AULA 2 FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROLE

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AULA 2 
FUNDAMENTOS DE 
SISTEMAS DE 
CONTROLE 
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 fornecida à saída, geralmente 24 Vcc, 
127 Vca ou 220 Vca (Zancan, 2011). 
2.2.1 Dispositivos para saídas digitais 
Como as saídas digitais comportam-secomo 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 feixe de 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 
ocorreráquando 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. 
017 
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. 
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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. 
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