Fundamentos de sistemas de controle

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AULA 2 
FUNDAMENTOS DE SISTEMAS 
DE CONTROLE 
Prof. Alexandre Arioli 
 
 
02 
CONVERSA INICIAL 
Caro aluno, seja bem-vindo à sua segunda aula de Fundamentos de 
Sistemas de Controle. Nesta segunda aula, abordaremos os sinais 
digitais/analógicos e os sensores. Você conhecerá as entradas e as saídas digitais 
e analógicas. Nós analisaremos os sensores discretos e analógicos e suas 
aplicações nos processos industriais. Neste contexto, a ideia é que, ao final da 
aula, você tenha uma boa noção dos tipos de sinal e dos sensores que podem ser 
utilizados para a automação de um processo. 
CONTEXTUALIZANDO 
Os controladores lógicos programáveis podem processar sinais analógicos 
e digitais, sendo estes tratados e interpretados pela UCP. Para o controle de um 
processo, os CLPs reagem a uma informação de entrada que é processada, 
analisada e resulta em uma atuação nas saídas. As entradas podem ser obtidas 
de forma discreta ou analógica. A utilização de sensores é essencial para o 
controle de processo industrial, energético, têxtil, alimentícios, petroquímico, entre 
outros. Por meio das informações provenientes dos sensores podemos controlar 
níveis, pressões, motores, esteiras, prensas e outros diversos equipamentos, 
componentes e processos. Os sensores também são utilizados na área de 
proteção de máquinas (NR12), para a qual existe uma legislação específica. 
Vamos, nesta segunda aula, entender um pouco sobre as interfaces digitais e 
analógicas dos CLPs, sensores e suas aplicações para controle de processos. 
TEMA 1 – ANALÓGICO E DIGITAL 
1.1 Sinal Digital 
Os elementos básicos da lógica de automação são os estados digitais. Um 
interruptor e um sinal só podem estar ligados ou desligados (on ou off). Estes 
estados são representados por um sinal, sendo 0 para desligado e 1 para ligado. 
Existem muitos elementos em um esquema de automação representáveis por 1 
ou 0: o estado de um interruptor ou de um sensor, o estado de um motor, de uma 
válvula, ou mesmo o estado de uma máquina (Lamb, 2015). 
 
 
 
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Figura 1 – Sinal digital 
 
Fonte: O autor. 
1.2 Sinal analógico 
Muitas vezes, não é possível descrever os estados de diversos dispositivos 
de forma tão simples. Um motor pode estar ligado ou desligado, mas ele também 
apresenta outros parâmetros, como a velocidade – que só pode ser descrita 
numericamente. Para essa finalidade, uma representação analógica desse valor 
é usada. Dependendo do tipo dos números usados, um valor analógico pode ser 
representado por um número inteiro ou um número real com vírgula decimal. 
Os sinais das entradas analógicas assumem a forma de variações de 
tensão ou corrente. Um dispositivo analógico pode medir posição, velocidade, 
vazão ou outra característica física. Esses sinais são conectados a um circuito, o 
qual os converte em números digitais. 
Os sinais elétricos são convertidos em digitais a partir de entradas 
analógicas por meio de um circuito conversor analógico-digital (ADC - Analog to 
Digital Converter). Os sinais são convertidos de digitais em analógicos, utilizando 
um conversor digital-analógico (DAC - Digital to Analog Converter). 
Figura 2 – Conversão A/D 
 
Fonte: O autor. 
 
 
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1.2.1 Escala de conversão analógica 
Os valores analógicos devem ser convertidos em unidades de medidas 
para serem exibidos. A fórmula para tal é derivada da fórmula de uma reta, 
Y=mx+b, em que m é um escalar criado da divisão da unidade de engenharia pela 
faixa de corrente e tensão, x é o valor analógico obtido do sinal de entrada, e b é 
o deslocamento. Y é o valor das unidades de engenharia a ser exibido (Lamb, 
2015). 
Como exemplo, suponhamos que temos uma entrada de 4 a 20mA 
representando determinado peso, em quilos. Em 4mA, temos que o valor lido é 
de 0 quilos, enquanto o valor de 20mA representa o valor de leitura de 100 quilos. 
Suponha que um cartão de 16 bits dê a leitura de 0 para 4 mA e de 65.536 para 
20mA. Então, a faixa de peso é 100 e a faixa de corrente, 65.536. O escalar é, 
portanto, 100/65.536 = 0,0015259, o número de quilos por contagem digital. Neste 
exemplo, supõem-se um valor de 27.000 no cartão. Multiplicando pelo escalar, 
chegamos ao valor de 41,199 quilos (Lamb, 2015). 
 Escalar da range de engenharia  100 (máximo) – 0 (mínimo) = 100. 
 Escalar do range da entrada analógica do CLP  65.535 (máximo) – 0 
(mínimo) = 65.535. 
 M = Escalar da range de engenharia / Escalar do range da entrada 
analógica do CLP. 
 B = 0, pois o valor inicial da escala é 0. 
 X = 27.000. 
 Y = 0,0015259*27.000+0. 
 Y = 41,199 kg. 
A seguir, será apresentado um exemplo de conversão de escala em um 
CLP Rx3i da GE. Esta conversão foi desenvolvida para sinais inteiros e com casas 
após a vírgula (ponto flutuante). 
 Variáveis da Fórmula 
 MaxUE  máximo da escala de engenharia; 
 MinUE  mínimo da escala de engenharia; 
 MaxIO  máximo da entrada analógica; 
 MinIO  mínimo da entrada analógica; 
 Atual  valor da entrada analógica. 
 
 
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 Fórmula – Valor = (Escalar * Valor da entrada analógica) + 
Deslocamento 
 Escalar  ((MaxUE – MinUE) / (MaxIO – MinIO)); 
 Valor da entrada analógica  Atual (0 a 4095); 
 Deslocamento  valor inicial da unidade de engenharia (MinUE). 
Figura 3 – Exemplo de conversão de Escala no CLP Rx3i da GE 
 
Fonte: O autor. 
TEMA 2 – ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS 
Para que um CLP, por meio de um programa, controle adequadamente 
determinado processo, é necessário que ele possua dispositivos de entrada e 
saída digitais compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias de 
controle desejadas. 
 
 
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2.1 Entradas digitais 
Apesar de as variáveis físicas, tais como temperatura, pressão, força, 
massa etc., terem comportamento analógico, a maioria dos processos é 
controlada por meio de informações digitais, provindas de sensores, botoeiras, 
chaves fim de curso, termostatos, pressostatos etc., tornando as entradas digitais 
as mais presentes e as mais utilizadas em CLPs (Zancan, 2011). 
As entradas digitais de um CLP estão aptas a identificar a presença ou não 
de um sinal elétrico provindo de determinado dispositivo, dentro de uma 
determinada faixa de valores, reconhecendo a presença do sinal, mas não sua 
amplitude. Os valores de tensão mais utilizados em entradas digitais são 24 Vcc 
e 110 a 220 Vca (Zancan, 2011). 
Para que a CPU possa interpretar corretamente as informações elétricas 
que chegam às entradas digitais, o CLP dispõe de módulos de entrada, 
responsáveis pela adequação elétrica dos sinais (Zancan, 2011). 
2.1.1 Dispositivos para entradas digitais 
Os dispositivos para entradas digitais devem fornecer às entradas digitais 
do CLP informações elétricas binárias correspondentes a dois níveis diferentes de 
tensão, respeitando as especificações de valores do CLP. Como exemplo, 
podemos ter 0 Vcc para baixo nível (desativada) e 24 Vcc para alto nível (ativada) 
(Zancan, 2011). 
Como exemplo de dispositivos para entradas digitais, temos os 
interruptores, as botoeiras, chaves fim de curso, os termostatos, pressostatos, 
sensores digitais capacitivos, indutivos e fotoelétricos etc., conforme mostra a 
figura a seguir (Zancan, 2011). 
 
 
 
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Figura 4 – Dispositivos para entradas digitais: (1) interruptor; (2) botoeira; (3) 
chave fim de curso; (4) termostato; (5) pressostato; (6) sensor indutivo 
 
Fonte: Zancan (2011). 
2.2 Saídas digitais 
As saídas digitais são as mais utilizadas em CLPs devido à sua 
simplicidade, uma vez que estas podem assumir somente duas situações: 
acionada ou desacionada. Quando uma saída digital está acionada, se comporta 
como uma chave fechada, energizando o dispositivo atuador. Quando 
desacionada, se comporta como uma chave aberta, desenergizando o dispositivo 
atuador. A comutação das saídas pode ser à transistor ou à relé, aplicando no 
dispositivo atuador a tensão fornecidaà saída, geralmente 24 Vcc, 127 Vca ou 
220 Vca (Zancan, 2011). 
2.2.1 Dispositivos para saídas digitais 
Como as saídas digitais comportam-se como chaves abertas ou fechadas, 
podemos utilizá-las para comutar um circuito elétrico com tensão compatível com 
os terminais do CLP e com os equipamentos elétricos conectados à saída, 
acionando-os ou os desacionando. Entretanto, o CLP é um equipamento lógico, 
projetado para acionar pequenas cargas elétricas, geralmente dispositivos 
eletromecânicos ou eletrônicos de acionamentos, tais como contatores, lâmpadas 
 
 
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de sinalização, soft-starters, válvulas eletro-hidráulicas ou eletropneumáticas etc., 
capazes de acionar cargas elétricas de maior potência, como mostra a figura a 
seguir. 
Figura 5 – Dispositivos para saídas digitais: (1) contator; (2) soft-starter; (3) 
lâmpadas de sinalização; (4) válvula eletro-hidráulica 
 
Fonte: Zancan (2011). 
TEMA 3 – ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS 
Para que um CLP, por meio de um programa, controle adequadamente 
determinado processo, é necessário que ele apresente dispositivos de entrada e 
saída analógicas compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias 
de controle desejadas. 
3.1 Entradas analógicas 
As entradas analógicas de um CLP são geralmente empregadas em 
processos que exigem um controle mais preciso, identificando e atualizando, a 
cada varredura, o valor instantâneo da variável de entrada. As principais variáveis 
físicas medidas por entradas analógicas são de temperatura e pressão. Para isso, 
são utilizados alguns dispositivos, tais como os sensores de pressão e 
 
 
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termopares, que convertem as variáveis físicas em sinais elétricos proporcionais, 
cujas amplitudes são reconhecidas pelas entradas analógicas do CLP. Esses 
sinais elétricos podem ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais 
utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA (Zancan, 2011). 
3.1.1 Dispositivos para entradas analógicas 
Os dispositivos para entradas analógicas devem ser compatíveis com as 
entradas analógicas do CLP, em relação ao tipo de sinal (corrente ou tensão) e à 
faixa de valores deste sinal, fornecendo ao CLP sinais elétricos variáveis, 
proporcionais à variação da grandeza física que está sendo medida (Zancan, 
2011). Como exemplo de dispositivos para entradas analógicas, temos os 
potenciômetros, os sensores de pressão, sensores de vazão, sensores de 
distância, termopares etc., conforme mostra a figura a seguir (Zancan, 2011). 
Figura 6 – Dispositivos para entradas analógicas: (1) potenciômetro; (2) sensor de 
pressão; (3) termopar; (4) sensor de vazão; (5) sensor de distância 
 
Fonte: Zancan (2011). 
 
 
 
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3.2 Saídas analógicas 
As saídas analógicas de um CLP são geralmente utilizadas em processos 
que exigem um controle mais preciso, ajustando o funcionamento dos atuadores 
às necessidades do processo. Os sinais elétricos das saídas analógicas podem 
ser de tensão ou corrente, cujas faixas de valores mais utilizadas são, 
respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA. Dessa forma, os atuadores 
receberão das saídas analógicas sinais elétricos variáveis, não apenas 
energizando os equipamentos, mas, principalmente, definindo a intensidade de 
sua atuação no processo (Zancan, 2011). 
3.2.1 Dispositivos para saídas analógicas 
Os dispositivos para saídas analógicas recebem do CLP sinais elétricos 
variáveis, de tensão ou corrente, controlando a atuação de um equipamento 
elétrico. Temos como exemplos: controle de temperatura, controle de nível, 
controle de rotação de motores elétricos etc. Para isso, são necessários circuitos 
ou equipamentos eletrônicos auxiliares que recebem a informação analógica do 
CLP, atuando diretamente no funcionamento dos equipamentos elétricos, como 
um conversor de frequência, equipamento eletrônico destinado ao controle de 
rotação de motores de indução. A figura a seguir mostra um conversor de 
frequência (Zancan, 2011). 
Figura 7 – Inversor de frequência 
 
Fonte: O autor. 
 
 
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TEMA 4 – SENSORES DISCRETOS 
Sinal quantificado que indica a existência ou não de um evento. Pode 
assumir os valores 0 (zero) ou 1 (um), bem como uma combinação destes. Os 
sensores discretos são utilizados para monitorar a ocorrência ou não de 
determinado evento. Apresentam, em sua saída, dois estados distintos, como 
ligado (on) ou desligado (off), ou a presença ou ausência de determinada 
grandeza elétrica (Fluentes, 2005). 
Figura 8 – Fim de curso 
 
Fonte: O autor. 
Podem ser dispositivos eletromecânicos simples e de baixo custo, como 
microswitchs e interruptores fim de curso. Há também os eletrônicos, como os 
sensores de proximidade indutivos e capacitivos (Fluentes, 2005). 
Conheça as características dos Sensores Discretos eletromecânicos e 
eletrônicos, segundo Fluentes (2005): 
 Eletromecânicos 
 Necessidade de contato físico com o alvo; 
 Baixa velocidade de resposta; 
 Baixa frequência de comutação; 
 Vida útil limitada dos contatos; 
 Baixo custo. 
 Eletrônicos 
 Não necessita de contato físico com o alvo; 
 Alta velocidade de repostas; 
 Não apresenta limitações de ciclos de operação; 
 Custo elevado. 
 
 
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Os sensores de proximidade discretos detectam a presença de um objeto 
em determinada posição do espaço. Muitos sistemas de produção utilizam chaves 
eletromecânicas para a determinação da posição dos movimentos executados. 
Entretanto, estes componentes necessitam de contato físico e apresentam 
limitações quanto à velocidade de atuação. A atual tecnologia eletrônica permitiu 
o desenvolvimento de diversos modelos de sensores de proximidade com 
características específicas para as mais variadas aplicações (Fluentes, 2005). 
Tipos de sensores discretos: 
 Magnéticos; 
 Indutivos; 
 Capacitivos; 
 Ópticos. 
A seguir, apresentaremos alguns exemplos de aplicações em que os 
sensores discretos podem ser utilizados. 
Figura 9 – Detecção de posição 
 
Fonte: Fluentes (2005). 
Figura 10 – Contagem de peças 
 
Fonte: Fluentes (2005). 
Figura 11 – Detecção de nível 
 
Fonte: Fluentes (2005). 
 
 
 
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4.1 Sensores indutivos 
Os sensores de proximidade indutivos são dispositivos eletrônicos capazes 
de detectar a aproximação de peças metálicas, em substituição às tradicionais 
chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja contato físico, aumentando 
a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos 
(Fluentes, 2005). 
4.2 Sensores capacitivos 
O sensor capacitivo tem como principal vantagem poder detectar objetos 
metálicos e não metálicos, ao contrário do indutivo, que só detecta objetos 
metálicos. Outra vantagem é que essa detecção pode ser realizada com objetos 
que estejam dentro de recipientes não metálicos. Esses sensores são usados 
geralmente na indústria de alimentos e para verificar os níveis de fluidos e sólidos 
dentro de tanques. Os sensores capacitivos não são tão precisos quanto os 
indutivos, além de serem mais sensíveis à variação do ambiente. 
4.3 Sensores fotoelétricos 
Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, 
manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que, na maioria 
das aplicações, é o próprio produto (Fluentes, 2005). 
4.3.1 Sistema de barreira 
O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser 
dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente 
receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorre quando o objeto a 
ser detectado interrompe o feixe de luz. 
 
 
 
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Figura 12 – Barreia de luz instalada em uma prensa 
 
Fonte: O autor. 
4.3.2 Sistema por difusão (fotosensor) 
Neste sistema, o transmissor e o receptor são montados na mesma 
unidade. O acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra 
na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixede luz emitido pelo 
transmissor (Fluentes, 2005). 
4.3.3 Sistema retro-refletivo 
Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. 
O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho 
prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado 
interromper este feixe (Fluentes, 2005). 
 
 
 
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Figura 13 – Sensor retro-refletivo 
 
Fonte: Fluentes (2005). 
4.3.4 Informações sobre os sensores ópticos 
 A seguir serão apresentados alguns conceitos para a utilização de 
sensores ópticos. 
 Background: Alguns sensores ópticos podem apresentar supressores de 
background, ou seja, serão insensíveis ao fundo brilhante. Portanto, se 
houver um fundo brilhante, isso pode confundir a detecção do objeto, 
mesmo que este fundo esteja fora da distância sensora máxima. 
 Zona Morta: Existe uma área próxima ao sensor onde não é possível a 
detecção do objeto, pois, nesta região, a reflexão da luz não consegue 
chegar ao receptor. A zona morta normalmente é de 10 a 20% da distância 
sensora. 
 Interferências do meio: Os sensores ópticos não são 100% imunes à 
iluminação do ambiente. Algumas recomendações são: não colocar 
lâmpada fluorescente muito próximo do sensor, nem deixar luz solar incidir 
diretamente sobre as lentes. 
 Fator de redução: Alguns catálogos de sensores apresentam tabelas de 
fatores de correção em função do material e da cor do objeto a ser 
detectado. 
 Ajuste de Sensibilidade: Todos os modelos fotossensores apresentam 
um potenciômetro para ajuste de sensibilidade, o qual tem como função 
ajustar a distância sensora de modo que o sensor discrimine somente o 
objeto a ser detectado. 
TEMA 5 – SENSORES ANALÓGICOS 
Os sensores analógicos produzem uma saída proporcional a uma 
propriedade de medida. Frequentemente, há compensações e erros lineares 
 
 
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associados aos sensores analógicos que ser precisam ser levados em conta ao 
se utilizar de medidas resultantes, e uma calibração em relação a um padrão 
conhecido costuma ser requerida (Lamb, 2015). 
5.1 Ultrassônicos 
 Os sensores ultrassônicos transmitem pulsos de som em uma alta 
frequência e avaliam o eco recebido de volta ao sensor. Os sensores calculam o 
intervalo de tempo entre o sinal e o eco recebido para determinar a distância na 
qual se encontra um objeto (Lamb, 2015). 
 Os sensores ultrassônicos são usados para medir distâncias, sendo 
comuns em aplicações que medem líquidos e níveis de tanque. Essa tecnologia 
é limitada pelas formas das superfícies e pela densidade ou consistência de um 
material. Por exemplo, a espuma na superfície de um fluído em um tanque pode 
distorcer uma leitura (Lamb, 2015). 
Figura 14 – Sensor ultrassônico 
 
Fonte: O autor. 
5.2 Sensor de temperatura 
O dispositivo mais comum para medir a temperatura é o termopar. Os 
termopares são empregados na ciência e na indústria. Algumas aplicações 
incluem medidas de temperatura de fornos e na moldagem de plásticos por 
injeção, medidas de temperatura exaustivas de turbinas a gás e vários outros 
processos industriais (Lamb, 2015). 
 
 
 
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Figura 15 – Sensor PT100 
 
Fonte: O autor. 
5.3 Sensor de pressão 
Os sensores de pressão são utilizados em aplicações que incluem medidas 
de pressão de tanques, rede de distribuição de água, circuitos hidráulicos e vários 
outros processos industriais. 
Figura 16 – Sensor de pressão 
 
Fonte: O autor. 
5.4 Sensor radar 
Com os sensores radares, é possível medir os níveis, a velocidade e o 
volume, por exemplo, de um tanque. Os sensores radares funcionam em 
ambientes com muita poeira, podendo ser utilizados na medição de tanques, silos 
entre outras aplicações. Esse sensor possui a capacidade de isolar partículas 
soltas, assim como as características do ambiente de medição (tanques, silos 
entre outros), focando no nível real de material dentro dele. 
Figura 17 – Sensor radar 
 
Fonte: O autor. 
 
 
 
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FINALIZANDO 
 Nesta segunda aula, apresentamos um pouco sobre os tipos de sinais 
existentes, que são interpretados pelos controladores lógicos programáveis, os 
tipos de interface (entradas e saídas) que os CLPs utilizam para 
aquisitar/comandar sinais de campo, e os tipos de sensores discretos e analógicos 
existentes para detecção de elementos e medições de variáveis de um processo, 
tais como: temperatura, níveis, pressão, entre outras. As análises dos dispositivos 
corretos para interface com os elementos de um processo nos impõem desafios 
que devem ser avaliados para que o resultado final do controle atinja necessidade 
e qualidade exigidas pelo cliente final. 
 
 
 
 
019 
REFERÊNCIAS 
CAPELLI, A. Automação Industrial: controle do movimento e processos 
contínuos. São Paulo, Erica, 2015. 
FLUENTES, R. C. Apostila de Automação Industrial. Santa Maria: Universidade 
Federal de Santa Maria; Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 2005. 
Disponível em: <http://w3.ufsm.br/fuentes/index_arquivos/CA03.pdf>. Acesso em: 
2 nov. 2017. 
LAMB, F. Automação Industrial: na prática. Porto Alegre, RS: McGraw-Hill, 2015. 
ZANCAN, M. D. Controladores programáveis. 3 ed. Santa Maria, RS: 
Universidade Federal de Santa Maria; Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 
2011.