Princípios de Automação

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Automação 
 
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Automação 
 
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ÍNDICE - AUTOMAÇÃO – versão 1.1 – 2007/2 
ÍNDICE .........................................................................................................................................................2 
1 A AUTOMAÇÃO EM NOSSAS VIDAS..........................................................................................6 
1.1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................................7 
1.2 A AUTOMAÇÃO NO MEIO PRODUTIVO ...............................................................................................7 
1.3 AUTOMAÇÃO E SUAS CARACTERÍSTICAS ..........................................................................................8 
1.3.1 Um aquário e a temperatura de sua água..............................................................................8 
1.3.2 Uma tanque de combustível e seu nível .................................................................................9 
1.4 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL .......................................................................11 
1.4.1 Automação (Automatização)................................................................................................11 
1.4.2 Mecanização X Automação..................................................................................................11 
1.4.3 Máquina Automática............................................................................................................11 
1.4.4 Processo ...............................................................................................................................12 
1.4.5 Variável de Processo ...........................................................................................................12 
1.4.6 Considerações Finais...........................................................................................................12 
2 CONCEITOS BÁSICOS .................................................................................................................13 
2.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................14 
2.2 POR QUE CONTROLE AUTOMÁTICO? ..............................................................................................14 
2.3 CONCEITOS.....................................................................................................................................15 
2.3.1 Controle realimentado (feedback) .......................................................................................15 
2.3.2 Controle Feedforward..........................................................................................................16 
2.3.3 Representação Matemática..................................................................................................16 
2.3.4 Dinâmica dos processos.......................................................................................................17 
2.4 TIPOS DE PROCESSOS......................................................................................................................17 
2.5 ESTRUTURA DE SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSO ..................................................................20 
2.5.1 Sensores ...............................................................................................................................20 
2.5.2 Interface Homem-Máquina ..................................................................................................21 
2.5.3 Condicionamento de sinal....................................................................................................21 
2.5.4 Atuadores .............................................................................................................................21 
2.5.5 Controlador..........................................................................................................................21 
2.6 CONTROLADORES...........................................................................................................................21 
2.7 CIM – COMPUTER-INTEGRATED MANUFACTURING .......................................................................22 
2.8 COMUNICAÇÃO DE DADOS..............................................................................................................24 
2.9 CNC – COMPUTER NUMERICAL CONTROL.....................................................................................24 
2.10 ROBÔS .......................................................................................................................................26 
3 INTRODUÇÃO AOS CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS............................27 
3.1 DEFINIÇÃO .....................................................................................................................................28 
3.2 HISTÓRICO .....................................................................................................................................28 
3.2.1 O primeiro controlador programável ..................................................................................29 
3.2.2 O projeto conceitual do CLP ...............................................................................................29 
3.2.3 Os controladores de hoje .....................................................................................................29 
3.3 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO ...............................................................................................................30 
3.4 CLPS VERSUS OUTROS TIPOS DE CONTROLES .................................................................................31 
3.4.1 CLPs versus controle a relé .................................................................................................31 
3.4.2 CLPs versus Computadores Pessoais ..................................................................................32 
3.5 FAIXA DE APLICAÇÃO DOS CLPS....................................................................................................33 
3.6 DIAGRAMA DE RELÉS .....................................................................................................................34 
3.7 VANTAGENS DOS CLPS ..................................................................................................................34 
4 CONCEITOS LÓGICOS E SISTEMAS NUMÉRICOS..............................................................36 
4.1 CONCEITO BINÁRIO ........................................................................................................................37 
4.2 FUNÇÕES LÓGICAS .........................................................................................................................37 
4.2.1 Função AND ........................................................................................................................37 
4.2.2 Função OR...........................................................................................................................38 
4.2.3 Função NOT.........................................................................................................................38 
4.3 ÁLGEBRA DE BOOLE ......................................................................................................................39 
4.4 SISTEMAS NUMÉRICOS....................................................................................................................40 
Automação 
 
 3 
 
4.4.1 Sistema binário ....................................................................................................................40 
4.4.2 Sistema hexadecimal ............................................................................................................40 
4.5 CÓDIGOS ........................................................................................................................................414.5.1 ASCII....................................................................................................................................41 
4.5.2 BCD .....................................................................................................................................41 
4.5.3 GRAY....................................................................................................................................42 
5 PROCESSADORES, FONTES E DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO ..............................44 
5.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................45 
5.2 COMPONENTES DE UM CLP............................................................................................................46 
5.3 PROCESSADORES ............................................................................................................................47 
5.4 VARREDURA DO PROCESSADOR......................................................................................................47 
5.5 DIAGNÓSTICO E VERIFICAÇÃO DE ERRO ........................................................................................49 
5.5.1 Verificação de erro ..............................................................................................................49 
5.5.2 Diagnóstico da UCP ............................................................................................................50 
5.6 SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO ...........................................................................................................50 
5.6.1 Tensão de Entrada ...............................................................................................................50 
5.7 DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO ..................................................................................................51 
5.7.1 Miniprogramadores .............................................................................................................51 
5.7.2 Computadores pessoais........................................................................................................51 
5.8 O PROGRAMA APLICATIVO ............................................................................................................52 
6 MEMÓRIA E INTERAÇÃO COM I/O.........................................................................................55 
6.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................56 
6.2 TIPOS DE MEMÓRIAS ......................................................................................................................56 
6.2.1 ROM.....................................................................................................................................56 
6.2.2 RAM .....................................................................................................................................57 
6.2.3 PROM ..................................................................................................................................57 
6.2.4 EPROM................................................................................................................................57 
6.2.5 EEPROM..............................................................................................................................57 
6.3 ESTRUTURA DE MEMÓRIA E CAPACIDADE .....................................................................................57 
6.4 ORGANIZAÇÃO DE MEMÓRIA E I/OS...............................................................................................57 
6.4.1 Memória de Aplicação .........................................................................................................58 
6.5 INTERAÇÃO ENTRE MEMÓRIA E I/OS ..............................................................................................60 
7 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO.........................................................................................63 
7.1 INTRODUÇÃO ÀS LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO .........................................................................64 
7.2 TIPOS DE LINGUAGENS ...................................................................................................................64 
7.2.1 Linguagem Ladder ...............................................................................................................64 
7.2.2 Linguagem Booleana ...........................................................................................................65 
7.2.3 Linguagem Grafcet ..............................................................................................................66 
7.3 INTRODUÇÃO AO IEC 1131 ............................................................................................................66 
7.3.1 Linguagens e Instruções.......................................................................................................67 
7.3.2 Declarando variáveis ...........................................................................................................68 
7.4 IEC 1131-3 – LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO .............................................................................68 
7.4.1 Diagramas Ladder (LD) ......................................................................................................68 
7.4.2 Diagrama de bloco de função (FBD)...................................................................................69 
7.4.3 Lista de instruções (IL) ........................................................................................................69 
7.4.4 Texto Estruturado (ST).........................................................................................................70 
8 DISPOSITIVOS DE ATUAÇÃO, SENSORES E TRANSDUTORES........................................71 
8.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................72 
8.2 CHAVES..........................................................................................................................................73 
8.2.1 Relés.....................................................................................................................................73 
8.2.2 Contatores............................................................................................................................74 
8.2.3 Starters .................................................................................................................................74 
8.2.4 Chaves Manuais...................................................................................................................75 
8.2.5 Chaves Mecânicas................................................................................................................76 
8.2.6 Chaves magnéticas...............................................................................................................78 
8.3 TRANSDUTORES E SENSORES..........................................................................................................78 
Automação 
 
 4 
 
8.3.1 Sensores de proximidade......................................................................................................79 
8.3.2 Sensor de Pressão ou Deformação ......................................................................................82 
8.3.3 Sensor de Luminosidade ......................................................................................................85 
8.3.4 Sensores de posição .............................................................................................................85 
8.3.5 Sensores Ópticos ..................................................................................................................88 
8.3.6Sensores de Temperatura.....................................................................................................91 
8.3.7 Sensores de Nível .................................................................................................................94 
8.3.8 Sensores de Vazão................................................................................................................95 
8.4 ATUADORES ...................................................................................................................................97 
8.4.1 Atuadores Elétricos Lineares ...............................................................................................97 
8.4.2 Motores ................................................................................................................................98 
8.4.3 Sistemas Hidráulicos e Eletrohidráulicos..........................................................................103 
8.4.4 Atuadores Pneumáticos......................................................................................................105 
9 SISTEMAS DE I/OS DISCRETOS ..............................................................................................107 
9.1 INTRODUÇÃO................................................................................................................................108 
9.2 RACK DE I/OS...............................................................................................................................108 
9.3 SISTEMAS REMOTOS.....................................................................................................................111 
9.4 TIPOS DE ENTRADAS DISCRETAS ..................................................................................................112 
9.4.1 Entradas CA/CC ................................................................................................................112 
9.4.2 Entradas CC.......................................................................................................................113 
9.4.3 Entradas AC/DC isoladas ..................................................................................................114 
9.4.4 Entradas TTL .....................................................................................................................115 
9.5 TIPOS DE SAÍDAS DISCRETAS .......................................................................................................115 
9.5.1 Saídas DC/AC ....................................................................................................................115 
9.5.2 Saídas DC e AC isoladas ...................................................................................................117 
9.5.3 Saídas PNP e NPN.............................................................................................................117 
9.5.4 Saídas TTL .........................................................................................................................117 
9.5.5 Saída a Relé .......................................................................................................................118 
10 SISTEMAS DE I/OS ANALÓGICOS ..........................................................................................119 
10.1 INTRODUÇÃO À ENTRADAS ANALÓGICAS.................................................................................120 
10.2 INSTRUÇÕES PARA ENTRADAS ANALÓGICAS ............................................................................120 
10.3 REPRESENTAÇÃO DE DADOS DE ENTRADAS ANALÓGICAS ........................................................121 
10.4 INTRODUÇÃO A SAÍDAS ANALÓGICAS ......................................................................................123 
10.5 INSTRUÇÕES PARA SAÍDAS ANALÓGICAS .................................................................................123 
10.6 REPRESENTAÇÃO DE DADOS DE SAÍDAS ANALÓGICAS .............................................................124 
11 FUNÇÕES ESPECIAIS DE I/O E INTERFACES DE COMUNICAÇÃO SERIAL...............125 
11.1 INTRODUÇÃO A MÓDULOS DE I/OS ESPECIAIS ..........................................................................126 
11.2 MÓDULOS ANALÓGICOS ESPECIAIS, DE TEMPERATURA E INTERFACES PID .............................127 
11.2.1 Módulos de entrada para células de carga........................................................................127 
11.2.2 Módulos de entrada de termopares ...................................................................................128 
11.2.3 Módulos de entrada de RTD..............................................................................................128 
11.2.4 Módulos PID......................................................................................................................129 
11.3 INTERFACES DE POSICIONAMENTO ..........................................................................................130 
11.3.1 Módulos de Posicionamento ..............................................................................................130 
11.3.2 Módulos Contadores e Encoders .......................................................................................131 
11.3.3 Módulos de Motor de Passo ..............................................................................................132 
11.3.4 Módulos para Servomotor .................................................................................................133 
12 RESPOSTAS DE PROCESSOS E LAÇOS DE CONTROLES.................................................135 
12.1 CONTROLE DE PROCESSO ........................................................................................................136 
12.2 PARÂMETROS DO SISTEMA DE CONTROLE ................................................................................138 
12.2.1 Erro....................................................................................................................................138 
12.2.2 Interpretação do Erro ........................................................................................................138 
12.2.3 Variável de controle...........................................................................................................138 
12.3 DINÂMICA DO PROCESSO .........................................................................................................139 
12.3.1 Função de Transferência ...................................................................................................139 
12.3.2 Ganho do processo ............................................................................................................141 
Automação 
 
 5 
 
12.3.3 Atraso de transporte ..........................................................................................................141 
12.3.4 Tempo de retardo...............................................................................................................142 
12.3.5 Equação diferencial e Função de Transferência ...............................................................143 
12.4 TEMPO DE RETARDO NO DOMÍNIO FREQÜÊNCIA .......................................................................145 
12.4.1 Resposta de primeira ordem ..............................................................................................145 
12.4.2 Resposta de segunda ordem...............................................................................................145 
13 CONTROLADORES DE PROCESSOS......................................................................................147 
13.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................................148 
13.2 AÇÃO DE CONTROLE ...............................................................................................................149 
13.3 CONTROLADOR DISCRETO DEDUAS POSIÇÕES (ON/OFF) .......................................................150 
13.4 CONTROLADOR DISCRETO DE TRÊS POSIÇÕES .........................................................................151 
13.5 CONTROLADORES DE MODO CONTÍNUO...................................................................................151 
13.5.1 Controlador Proporcional .................................................................................................152 
13.5.2 Controlador Integral..........................................................................................................153 
13.5.3 Controlador Proporcional-Integral (PI)............................................................................155 
13.5.4 Controlador Derivativo .....................................................................................................156 
13.5.5 Controlador Proporcional-Derivativo (PD)......................................................................157 
13.5.6 Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) ......................................................158 
13.6 CONTROLADORES AVANÇADOS...............................................................................................161 
14 AJUSTE DE PID ............................................................................................................................163 
14.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................................164 
14.2 MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS DE MALHA-ABERTA ..............................................................165 
14.3 MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS DE MALHA-FECHADA............................................................169 
14.4 AJUSTE DE PID AUTOMÁTICO VIA SOFTWARE .........................................................................170 
 
 
Automação 
 
 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 A automação em nossas vidas 
Automação 
 
 7 
 
1.1 Introdução 
Em nosso dia-a-dia, estamos constantemente nos relacionando com sistemas 
automáticos, os quais foram criados basicamente para facilitar nossas vidas. Convivemos com 
automação e quase nem notamos: 
- Em casa : lavando a roupa numa lavadora automática; esquentando o leite das 
crianças em seu microondas; acionando o controle remoto para abrir o portão 
automático de sua garagem; lavando a louça do almoço de domingo na sua 
lavadora de louças automática, etc. 
- Na rua: retirando dinheiro no caixa automático; sendo fotografado pelo sistema 
de controle de velocidade pelas ruas da cidade; usando os trens do metrô; 
fazendo compras com seu cartão de crédito, etc. 
- No trabalho: registrando o seu ponto num coletor automático; programando um 
robô para fazer o trabalho pesado para você numa linha de produção; recebendo 
matéria-prima através de um sistema automático de transporte de carga; 
armazenando seu produto final num depósito automatizado; fazendo controle de 
qualidade através de sistemas de medição e aferição; controlando a temperatura 
de seu escritório ou de uma coluna de fracionamento de petróleo; acionando o 
sistema de combate a incêndios, etc. 
- No lazer: pegando um refrigerante numa máquina automática; caminhando 
numa esteira automática na sua academia; assistindo a um filme em seu DVD; 
jogando videogame, etc. 
Podemos dizer que nossa vida está cercada de automação por todos os lados. Nós 
mesmos somos um sistema automático e dos mais sofisticados! Nosso corpo é uma máquina 
composta de incríveis subsistemas autocontrolados: Visão; Digestão; Audição; Respiração; 
Equilíbrio; Movimentação; Entre outros. Se pensarmos nos componentes básicos de um sistema 
automático: sensoriamento; comparação e controle; atuação. 
Vemos que realmente nosso corpo é um prodigioso sistema de controle. Veja o caso do 
simples movimento de pegar um objeto. Usamos nossa visão (sensores) que envia ao cérebro 
sinais que possibilitam uma tomada de decisão (controle), o qual coordena e controla a ação dos 
movimentos do braço e da mão (atuadores).Nesse mesmo processo, outros subsistemas estão 
envolvidos, sendo que outros "sensores" captam informações adicionais do tipo: textura, 
temperatura e peso, alimentando nosso "controlador" (cérebro) com dados que determinarão 
uma ação mais precisa de nossos "atuadores". 
1.2 A automação no meio produtivo 
A automação, tão presente em nossas vidas, está presente também nos processos 
industriais, com o mesmo objetivo básico, que é facilitar os processos produtivos. Quando 
falamos em facilitar os processos produtivos, estamos falando num sistema otimizado que é 
capaz de produzir bens com: menor custo; maior quantidade; menor tempo; maior qualidade. 
Olhando por este aspecto, vemos que a automação está intimamente ligada aos sistemas 
de qualidade, pois é ela que garante a manutenção de uma produção sempre com as mesmas 
características e com alta produtividade, visando atender o cliente num menor prazo, com preço 
competitivo e com um produto de qualidade. Pensando no meio ambiente, vemos também que a 
automação pode garantir o cumprimento das novas normas ambientais, através de sistemas de 
Automação 
 
 8 
 
controle de efluentes (líquidos que sobram de um processo industrial), emissão de gases, 
possibilidade de uso de materiais limpos, reciclagem, etc. 
Enfim, podemos afirmar que a automação tem papel de muita importância na 
sobrevivência das indústrias, pois garante a melhoria do processo produtivo e possibilita a 
competição nesse mercado globalizado, onde nosso concorrente mais próximo pode estar do 
outro lado do mundo!! É importante que você entenda também que a automação veio para livrar 
o homem de: tarefas repetitivas; ambientes perigosos; ambientes insalubres; grande esforço 
físico. 
1.3 Automação e suas características 
Sistemas automatizados, algumas vezes, são extremamente complexos porém, se 
observarmos suas partes, veremos que seus subsistemas possuem características comuns e de 
simples entendimento. Faça uma analogia com a construção de um grande edifício de 50 
andares, com uma arquitetura moderna. Para levantar suas paredes o que é necessário? Tijolo, 
concreto (areia, cimento, cal e pedras) e ferragem. O prédio todo é composto de partes com 
componentes simples e com características bem conhecidas. 
Considere então alguns exemplos: 
1.3.1 Um aquário e a temperatura de sua água 
Num aquário deve-se manter a água em torno da temperatura ambiente (25°C). Não é 
necessário ser muito rigoroso sendo que a temperatura pode variar de 23 a 28°C e até, em alguns 
casos, para eliminar doenças e forçar a reprodução, pode chegar a 35°C. Nota-se que a 
temperatura da água pode variar e deve ser ajustada de acordo com a necessidade. 
Veja o esquema a seguir: 
 
Figura 1.1– Controle de temperatura elementar. 
Temos um sensor de temperatura, que nada mais é que um termômetro de mercúrio, no 
qual foi acoplado um sistema mecânico de ajuste. 
Este sistema mecânico movimenta um contato metálico ao longo do corpo do 
termômetro. 
Quando o deslocamento do mercúrio alcança o ponto de ajuste, um contato elétrico é 
fechado, sendo ele ligado a um relé elétrico que, usando a alimentação da rede, faz desligar a 
resistência responsável pelo aquecimento da água. 
 Então em forma de diagrama, nesse sistema temos: 
Automação 
 
 9 
 
 
Figura 1.2- diagrama de blocos do sistema térmico. 
 
Nesse processo (aquário), temos a necessidade de controlar a temperatura, que é medida 
através de um sensor (termômetro), que possibilita ao controlador, fazer uma comparação com 
um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de ligar ou desligar o atuador 
(resistência), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. 
Note que existe uma influênciada ação de aquecimento da água no valor medido pelo 
sensor de temperatura. A este ciclo fechado, chamaremos de agora em diante de malha fechada 
de controle, que também pode ser chamado de sistema de realimentação, no qual a saída do 
sistema influencia diretamente na situação de sua entrada. Em alguns processos, não existe a 
realimentação, isto é, a ação do atuador comandada pelo controlador não é observada por um 
sensor que realimenta o sistema. Imagine uma máquina de lavar roupa... por acaso temos um 
sensor de roupa limpa? Nesse caso temos um ciclo aberto de controle, que chamamos de malha 
aberta. 
Outra consideração a fazer é a respeito de condições externas que podem influenciar na 
temperatura da água, chamadas de distúrbios. A temperatura do ambiente externo influencia 
diretamente no controle, determinando uma condição diferente de atuação no processo. 
O controle apresentado no exemplo do aquário não possui precisão, isto é, nada garante 
que a temperatura permaneça exatamente no ponto ajustado, ou que fique oscilando em torno do 
valor ajustado. Esse tipo de controle chamamos de Liga/Desliga, o atuador (resistência) 
permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente = desligado e máxima corrente = 
ligado). É considerado então um controle descontínuo. 
Consideremos então outros exemplos de sistemas de controle automatizados: 
1.3.2 Uma tanque de combustível e seu nível 
Considere agora um tanque de combustível de uma distribuidora de petróleo. Abordemos 
duas situações de controle automatizados: 
Medição descontínua - para segurança evitando o transbordamento ou esvaziamento 
abaixo de determinada posição mínima. 
Automação 
 
 10 
 
 
Figura 1.3 – Medição descontínua. 
A medição descontínua normalmente é feita por sensores do tipo chave com dois 
estados, ativo ou não ativo. Considerando um contato elétrico, esse poderá estar aberto 
(possibilitando passagem de corrente) ou fechado (impedindo a passagem de corrente). 
Medição contínua - para determinar a quantidade de combustível armazenado. 
Além do sistema de segurança mostrado anteriormente, tem-se a necessidade de 
determinar a quantidade armazenada de um certo combustível dentro deste tanque. Nesse caso 
temos de utilizar um medidor que “sente” continuamente as variações da altura da coluna líquida 
no interior do tanque. Existem várias tecnologias que permitem esta medição as quais no 
momento não são relevantes. O que importa entender é que este medidor proporciona um sinal 
de saída contínuo, proporcional à altura do tanque. 
 
Figura 1.4 – Medição contínua 
Tendo o valor da altura dada pelo medidor e conhecendo a capacidade do tanque dada 
pelo formato do próprio tanque, é possível calcular a quantidade de combustível do tanque para 
cada condição de nível. 
Vendo os exemplos acima você deve ter concluído que é possível ter sensores 
descontínuos (Liga/Desliga) e contínuos (chamados analógicos). A escolha do tipo de medição 
vai depender do que se pretende na automação. No caso do tanque, os dois controles podem 
estar presentes, cada um cuidando de sua parte no controle do sistema como um todo. 
A seguir vamos tratar dos princípios básicos da automação industrial. 
Automação 
 
 11 
 
1.4 Princípios Básicos de Automação Industrial 
Para entender o que é automação e quais são seus princípios, nada mais ilustrativo do 
que analisarmos exemplos de nossa vida diária, relacionando-os com o que queremos conhecer. 
1.4.1 Automação (Automatização) 
Definição: Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, 
quase sem a interferência do homem. 
Entenda melhor 
Sua avó fazia café com coador de pano, alguns anos depois sua mãe já fazia o mesmo 
cafezinho, porém usando coador de papel. Note que os utensílios evoluíram, porém não tinham 
livrado ainda o trabalho de preparo: colocar a água para ferver; verificar visualmente se a água 
já chegou em seu ponto de ebulição; colocar a água fervendo no coador vagarosamente para não 
transbordar... Toda essa seqüência de preparo se resume em operações manuais e repetitivas. 
Então, para alívio da humanidade, surgiu a cafeteira elétrica. Essa máquina nada mais faz 
do que o mesmo cafezinho, feito manualmente, porém executa suas operações de forma 
automática. 
Dizemos então que houve a automação do procedimento de preparo do café. 
Então, você pode concluir que um sistema automático é aquele em que a operação 
manual executada pelo ser humano foi substituída por uma máquina que executa quase todas as 
operações em um determinado procedimento produtivo. 
1.4.2 Mecanização X Automação 
Na mecanização, as máquinas são colocadas para ajudar o homem, porém dependem de 
sua ação de controle para serem operadas. A "inteligência" do sistema está centrada no homem. 
Na automação, as máquinas, além de livrarem o homem de esforços físicos, possuem 
também a capacidade do controle de suas operações. A "inteligência" está centrada na própria 
máquina. O homem tem o papel de supervisionar a ação dos sistemas automatizados. 
1.4.3 Máquina Automática 
Uma máquina automática, geralmente, representa um sistema no qual um processo 
programado é executado, quase que de forma autônoma, desde que tenha sido iniciado. A 
intervenção do homem neste caso não é necessária, seja de forma permanente ou com um ritmo 
específico. 
Vantagens da aplicação da Automação 
A aplicação da Automação oferece várias vantagens: 
- Técnica : Qualidade uniforme e permanente, velocidade de trabalho alta e 
constante. 
- Econômica : Alta produtividade, substituição do dispendioso trabalho feito pelo 
homem por máquinas. 
- Social : Livrar a humanidade da responsabilidade de atividades sujas, 
monótonas, difíceis ou perigosas. 
Automação 
 
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1.4.4 Processo 
Definição: Conjunto de operações e/ou transformações realizadas sobre um ou mais materiais, 
com a finalidade de variar pelo menos uma de suas propriedades físicas ou químicas. 
Entenda melhor 
Quando queremos preparar um café, precisamos seguir uma receita, usando utensílios 
domésticos para transformar ingredientes básicos num produto : um cafezinho bem quente. Para 
esta transformação é necessária alguma forma de energia. A esse conjunto de fatores que 
contribuem para o objetivo final, que é a produção do cafezinho, chamamos de processo. 
1.4.5 Variável de Processo 
Definição: Variáveis são entidades matemáticas associadas a fenômenos físicos/químicos, 
geralmente através de letras ( x, y, z, V, I, R, t, .. ). Em um processo industrial, estas variáveis 
podem ser associadas a pressão, temperatura, posição, vazão, velocidade, nível, pH,... 
Variáveis Analógicas e Digitais 
Uma variável é dita analógica quando pode assumir infinitos valores (dentro de uma 
faixa de valor máximo e mínimo) durante um intervalo de tempo. Quando a variável só pode 
assumir dois valores (alto ou baixo, ligado ou desligado) ela é chamada de digital. 
Estas variáveis estão relacionadas com as já mencionadas medições contínuas e 
descontínuas. 
Note que o conjunto formado pelo resistor variável e a bóia (elemento sensor) informa 
continuamente ao indicador a quantidade de combustível existente no tanque. Nesse, o controle 
é exercido pelo motorista que, ao notar que o tanque está vazio, providenciará o seu 
reabastecimento. A lâmpada indicadora de nível baixo é um exemplo de variável digital. 
 
Figura 1.5 – Exemplo de variável analógica e digital 
1.4.6 Considerações Finais 
Em um processo automático devem ser sentidas variáveis analógicas e digitais, para que, 
após o processamento das informações contidas nessas variáveis, o controlador tome decisões 
como : ligar/desligar um motor, acender uma lâmpada de alerta, ligar/desligar um sistema de 
aquecimento, entre outras. 
O elemento que "sente" o queocorre no processo, fornecendo informações sobre o 
estado da variável monitorada é chamado de sensor. 
O elemento que executa a tarefa designada pelo controlador é chamado de atuador. 
 
* Texto retirado do site do SENAI 
Autores: Alfredo João Oliveira, Donizeti Bíscaro, Jorge Gilles Ferrer, Luís Henrique Coelho Rocha 
Automação 
 
 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 Conceitos Básicos 
Automação 
 
 14 
 
2.1 Introdução 
O desenvolvimento de sistemas de controle automáticos nos anos 50 teve uma 
importância equivalente a revolução industrial do século dezenove. Enquanto que a primeira foi 
uma extensão dos músculos humanos, a segunda foi uma extensão do seu cérebro. 
Hoje os princípios básicos do controle automático têm uma larga aplicação e interesse, 
incluindo controle de processos, sistemas robóticos, aeronáuticos, de tráfego, biomédicos e 
controle de satélites. 
2.2 Por que Controle Automático? 
A necessidade de controle automático é talvez mais óbvia na indústria aeroespacial e 
manufatura do que em processos industriais. Numa linha de montagem, a necessidade de 
automação é totalmente aparente. Numa máquina é mais adequado, tanto por motivos 
econômicos como por segurança, automatizar as tarefas repetitivas e tediosas envolvidas na 
produção. É também claro observar que o controle de uma aeronave supersônica é muito 
complicado para ser deixada na mão de um piloto. Contudo, a necessidade de um controle de 
processo é por vezes muito menos aparente. 
Uma vez que a maioria dos processos opera com cargas constantes, é provável que se 
pense que a melhor solução para este problema de controle seria ajustar todas as variáveis 
envolvidas que afetam o processo nas suas devidas posições e esquecer do resto. A dificuldade 
desta situação é que raramente pode-se fixar todas as entradas do sistema. A maioria dos 
processos é sujeita a uma série de entradas, algumas das quais alterarão sem o desejo do 
operador. Mudanças em tais variáveis resultarão em distúrbios nos processos. 
Considere um sistema de aquecimento de água à vapor mostrado na figura a seguir. O 
aquecedor consiste num tanque o qual água quente é obtida através de uma linha de vapor 
conectada diretamente no tanque cheio dágua. Água fria entra pela parte inferior do tanque e 
água quente sai pela superior. Uma válvula de fluxo é disponibilizada na linha de vapor para 
regular a vazão de vapor no interior do aquecedor. Neste exemplo, se todas as variáveis 
mantiverem-se constante, a temperatura de saída do sistema poderia ser ajustada através da 
regulagem de vazão da válvula de fluxo. 
Note, contudo, que se a 
temperatura da água que entra no 
sistema alterar, a temperatura da água 
de saída também alterará, a menos que 
alguma regulagem na válvula seja 
realizada. Outras variáveis poderiam 
alterar ainda a temperatura de saída 
como a vazão de entrada, a temperatura 
ambiente, etc. 
 
Figura 2.1 – Aquecedor de água à vapor. 
 
 
Automação 
 
 15 
 
2.3 Conceitos 
 
2.3.1 Controle realimentado (feedback) 
Dois conceitos sustentam a base da maioria das estratégias de controle automático: 
realimentado ou malha-fechada (realimentado) e controle feedforward (malha-aberta). O 
controle realimentado é a técnica mais comumente utilizada das duas e na qual os conceitos da 
teoria de controle são baseados. O controle realimentado é a estratégia desenvolvida para se 
obter e manter uma condição desejada do processo através da medição desta condição no 
processo, compará-la com a desejada e tomar ações corretivas baseadas na diferença entre a 
condição desejada e a atual. 
A estratégia de realimentação é muito similar à ação do operador humano atento ao 
controle de um processo manual. O operador deverá ler a temperatura do indicador da linha de 
água quente e compara-la com a temperatura que ele deseja (Figura abaixo). Se a temperatura 
for muito alta, ele deverá reduzir o fluxo de vapor, e se a temperatura for muito baixa, ele deverá 
aumentar o fluxo. Usando esta técnica, ele irá manipular a válvula até eliminar o erro. 
 
Figura 2.2 – Controle realimentado manual. 
Um controle realimentado automático irá operar de maneira semelhante (figura a seguir). 
Se existe um erro, o sistema de controle irá atuar na válvula de forma a mudar a sua posição até 
anular o erro. 
 
Figura 2.3 – Controle realimentado automático. 
Automação 
 
 16 
 
A única distinção entre o controle manual e o automático é que o automático é mais 
preciso, consistente e não fica cansado ou distraído. Contudo os dois sistemas possuem os 
mesmos elementos de um controle em malha-fechada (Figura abaixo). 
 
Figura 2.4 – Elementos básicos de um controle realimentado. 
2.3.2 Controle Feedforward 
Feedforward control é outra técnica básica utilizada para compensar distúrbios contidos 
no sistema. Nesta técnica, a ação de controle é baseada no estado do distúrbio sem a referência 
da condição atual do sistema. Em teoria, este tipo de controle sugere uma correção muito mais 
rápida que o controle realimentado. 
Um operador poderia usar um a estratégia simples para compensar mudanças na entrada 
de água do aquecedor. Veja figura abaixo. Detectando uma mudança na temperatura da água de 
entrada, ele poderia aumentar ou diminuir a vazão de vapor para cancelar a alteração. A mesma 
compensação poderia ser feita automaticamente. 
 
Figura 2.5 – Controle malha aberta (feedforward) manual. 
O conceito de feedforward control é muito poderoso, mas infelizmente é muito difícil de 
implementar na sua forma pura. Em muitos casos distúrbios não podem ser medidos de maneira 
precisa e portanto este conceito não pode ser aplicado. Até mesmo em aplicações onde todas as 
entradas são medidas ou controladas, a ação de controle apropriada a ser tomada para aquele 
determinado distúrbio nem sempre é obvia. 
2.3.3 Representação Matemática 
Um pré-requisito fundamental para a aplicação das teorias de controle automático é o 
entendimento detalhado da operação do processo a ser controlado. Enquanto projetistas de 
equipamentos requerem um conhecimento detalhado da operação quando as entradas são 
constantes, um controle automático requer um conhecimento detalhado do equipamento quando 
as entradas variam no tempo. Esta característica dinâmica dos processos deve ser descrita 
através termos matemáticos usando equações diferenciais (ou representações por Transformadas 
de Laplace). 
Em muitos casos, o modelo matemático do processo pode ser obtido através da descrição 
analítica das leis físicas que regem os componentes do processo. Em outros casos, o modelo 
Automação 
 
 17 
 
pode ser obtido através de testes experimentais no qual o sistema é analisado de diversas 
maneiras para se extrair as informações dinâmicas necessárias. 
2.3.4 Dinâmica dos processos 
Controle de processos iria ser trivial se todos os sistemas respondessem instantaneamente 
a mudanças na entrada do processo. A dificuldade em controle fica na característica que todos os 
processos de primeiro grau ou mais possuem em se atrasar e retardar a mudança. Esta 
característica de dependência do tempo do processo é denominada dinâmica do processo. 
A característica dinâmica de todos os sistemas, mecânicos, químicos, térmicos ou 
elétricos, podem ser atribuídos a um ou mais dos seguintes efeitos: Inércia, resistência e 
capacitância e atraso de transporte. 
2.4 Tipos de Processos 
Aplicações típicas de controle de processos incluem linhas de montagem automotivas, 
indústria petroquímica, refinações de óleo, geração de energia, processamento alimentício, etc. 
Qualquer operação que requer a manipulação de uma ou mais variáveis é um tipo de sistema de 
controle de processo. As variáveis mais comumente controladas incluem temperatura,velocidade, posição, vazão, pressão, nível, etc. Os tipos de processos realizados na indústria 
podem ser agrupados em três grandes áreas: 
- Processos contínuos; 
- Produção por lote; 
- Produção de produtos individuais, ou discretos; 
Um processo contínuo é aquele no qual uma linha de produtos entram num ponto do 
sistema e o produto final sai em outro ponto da linha. Uma vez comece o processo, ele é 
continuamente alimentado. 
A figura abaixo mostra um processo contínuo de uma linha de montagem de motores. Os 
blocos dos motores são alimentados num ponto da linha (canto inferior) e os motores 
completos saem num outro ponto (canto superior).Em processos contínuos, o produto é 
sujeito a diferentes tratamentos conforme o fluxo do processo (neste caso, montagem, 
ajuste e inspeção). A montagem automática envolve o uso de máquinas automatizadas e 
robôs. 
 
Figura 2.6 – Processo contínuo: montagem, teste e inspeção de motores. 
Automação 
 
 18 
 
No processamento por lote não há fluxo de 
produção de uma parte do processo para outro. 
Ao invés disso, um parte de cada entrada do 
processo é recebida num lote e então algumas 
operações são executadas para produção final 
do produto. O processo é realizado e o 
resultado é armazenado para então outro lote 
ser produzido. Cada lote de produto pode ser 
diferente. Muitos processos químicos são 
realizados através deste tipo de processo. 
A figura ao lado mostra um sistema de 
produção por lote (também denominada 
batelada). Dois ingredientes são adicionados 
juntos, misturados e aquecidos. Um terceiro 
ingrediente é adicionado e todos os três são 
então processados e armazenados. 
 
Figura 2.7 – Processo por lote (batelada). 
 
Processo de produção individual, ou discreto, é o tipo de processo mais comum na 
indústria. Com este processo de manufatura, uma série de operações são realizadas para 
execução do produto. O item pode ser dobrado, furado, soldado, fresado, torneado uma série de 
vezes durante a produção. A célula de trabalho é normalmente uma parte discreta, operada por 
um elemento base. A figura a seguir exemplifica este processo. 
 
Figura 2.8 – Processo discreto. 
Numa planta industrial automatizada, o operador meramente define os ajustes de 
operação e inicia o processo. A máquina automaticamente realiza o processo. 
Antigamente as máquinas eram comandadas mecanicamente, então elas foram 
substituídas por controles eletromecânicos e hoje elas são praticamente comandadas por 
dispositivos elétricos e eletrônicos através de controladores lógicos programáveis (CLPs) e 
computadores. 
Automação 
 
 19 
 
Algumas considerações podem ser feitas a respeito da forma de controle destes 
processos. Pode-se dividir basicamente em três tipos de controles. Individual, centralizado e 
distribuído. 
Controle individual é utilizado em uma única máquina. Este tipo de controle não requer 
comunicação com outro controlador. A figura abaixo mostra este tipo de controle. 
O operador define o comprimento da barra de alumínio através da interface e então 
pressiona o botão de início do processo. O motor então posiciona a barra na posição de corte. O 
controlador comanda todas as ações. Quando o sistema posicionar a barra, o controlador 
comanda a navalha para a operação de corte. 
 
 Figura 2.9 – Controle individual: corte automatizado. 
Controle centralizado é utilizado quando 
diversas máquinas ou processos são 
controlados por apenas um controlador. O 
sistema de controle utiliza um poderoso 
computador para controlar uma série de 
processos e operações de manufatura. 
Nenhuma operação ou troca é feita com outra 
central de controle. Alguns processos requerem 
este tipo de controle devido a interação 
necessária entre as tarefas. Uma desvantagem 
disso é que se o controlador falhar, todas as 
máquinas do processo param. 
 
Figura 2.10 – Controle centralizado. 
 
O sistema de controle distribuído difere do centralizado devido a existência de um 
controlador dedicado para cada máquina. Cada controlador tem autonomia para controlar sua 
máquina. Contudo, as tarefas de cada controlador são definidas por um sistema de controle 
ligados a eles. Este tipo de controle tipicamente envolve a utilização de LANs (redes locais). A 
comunicação entre os computadores é realizada através de cabos coaxiais ou fibra óptica a 
grandes velocidades. 
Devido a sua flexibilidade, o sistema de controle distribuído tem surgido como solução 
para inúmeros processos por lote e contínuos. O controle distribuído permite a distribuição de 
tarefas a inúmeros elementos de controle. Ao invés de um único computador realizar todo o 
processamento, cada malha de controle localizada muito perto do ponto a ser controlado tem a 
capacidade de processamento e controle. 
A figura abaixo mostra um SCD supervisionado por um computador mestre. Este 
computador poderia ser um computador pessoal e poderia coordenar tarefas de download de 
Automação 
 
 20 
 
programas, set-points, visualização de variáveis, informações de alarmes, armazenamento de 
dados, relatórios e facilidades de interação entre o operador e o processo. 
Este sistema remoto pode estar localizado a uma distância segura do processo e do 
ambiente industrial geralmente insalubre. Cada CLP controla sua máquina ou processo. 
 
Figura 2.11 – Sistema de Controle Distribuído (SCD). 
2.5 Estrutura de sistemas de controle de processo 
A figura a seguir mostra os principais elementos de um sistema de controle: 
 
Figura 2.12 – Componentes de um sistema de controle de processos. 
 
2.5.1 Sensores 
- coletam sinais do processo; 
- convertem informações físicas tais como pressão, temperatura, vazão, posição, 
velocidade, etc, em sinais elétricos; 
 
Automação 
 
 21 
 
2.5.2 Interface Homem-Máquina 
- permite entradas de um operador para ajustar as condições iniciais, alterar parâmetros 
do controlador, interagir com o processo, etc.; 
- permite entradas do operador através de vários tipos de chaves, controles e telas de 
toque. 
2.5.3 Condicionamento de sinal 
- converte os sinais de entradas provenientes dos sensores para um sinal padrão a ser 
utilizado pelo controlador; 
- converte os sinais de saída padrões provenientes do controlador para sinais utilizados 
pelos atuadores; 
- incluem técnicas de condicionamento de sinal tais como amplificação, atenuação, 
filtragem, conversores A/D e D/A; 
- enviam sinais para interfaces de comunicação. 
2.5.4 Atuadores 
- converte sinais elétricos em ações físicas; 
- incluem válvulas de controle de vazão, bombas hidráulicas, dispositivos de 
posicionamento, dispositivos variadores de velocidade, freios, solenóides, motores de 
passo, relés de potência, etc. 
2.5.5 Controlador 
- toma decisões baseadas nos sinais de entrada; 
- gera sinais de saída que fazem com que os atuadores realizem as alterações no 
processo. 
 
2.6 Controladores 
Controladores podem ser classificados de diversas formas. Por exemplo, eles podem ser 
classificados de acordo com o tipo de potência que eles manuseiam. Pode-se destacar dois tipos 
nesta categoria: pneumáticos e controladores eletrônicos. Controladores pneumáticos são 
controladores que tomam decisões e transmitem estas informações através de linhas de ar 
pressurizado. Controladores eletrônicos operam com sinais elétricos. 
Controladores também podem ser classificados de acordo com o tipo de controle que ele 
utiliza. Os quatro tipos mais comuns encontrados em processos são: On/Off, proporcional, 
integral e derivativo. 
Para implementar estes controladores, a indústria atualmente utiliza Controladores 
Lógicos Programáveis (CLPs). Sistemas de aquisição de dados estão começando a ser utilizados 
também, porém ainda representam uma pequena fatia do mercado. 
CLPs sãodispositivos eletrônicos que executam funções lógicas anteriormente realizadas 
por sistemas eletromecânicos (relés). O projeto da maioria dos CLPs é similar ao de um 
computador, porém eles são utilizados para controle e operação em ambiente industrial. 
Automação 
 
 22 
 
 
Figura 2.13 – Controladores Lógicos Programáveis. 
Sistemas de Aquisição de Dados são sistemas baseados em computadores associados a 
placas de aquisição e condicionamento de sinais. Estes sistemas permitem que se use o 
computador como medidor e registrador de dados, alimentando o computador com sinais do 
meio externo. Podem também acionar sistemas e enviar sinais do computador para o meio 
externo. 
 
Figura 2.14 – Sistema de Aquisição de Dados. 
2.7 CIM – Computer-Integrated Manufacturing 
Hoje a automação está se movendo rapidamente para um ponto central que reside num 
sistema operado remotamente por uma sala. É necessário que os operadores tenham a 
possibilidade de controlar o processo na “ponta do dedo” através do seu computador pessoal. 
Uma aplicação na qual o computador é usado para monitorar e controlar um sistema com 
CLP em rede é mostrado na figura a seguir. 
 
Figura 2.15 – Sistema monitorado pelo computador via rede. 
Automação 
 
 23 
 
Computer-Integrated Manufacturing (CIM) agregam máquinas trabalhando 
individualmente com um sistema de comunicação de dados, permitindo estes elementos 
individuais ser integrados num sistema único. Em geral, quatro níveis de integração 
computadorizada são necessários para a caracterização de um CIM: processo, superfície, célula 
e dispositivos. 
 
Figura 2.16 – Níveis de controle num CIM.. 
Cada nível tem certas tarefas com seus limites e responsabilidades dados por 
controladores: 
- Controlador de Processo: usado para tarefas como gerenciamento de materiais, 
geração de relatórios e planejamento de recursos. 
- Controladores de superfície: usados em tarefas como gerenciamento de máquinas e 
ferramentas e simulações assistidas por computador. 
- Controladores de células: usados para controle de máquinas e aquisição de dados. 
- Controladores de dispositivos: usado para controlar o equipamento que produz e 
manipula o produto. 
Uma célula de trabalho pode ser definida como um grupo de máquinas ferramentas ou 
equipamentos integrados para representar uma unidade do processo de fabricação. Uma 
típica célula de trabalho é representada na figura a seguir. 
O computador, ou controlador da célula é basicamente o comunicador entre 
componentes. Ele combina um software sofisticado de um PC com a capacidade de 
associação de entradas e saídas de um CLP. 
 
Figura 2.17 – Célula de trabalho associada a dispositivos. 
 
Automação 
 
 24 
 
2.8 Comunicação de dados 
A comunicação entre CLPs ou entre CLPs e computadores tem se tornado uma aplicação 
comum. A espinha dorsal da comunicação é uma LAN (Local Area Network – rede local). A 
tarefa fundamental da LAN é promover a comunicação entre os CLPs e computadores. Elas 
podem ser dispostas em três topologias: estrela, anel e barramento. Utilizam como meio físico 
geralmente fibra óptica ou cabo coaxial devido a imunidade ao ruído. Os pontos onde os 
dispositivos se interconectam com a rede é definido como nó. 
 
Figura 2.18 – Topologias de LANs. 
Uma rede estrela possui um dispositivo central de controle (hub) conectado a diversos 
nós. Todas as transmissões devem ser passadas ao hub que envia a mensagem para o nó correto. 
Um problema desta topologia está no caso do hub causar um defeito, toda a rede pára de 
funcionar. 
Numa rede barramento, quando um nó manda uma mensagem pela rede, a mensagem é 
destinada a uma estação ou nó particular. Todos os nós recebem as informações. Cada nó possui 
um número de identificação e aceita somente as informações destinadas ao seu número. 
Numa rede anel, cada nó é conectado em série com outro formando um anel. As 
mensagens são passadas entre os nós através do anel. Este tipo de sistema é popular o uso de 
protocolo por sinal (token). A estação ou nó precisa possuir a token para enviar mensagem. Só 
existe uma token por anel. 
2.9 CNC – Computer Numerical Control 
Em termos gerais, o controle numérico (CN) é um método flexível de controle 
automático de máquinas ferramentas através do uso de valores numéricos. Ele possibilita um 
operador a comunicar-se com uma máquina ferramenta através de uma série de números e 
símbolos. Uma série de comandos formam o programa de CN e definem o caminho da máquina 
para a operação, selecionam a ferramenta, controlam a velocidade, etc. 
A figura a seguir ilustra um típico sistema de controle numérico. 
Automação 
 
 25 
 
 
Figura 2.19 – Sistema de controle numérico típico. 
O sistema de controle geralmente é um computador industrial que salva e lê o programa 
convertendo-o em sinais para os motores para controlar a máquina. O controlador define os set-
points dos motores para serem direcionados para esquerda ou direita, para cima ou para baixo. A 
mesa pode ser movida através de um motor. O sistema é realimentado por sensores de posição 
(encoders) e de velocidade. 
O controle numérico computadorizado (CNC) foi introduzido para substituir a 
necessidade do computador associado à máquina ferramenta de CN. 
 
Figura 2.20 – Máquina CNC. 
Um computador embarcado permitia algumas melhorias, como: 
- maior capacidade de armazenamento; 
- uso de disco magnético ao invés de fita; 
- fácil edição; 
- possibilidade de comunicação com outros dispositivos do processo; 
Automação 
 
 26 
 
2.10 Robôs 
Robôs são dispositivos controlados por CLPs ou computadores que realizam tarefas 
usualmente feitos por humanos. O robô básico industrial utilizado atualmente é um braço ou 
manipulador que se move para realizar operações industriais: 
Manuseio, processamento, montagem, desmontagem, soldagem, transporte, pintura e 
tarefas perigosas são alguns exemplos. 
A figura abaixo mostra um robô típico de seis eixos. 
 
Figura 2.21 – Exemplo de um robô industrial. 
 
Os movimentos destes robôs são 
desenvolvidos para reproduzir o mais próximo 
possível o movimento humano. 
Cada eixo do robô é fundamentalmente 
um sistema de controle de posição em malha-
fechada. Diferentes configurações de 
controladores são utilizadas para cada junta. 
Os controladores geralmente incluem alguns 
dispositivos para operar: Painel de operação, 
computador para monitoramento e comando 
com teclado e visor para movimentação, 
gravação de posição, teste de execução, etc. 
 
 
Figura 2.22 – Sistema de controle de um robô. 
 
 
Automação 
 
 27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 Introdução aos Controladores Lógicos Programáveis 
 
 
Automação 
 
 28 
 
 
Toda indústria tem usado controladores programáveis para aumentar e melhorar a 
produção. Neste capítulo, são apresentados alguns conceitos e definições básicas de maneira que 
ao final, você entenderá os fundamentos dos controladores programáveis e estar pronto para 
explorar os sistemas associados a ele. 
3.1 Definição 
Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), também chamados controladores 
programáveis são sistemas microprocessados que integram elementos eletromecânicos de 
acionamento para implementar funções de controle. 
Eles são capazes de armazenar instruções tais como sequenciamento, temporização, 
contagem, operações lógicas, aritméticas, manipulação de dados e comunicação para controlar 
máquinas e processos industriais. 
A figura abaixo ilustra o diagrama conceitual de uma aplicação com CLPs. 
 
Figura 3.1:Diagrama conceitual de uma aplicação com CLPs 
3.2 Histórico 
A divisão de Hidráulica da General Motors Corporation especificou o projeto doprimeiro controlador programável em 1968. 
Seu primeiro objetivo foi eliminar os altos custos associados com a inflexibilidade de 
sistemas controlados a relés. A especificação exigia um sistema com flexibilidade capaz de: 
a) agüentar a agressividade do ambiente industrial; 
b) ser facilmente programado; 
c) ter baixa manutenção; 
d) ser reutilizável; 
Automação 
 
 29 
 
3.2.1 O primeiro controlador programável 
Em 1969, o controlador especificado um ano antes estava pronto e apresentava as 
especificações originais e abria as portas para o desenvolvimento de novas tecnologias. 
O primeiro CLP ofereceu a funcionalidade de relés, e desta forma substituiu os painéis 
de relés usados para controlar o chaveamento de circuitos elétricos. 
Ele satisfazia os requisitos de modularidade, expansibilidade, programabilidade e fácil 
utilização num ambiente industrial. Este controlador era fácil de instalar, ocupava pouco espaço 
e era reutilizável. 
O software para programação, embora um pouco tedioso, tinha uma forma de 
programação padronizada: o diagrama ladder. 
 
3.2.2 O projeto conceitual do CLP 
O primeiro controlador programável foi mais do que simples substituidor de relés. Sua 
função primária foi executar operações que eram previamente implementadas com relés. Estas 
operações incluíam controle ON/OFF de máquinas e processos que requeriam operações 
repetitivas. Contudo, estes controladores eram fáceis de serem instalados, ocupavam pouco 
espaço e consumiam menos energia. Tinham indicadores de diagnóstico que sinalizavam erros, 
problemas e ao contrário de relés, eram reutilizáveis. 
 
3.2.3 Os controladores de hoje 
Os avanços tecnológicos continuam não só no projeto de controladores mas também na 
filosofia de controle de sistemas. 
Hardware: 
- O uso de microprocessadores mais poderosos diminuiu o tempo de execução das 
lógicas de programação. 
- A alta densidade de entrada e saídas propicia um uso mais eficiente de espaço a 
um custo menor. 
- Microprocessadores com mais funções internas permitem o uso de PID, redes de 
comunicação CANbus, fieldbus, comunicação com computadores, interfaces 
homem-máquina (IHMs), etc. 
Software: 
- Linguagens de alto nível já podem ser utilizadas em CLPs de alguns fabricantes. 
- Blocos de funções aprimoram a programação ladder e promovem grande 
capacidade de programação usando simples comandos. 
- Operações com ponto flutuante já são possíveis para executar cálculos 
complexos. 
Os controladores de hoje oferecem muito mais capacidades do que simples relés 
programáveis. Eles são capazes de se comunicar com outros sistemas de controle, produzir 
relatórios, programar a produção, etc. 
Estes avanços têm uma importante contribuição para o aumento da qualidade e 
produtividade. 
Automação 
 
 30 
 
Apesar do fato que os controladores terem se tornado muito mais sofisticados, eles 
continuam retendo a simplicidade e a facilidade de operação que foi proposto na seu projeto 
original. 
3.3 Princípio de Operação 
Um CLP consiste em duas seções básicas: 
- a unidade central de processamento (UCP) 
- o sistema de entradas e saídas (I/O) 
A figura abaixo apresenta o diagrama de blocos básico do CLP. 
 
 
Figura 3.2:Diagrama de blocos básico do CLP. 
A unidade central de processamento gerencia todas as atividades do CLP. Os três 
componentes a seguir descritos formas a UCP: 
- o processador; 
- a memória; 
- as fontes internas; 
 
Figura 3.3:Diagrama de blocos da UCP. 
A operação do CLP é relativamente simples. O sistema de entradas e saídas (I/O) está 
fisicamente conectado aos dispositivos em máquinas ou de controle de processos. Estes 
dispositivos podem ser discretos ou analógicos de entrada e saída, tais como, chaves, 
transdutores de pressão, botões, solenóides, etc. Os I/Os promovem a interface entre a UCP e o 
meio externo. 
Durante a operação, a UCP realiza três operações: (1) leitura das entradas, (2) execução 
do programa residente na memória, (3) escrita ou atualização das saídas e memórias de acordo 
com a execução do programa. 
Este processo é realizado de maneira cíclica, denominado scan ou varredura. 
Automação 
 
 31 
 
A figura abaixo ilustra este processo. 
 
Figura 3.4:Processo de scan. 
Os dispositivos que são controlados estão conectados ao sistema de saída. As fontes 
disponibilizam a energia para os diversos dispositivos da UCP. 
Embora não seja considerado parte do controlador, a interface de programação, 
usualmente um PC é necessário para o envio do programa à memória do CLP. Ele também serve 
para monitorar o sistema em operação. 
3.4 CLPs versus outros tipos de controles 
3.4.1 CLPs versus controle a relé 
Por anos, a questão para muitos engenheiros e fabricantes de equipamentos era “Devo eu 
usar um controlador programável?”. Foi gasto muito tempo tentando determinar o custo 
benefício dos CLPs sobre o controle a relés. Hoje, muitos engenheiros ainda acham que ficarão 
frente a esta decisão. Uma certeza, contudo pode-se ter. A demanda por alta qualidade e 
produtividade pode ser duramente realizado sem equipamentos de controle eletrônicos. 
Com o rápido desenvolvimento tecnológico e a competitividade entre os fabricantes, o 
custo dos CLPs tende a diminuir cada vez mais. 
O grande mérito dos CLPs sobre os relés pode ser evidenciado na figura a seguir. Para 
implementar sistemas com mais de 100 relés, seria necessária uma grande área para colocação 
destes relés. Ao contrário do CLP, que com uma UCP e alguns I/Os podem ser facilmente 
acondicionados num painel. 
Automação 
 
 32 
 
 
Figura 3.5:Painel com CLP. 
3.4.2 CLPs versus Computadores Pessoais 
Com a proliferação dos PCs, muitos engenheiros tem descoberto que os PCs não são um 
competidor direto dos CLPs nas aplicações de controle de processos. Eles são aliados na 
implementação de controles. Aparentemente, eles parecem ser similares, porém diferem-se na 
forma como conectam-se com os dispositivos de processos. 
CLPs possuem uma arquitetura mais robusta ao ambiente industrial, com fonte de 
alimentação isolada para as entradas e saídas, enquanto que os PCs não. Além disso, o custo de 
PCs para controle de processos pode ser muito maior do que o de CLPs. 
Os PCs tem como vantagem o familiaridade de programação e a capacidade de 
processamento maior. Já é comum o uso de PCs no controle de processos, porém seu uso é mais 
justificado em sistemas em rede, onde os CLPs fazem o trabalho de mais baixo nível de 
controle, enquanto que os PCs agem como meio de campo entre os CLPs e os servidores de 
dados e supervisórios do processo. 
 
Figura 3.6: PC utilizado como ponte entre CLPs e servidores. 
Os computadores vem sendo utilizados em laboratórios de testes e em sistemas de 
controle de qualidade. A utilização de placas de aquisição para coleta de dados já é algo usual no 
meio industrial. 
Automação 
 
 33 
 
 
Figura 3.7:Aplicações industriais de PCs. 
Contudo, os CLPs possuem uma gama maior de aplicações, estando presente em todo o 
tipo de indústria. Seu maior uso está na indústria petroquímica e automotiva. 
Com grande sucesso, os CLPs são aplicados nos mais diversos segmentos, promovendo 
os mais diversos controles desde máquinas simples até sofisticados processos de manufatura. 
3.5 Faixa de aplicação dos CLPs 
Existem diversas definições na literatura para a faixa de aplicação de CLPs. Abaixo, é 
mostrado um gráfico que relaciona a complexidade e custo de acordo com o número de I/Os. 
 
Figura 3.8:Segmentos de mercado de CLPs. 
Automação 
 
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Pode-se segmentar o mercado em cinco grupos: (1) micro CLPs; (2) CLPs pequeno 
porte; (3) CLPs médio porte; (4) CLPs grande porte; (5) CLPs extremo porte; 
Micro CLPs são utilizados em sistemasde até 32 I/Os. Seguindo, tem-se CLPs de 
pequeno porte, com 32 a 128 pontos de I/O. CLPs de porte médio compreendem CLPs com até 
1024 pontos e CLPs de grande porte pode chegar até 4096. CLPs de extremo porte 
compreendem sistemas com um grande número de pontos, como em grandes plataformas de 
extração de petróleo, usinas e grandes siderúrgicas, chegando a 8192 pontos de I/O. 
3.6 Diagrama de relés 
 
O Diagrama de relés é uma forma tradicional de representação da seqüência de operação 
elétrica de um circuito de acionamento. Este diagrama representa a forma de interconexão de 
dispositivos de acionamento e atuação. 
A figura abaixo representa um diagrama de relés simples. 
 
Figura 3.9: Diagrama de relés simples. 
 
Os diagramas de relés originais forma concebidos para representar ligações de fiações 
elétricas e chaves utilizadas para acionamento de bobinas e demais atuadores eletromecânicos. 
Devido ao largo uso no meio industrial, ele se tornou um diagrama padrão de comunicação. 
Quando os CLPs foram introduzidos, este tipo de representação de circuito foi utilizado devido 
ao seu fácil entendimento e altamente aceito pela indústria. 
 
3.7 Vantagens dos CLPs 
De uma maneira geral, a arquitetura dos CLPs é flexível e modular, permitindo que 
elementos de hardware e software sejam expandidos de acordo com o necessário pela aplicação. 
A tabela abaixo, lista uma série de benefícios obtidos com o uso de CLPs. 
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Características Benefícios 
Componentes de estado sólido Alta confiabilidade 
Memória programável Simplicidade de modificações 
Controle flexível 
Pequeno tamanho Requer pouco espaço 
Baseado em microprocessador Capacidade de comunicação 
Alto nível de performance 
Produtos de alta qualidade 
Capacidade multifuncional 
Contadores e temporizadores em software Eliminação de hardware 
Fácil alteração 
Controle de relé por software Redução de custos com fiação 
Diminuição de espaço necessário 
Arquitetura modular Flexibilidade de instalação 
Instalação fácil 
Custo de hardware reduzido 
Expansibilidade 
Variedade de interfaces de I/O Controle de uma variedade de dispositivos 
Estações remotas Eliminação de longos dutos e fios 
Indicadores de diagnósticos Redução do tempo de parada 
Indicação de operação 
Interface modular de I/O Ligação fácil 
Manutenção fácil 
Desconexão rápida Manutenção fácil 
Tabela 1: Vantagens do uso de CLPs. 
 
 
Bibliografia: 
- Bryan, L. A.. “Programmable controllers : theory and implementation”. 2.ed. Atlanta, Ga : Industrial Text 
Company, 1997. 
- Petruzella, Frank D.. “Programmable logic controllers”. 2. ed. New York, NY : McGraw-Hill, c1998. 464 p. 
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4 Conceitos Lógicos e Sistemas numéricos 
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Para entender as aplicações com CLPs, devemos rever os conceitos lógicos por trás 
deles. Serão discutidas três operações lógicas – AND, OR e NOT, e mostrar como com 
estas três funções pode-se controlar desde simples até complexas aplicações. 
4.1 Conceito Binário 
O conceito binário não é novidade. De fato, é muito antiga. Ela simplesmente 
refere-se a idéia que muitas coisas existem somente em dois estados predeterminados. No 
caso, uma lâmpada pode ser ligada ou desligada, uma chave pode estar aberta ou fechada, 
ou um motor pode estar funcionando ou parado. Estes dois estados são a base para a 
tomada de decisões em sistemas computacionais e controladores programáveis. 
Nas aplicações com controladores e em lógicas de relés, o valor binário 1 significará 
presença de sinal. O valor binário 0 significará ausência de sinal. 
4.2 Funções Lógicas 
Operações lógicas em sistemas digitais, como CLPs, são baseadas em três funções 
lógicas fundamentais: AND, OR e NOT. 
4.2.1 Função AND 
Uma função AND resulta numa saída ligada se todas as suas entradas estiverem 
ligadas. Pode-se associar esta função ao seguinte caso: Aciona-se um alarme (S1 - sirene) 
se o sistema estiver ligado (PB1 - Push-button 1) e (AND) se o sensor de presença (LS1) 
acusar o movimento de algo no sistema. A figura abaixo mostra a representação lógica em 
1a, o circuito elétrico 1b e a Lógica de relés 1c. 
 
Figura 4.1a: Diagrama lógico Figura 4.1b: Diagrama elétrico. 
 
Figura 4.1c – Lógica de relés. 
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4.2.2 Função OR 
Uma função OR resulta numa saída ligada se pelo menos uma das suas entradas 
estiver ligada. Pode-se associar esta função ao seguinte caso: Aciona-se um alarme (S1 - 
sirene) se um botão for pressionado (PB1 - Push-button 1) ou (OR) se o sensor de presença 
(LS1) acusar o movimento de algo no sistema. A figura abaixo mostra a representação 
lógica 2a, o circuito elétrico 2b e a lógica de relés 2c. 
 
Figura 4.2a: Diagrama lógico Figura 4.2b: Diagrama elétrico. 
 
Figura 4.2c: Lógica de relés. 
 
4.2.3 Função NOT 
 
Uma função NOT resulta numa saída invertida da sua única entrada. Pode-se 
associar esta função ao seguinte caso: Uma válvula solenóide (V1) deverá ser aberta se a 
chave de nível N1 não estiver fechada. A figura abaixo mostra a representação lógica 3a, o 
circuito elétrico 3b e a lógica de relés 3c. 
 
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Figura 4.3a: Diagrama lógico Figura 4.3b: Diagrama elétrico. 
 
 
Figura 4.3c: Lógica de relés. 
 
4.3 Álgebra de Boole 
 
Em 1849, o inglês George Boole desenvolveu a álgebra Booleana. O propósito desta 
álgebra foi ajudar na lógica do raciocínio, uma velha forma de filosofia. Ela possibilita uma 
escrever de forma simples, combinações complicadas de declarações lógicas que resultam 
em estado verdadeiro ou falso. 
Quando a lógica digital foi desenvolvida em 1960, a álgebra de Boole se encaixou 
perfeitamente no contexto das regras lógicas, uma vez que todas as regras lógicas dos 
sistemas digitais usam dois estados lógicos, TRUE/FALSE ou Verdadeiro/Falso ou 1/0. 
Há muitas aplicações cuja álgebra de Boole pode ser utilizada para resolver 
problemas de programação de CLPs, e de fato existem controladores programáveis que 
podem ser diretamente programados usando instruções Booleanas. Porém, para eletricistas 
e programadores de CLPs nada é mais familiar do que a lógica ladder ou lógica de relés. 
A lógica de relés é um diagrama que demonstra instruções interligadas de maneira 
semelhante à implementação física do sistema. Composta por chaves normalmente abertas 
ou fechadas e bobinas de acionamento. 
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4.4 Sistemas numéricos 
Os sistemas numéricos são formas de se representar grandezas numéricas, dentro de 
um sistema composto de um alfabeto próprio (por alfabeto se entende um conjunto de 
símbolos que neste caso representam grandezas numéricas). Existem vários sistemas 
numéricos, que se caracterizam pela base que representam. Os CLPs, são compostos de 
microcomputadores que trabalham no sistema numérico denominado binário. Por outro 
lado, nós estamos habituados a trabalhar com o sistema numérico decimal. A seguir são 
apresentadas as formas como são definidos os sistemas mais comuns de numeração e como 
podemos convertê-los para o sistema decimal. 
4.4.1 Sistema binário 
É o sistema numérico mais simples, composto por dois símbolos - 0 e 1. A base 
deste sistema de numeração é a base 2. Os dígitos deste sistema numérico são conhecidos 
por BIT - Binary Digit. Um bit só pode assumir um de dois valores possíveis, 0 ou 1. Para 
converter um número binário para o sistema decimal, basta avaliar o valor de cada dígito 
multiplicando este por 2n, onde n é a posição do dígito dentro do número. 
Exemplo: O número 110011b, tem sua representação