Automaçáo Industrial

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2012
AutomAção IndustrIAl
Prof. Rafael Martelli
Copyright © UNIASSELVI 2012
Elaboração:
Prof. Rafael Martelli
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri 
UNIASSELVI – Indaial.
 
670
R376a Martelli, Rafael
 Automação industrial / Rafael Martelli. Indaial : 
Grupo UNIASSELVI, 2012.
 
 225 p. il. 
 Inclui bibliografia.
 ISBN 978-85-7830-376-1
 1. Automação industrial 2. Engenharia industrial
 I. Centro Universitário Leonardo da Vinci
 II. Núcleo de Ensino a Distância III. Título
 
Impresso por:
III
ApresentAção
Prezados(a) Acadêmicos(a)
A automação industrial é hoje sem dúvida, um grande nicho de 
mercado, envolve projetos milionários e cada vez mais ocorrem avanços e 
melhorias, a cada dia surgem novos produtos e tecnologias.
O profissional que se dedica exclusivamente à automação 
industrial, seja na elaboração de projetos ou na execução destes, deve estar 
constantemente atualizando-se, visitar eventos e participar de feiras onde 
ocorrem constantemente a apresentação de novas tecnologias.
O profissional da área de automação deve investir constantemente 
em estudos e compra de equipamentos didáticos que o auxilie na elaboração 
dos projetos ou na execução. É fundamental também estar atualizado 
com as novas tecnologias de softwares para a indústria desde os chamados 
supervisórios (programação de auto nível) aos softwares de controle como o 
LADER, por exemplo, de baixo nível.
O conteúdo deste caderno traz uma abordagem ampla sobre todos os 
conceitos da automação industrial, desde os componentes básicos de entrada 
e saída, atuadores e sensores até os softwares de supervisão e gerenciamento 
de uma planta industrial e conclui com uma abordagem sobre a segurança 
nas redes industriais. 
Portanto, você acadêmico, terá um longo trabalho pela frente, pois 
ademais de concluir esta disciplina, deverá manter-se constantemente 
atualizado, participar de eventos nesta área e até mesmo frequentar cursos de 
aperfeiçoamento, se quiser optar por esta área da Engenharia de Produção.
Gostaria de aproveitar este espaço para fazer um agradecimento todo 
especial à minha esposa Daniela, que colaborou arduamente na elaboração 
deste Caderno de Estudos, pela sua enorme compreensão nos momentos em 
que estive ausente.
Desejo a vocês, acadêmicos, ótimos estudos e sucesso a sua carreira 
profissional.
São os votos do Professor Rafael Martelli.
IV
Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para 
você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há 
novidades em nosso material.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é 
o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um 
formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. 
O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova 
diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também 
contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.
Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, 
apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade 
de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. 
 
Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para 
apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto 
em questão. 
Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas 
institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa 
continuar seus estudos com um material de qualidade.
Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de 
Desempenho de Estudantes – ENADE. 
 
Bons estudos!
NOTA
V
VI
VII
UNIDADE 1 – ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO ......................................................................... 1
TÓPICO 1 – ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO ............................................................................. 3
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3
2 DINÂMICA DE SISTEMAS ............................................................................................................... 4
3 SISTEMAS DINÂMICOS ................................................................................................................... 5
3.1 CLASSES DE SISTEMAS DINÂMICOS .................................................................................... 6
3.2 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DINÂMICOS ............................................................................ 7
3.2.1 Elementos Externos ................................................................................................................ 7
3.2.2 Elementos Internos ................................................................................................................. 8
3.3 SISTEMAS DINÂMICOS CONVENCIONAIS .......................................................................... 8
3.4 SISTEMAS DINÂMICOS A EVENTOS DISCRETOS ................................................................. 10
4 LINGUAGENS FORMAIS E AUTÔMATOS .................................................................................. 12
5 MODELAGEM DE SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS ....................................................... 13
6 CONTROLE ........................................................................................................................................... 14
7 CONTROLE DINÂMICO ................................................................................................................. 15
8 CONTROLE DE EVENTOS OU CONTROLE LÓGICO ............................................................ 16
LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 19
RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 20
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 21
TÓPICO 2 – ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ............................................... 23
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 23
2 PIRÂMIDE DE AUTOMAÇÃO ........................................................................................................ 25
3 INTRODUÇÃO A ÁREAS DE INFORMÁTICA INDUSTRIAL ............................................... 26
3.1 MES - SISTEMA DE EXECUÇÃO DA MANUFATURA ...................................................... 27
3.2 PIMS – PLANT INFORMATION MANAGEMENT SYSTEM ............................................ 29
LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 31
RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 33
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 34
TÓPICO 3 – ESTRUTURA DE MÁQUINAS - FERRAMENTAS ................................................ 35
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................... 35
2 MÁQUINAS FERRAMENTAS CONVENCIONAIS ......................................................... 36
3 MÁQUINAS CNC .............................................................................................................................. 39
4 HISTÓRIA DO CONTROLE NUMÉRICO .................................................................................. 41
5 DESENVOLVIMENTO DO CNC .................................................................................................. 44
6 FUNDAMENTOS DO CNC .............................................................................................................. 46
7 FUNÇÕES DO CNC ............................................................................................................................. 47
8 VANTAGENS DAS MÁQUINAS CNC ......................................................................................... 49
9 COMPONENTES DO CNC ............................................................................................................. 50
10 PROGRAMA DO CNC .................................................................................................................... 51
RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 55
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 56
sumárIo
VIII
UNIDADE 2 – AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL .................................................................................. 57
TÓPICO 1 – AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ...................................................................................... 59
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 59
2 SISTEMAS DE MANUFATURA ........................................................................................................ 59
3 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE MANUFATURA.......................................................... 60
4 FLEXIBILIZAÇÃO DA PRODUÇÃO ............................................................................................... 64
RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 67
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 68
TÓPICO 2 – AUTOMAÇÃO: HARDWARE E SOFTWARE ............................................................. 69
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 69
2 HISTÓRIA ............................................................................................................................................. 70
3 DIVISÃO DOS CLPS ......................................................................................................................................... 72
4 RAZÕES DA UTILIZAÇÃO DOS CLPS ......................................................................................... 73
5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DOS CLPS ............................................................................... 74
6 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO – DIAGRAMA EM BLOCOS ...................................... 75
7 ARQUITETURA DOS CLPS .............................................................................................................. 76
8 ESPECIFICAÇÕES DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS .............................................. 86
9 CLASSIFICAÇÃO DOS CLPS ........................................................................................................... 87
10 INTRODUÇÃO A LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO ..................................................... 88
10.1 TABULARES/TABELAS DE DECISÃO ...................................................................................... 89
10.2 TEXTUAIS ....................................................................................................................................... 89
10.3 GRÁFICAS ...................................................................................................................................... 90
11 ATUADORES PNEUMÁTICOS ................................................................................................... 92
11.1 DEFINICÃO .................................................................................................................................... 93
11.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS ........................................... 94
11.2.1 Atuadores Lineares .............................................................................................................. 94
11.2.2 Atuadores Rotativos ............................................................................................................. 97
12 VÁLVULAS ELETROPNEUMÁTICAS .......................................................................................... 99
12.1 DEFINICÃO ..................................................................................................................................100
12.2 CLASSIFICAÇÃO DAS VÁLVULAS ELETROPNEUMÁTICAS ....................................101
12.2.1 Válvula Eletropneumática Direcional..............................................................................101
12.2.2 Válvula Eletropneumática Proporcional .........................................................................106
13 SENSORES .......................................................................................................................................108
13.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES .........................................................................................109
13.1.1 Sensores Discretos ..............................................................................................................112
13.1.1.1 Sensores de Contato ...................................................................................................112
13.1.1.2 Sensores de proximidade ...........................................................................................115
13.2 ARQUITETURA ...........................................................................................................................126
13.3 INTERFACEAMENTO DOS SENSORES DISCRETOS COMO CLPs .................................129
13.4 CONSIDERAÇÕES PARA INSTALAÇÃO DE SENSORES ..................................................130
13.5 APLICAÇÃO DOS SENSORES ..............................................................................................130
13.6 CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES ...................................................................................132
LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................134
RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................135
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................136
TÓPICO 3 – MODELAGEM E CONTROLE DE SISTEMAS INDUSTRIAIS ..........................137
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................137
2 MODELAMENTO E CONTROLE DE MANUFATURAS ...................................................137
IX
2.1 SISTEMAS DE MANUFATURAS 138
2.2 ARQUITETURAS DE CONTROLE DE SISTEMAS DE MANUFATURAS ...........................139
2.2.1 Estrutura de Controle Centralizada ...................................................................................1412.2.2 Estrutura de Controle Hierárquico ...................................................................................141
2.2.3 Estrutura do Controle Heterárquico ..................................................................................145
2.2.4 Padrões de Comunicação .....................................................................................................146
2.3 DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE DE CONTROLE .......................................................148
2.3.1 O desenvolvimento orientado a objetos ............................................................................149
2.3.2 Modelos Formais no Desenvolvimento de Software de Controle ..................................153
2.4 NECESSIDADES CORRENTES ...................................................................................................155
LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................158
RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................161
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................162
UNIDADE 3 – PROJETO DE AUTOMAÇÃO .............................................................................163
TÓPICO 1 – IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO DE AUTOMAÇÃO .......................................165
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................165
2 DESCRIÇÃO DAS PLANTAS INDUSTRIAIS ........................................................................166
2.1 FLUXOGRAMA E DIAGRAMAS DE PROCESSO .................................................................166
2.1.1 Diagrama de blocos ..............................................................................................................166
2.1.1.1 Classificação dos diagramas de blocos ........................................................................168
2.1.1.2 Simplificação dos diagramas de blocos .......................................................................172
2.1.2 Diagramas de fluxos de processo .......................................................................................175
2.1.3 Diagramas de tubulação e instrumentação P&ID (Piping & Instrument Diagram) ......177
2.2 DOCUMENTOS NECESSÁRIOS NO PROJETO DE AUTOMAÇÃO .............................180
2.2.1 Listas de instrumentos e de entrada/saída ........................................................................180
2.2.2 Especificação da operação automática ..............................................................................180
2.2.3 Diagrama de controle lógico ...............................................................................................181
2.2.4 Diagrama de causa e efeito ..................................................................................................182
2.2.5 Lista de entradas e saídas no CLP ......................................................................................183
2.2.6 Diagrama de controle dinâmico .........................................................................................184
RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................189
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................190
TÓPICO 2 – SEGURANÇA DA AUTOMAÇÃO .............................................................................191
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................191
2 SEGURANÇA NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ......................................................................192
2.1 AMEAÇAS AO AMBIENTE DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ............................................193
2.2 SEGURANÇA EM REDES DE AUTOMAÇÃO ........................................................................194
2.2.1 Sinalizações e falhas .............................................................................................................194
2.2.2 Proteção e sinalização ..........................................................................................................197
2.2.3 Falhas e redundâncias ..........................................................................................................199
RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................203
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................204
TÓPICO 3 – GESTÃO DE AUTOMAÇÃO .......................................................................................205
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................205
2 GESTÃO DA ENGENHARIA ..........................................................................................................206
2.1 FASES DO PROJETO DE AUTOMAÇÃO ..................................................................................206
2.2 ESTIMANDO O ESFORÇO DE ENGENHARIA ......................................................................209
X
2.2.1 Metodos empíricos para estimativa de esforço e prazo .............................................210
LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................215
RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................218
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................219
REFERÊNCIAS .......................................................................................................................................221
1
UNIDADE 1
ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir desta unidade, você será capaz de:
• diferenciar um sistema dinâmico de um sistema estático; 
• inserir conceitos introdutórios de sistemas dinâmicos com auxilio de 
exemplos que ilustrem cada caso;
• conhecer as formas de modelagem e procedimentos de controle dos SEDs;
• identificar os principais níveis da pirâmide de automação industrial;
• explicar os sistemas de gerência de informação industrial;
• aprender sobre o avanço das máquinas ferramentas e o controle através de 
microprocessadores.
Esta unidade está dividida em três tópicos. No final de cada um deles, você 
encontrara atividades que reforçarão o seu aprendizado.
TÓPICO 1 – ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO 
TÓPICO 2 – ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
TÓPICO 3 – ESTRUTURA DE MÁQUINAS – FERRAMENTA
2
3
TÓPICO 1
UNIDADE 1
ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
1 INTRODUÇÃO
A Engenharia de Controle e Automação baseia-se na modelagem 
matemática de sistemas de diversas naturezas, analisando o seu comportamento 
dinâmico, e usando a teoria de controle para calcular os parâmetros de um 
controlador que faça o sistema evoluir da forma desejada, e adaptativa às 
mudanças dos principais elementos de controle. (WIKIPÉDIA, 2010)
A Engenharia de Controle e Automação se concentra, acima de tudo, 
na automação de uma planta, que é fazer um processo manual tornar-se 
semiautomático ou totalmente automático. A automação é completa quando toda 
uma linha de produção funciona do começo ao fim sem a intervenção humana, 
agindo apenas pelo controle das próprias máquinas e controladores. Para obter a 
automação de um sistema é necessário conseguir umavisão global do processo 
produtivo, o que faz o profissional da área usar informações que relacionem áreas 
de conhecimento distintas, como é o caso da mecânica, da elétrica e da ciência da 
computação. (WIKIPÉDIA, 2010) 
A engenharia de controle e automação tem sua aplicação na indústria em 
geral, e como exemplo, na indústria química, petroquímica, alimentícia e têxtil. 
Também em empresas de saneamento há aplicações frequentes, uma vez que nos 
processos químicos que decorrem ao longo do percurso produtivo numa planta 
industrial, é necessário controlar o comportamento das variáveis que interferem 
na qualidade dos produtos de acordo com padrões pré-estabelecidos.
Este ramo da engenharia está intimamente relacionado com a engenharia 
de produção, uma vez que os circuitos eletrônicos podem ser facilmente descritos 
utilizando métodos da teoria de controle. Várias outras áreas da engenharia 
estão também relacionadas com a Engenharia de controle e automação, pois suas 
técnicas e métodos podem ser aplicados em qualquer sistema.
O desenvolvimento dos estudos de engenharia de automação requer 
o estabelecimento de alguns conceitos pertinentes a modelos matemáticos de 
sistemas de processos industriais. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
4
2 DINÂMICA DE SISTEMAS
A Dinâmica de Sistemas trata da modelagem matemática e da análise 
da resposta de um sistema dinâmico, visando entender a natureza dinâmica 
e melhorar a performance deste sistema. O conceito de sistema é usado em 
fenômenos físicos, tais como, mecânicos, elétricos, pneumáticos, térmicos e 
hidráulicos, bem como em processos não físicos, como por exemplo, o estudo de 
sistemas econômicos e biológicos.
O termo sistema apresenta diversas definições e pode ser aplicado a 
diferentes áreas do conhecimento. De forma geral, este termo descreve o conceito 
de agregação de diversos componentes com o objetivo de realizar determinadas 
funções que não poderiam ser executadas pelos componentes isolados. Conforme 
definido em Ferreira (1999), “[...] sistema é a disposição das partes ou dos 
elementos de um todo, coordenados entre si, e que funcionam como estrutura 
organizada”. 
Um sistema é uma combinação de componentes atuando juntos para 
atingir um objetivo específico. Uma componente é qualquer variável envolvida no 
sistema. Matematicamente, uma variável é um símbolo que pode assumir qualquer 
valor real ou complexo. No estudo de sistemas, as variáveis independentes são 
chamadas de entrada (input) ou excitação, enquanto as variáveis dependentes são 
conhecidas como saída (output) ou resposta, dependendo da área do conhecimento 
considerada.
Um sistema é dito dinâmico se a resposta presente depender de uma 
excitação passada. Se a resposta presente depender apenas de uma excitação 
presente, então o sistema é dito estático. Em um sistema estático, a resposta 
permanecerá constante enquanto a excitação não variar. Em um sistema dinâmico, 
a resposta varia com o tempo até atingir seu estado de equilíbrio. Em um sistema 
dinâmico, as componentes são funções do tempo e são conhecidas como sinais. 
No contexto deste Caderno, o estudo tem por objetivo a representação 
dos sistemas através de modelos formais que permitam descrever de forma 
satisfatória seu comportamento. 
Uma vez que este comportamento pode violar determinadas especificações 
comportamentais, deseja-se sintetizar e implementar leis de controle que atuem 
sobre o sistema de forma que seu comportamento sob a ação de controle seja o mais 
próximo possível do comportamento desejado, ou seja, daquele comportamento 
que satisfaça as especificações de processo.
Pelo emprego de fundamentos teóricos e ferramentas computacionais, 
busca-se, ainda, analisar o comportamento do sistema de forma a verificar a 
satisfação de determinadas propriedades.
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
5
Em Cassandras e Lafortune (1999), é realizada a classificação dos sistemas 
em diversas categorias. Os próprios autores tornam explícito que esta classificação 
não é excludente, pois depende basicamente da perspectiva empregada para 
interpretar e compreender o sistema.
Os sistemas denominados “sistemas dinâmicos a variáveis contínuas”, 
ou, simplesmente “sistemas contínuos”, caracterizam-se basicamente por dois 
fatores:
	 o espaço de estados é contínuo, isto é, as variáveis do sistema podem assumir 
qualquer valor dentro de um determinado intervalo de variação contínuo;
	 o comportamento das variáveis do sistema é regido pelo tempo.
Em contraposição aos “sistemas contínuos” os sistemas denominados 
“sistemas dinâmicos a eventos discretos” ou da forma mais usual “sistemas a 
eventos discretos” (SEDs) apresentam as seguintes características:
•	 o espaço de estados é discreto, ou seja, as variáveis do sistema podem assumir 
valores preestabelecidos pertencentes a um conjunto discreto;
•	 o comportamento das variáveis é independe do tempo e é dirigido por eventos.
3 SISTEMAS DINÂMICOS
Em automação, nosso interesse focaliza-se em sistemas que são dinâmicos 
em um sentido essencial. A palavra “dinâmico” é entendida em geral como 
relativa a “forças e energias produzindo movimento (MORAES; CASTRUCCI, 
2007). Portanto, o termo refere-se originalmente à mecânica newtoniana: forças 
aplicadas às massas geram acelerações que definem os movimentos dos corpos 
e espaço; tais fenômenos são regidos por equações diferenciais, em que o tempo 
é a variável independente. Por analogia, estende-se o termo dinâmico” a todos 
os fenômenos térmicos, químicos, fisiológicos, ecológicos etc. que também sejam 
regidos por equações daquele tipo. São sistemas intrinsecamente dinâmicos, 
como que “acionados pelo tempo” (time-driven). (MORAES; CASTRUCCI, 2007)
No entanto, um segundo significado tornou-se essencial nas últimas 
décadas, devido a inúmeros e importantíssimos outros tipos de sistemas, tais 
como os de chaveamento manual ou automático, as manufaturas, as filas de 
serviços, os computadores etc. Sua estrutura impõe principalmente regras lógicas, 
de causa e efeito, para eventos; seus sinais são números naturais representando 
estados lógicos (on - off, sim - não) ou quantidade de recursos ou de entidades. 
Tais sistemas não são descritos por equações diferencias. São sistemas mecânicos 
em um sentido especial, dinâmicos latu sensu, “acionados por eventos” (event-
driven). (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
6
Um sistema dinâmico é um sistema definido por um sistema de equações 
diferenciais ou mapas iterativos, onde o estado do sistema evolui com o tempo. 
Usualmente, usa-se um conjunto de variáveis de estado x, y, z, ..., ou x1, 
x2, x3, ..., reais (ou inteiras) para definir o estado do sistema. Um sistema dinâmico 
pode ser caracterizado de maneira bastante geral que varia, por exemplo, de um 
volume de gás a uma sociedade, até um sistema de estrelas. Um sistema dinâmico 
é composto por muitos componentes que interagem de modos diversos. Estas 
interações ocorrem no tempo real e pode produzir padrões de comportamento 
que formam as manifestações do sistema. Estes padrões chamam-se na teoria dos 
sistemas dinâmicos: parâmetros de ordem.
O parâmetro de ordem exerce uma influência causal no comportamento 
dos componentes, subjugando-os. Um teórico importante da teoria de sistemas 
dinâmicos, Hermann Haken, afirma que o parâmetro de ordem escraviza os 
componentes, isto é: ele força os componentes a tomarem parte no padrão global. 
Falamos de uma causalidade circular. A interação dos componentes causa uma 
ordem global, no plano mais geral, e o padrão global subjuga os componentes no 
plano mais específico. 
3.1 CLASSES DE SISTEMAS DINÂMICOS
Um sistema dinâmico pode ser classificado com relação a inúmeras 
características, entre elas:
QUADRO 1 – CLASSES DE SISTEMAS DINÂMICOSAcionados por Descritos por Nomes
Tempo ("time-driven") Equações diferenciais na variável tempo Contínuos no tempo
 Equações diferenciais na variável tempo Discretos no tempo
Eventos ("event-driven") Algebra de Boole, álgebra dióide, A eventos descretos
 autômatos finitos, redes de Petri, 
 programas computaionais.
FONTE: O Autor. 
Apresentamos, a seguir, uma classificação dos sistemas dinâmicos de 
acordo com vários critérios.
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
7
FIGURA 1 – CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS SISTEMAS 
modelos
estáticos dinâmicos
lineares não-lineares
estado contínuo estado discreto
variantes no tempo invariantes no tempo
dirigidos pelo tempo dirigidos por eventos
tempo contínuotempo discreto
determinísticos estocásticos
Si
ste
m
as
 D
in
âm
ico
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FONTE: SANTOS, 2010.
3.2 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DINÂMICOS
Modelar um sistema dinâmico de um processo físico é uma tarefa um 
pouco parecida como montar um brinquedo usando blocos de Lego®, quanto 
mais e melhores os blocos, em geral mais interessante e divertido fica o brinquedo 
Lego®. Com um sistema dinâmico, a ideia é igual, pois é necessário realizar 
uma montagem de elementos com características diferentes que montados 
representam um sistema físico. Os elementos de um modelo de sistema dinâmico 
compreendem elementos externos e internos. (AGUIRRE, 2004) 
3.2.1 Elementos Externos
Os elementos externos são divididos em fontes, ruído e carga. Fontes têm 
como função alterar de maneira planejada o desempenho do processo.
Nos sistemas dinâmicos estas variáveis são chamadas de entrada e 
funcionam como fontes excitadoras do sistema. Já os ruídos estão presentes de 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
8
forma aleatória e independente do desejo do analista e devem ser considerados 
nas variáveis que usam a energia entregue na entrada e que é processada pelo 
sistema dinâmico. Nos sistemas dinâmicos, estas variáveis são as saídas do 
sistema.
3.2.2 Elementos Internos
Os elementos internos são divididos em armazenadores, dissipadores 
e conversores. Os elementos armazenadores são aqueles com capacidade de 
armazenar energia. Por exemplo, em sistemas elétricos os indutores são elementos 
que são capazes de armazenar energia na forma de corrente, assim como 
capacitores são elementos que armazenam energia na forma de tensão elétrica. Já 
os sistemas mecânicos são capazes de armazenar energia cinética em parâmetros 
inerciais, por exemplo, elementos de massa, e armazenar energia potência em 
elementos de rigidez, por exemplo, em molas. Um ponto interessante é verificar 
que, em termos matemáticos, é indiferente a natureza do sistema dinâmico em 
questão.
 Já os elementos dissipadores são aqueles que não armazenam e nem 
aproveitam energia e simplesmente a dissipam, a maior parte na forma de calor.
Em um sistema elétrico, os resistores são elementos dissipadores. De 
maneira similar, os amortecedores são elementos que dissipam energia vibratória. 
Por fim, os conversores são elementos capazes de converter energia de uma forma 
para outra. Há muitos mecanismos de conversão de formas de energias diversas 
em energia elétrica, por exemplo: fotocélulas convertem luz em eletricidade, 
termopares convertem calor em eletricidade, e os geradores eletromagnéticos 
convertem energia mecânica em eletricidade. Pesquisas recentes apontam para a 
possibilidade de se adquirir energia elétrica a partir de uma grande variedade de 
fontes (térmica, solar, deformação, inércia, vibração, corpo humano etc.).
3.3 SISTEMAS DINÂMICOS CONVENCIONAIS
Um critério importante para classificar esses sistemas decorre da 
observação dos seus sinais. Um sinal x(t) pode ser de amplitude contínua (x ε 
R, x percorre os números reais) ou de amplitude discreta (x ε E, x percorre um 
subconjunto enumerável de R, por exemplo, o conjunto I dos números inteiros). 
Analogamente, a variável independente t pode ser contínua (t ε R) ou discreta (t 
ε E ou I). Note que, nesse contexto, a palavra “contínua” nem sempre significa 
função contínua no sentido de Análise Matemática. (MORAES; CASTRUCCI, 
2007)
Algumas das possibilidades de sinais estão indicadas na Figura a seguir.
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
9
FIGURA 2 – CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS SISTEMAS 
FONTE: O Autor.
Outro importante divisor de classes nos sistemas é a linearidade. Para 
constatar sua presença não basta observar sinais isolados. É necessário estudar as 
relações de causa/efeito entre entradas e saídas. São lineares aqueles sistemas em 
que a resposta à soma de dois sinais de entrada é igual à soma das respostas aos 
dois sinais isoladamente, isto é, quando vale a superposição de entradas e saídas.
No caso de sistemas lineares, uma abordagem para identificação é 
construir uma função de transferência representando o comportamento do 
processo, em tempo discreto ou contínuo, usando o “Princípio da Superposição” 
descrito a seguir, sendo que o estado inicial é suposto ser zero. As funções de 
transferência são funções que modelam o comportamento dinâmico de um par 
entrada-saída de um sistema, ou seja, descrevem como uma determinada entrada 
é dinamicamente “transferida” para a saída do sistema. (AGUIRRE, 2000) 
Princípio da Superposição: considere um sistema que ao ser excitado 
pela entrada u1(t) produz a saída u1 ⋅ y(t) e quando excitado por u2(t) produz 
y2(t) . Se tal sistema satisfizer o princípio da superposição então, quando 
excitado por. [(a1m(t)) ⋅	(b2m(t))], sua saída será a1 ⋅ y(t) + b2 ⋅ y(t) , sendo a e 
b constantes reais. Por definição, um sistema é linear se ele satisfaz o princípio 
da superposição. (OGATA, 1999) 
A identificação de sistemas não lineares é difícil, pois o princípio da 
superposição não pode ser usado e a relação entrada-saída pode depender do 
estado atual e/ou histórico do sistema. Além disso, o sistema pode ter muitos 
estados para os quais a saída é constante ou zero.
Para que haja comportamento não linear basta que, por exemplo, a saída 
seja igual à soma da variável de entrada com uma constante (verifique, aplicando 
a definição) ou, então, que a saída seja igual ao produto de duas variáveis ou igual 
a uma função de amplitude limitada (saturação). (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
10
y(t) = x(t) + 5
y(t) = sen(x(t))
y(t) = x1(t) ⋅ x2(t)
 
A maioria dos sistemas físicos reais é não linear, embora muitos deles 
admitam aproximações lineares geralmente quando os sinais de interesse são 
pequenas flutuações em torno de dados níveis de operação. Como veremos 
adiante, os sistemas a eventos discretos são essencialmente não lineares, isto é, 
não admitem aproximação linear. (MORAES; CASTRUCCI, 2007)
Outra classificação importante dos sistemas é em determinísticos e 
estocásticos; estes últimos são caracterizados pela presença de alguma variável 
ou de algum parâmetro cuja definição se faz por meios estáticos. (MORAES; 
CASTRUCCI, 2007). Por exemplo: 
•	 sinal de entrada, contínuo no tempo, de origem atmosférica;
•	 sinal de entrada, discreto no tempo, em que os intervalos entre pulsos ou 
impulsos sucessivos são aleatórios, como a chegada de clientes a uma fila de 
serviço.
Alguma transmissão interna ao sistema se altera em função de 
probabilidades, como a parada da produção por falha de máquina e o retorno 
após o tempo de reparo. O processo de modelagem de um determinado 
sistema dinâmico pode resultar num modelo de estrutura complexa. Em tais 
casos, métodos de redução de modelos podem ser utilizados para se obter uma 
representação mais simplesdo processo.
Os sistemas híbridos inteligentes representam um direcionamento 
alternativo para a solução de problemas em sistemas de controle e identificação, 
principalmente aqueles que envolvem não linearidades.
3.4 SISTEMAS DINÂMICOS A EVENTOS DISCRETOS
Sistemas dinâmicos a eventos discretos – SEDs – são sistemas cuja 
evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. 
(MORAES; CASTRUCCI, 2007)
São sistemas em que:
a) os sinais assumem valores num conjunto enumerável, com {on, off} {verde, 
amarelo, vermelho} {1,2,3,........};
b) as alterações de valor, quando ocorrem, são tão rápidas que se podem modelar 
como instantâneas, em qualquer instante t ε R;
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
11
c) eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos 
discretos internos e de saída.
Sistemas a eventos discretos são sistemas que respondem aos eventos 
discretos externos e internos como sinais também discretos, de acordo com rígidas 
regras de causa e efeito ou, então, com regras estatísticas. No primeiro caso, as 
regras traduzem-se perfeitamente por meio da teoria matemática dos conjuntos; 
quando os sinais são todos binários (1 ou 0, ON ou OFF etc.), são sistemas lógicos. 
No segundo caso, os sistemas incluem-se entre os chamados sistemas estocásticos. 
(MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
De modo geral, um Sistema a Eventos Discretos (SED) é um sistema 
dinâmico cujas variações de estado são estritamente condicionadas pela ocorrência 
de eventos. O conceito de evento é fundamental, caracterizado como algo sem 
duração e única causa possível para as mudanças de estado. Portanto, num 
SED, as mudanças de estado ocorrem estritamente num conjunto enumerável de 
instantes de tempo. Diz-se também que um SED tem sua dinâmica dirigida pela 
ocorrência de eventos. Outro aspecto importante a respeito dos SED é o fato de seu 
espaço de estados ser normalmente discreto (e em muitas aplicações finito). Essas 
características distinguem os SED dos sistemas que têm sua dinâmica dirigida 
pelo tempo e seu espaço de estado contínuo, cuja modelagem é tradicionalmente 
feita através das equações diferenciais. Esses sistemas serão chamados de sistemas 
contínuos (mesmo no caso em que o tempo for discreto). (MAIA, 2005)
Em um SED, os eventos podem ser de vários tipos e programados 
de maneiras diversas. Podem ocorrer autonomamente ou programados pela 
ocorrência prévia de algum outro evento e a definição do instante de ocorrência 
pode ser determinística ou não determinística (inclusive aleatória). Exemplos 
típicos de SED são os sistemas de manufatura, o hardware de um computador, 
e em outro nível de abstração, as redes de comunicação. Dois aspectos são de 
grande importância no estudo da dinâmica de SED: os problemas de conflito e 
os problemas de sincronização. Os sistemas de manufatura oferecem exemplos 
desses dois aspectos. Um conflito ocorre num sistema de manufatura quando, 
por exemplo, duas peças devem ser processadas na mesma máquina, devendo 
haver uma decisão sobre qual delas será processada em primeiro lugar. O aspecto 
de sincronização fica evidente, por exemplo, quando a montagem de uma peça 
depende de duas ou mais partes, cujo processamento por sua vez pode obedecer 
às mesmas restrições. Nesse caso, obviamente a parte com processamento mais 
tardio determinará o início da montagem da peça final. Neste texto, a atenção 
será concentrada nos sistemas sem conflito, onde predominam os problemas de 
sincronização. (MAIA, 2005)
Há pouco mais de duas décadas, os SEDs eram tratados predominantemente 
através de técnicas de simulação (Banks et al., 2000), ou de otimização estática, 
sendo que os resultados analíticos provinham da Teoria de Filas (Kleinrock,1975) e 
da Teoria de Redes de Petri (Murata, 1989). Em particular, esta última abordagem 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
12
teve grande desenvolvimento durante as décadas de 60 e 70, até o início dos anos 
80. A partir desse momento, certamente impulsionadas pelos desafios e exigências 
do mundo da automação industrial, diversas novas abordagens para o problema 
de análise e síntese de controladores para SED foram iniciadas, envolvendo as 
áreas de Teoria de Sistemas, Pesquisa Operacional e Teoria da Computação. São 
exemplos dessas abordagens entre outras, a Teoria de Controle Supervisório 
(Ramadge e Wonham, 1989), a Análise de Perturbações (Cassandras e Lafortune, 
1999), as técnicas baseadas em Lógica Temporal (Ostroff, 1989) e aquelas 
baseadas na Álgebra Maxplus (Baccelli et al., 1992). Além disso, significativos 
desenvolvimentos ocorreram na já existente Teoria de Redes de Petri e na 
Teoria de Sistemas Híbridos (Antsaklis, 2000), isto é, sistemas que combinam as 
características de sistemas contínuos e a eventos discretos. (MAIA, 2005) 
Segundo Vieira (2010), os sistemas denominados “sistemas dinâmicos a 
eventos discretos” ou da forma mais usual “sistemas a eventos discretos” (SEDs) 
apresentam as seguintes características:
•	 o espaço de estados é discreto, ou seja, as variáveis do sistema podem assumir 
valores preestabelecidos pertencentes a um conjunto discreto;
•	 o comportamento das variáveis independe do tempo e é dirigido por eventos.
O termo “evento” é empregado para descrever a ocorrência, abrupta e 
sem duração no tempo, de um fenômeno no sistema em estudo ou no ambiente 
em que está inserido e que pode afetar o comportamento deste sistema. A cada 
ocorrência de um evento o sistema pode assumir um novo comportamento ou 
executar uma nova função, ou seja, o sistema pode assumir um novo estado. 
Assume-se que a cada instante de tempo só pode ocorrer um único evento. De 
forma geral, para um SED são válidas as seguintes observações:
•	 a ocorrência de eventos é assíncrona no tempo;
•	 o estado do sistema permanece imutável até que ocorra um evento;
•	 para um dado estado do sistema, a ocorrência de um determinado evento não 
implica necessariamente a mudança de estado.
4 LINGUAGENS FORMAIS E AUTÔMATOS
Uma possível forma de representar o comportamento de um SED é 
através de uma tabela de transição de estados. Tal tabela informa qual estado 
é alcançado quando o sistema está em um determinado estado e ocorre certo 
evento. Contudo, este não é o procedimento usualmente empregado, pois não 
confere ao projetista efetuar procedimentos formais para composição de modelos 
de sistemas formados pela interação de múltiplos subsistemas; para análise do 
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
13
comportamento do sistema; para síntese de controladores, dentre outros. Visto 
que, conhecido o estado inicial, o comportamento lógico de um SED pode ser 
descrito através da sequência de eventos gerada, e se considerarmos que eventos 
representam elementos de um alfabeto e que sequências de eventos representam 
palavras sobre este alfabeto, pode-se descrever o comportamento do sistema 
através de uma determinada linguagem.
Conforme apresentado em Cassandras e Lafortune, (1999) “... a abordagem 
empregando a teoria de linguagens é atrativa para apresentar aspectos da 
modelagem e para discutir propriedades de SEDs”. 
Entretanto, ela não é conveniente para realizar a verificação de propriedades 
ou a síntese do controlador. O que também é necessário é uma forma conveniente 
de representá-la. (SOUZA, 2010)
5 MODELAGEM DE SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS
Os sistemas a eventos discretos, diferentemente dos sistemas dinâmicos 
a variáveis contínuas, não possuem uma representação matemática universal 
dependendo de características específicas como reinicialização, sincronização e 
concorrência, para serem modelados. (COSTA, 2004) 
Neste sentido, estudos foram realizados e algumas representações 
merecem destaque na modelagem de sistemas a eventos discretos, tais como 
Cadeias de Markov, Teoria das Filas, Álgebra de Processos,Teorias de Autômatos 
e Linguagens Formais e Redes de Petri. (BARROSO, 1996) 
Dentre as técnicas de modelagem para SED, citadas anteriormente, as 
Redes de Petri apresentam várias vantagens; a destacar: simulação a partir do 
modelo; possibilidade de testar aspectos indesejáveis do sistema, como conflito; 
excelente visualização de dependência entre sistemas e informação do estado 
atual do sistema que permite monitoração em tempo real. (BARROSO, 1996) 
Um conceito muito importante para compreender o comportamento de 
um sistema dinâmico é o conceito de parâmetro de controle. O parâmetro de 
controle é uma variável que produz comportamentos diferentes de parâmetro 
de ordem. É muito importante compreender que o parâmetro de controle não 
exerce sua influência causal através de prescrições. É uma força não específica, 
que não se baseia nas argumentações ou nos comportamentos dos indivíduos. 
Muitas vezes é uma força escondida. Além disso, os sistemas complexos podem 
ter muitos parâmetros de controle.
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
14
6 CONTROLE
Um sistema de controle dinâmico envolve sempre o controle de um 
processo cujas variáveis evoluem de acordo com um conjunto de equações 
diferenciais especificadas pelas leis físicas que as governam. Os objetivos do 
controle, neste caso, são disciplinares à evolução destas variáveis de acordo com 
certos critérios de engenharia: estabilizá-las ou impor trajetórias nominais ou de 
referência. (JOHNSON, 1995) 
A figura, a seguir, apresenta de forma genérica de um sistema de 
controle dinâmico. A entrada do sistema são os sinais que o processo recebe do 
meio externo. A saída é a sua resposta, que é comparada com uma trajetória de 
referência. Na medida em que é diferente desta, produz um erro, utilizado pelo 
controlador para determinar uma ação de controle, ou seja, eliminar este erro.
FIGURA 3 – SISTEMA DE CONTROLE
Entrada Saída Real
Erro
Referência
Sistema ou 
Processo
Controlador da
Planta
+
-
-
+
FONTE: JOHNSON, 1995.
O projeto de um controlador depende diretamente da descrição 
matemática do processo, ou seja, de sua modelagem. Não é possível projetar 
um controlador sem ter alguma informação sobre a dinâmica do processo. 
Este requisito aparentemente trivial pode não estar satisfeito a priori em uma 
classe ampla de problemas de interesse prático. Para estes casos colocam-se os 
problemas de identificação de sistemas.
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
15
7 CONTROLE DINÂMICO
O controle dinâmico tem por objetivo estabelecer o comportamento estático 
e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-o mais obediente aos operadores e 
mais imune às perturbações dentro de certos limites. Utiliza sempre medidas de 
variáveis internas e/ou de saída do sistema, num esquema de realimentação ou 
feedback em torno do sistema original. Este é um conceito de incalculável poder 
tecnológico para o aperfeiçoamento de inúmeros processos, seja em velocidade e 
precisão, seja em custo. (MORAES; CASTRUCCI, 2007)
Chama-se realimentação negativa aquela em que, pelo menos numa faixa 
de frequências, o erro da saída do processo em relação ao seu valor ideal passa por 
uma inversão intencional de sinal algébrico, antes de ser aplicada a entrada. É sob 
essa forma que a realimentação serve para controle. Quando o valor ideal é fixo, 
o controle é dito regulador; quando é um sinal qualquer fornecido ao sistema, 
tem-se um servomecanismo, ou servo controle. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
Realimentação positiva também é muito útil para realizar osciladores, não 
para fins de controle dinâmico.
Outro princípio fundamental da técnica do controle dinâmico é a pré-
alimentação, alimentação avante, feedfoward ou controle por antecipação: consiste 
em injetar na entrada do processo um sinal proporcional a alguma perturbação 
externa relevante, com polaridade tal que ajude a reduzir os efeitos da perturbação. 
A ação da alimentação avante se antecipa e reduz os efeitos da perturbação. 
O ponto forte do controle por realimentação é que não se necessita conhecê-
lo antecipadamente nem medir as perturbações que afetam o processo. A figura, 
a seguir, mostra um processo simples, de uma só variável C de saída, sobre a qual 
age um sistema de controle dinâmico completo, composto de realimentação e de 
alimentação avante; R é o valor desejado para a variável C; P é uma perturbação 
relevante, que merece ser objeto de uma pré-alimentação; N representa um ruído 
aditivo na medida da variável C. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
Por norma, essas variáveis têm nomes específicos:
C: variável controlada, de qualquer natureza física (vazão, nível, pressão, 
temperatura, velocidade, posição, corrente elétrica etc.), associada a um nível 
significativo de energia ou potência;
P: perturbação, significativa no processo que leva a C;
R: variável de referência (set point), geralmente um sinal elétrico, analógico ou 
digital;
M: variável manipulada, de natureza em geral diferente da de C, mas 
influenciando-a fortemente (por exemplo, a tensão elétrica de alimentação de 
um motor, a abertura da válvula que injeta combustível em um forno a óleo);
E: erro atuante, a diferença entre C e R que a malha de realimentação procura 
reduzir;
N: ruído na medida da variável de saída C.
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
16
FIGURA 4 – PROCESSO SIMPLES DE CONTROLE DINÂMICO
Controlador
Controlador
Pré-
Controlador Processo
ProcessoAmpliador
Transdutor
Transdutor
Realimentação
Pré-alimentação
M
N
ER
P
C
+
+
++
-
-
FONTE: O Autor.
8 CONTROLE DE EVENTOS OU CONTROLE LÓGICO
O controle lógico tem por objetivo complementar sistemas lógicos de 
maneira que eles respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas 
regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário. O engenheiro projetista 
de sistemas de controle de eventos discretos precisa, antes de tudo, garantir 
sequências bem definidas, seguras, em presença de eventos externos, sejam eles 
raros ou frequentes; somente depois de garantidas essas consequências é que ele 
pode desejar analisar desempenhos de confiabilidade por meio da Estatística e de 
simulações. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
O controle lógico é um meio de automação que surgiu no início do 
século XX por necessidade prática, quando contadores, disjuntores, reles de 
proteção, chaves manuais, etc. tinham que ser interligados de maneira a dar 
partida, proteger componentes e vigiar dia e noite a segurança nos processos cuja 
eletrificação se implementava. O controle lógico realiza-se por meio de circuitos 
(elétricos, hidráulicos, pneumáticos etc.) em que as variáveis são binárias (valor 
0 ou 1); esses circuitos são chamados, geralmente de redes lógicas. (MORAES; 
CASTRUCCI, 2007) 
Redes lógicas combinatórias são redes sem memórias nem temporizações. 
Ao projetá-las, basta a álgebra booleana para descrever, analisar e simplificar as 
redes, e com algumas técnicas de “organização do raciocínio” ou de “registro 
padronizado e compacto”, tais como a Tabela de Verdade e o Diagrama de Reles.
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
17
Redes lógicas sequenciais são as redes com memórias, temporizações e 
entradas em instantes aleatórios.
Exemplo 1: Considere o controle lógico que realiza a partida automática 
do processo de trocador de calor, de acordo com a seguinte especificação da 
engenharia de processo. Quando o operador aperta o botão Start, o controlador 
lógico deve: por razões de segurança, verificar se existe pressão de vapor Pv > 
Pmim, no gerador de vapor, e se existe nível no reservatório de líquido frio Hf > 
Hmim; em caso afirmativo, energizar a bomba Bf que movimenta o líquido frio: 
confirmada vazão de líquido Vf > Vmim, fechar o circuito elétrico C da válvula 
FIC que comanda o vapor; em qualquer momento da operação,ocorrendo Pv < 
Pmim ou Hf < Hmim ou Vf < Vmim ou To > Tmáx, caracteriza-se uma emergência 
E: o sinal de comando da válvula FIC de vapor deve ser zerado ou chaveado para 
interromper o fluxo de vapor, e a bomba B deve ser desenergizada.
Esse controle lógico pode ser representado por equações em álgebra de 
Boole, desde que definamos variáveis booleanas associadas às diversas condições 
da especificação: 
P = 1 se Pv > Pmim; P= 0 se Pv < Pmim;
H= 1 se Hf > Hmim; H= 0 se Hf < Hmim;
V= 1 se Vf > Vmim; V= 0 se Vf < Vmim;
T= 1 se To > Tmáx;....
B= 1 se Bf energizada;.....
As equações seriam:
B = Start ⋅ P ⋅ H + B ⋅ E
C = B ⋅ V ⋅ C ⋅ E
E = P + H + V + T
Onde são introduzidas variáveis booleanas de negociação, como P (P = 1 se 
e apenas se P = O). O sistema é uma rede combinatória; se tivesse temporizadores, 
por exemplo, seria sequencial.
Ao projetar controladores de eventos discretos são, geralmente, bastante 
úteis as representações por redes de Petri (1962), dada a sua grande adequação 
ao modelamento, à simulação é à busca de algumas propriedades relevantes. 
Já as representações por autômatos finitos têm maiores possibilidades teóricas. 
(MORAES; CASTRUCCI, 2007) 
Entretanto, os marcos teóricos são muito recentes e estão, geralmente, 
imersos no imenso tema do software dos computadores (que são redes lógicas 
sequenciais). Eles ainda estão longe do nível de resultados existentes em controle 
dinâmico: o problema de controle dos sistemas só veio a ser conceituado com 
rigor por W. M. Wonham em 1989. 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
18
Quando os eventos de entrada têm definição estatística, o desempenho 
dos sistemas em termos econômicos ou de confiabilidade tem sido analisado 
pelas cadeias de Markow e por simulação em computador. (MORAES; 
CASTRUCCI, 2007) 
As teorias do controle dinâmico e de controle lógico têm-se desenvolvido 
de forma totalmente independente entre si, por força de suas próprias naturezas. 
Alias, é interessante observar que enquanto o controle dinâmico objetiva evitar 
a instabilidade - geralmente associada ao crescimento ilimitado de sinais-, em 
controle lógico o objetivo é evitar o conflito, o deadlock, a parada total da evolução 
dos sinais. (MORAES; CASTRUCCI, 2007)
TÓPICO 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
19
OS DEZ MAIORES DESAFIOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: AS
PERSPECTIVAS PARA O FUTURO
Cleonor Neves 
Leonardo Duarte
Nairon Viana
Vicente Ferreira de Lucena Jr.
RESUMO
Nos últimos anos, o papel da automação vem sendo modificado fortemente 
na medida em que novos problemas surgem cada vez mais complexos. Os 
componentes de um sistema de automação evoluíram constantemente com os 
anos, desde os primeiros sistemas baseados em controle automático, mecanizado 
(como as primeiras linhas de montagem do século XX) até os sistemas baseados 
nas tecnologias atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação 
foi expandido, rompendo os limites do ambiente de chão de fábrica, na medida 
em que novos tipos de processos foram surgindo e hoje se nota aplicações da 
automação em sistemas desde gerência de informação e negócios em tempo 
real até sistemas críticos no campo médico, por exemplo. Com o crescente 
avanço da tecnologia, e a atual necessidade de informação em todos os campos, 
sistemas de automação modernos passam de simples automações de processos e 
equipamentos para automação de negócios, lidando com grandes quantidades de 
informação relevante.
Questões como confiabilidade e segurança são fundamentais nesse sentido, 
e constituem um dos muitos desafios enfrentados pela automação moderna. O 
presente trabalho busca fazer um apanhado geral sobre os principais problemas 
enfrentados pela automação em suas diversas áreas de aplicação. Faz-se um 
estudo sobre os campos em que os sistemas de controle atuam e as tecnologias 
envolvidas, os custos e os impactos que cada um determina na sociedade e no 
meio ambiente.
FONTE: Extraído de: II Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede Norte Nordeste de 
Educação Tecnológica - João Pessoa - PB – 2007. Disponível em: <http://www.redenet.edu.br/
publicacoes/arquivos/20080109_085035_INDU-068.pdf>. Acesso em: 9 mar. 2011.
LEITURA COMPLEMENTAR
20
Neste tópico, tratamos especificamente os sistemas flexíveis de 
manufatura, a seguir resumimos o que vimos para facilitar a fixação da unidade:
•	 Os sistemas dinâmicos podem ser classificados em sistemas dinâmicos a 
variáveis contínuas e sistemas dinâmicos a eventos discretos.
•	 Um sistema a eventos discretos (SED) é um sistema dinâmico cujas variações 
de estado são estritamente condicionadas pela ocorrência de eventos.
•	 Os sistemas de modelagens a eventos discretos podem ser as Cadeias de 
Markov, Teoria das Filas, Álgebra de Processos, Teorias de Autômatos e 
Linguagens Formais e Redes de Petri.
RESUMO DO TÓPICO 1
21
Ao final deste tópico, caro(a) acadêmico(a), você vai aprofundar seus 
conhecimentos adquiridos, respondendo às questões a seguir:
1 Quais são os elementos de um modelo de sistema dinâmico?
2 Qual é o objetivo do controle dinâmico?
 
3 Quais são os princípios fundamentais da técnica do controle dinâmico?
4 Quais os campos onde se pode aplicar a Teoria de Controle?
5 Defina rede lógica.
AUTOATIVIDADE
22
23
TÓPICO 2
ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
UNIDADE 1
1 INTRODUÇÃO
O termo Arquitetura da Informação foi empregado inicialmente por 
Wurman, na década de 1960. (WURMAN, 1991). Com o crescimento da internet 
e sua transformação numa mídia fundamental, o termo foi empurrado para o 
centro das atenções. Sendo arquiteto por formação, Wurman, estava inicialmente 
preocupado com a reunião, a organização e a apresentação de informações, com 
objetivos definidos.
 
Para Wurman (1991), o arquiteto da informação é definido como o 
“indivíduo que organiza padrões inerentes aos dados, transformando o que é 
complexo em algo claro”. Pode ser também uma pessoa que “cria a estrutura ou 
o mapa de determinada informação, de modo a possibilitar a outras que criem 
o seu caminho pessoal, em direção ao conhecimento”. Uma terceira definição 
é apresentada pelo autor da seguinte forma: “A.I. (Automação Industrial) é a 
profissão emergente do século XXI, cujo escopo é formado por necessidades atuais, 
focalizadas na clareza, na compreensão humana e na ciência da organização da 
informação”.
A automação industrial vem revolucionando a produção industrial e 
trazendo, sobretudo melhorias na cadeia produtiva, aumento da produtividade, 
a redução do erro humano, a redução dos acidentes de trabalho e melhorias na 
logística da produção, desde a estocagem até a distribuição do produto final.
As tecnologias das redes de computadores estão presentes também no 
“chão de fábrica”, nas máquinas responsáveis pela produção. Com sensores e 
controles apropriados, é possível verificar e controlar todas as fases da produção 
de um determinado produto através da internet, inclusive ao ser acionado algum 
alarme ou sensor de monitoramento, é possível enviar uma mensagem ao e-mail 
ou ao celular do responsável técnico deste setor.
O primeiro passo ao se conceber uma solução qualquer de automação 
é desenhar a arquitetura do sistema, organizado seus elementos vitais: remotas 
de aquisição de dados, PLCs, instrumentos, sistema de supervisão etc. em torno 
de redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura irá 
determinar o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
24
desempenho, modularidade, expansibilidade etc. As soluções irão depender das 
limitações de cada projeto em particular. Uma das arquiteturas mais praticadas 
é a que define duas hierarquias de redes: uma rede de informação e uma rede de 
controle. (CONSTANTINO, 2010) 
•	 Rede de informação:O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado 
pela rede de informação. Em grandes corporações, é natural a escolha de um 
backbone de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise 
Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos), e 
EPS (Enterprise Production Systems). Este backbone pode ser representado pela 
rede ATM ou Gigaethernet ou mesmo por uma Ethernet 100Base-T, utilizando 
como meio de transmissão cabo par trançado nível 5. Esta última rede vem 
assegurando uma conquista de espaço crescente no segmento industrial, 
devido à sua simplicidade e baixo custo. 
•	 Rede de controle: Interliga os sistemas industriais de nível 2 ou sistemas 
SCADA aos sistemas de nível 1 representados por CLPs e remotas de aquisição 
de dados. Também alguns equipamentos de nível 3 como sistemas PIMS e 
MES podem estar ligados a este barramento. Até dois anos atrás o padrão mais 
utilizado era o Ethernet 10Base-T. Hoje o padrão mais recomendado é o Ethernet 
100Base-T. Quase todos os grandes fabricantes de equipamentos de automação 
já possuem este padrão implementado.
FIGURA 5 – ARQUITETURA DE UMA REDE DE DUAS CAMADAS – UNIFILAR
FONTE: CONSTANTINO, 2010.
TÓPICO 2 | ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
25
As estações clientes se comunicam com seus servidores através da rede 
de informação e as estações servidores se comunicam com os CLPs através da 
rede de controle. Do ponto de vista de segurança, é interessante isolar o tráfego 
de controle do tráfego de informação através de equipamentos de rede. Hoje o 
equipamento mais utilizado para este fim é o switch Ethernet e o padrão mais 
utilizado é o 100 Base-T. Além de evitar os problemas de divisão de banda, típico 
da arquitetura barramento, o switch segmenta a rede. O switch assegura a criação 
de uma rede Ethernet livre de colisões, esta nova concepção de rede é denominada 
de rede Ethernet Industrial. (CONSTANTINO, 2010)
2 PIRÂMIDE DE AUTOMAÇÃO
Segundo Seixas Filho e Finkel (2003), a automação industrial exige a 
realização de muitas funções, segundo uma maneira simples e didática de 
visualizar toda essa estrutura descrita anteriormente, pode ser expressa na Figura 
a seguir:
FIGURA 6 – PIRÂMIDE HIERÁRQUICA DETALHADA
FONTE: SEIXAS FILHO; FINKEL, 2003.
Este modelo hierárquico estratifica os sistemas de manufatura em níveis: 
•	 Nível 0 – Instrumentação: Dispositivos de campo, sensores e atuadores;
•	 Nível 1 - Controladores: PLCs, Remotas de sistemas digitais de controle 
distribuídos (SDCDs); 
•	 Nível 2 – Supervisão: Sistemas de supervisão e aquisição de dados (SCADA), 
interface homem maquina (IHM) e otimizadores de processo dentro do conceito 
de APC (Advanced Process Control); 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
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•	 Nível 3 – Gestão da produção: Sistemas MÊS (Manufacturing Execution System), 
PIMS (Process Information Management System), APS (Advanced Planning and 
Scheduling), LIMS (Lab Information System), sistemas de manutenção (Maintenance 
Management System), Sistema de Gestão de Ativos (Asset Management System) 
etc.; 
•	 Nível 4 – Sistemas Integrados de Gestão Empresarial (ERP - Enterprise Resource 
Planning); 
•	 Nível 5 – Data Warehousing corporativos, um sistema de computação utilizado 
para armazenar informações relativas às atividades de uma organização em 
bancos de dados e sistemas EIS (Executive Information Systems), que tem como 
objetivo principal dar suporte à tomada de decisão. 
Para compreender o modelo proposto pela figura anterior basta 
compreender que no nível 3 ou acima é onde são utilizados os softwares gerenciais 
e corporativos, interligados usando Intranet e acesso à Internet, permitindo 
a comunicação entre todos os departamentos da empresa envolvidos no 
gerenciamento industrial. 
Já no nível 2, é necessário interligar as estações de operação às estações 
de cálculo, banco de dados para que seja possível realizar funções de supervisão, 
armazenamento e tratamento das informações do processo. 
O nível 1 tem por função conectar os CLPs e as estações de controle e o 
nível 0 faz a interface entre os controladores e aos dados dos equipamentos e 
componentes do processo. Cada um dos níveis tem requisitos diferentes para a 
instalação da rede e por isso existe uma infinidade de redes que podem atuar em 
cada uma das camadas da pirâmide. 
Por isso é necessário conhecer o tipo de aplicação que o usuário final está 
procurando para assim utilizar uma tecnologia que seja compatível e que possa 
oferecer um melhor desempenho e consequentemente menos falhas no sistema. 
(FORTE, 2004)
3 INTRODUÇÃO A ÁREAS DE INFORMÁTICA INDUSTRIAL
O desenvolvimento de software para automação industrial foi grandemente 
impulsionado pela adoção dos protocolos digitais, tanto sob a forma de software 
embarcado dado a necessidade de drives de comunicação para os dispositivos, 
quanto de ferramentas de software para supervisão, controle, calibração e 
configuração remota de instrumentos de campo. Surgiu também a oportunidade 
de criação de programas para tratamento da grande quantidade de dados que 
passou a ser transmitida do campo para a sala de controle, bem como para geração 
de informações úteis para outros setores da empresa. (GUTIERREZ; PAN, 2010). 
TÓPICO 2 | ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
27
Os sistemas de gerência de informação industrial, que são englobados 
com o termo geral de Enterprise Production Systems (EPS), onde estão incluídos os 
Plant Information Management System (PIMS) e os Manufacturing Execution Systems 
(MES) atuam como um “intermediário” entre o chão de fábrica e os sistemas 
corporativos de gestão da planta, Enterprise Resource Planning (ERP), responsáveis 
pela transformação desses dados em informações de negócio. 
Apesar de serem responsáveis em suma pela coleta e disponibilização de 
dados do chão de fábrica, eles são diferentes, isto é, desempenham diferentes 
papéis nesse contexto, embora, segundo Carvalho (2010), alguns sistemas 
comerciais de PIMS e MES hoje disponíveis no mercado apresentem, de forma 
“errônea”, algumas sobreposições funcionais, o que cria dificuldades adicionais 
posteriores de integração e mesmo de compreensão dos conceitos.
3.1 MES - SISTEMA DE EXECUÇÃO DA MANUFATURA
MES (Manufacturing Execution System) ou Sistema de Execução da 
Manufatura foi criado em 1990 por Bruce Richardson da Advance Manufacturing 
Research (AMR). Controla todo o fluxo produtivo, incluindo estoques de matérias-
primas, produtos em processamento e disponibilidade de máquinas. Através do 
MES, podem ser calculados os indicadores chave de desempenho (Key Performance 
Indicators - KPI), que contribuem para a melhoria do desempenho da planta local. 
(GUTIERREZ; PAN, 2010).
Surgiu da necessidade de se constituir um nível intermediário entre os 
sistemas integrados de gestão empresarial (Enterprise Resource Planning - ERP) 
e o chão de fábrica. Devido à natureza dos dados, os MES são mais voltados à 
indústrias de processos discretos, por batelada. Um sistema MES coleta e acumula 
informações do realizado no chão de fábrica e as realimenta para o sistema de 
planejamento. O MES cumpre dois papéis: um é o de controlar a produção, ou 
seja, considera o que foi efetivamente produzido e como foi produzido e permite 
comparações com o que estava planejado para, em caso de não coincidência, 
permitir o disparo de ações corretivas. O outro papel é de liberar as ordens 
de produção, tendo a preocupação de detalhar a decisão de programação da 
produção definida pelo MRP (manufacturing resources planning), ou seja, garantir 
que o plano definido pelo MRP seja cumprido. Com isso, é possível saber 
exatamente a capacidade do chão de fábrica dentro de um determinado horizonte 
de planejamento. (CORRÊA; GIANESI; CAON, 1997). 
A necessidade de automatizar os processos para responder commais 
agilidade e competitividade às exigências do cliente é uma preocupação para as 
empresas. Neste contexto, a automação focalizada no negócio e nos resultados 
a serem alcançados, consiste no alicerce para se atingir esta competitividade. A 
disponibilidade de informações atualizadas e precisas é fundamental para se ter 
êxito nesta tarefa. (CARVALHO, 2010) 
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
28
Integrar as informações do chão de fábrica com os sistemas de tomada de 
decisão não é uma tarefa fácil e instantânea. Os processos devem ser sistematizados 
antes de serem automatizados. É necessária uma equipe multidisciplinar e 
também muita discussão para se achar a melhor solução custo benefício. A figura 
a seguir mostra os componentes da pirâmide de automação com a introdução dos 
sistemas de gestão empresarial denominado ERP (Enterprise Resource Planning) e 
MES (Manufacturing Execution System). (CARVALHO, 2010)
FIGURA 7 – A PIRÂMIDE DA AUTOMAÇÃO ANTES E DEPOIS DOS SISTEMAS ERP E MES
FONTE: CARVALHO, 2010.
O grande desafio da automação é em primeiro lugar estabelecer um 
amplo diálogo com a equipe de produção e a equipe de tomada de decisões para 
entender bem o processo produtivo e as informações necessárias para depois 
propor o que precisa ser feito em termos de arquitetura do sistema. O conceito 
é transformar uma “montanha” de dados aquisitados em informação útil para 
tomada de decisões. (CARVALHO, 2010) 
O uso do MES é devido a sua capacidade de ajudar na eficiência do processo 
industrial. Utilizando estes indicadores chave de desempenho, a performance on-
line poderá ser monitorada, acessada e melhorada, além de outras áreas como 
a análise das eficiências global de equipamentos e da planta, do inglês Overall 
Equipment Efficiency e Overall Plant Efficiency, respectivamente. 
Segundo Carvalho (2010), a performance pode ser medida em tempo real 
com relatórios resumidos que permitem que ações instantâneas ou planejadas 
sejam tomadas de forma que a qualidade seja mantida ou melhorada, este é o 
principal objetivo de um sistema MES e os principais motivos para a utilização 
de um sistema de execução de manufatura são: 
• redução do tempo de ciclo de produção; 
• aumentar a qualidade do produto; 
• otimização dos recursos empregados na produção; 
• prevenir erros de produção; 
• simplificar o processo de produção; 
• diminuir custos de produção. 
TÓPICO 2 | ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
29
No âmbito de soluções MES, existe uma organização internacional 
chamada MESA (Manufacturing Enterprise Solution Association), que tenta criar 
modelos, guidelines, especificações e métricas para sistemas MES, que contribui 
com a ISA (Modelo ISA-95). (RABELO, 2010)
3.2 PIMS – PLANT INFORMATION MANAGEMENT SYSTEM 
Software utilizado para armazenamento de todas as informações relevantes 
de processo. Coleta informações dos sistemas de supervisão, sistemas de controle e 
sistemas legados (já existentes) e os armazena em uma base de dados, que se distingue 
dos bancos de dados convencionais por ter grande capacidade de compactação e alta 
velocidade de resposta a consulta local. (GUTIERREZ; PAM, 2010) 
Segundo Seixas Filho (2010), PIMS são sistemas que adquirem dados de 
processo de diversas fontes, os armazenam num banco de dados históricos e os 
disponibilizam através de diversas formas de representação. O PIMS nasceu 
na indústria de processos contínuos, mais propriamente na indústria química e 
petroquímica para resolver o problema da fragmentação de dados e proporcionar 
uma visão unificada do processo. A implantação de um PIMS facilita a implantação 
de outros módulos de software como reconciliador de dados, sistema especialista, 
MES, Supply Chain Manager e facilita a integração de sistemas ERP com o chão 
de fábrica (figura a seguir). A principal função de um PIMS é concentrar a massa 
de dados e permitir transformar dados em informação e esta informação em 
conhecimento. Para um engenheiro de processo é a ferramenta fundamental 
que permite tirar conclusões sobre o comportamento atual e passado da planta, 
que permite confrontar o comportamento recente com o de dias atrás ou com o 
melhor já observado no sistema.
FIGURA 8 – INTEGRAÇÃO PIS E MES 
Enterprise Resource
Planning
Manufacturing Execution
System
Plant Information
Management System
SCADA +
CLP
FONTE: SEIXAS FILHO, 2010.
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
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Segundo Carvalho (2010), os benefícios gerados pela implantação de um 
sistema PIMS são muitos, entre eles destacam-se: 
•	 centralização dos dados de processo, já que os sistemas PIMS centralizam toda 
a informação em uma única base de dados; 
•	 democratização da informação, já que o sistema permite que todos os usuários 
tenham acesso aos dados da planta instantaneamente; 
•	 visualização do processo produtivo em tempo real, seja através de gráficos de 
tendências, relatórios, telas sinóticas, aplicações Web etc.; 
•	 maior interatividade com os dados do processo, permitindo realizar cálculos, 
estudos estatísticos e lógica de eventos utilizando os dados do processo; 
•	 histórico de dados, capaz de armazenar até 15 anos de dados de processo 
graças à eficiência de seu algoritmo de compressão; 
•	 receita de processo, que permite identificar e armazenar os dados 
correspondentes ao melhore resultado obtido na produção, para que estes 
sirvam como referência para as interações futuras. 
Na sua forma clássica, os sistemas PIMS acessam as fontes de dados 
localizadas no nível 1, onde estão os sistemas de supervisão e aquisição de dados 
(SCADA) e sistema digital de controle distribuído (SDCD). Porém, há algumas 
implementações que também acessam dados diretamente do Nível 1, por 
exemplo, dos CLPs. (RABELO, 2010)
TÓPICO 2 | ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
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LEITURA COMPLEMENTAR
ANÁLISE DE CONVERGÊNCIA PARA ARQUITETURAS PARA 
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: ABORDAGEM DE INTEGRAÇÃO TA E TI
Devido à inerente expansão das plantas industriais, as redes fieldbus 
constituíram-se em níveis hierárquicos, dentro do contexto corporativo, onde 
a supervisão dos processos industriais e gestão administrativa ocorrem quase 
de forma totalmente independente, conforme figura a seguir, definindo uma 
Pirâmide de Automação. 
PIRÂMIDE – REDES E PROCESSOS DE AUTOMAÇÃO 
Nível 02
Nível 01
Nível 03
Nível 04
Nível 05
FONTE: MORAES; CASTRUCCI, 2007.
Os níveis administrativos, responsáveis pelo planejamento estratégico, 
utilizam basicamente padrões de comunicação baseados em Ethernet e protocolos 
TCP/IP, a tabela a seguir descreve os níveis hierárquicos do processo produtivo, 
e principais dispositivos utilizados por respectivo nível.
UNIDADE 1 | ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO
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TABELA – NÍVEIS DE ATUAÇÃO X DISPOSITIVOS – PIRÂMIDE DE AUTOMAÇÃO
Níveis de 
Pirâmide
Atuação do Nível da 
Pirâmide Dispositivos Protocolos
Nível 05 Gerenciamento corporativo MainFrame
Nível 04
Gerenciamento da planta 
industrial
Workstation
Nível 03 Supervisão industrial Workstation, PC, IHM
Nível 02 Controle industrial CLP, PC, CNC, SDCD
Nível 01
Dispositivos, sensores e 
atuadores de campo
Sensores, atuadores 
analógicos e digitais
Ethernet/MAC/TCP/IP
Ethernet/MAC/TCP/IP
ControlNet/Profibus FMS/Fieldbus
FieldbusH1/CAN/Hart/ProfibusDP
PA
Asi/LonWorks Interbus
FONTE: MORAES; CASTRUCCI, 2007.
FONTE: Disponível em: <http://www.labsoft.com.br/arquivos/artigos/CT-053_09.pdf>. Acesso 
em: 22 out. 2010.
33
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, tratamos especificamente os sistemas flexíveis de 
manufatura, a seguir resumimos o que vimos para facilitar a fixação da unidade:
• A arquitetura do sistema pode ser desenhada a partir de redes de informação 
e redes de controle.
• Existem níveis de automação em uma planta industrial que são: instrumentação,