sensores digitais, 
a resolução tem um impacto ainda maior sobre o sensor, uma vez que parte 
da informação medida é perdida naturalmente pelo processo de amostragem. 
Há ainda sensores cuja saída é apenas o estado de ligado ou desligado, muito 
utilizados para detectar a presença ou a posição de algum elemento do sistema.
Por se tratar, na maioria das vezes, de sensores de resposta elétrica, os 
transdutores envolvidos terão a finalidade de relacionar a grandeza medida 
em uma mudança de tensão, corrente ou impedância elétrica. Um termopar, 
por exemplo, aproveita a diferença entre dois materiais condutores de diferentes 
coeficientes de temperatura para criar uma diferença de potencial que esteja 
relacionada a essa medida. A intensidade dessa tensão elétrica, no entanto, 
é baixa, da ordem de milivolts (mV), e dificilmente seria bem aproveitada por 
qualquer controlador ou processador utilizado. Assim, um sensor de tempe-
ratura industrial, que faça uso de um termopar, fará o condicionamento desse 
sinal utilizando um elemento de amplificação de sinal e compatibilização de 
impedância. Afinal, quanto menor a impedância de saída, menor será o efeito 
de carga produzido pelo controlador sobre o sinal do sensor (BOLTON, 2010).
Casos comuns de sensores envolvem a medição de deslocamento e po-
sicionamento, situações em que podem ser utilizados simples potenciôme-
tros, aproveitando o deslocamento de um cursor acoplado ao elemento em 
movimento, para variar a resistência em um circuito e, consequentemente, 
a queda de tensão sobre este. Extensômetros utilizam materiais que alteram 
sua resistência quando sujeitos a forças de compressão ou tração.
Efeitos de capacitância e indutância também podem ser utilizados para 
modificar a tensão de saída, especialmente na detecção de movimento, des-
locando uma placa ou dielétrico de um capacitor ou o núcleo ferromagnético 
de um conjunto de bobinas. Ambos os efeitos, apesar de não apresentarem 
respostas lineares, na maioria dos casos, são amplamente utilizados em sen-
sores de proximidade, em que a saída é um sinal indicando a presença ou 
não do objeto/material próximo do sensor. Nesse caso, a não linearidade não 
influenciará na detecção, até porque o sensor é ajustado para atuar para uma 
distância específica, não importando a intensidade com que o campo elétrico 
ou magnético dos elementos varia para além desse limiar.
Atuadores, controladores e sensores industriais6
Outros elementos reagem a variações de luminosidade, seja modificando 
a resistência de um material ou mesmo produzindo uma pequena corrente. 
Da mesma forma, esses sensores podem ser utilizados para mensurar a in-
tensidade de luz presente no ambiente. É o caso das fotocélulas presentes em 
sistemas de iluminação urbana, que permitem que a lâmpada de um poste 
de luz seja acionada sempre que escurecer e desligada automaticamente ao 
amanhecer. São também usadas para indicar movimentação de objetos, como 
na contagem de elementos que passam entre o feixe de luz de um LED (light 
emitting diode, ou diodo emissor de luz) e um fotosensor, ou no deslocamento 
de uma máscara frente ao emissor e o receptor, que alterna pontos de trans-
parência e opacidade. Podem ainda ser usadas para mensurar a frequência de 
um deslocamento angular, linear ou mesmo a posição de um objeto quando a 
máscara for devidamente codificada para tal, como no exemplo da Figura 2, 
em que se pode ver um encoder.
Figura 2. Encoder de posição absoluta.
7Atuadores, controladores e sensores industriais
Os mesmos efeitos, além de outros, podem ser utilizados ainda na men-
suração de:
 � vazão ou velocidade, com um encoder incremental acoplado ao eixo 
de uma turbina, por exemplo;
 � presença de corpos quentes, utilizando sensores piroelétricos, muito 
comuns na detecção da presença de pessoas em um ambiente e no 
acionamento de mecanismos de segurança de um ambiente de produção, 
por exemplo;
 � nível de líquido, com auxílio de potenciômetros acoplados a uma boia;
 � tempo de reflexão de ultrassom;
 � distâncias ou variação da capacitância, utilizando o material de preen-
chimento como dielétrico.
Existem diversas outras combinações de efeitos e mecanismos que podem 
mensurar a grandeza alvo do sensor e transformá-la em um sinal de saída elé-
trico proporcional à entrada, devidamente adequado aos níveis de intensidade 
e frequência empregados nos demais componentes do sistema.
2 Funcionamento de atuadores e controladores
Nesta seção, você vai compreender o funcionamento dos atuadores e con-
troladores, verificando onde esses dispositivos são aplicados e como é feita 
a sua implementação.
Atuadores
O atuador é, como o nome sugere, aquele que atua sobre o sistema, fornecendo 
energia para modificar o processo (BOLTON, 2010). Assim como os sensores, 
os atuadores podem ser elétricos ou de outro tipo, sendo muito comum a 
presença de atuadores pneumáticos e hidráulicos na indústria. Em geral, os 
atuadores são comandados em última instância por algum componente elétrico. 
Mesmo os cilindros pneumáticos, que se movem para a frente ou para trás de 
acordo com a pressão do ar comprimido em suas câmaras, são, na maior parte 
das vezes, controlados por uma válvula eletropneumática, que direciona o ar 
conforme a alimentação de suas bobinas. Assim, é possível utilizar diferentes 
formas de energia, mesmo que o sistema de sensoriamento e controle seja 
primordialmente elétrico.
Atuadores, controladores e sensores industriais8
O motor elétrico é, sem sombra de dúvida, um dos atuadores mais comuns 
no ambiente industrial, sendo responsável pelo consumo de aproximadamente 
29% de toda a energia elétrica produzida no Brasil (SEBRAE, 2016), por exem-
plo. Outros atuadores podem envolver desde simples cilindros pneumáticos 
até braços robóticos articulados. Com exceção dos motores, grande parte dos 
demais atuadores industriais são pneumáticos ou hidráulicos. 
Os sistemas pneumáticos fazem uso de ar comprimido, portanto, fazem 
uso de matéria-prima abundante e disponívelem qualquer lugar, além de 
não poluírem, sujarem ou danificarem produtos e equipamentos envolvidos 
no processo. Comparadas ao sistema hidráulico, as instalações pneumáticas 
têm um custo inicial e uma manutenção muito menor. O sistema hidráulico 
é muito utilizado quando a intensidade da força necessária é elevada, o que 
demandaria muita energia em sistemas elétricos ou pneumáticos, devido à 
rápida expansão do ar.
O ar utilizado para fazer funcionar um atuador qualquer pode ser simples-
mente liberado de volta para a atmosfera, diminuindo a quantidade de conexões 
necessárias e aumentando a segurança (LAMB, 2015). Para comprimir o ar, 
são utilizados compressores e reservatórios, que mantêm a pressão constante 
até o momento em que o ar comprimido será utilizado.
Para garantir a operação adequada dos equipamentos e prolongar a vida útil 
do sistema como um todo, o ar precisa ser filtrado de partículas de sujeira na 
entrada (SILVEIRA FILHO; SANTOS, 2018), antes de passar pelo compressor. 
Também se deve remover toda a umidade existente e o calor produzido pela 
compressão, que pode acelerar o desgaste das peças (Figura 3).
Após devidamente tratado, o ar abastece um reservatório que é utilizado 
para alimentar o restante do sistema. Em contraste com o uso de um compressor 
acoplado diretamente aos demais componentes, a vantagem dessa abordagem 
é a facilidade de se regular a pressão e, também, de fornecer quantidades 
elevadas de ar comprimido em breves intervalos de tempo, que não seriam 
possíveis de serem produzidas em tempo real pelo compressor.
Na saída do reservatório, é comum o uso de um regulador de pressão, 
mesmo porque o reservatório costuma ter pressões maiores do que a neces-
sária para garantir a vazão necessária em momentos de pico de consumo. 
Os elementos que formam o restante do sistema costumam envolver válvulas 
de controle tanto de direção quanto de fluxo de ar e atuadores, sendo o mais 
comum deles um cilindro de movimentação linear.
9Atuadores, controladores e sensores industriais
Figura 3. Componentes de um sistema pneumático.
Fonte: Alciatore e Histand (2014, p. 478).
Repare ainda na Figura 3 o uso da nomenclatura padrão para a válvula 
de controle:
 � P indica a fonte de alimentação (entrada de ar advinda do reservatório 
ou compressor);
 � A e B representam as portas de saída conectadas a algum atuador ou 
outra válvula utilizada em alguma composição lógica pneumática — 
no caso da Figura 3, a saída A é utilizada para recuar o cilindro, e a 
saída B, para avançar o cilindro;
 � R representa a exaustão pneumática, por onde o ar pode ser eliminado 
do atuador.
A válvula da Figura 3 é do tipo direcional e tem por finalidade definir quais 
elementos receberão ar comprimido ou serão esvaziados. Válvulas direcionais 
são nomeadas conforme a quantidade de portas/vias e posições existentes 
(SILVEIRA FILHO; SANTOS, 2018). Em cada posição, há diferentes conexões 
entre as portas de entrada e saída. A Figura 4 apresenta uma válvula direcional 
4/2-vias e a simbologia de acionamentos possíveis de serem utilizados.
Atuadores, controladores e sensores industriais10
Figura 4. Eletroválvula de 4/2-vias e seus possíveis acionamentos.
Fonte: Silveira Filho e Santos (2018, p. 57).
As válvulas direcionais, como a da Figura 4, alternam posições conectadas 
ao sistema pneumático, conforme o acionamento é ativado de um dos lados dele. 
Por exemplo, a Figura 5 mostra um tipo comum de acionamento de cilindro, 
utilizando uma válvula de 4/2-vias que atua por solenoide de um lado e retorno 
por mola de outro. Em repouso (solenoide desligada), a válvula se encontra 
posicionada à esquerda, direcionando o fluxo de ar comprimido, conforme a 
imagem. Quando a solenoide à esquerda é ligada, a válvula se moverá para 
a direita, alterando as ligações pneumáticas para fazer o pistão avançar e 
esvaziar o outro lado deste. Ao desligar a solenoide, a válvula retornará para a 
posição inicial, devido à ação da mola à sua direita, fazendo com que o pistão 
esvazie o compartimento de avanço e receba ar no compartimento de recuo.
11Atuadores, controladores e sensores industriais
Figura 5. Sistema pneumático com eletro-
válvula de retorno por mola, para controlar 
um cilindro linear.
Fonte: Silveira Filho e Santos (2018, p. 59).
Outros tipos de válvula têm por função restringir o fluxo em um deter-
minado sentido ou regular a intensidade deste. Sistemas hidráulicos possuem 
elementos e simbologias similares.
Controladores
O elemento de controle toma uma decisão a partir de um sinal de erro e 
pode ser programável ou não (RODRIGUES, 2016). O controle das atividades 
desempenhadas em um processo de automação é desempenhado majoritaria-
mente por dispositivos eletrônicos. A eletrônica digital possibilitou meios 
eficazes e confiáveis de processamento, armazenamento e transmissão de 
dados. Com o tempo, mecanismos complexos começaram a ser substituídos, 
primeiramente, por lógica de relé, depois, por circuitos integrados de portas 
lógicas, e, por fim, por microprocessadores e seus derivados.
Atuadores, controladores e sensores industriais12
Os microprocessadores reúnem diversas portas lógicas e blocos funcionais 
dentro de um único circuito integrado, compartilhando barramentos de dados 
e endereço para trocar informações entre eles e aproveitar diferentes formas 
de se manipular os dados para flexibilizar as operações. O comportamento 
e a sequência de operações são, então, definidos por meio da programação 
do dispositivo.
Os microprocessadores são normalmente divididos em unidades de proces-
samento e controle — o primeiro agrega as funções de lógicas e aritméticas 
disponíveis, enquanto o segundo gerencia o fluxo de dados entre cada elemento. 
O programa, ou a sequência de operações que devem ser executadas, é arma-
zenado em uma unidade de memória digital separada do microprocessador. 
Parte do funcionamento envolve a leitura e a escrita de dados nos pinos do 
circuito integrado, alguns deles utilizados inclusive para se comunicar com 
as unidades de memória.
Outros dispositivos mais elaborados incluem memória e microproces-
sador em um único chip, além de outros periféricos, para exercer funções 
especializadas, repetitivas e que demandariam uso excessivo da unidade de 
processamento, atrasando a execução de outras tarefas. Esses dispositivos 
são conhecidos como microcontroladores e podem incluir periféricos como 
temporizadores, hardware de comunicação serial e paralela, gerador de sinais 
modulados, conversor de sinais analógicos, entre outros (BOLTON, 2010).
Os microcontroladores são mais comuns em sistemas de automação do que 
os microprocessadores em si, porque há maior segurança e menor interferência 
na comunicação entre processador e memória. No entanto, os microcontrola-
dores ainda carecem de interfaces que permitam uma conexão facilitada entre 
sensores e atuadores. Por esse motivo, controladores ainda mais elaborados 
costumam ser utilizados no ambiente industrial, como o controlador lógico 
programável (CLP).
Além de se utilizar de eletrônica digital para manipular dados e orientar 
os dispositivos a ele acoplados, o CLP possui conexões mais próximas da 
realidade industrial e opera com níveis de tensão e corrente comuns a esse 
tipo de ambiente. Enquanto um microcontrolador demanda uma série de 
componentes e cuidados para simplesmente ser colocado em funcionamento, 
como o fornecimento de um sinal de clock e a tensão de alimentação regulada, 
o CLP está pronto para ser conectado na rede de alimentação convencional, 
pois já conta com circuito de retificação e regulação de tensão interno.
13Atuadores, controladores e sensores industriais
As saídas do CLP também diferem do microcontrolador, que fornece níveis 
lógicos de tensão conforme programado para cada um dos pinos de entrada/
saída. No CLP, as saídas acionam chaves eletrônicas, que fecham um contato 
para que a alimentação do atuador seja fornecida pela fonte adequada para isso 
e o CLP apenascontrole o ligar/desligar dessa alimentação (RODRIGUES, 
2016). Logo, a potência envolvida difere significativamente de um para o outro.
Ainda, as entradas do CLP suportam níveis de sinal maiores do que um 
simples microcontrolador, que toleram, a depender do dispositivo, em média 
20mA de corrente por pino de entrada/saída do dispositivo. Os controladores 
podem ser integrados entre si para trocar informações e controlar plantas 
ainda maiores, ou até mesmo enviar e receber informações para um sistema 
de gerenciamento administrativo ou de controle remoto.
Em alguns casos, computadores convencionais são utilizados como contro-
ladores, normalmente para reduzir o custo e pela praticidade que um compu-
tador oferece na interação com o usuário/operador. Para tanto, são necessárias 
interfaces de comunicação com os demais dispositivos, o que demandará tanto 
placas quanto sistemas desenvolvidos para essa finalidade. Outra vantagem 
dos computadores é a facilidade de integrar o sistema de automação do chão 
de fábrica com aplicativos de gestão e controle administrativo da indústria. 
As maiores desvantagens desse método são a instabilidade de sistemas não 
desenvolvidos especificamente para o problema e a disputa entre aplicações 
pelos recursos do sistema, dificultando a execução em tempo real (LAMB, 
2015).
Existem ainda controladores específicos para determinadas soluções ou 
equipamentos, similares aos CLPs, já com entradas e saídas adequadas, display 
e botões para ajuste e parametrização, mas com menor flexibilidade de progra-
mação. Estes são vastamente empregados em sistemas de controle distribuído, 
em que partes menores da planta têm algum nível de independência do restante, 
com parametrizações e tomadas de decisões próprias (LAMB, 2015).
Os controladores podem ser do tipo PID (proporcional-integral-derivativo), 
lógico ou sequencial. No primeiro caso, as mudanças de comportamento dos 
atuadores são contínuas, enquanto, nos demais, os atuadores reagem de forma 
discreta. Em geral, qualquer controlador tem por finalidade executar cálculos 
que permitam controlar as saídas em que estão os atuadores, com base nos 
sinais de entrada em que estão os sensores (LAMB, 2015).
Atuadores, controladores e sensores industriais14
Integração
O condicionamento dos sinais é importante não apenas para permitir a comu-
nicação entre os dispositivos, mas também para proteger e filtrar a entrada de 
sinais indesejados (BOLTON, 2010). Um dos dispositivos mais utilizados nas 
etapas de condicionamento é o amplificador operacional, capaz de elevar a 
intensidade, diminuir a impedância de saída, selecionar a faixa de operação, 
comparar, somar, integrar, inverter e, até mesmo, linearizar sinais. Outros 
dispositivos podem incluir:
 � diodos de retificação, para evitar correntes e tensões negativas, como 
as existentes em corrente alternada;
 � diodo zener, para limitar a amplitude máxima do sinal e restringir o 
impacto de sinais negativos; e
 � isoladores, que podem ser magnéticos ou ópticos, a depender da fina-
lidade e da intensidade envolvidas.
No aproveitamento de sinais analógicos por controladores digitais, é ne-
cessária a conversão de sinal. O procedimento padrão envolve:
 � a amostragem e a retenção do sinal analógico, uma vez que a conversão 
não é instantânea e demanda tempo para que o conversor possa inter-
pretar o sinal que não poderá estar variando nesse momento;
 � discretização e quantização, para encontrar o nível de tensão passível de 
representação de forma digital mais próximo do valor real na entrada;
 � codificação, quando é traduzido o valor discretizado para um número 
binário.
É importante destacar que, no processo de conversão de sinais analógicos 
em digitais, deve-se obedecer ao critério de Nyquist. Segundo esse critério, 
para que um sinal analógico seja amostrado com quantidade suficiente de 
informação para tentar reconstruí-lo, é necessário que a frequência de amos-
tragem seja de pelo menos duas vezes a frequência do sinal (ALCIATORE; 
HISTAND, 2014).
15Atuadores, controladores e sensores industriais
O acionamento de cargas com valores contínuos demanda a conversão no 
sentido inverso, do digital para o analógico. No entanto, produzir um sinal 
perfeitamente analógico, em uma forma de onda senoidal, por exemplo, pode 
ser demasiadamente complexo. Assim, uma solução muito utilizada envolve 
a geração de tensões médias, a partir de moduladores por largura de pulso 
(pulse width modulation). Neles, a saída é chaveada, alternando entre tensão 
máxima e nula em uma frequência fixa, enquanto o tempo (ciclo de trabalho) 
em que o sinal permanece ligado (tensão máxima) e desligado (tensão nula) 
varia conforme a intensidade almejada (Figura 6).
Figura 6. Modulador por largura de pulso com ciclo de trabalho (duty cycle) de 
40%, produzindo uma tensão média de 2 V a partir dos picos de 5 V.
Fonte: Maikon Lucian Lenz/Shutterstock.com.
Ciclo de trabalho = 40%
Saída principal
Muitas vezes, as entradas e saídas não são suficientes para atender a todos 
os dispositivos, mesmo porque módulos específicos de controladores, como 
é o caso de conversores analógicos, costumam ser poucos. Assim, para que o 
mesmo controlador seja capaz de processar mais de um sinal em um mesmo pino 
de entrada ou saída, podem ser utilizados multiplexadores (Figura 7a), para 
selecionar diferentes fontes de sinal para uma entrada, e demultiplexadores 
(Figura 7b), para selecionar diferentes destinos para um mesmo pino de saída.
Atuadores, controladores e sensores industriais16
Figura 7. (a) Multiplexador (Mux). (b) Demultiplexador (Demux).
Fonte: Baddeley (2016, documento on-line). 
3 Princípios de conexões elétricas e projeto
Uma planta de automação é normalmente dividida em malhas, e em cada 
uma dessas malhas podem ser encontrados os elementos de sensoriamento, 
atuação e controle. A relação entre os componentes de uma malha diz respeito 
ao controle de processos, que envolvem conceitos mais elaborados de modela-
gem de sistemas, primeiramente divididos em: malha aberta e malha fechada.
A ênfase maior é dada ao processo de malha fechada, em que é definida 
claramente a relação e o fluxo de sinal entre sensor, atuador e controlador. 
O controlador aciona um atuador, na intenção de minimizar o erro medido 
pelos sensores disponíveis. Em uma malha aberta, o processo pode ocorrer 
sem a necessidade de um sensor ou controle, com um atuador parametrizado 
para agir de determinada forma, esperando que a resposta seja sempre a 
mesma. Ainda assim, uma planta pode conter processos de malha aberta 
dentro de outros processos 
Há que se diferenciar, ainda, as variáveis medidas e as variáveis manipu-
ladas (DUNN, 2013). Por exemplo, um determinado processo pode monitorar 
a temperatura de uma reação química, mas agir manipulando a velocidade 
de um ventilador, um mecanismo de refrigeração ou mesmo a proporção de 
uma mistura química.
17Atuadores, controladores e sensores industriais
No desenho de um projeto ou fluxograma, é essencial destacar os tipos de 
conexões associadas entre os elementos, não apenas elétricas, mas também 
toda a malha hidráulica, pneumática e mesmo eletromagnética sem qualquer 
conexão física. Nesse sentido, deve-se recordar, por exemplo, que, apesar de 
um atuador pneumático ser alimentado por ar comprimido, a maior parte das 
válvulas serão de acionamento elétrico, até para facilitar a integração com 
elementos de controle e sistemas de gestão maiores.
Em geral, por mais que os atuadores sejam pneumáticos ou hidráulicos, 
é comum que uma instalação elétrica, dos componentes que controlam estes, 
esteja presente. Logo, deve-se ter em mente, primeiramente, que fontes elétri-
cas devem estar presentes ao longo de toda a planta. Junto delas, devem estar 
elementos de proteção e segurança, como transformadores, para isolar os 
equipamentos da rede de alimentação e sistemas de suporte de energia, para 
compensar eventuais falhas de alimentação, já que, no mínimo, osdispositivos 
de controle são dependentes disso (DUNN, 2013).
A distribuição de energia elétrica ao longo de uma área grande acarreta 
outros problemas, entre eles, a variação de potencial e, até mesmo, ruídos. Tais 
problemas podem ser sanados ou minimizados com técnicas de aterramento, 
para equalizar não apenas a alimentação, mas o sinal elétrico derivado desses 
elementos, que poderiam ocasionar, quando oscilantes, diferenças significativas 
de comportamento e erros de comunicação (DUNN, 2013).
Um projeto de automação envolve, basicamente:
 � as análises da necessidade e do problema, que visam a delimitar 
a real necessidade do cliente, uma vez que a falta de conhecimento 
técnico do mesmo pode levá-lo a pedir por soluções inadequadas para 
o seu caso — cabe, portanto, ao projetista de automação reconhecer a 
natureza do problema e as possibilidades mais viáveis para solucioná-lo;
 � a especificação, elencando os processos e as características presentes 
no problema e as soluções que se pretende avaliar para solucionar o 
problema, como os tipos de movimento, as interfaces e as dimensões 
envolvidas; e
 � a seleção e validação da solução mais adequada, o que pode envolver 
simulações, modelos e até mesmo protótipos, quando necessários.
Atuadores, controladores e sensores industriais18
Por fim, o projeto é concluído, e é feita a documentação, para que ele possa 
ser implementado rigorosamente, de acordo com aquilo que foi especificado e 
devidamente validado nas demais etapas (BOLTON, 2010). Não existe norma 
que determine o formato de diagramas elétricos em si, mas a simbologia 
recomendada para representar cada componente está presente na norma da 
Comissão Eletrotécnica Internacional nº. 60.617 (RODRIGUES, 2016).
ALCIATORE, D. G.; HISTAND, M. B. Introdução à mecatrônica e aos sistemas de medições. 
4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.
BADDELEY, B. Hackaday dictionary: mux/demux. In: HACKADAY. [S. l.], 2016. Disponível 
em: https://hackaday.com/2016/09/06/hackaday-dictionary-muxdemux/. Acesso em: 
23 mar. 2020.
BOLTON, W. Mecatrônica: uma abordagem multidisciplinar. 4. ed. Porto Alegre: Book-
man, 2010.
DUNN, W. C. Fundamentos da instrumentação industrial e controle de processos. Porto 
Alegre: Bookman, 2013.
LAMB, F. Automação industrial na prática. Porto Alegre: AMGH, 2015. (Série Tekne).
RODRIGUES, R. Controle e automação da produção. Porto Alegre: Sagah, 2016.
SEBRAE. Eficiência energética para pequenos negócios. Mato Grosso: Sebrae, 2016. Dis-
ponível em: http://sustentabilidade.sebrae.com.br/Sustentabilidade/Para%20sua%20
empresa/Publica%C3%A7%C3%B5es/WEB%20-%20Cartilha%20Efici%C3%AAncia%20
Energ%C3%A9tica_15x21cm4.pdf. Acesso em: 23 mar. 2020.
SILVEIRA FILHO, E. D.; SANTOS, B. K. Sistemas hidráulicos e pneumáticos. Porto Alegre: 
Sagah, 2018.
Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu fun-
cionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a 
rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de 
local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade 
sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links.
19Atuadores, controladores e sensores industriais