CLPs na Indústria 4

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CLPs na Indústria 4.0
Os conceitos necessários para utilização dos controladores e sistemas de supervisão e de aquisição de
dados na Indústria 4.0 e na internet das coisas industrial (IIoT).
Prof. Raphael dos Santos
1. Itens iniciais
Propósito
Conhecer a evolução dos controladores lógicos programáveis e sua adaptação com os sistemas industriais
modernos (mais especificamente, com a IIoT) além das adaptações realizadas nos sistemas de supervisão e
aquisição de dados.
Objetivos
Analisar a integração entre os controladores lógicos programáveis e a internet das coisas industrial.
Analisar o emprego dos sistemas supervisórios na internet das coisas industrial.
Introdução
Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e confira os principais pontos abordados neste conteúdo.
Conteúdo interativo
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1. Controladores lógicos programáveis e internet das coisas industrial
Vamos começar!
O conceito de internet das coisas na indústria
O especialista aborda no vídeo os principais conceitos e aspectos que devem ser observados durante o
estudo deste módulo.
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Modernização dos controladores
O controlador lógico programável (CLP) é um dos pilares da automação industrial. Junto com os sensores e
atuadores modernos, o CLP vem permitindo a implementação de grandes mudanças no meio industrial, como
o desenvolvimento da internet das coisas industrial (IIoT).
A arquitetura original do CLP foi bem adequada às suas aplicações originais. Ela considerava apenas a
automatização dos processos produtivos, acompanhada do aumento da produtividade e da qualidade dos
produtos desenvolvidos. Na indústria moderna (Indústria 4.0), esse design, porém, já vem atingindo suas
limitações e precisa ser repensado.
A arquitetura CLP original foi projetada para suportar três fatores principais e essenciais para um processo
produtivo:
 
Programabilidade
Confiablidade
Resposta em tempo real
A programabilidade inerente à arquitetura original era comparativamente básica pelos padrões atuais. A norma
IEC 61131 define as informações gerais dos CLPs, delimitando e identificando as principais características
relevantes para sua seleção e aplicação. Nesse sentido, a norma foi editada para reforçar a confiabilidade e o
comportamento em tempo real do CLP no lugar da flexibilidade do software. 
Um elemento fundamental nesse novo design foi a natureza autônoma do CLP. O controlador
original foi projetado para reagir a entradas e saídas locais (E/S locais), usando algoritmos de
controle interno a fim de reagir a mudanças e acionar os níveis lógicos e as saídas analógicas para
controlar atuadores externos. A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) editou a norma 61131,
que gira em torno da implementação de uma configuração de software. Essa norma englobou todo o
corpo do software (programa e dados) que controlava a operação em tempo real do CLP. 
Embora os CLPs sejam cada vez mais conectados em redes industriais por meio das arquiteturas de fieldbus,
a arquitetura central da IEC 61131 trata cada CLP dentro de uma rede como logicamente independente, tendo
a própria configuração. Na configuração, os programas consistem em blocos de função interconectados, cada
um dos quais podendo ser escrito em linguagens aprovadas pela IEC, como, por exemplo, Ladder, Grafcet e
C++. 
1. 
2. 
3. 
Operadora de instalações.
Fieldbus
Sistema de rede de comunicação industrial para controle em tempo real. Fonte: Wikipédia.
Essas funções são acionadas por tarefas. Por sua vez, cada tarefa é configurada para ser executada
continuamente, em um loop, ou acionada por entradas fornecidas ao controlador ou por um relógio para dar
suporte ao comportamento periódico. 
Essa arquitetura original fornece resultados previsíveis com baixa probabilidade de falha, mas torna difícil (ou
até impossível) manejar o controlador diante dos desenvolvimentos na automação industrial, que exigem
muito mais flexibilidade. 
A Indústria 4.0 – ou internet das coisas industrial (IIoT) –
exige que os sistemas de controle cooperem muito mais
profundamente do que o permitido pela arquitetura original.
Desse modo, os CLPs individuais precisam não apenas
cooperar entre si, mas também trabalhar mais de perto com
sistemas que estão além da própria fábrica (na rede externa
da fábrica), até mesmo servidores na nuvem que processam
pedidos e solicitações de clientes em tempo real.
Há uma tendência adicional de maior uso de controle
distribuído no nível da máquina. Em vez de usar um CLP
para controlar a operação de uma máquina que pode
integrar vários atuadores e manipuladores robóticos, a
arquitetura distribui o controle em tempo real para subsistemas individuais. 
Essa tendência busca ampliar a capacidade de cada um dos CLPs, permitindo que, ao serem incorporados em
uma rede, eles sejam capazes de reagir entre si e a eventos gerados externamente, como, por exemplo,
alterações de última hora nos pedidos dos clientes, melhoria nos tempos de resposta e aumento na eficiência
operacional geral.
A crescente importância da rede e do controle distribuído exige que processadores mais poderosos
sejam usados em CLPs com capacidade para IIoT. Os principais requisitos são desempenho de
execução, espaço para lidar com protocolos de segurança aprimorados – como Transaction-Layer
Security (TLS) – e capacidade de memória suficiente para lidar com pilhas de protocolo de internet
(IP). Um processador de 32 bits baseado no ARM (Advanced RISC Machine) ou em uma arquitetura
semelhante pode fornecer a potência de computação central para o CLP.
A adição de instruções de processamento de sinal digital (DSP ou Digital Signal Processing) suporta o uso de
algoritmos de controle mais avançados, como a filtragem de Kalman, bastante comum em sistemas acionados
por motores. Isso permite, por exemplo, a estimação de estados de um veículo (de dinâmica desconhecida) a
partir de medidas de outro veículo. 
Observe os modelos a seguir:
DSP XC5630PV100B.
DSP TMS320C62x.
A transição para uma arquitetura DSP completa não é necessariamente algo fundamental. Alguns
controladores baseados na arquitetura ARM, por exemplo, permitem a adição de instruções focadas em DSP à
arquitetura ARM de uso geral. A arquitetura Blackfin, da Analog Devices, que fornece DSP de alto
desempenho, aumenta essas funções com as instruções de uso geral associadas às arquiteturas MCU
(unidades microcontroladas).
Para um melhor desempenho, uma abordagem cada vez mais comum é combinar um núcleo de
processador de uso geral com um que adicione os elementos de processamento de sinal digital
(DSP) para a execução das tarefas de controle em tempo real. Essa arquitetura permite que um
processador consiga lidar com tarefas de supervisão, gerenciamento, rede e processamento de alto
nível, enquanto os outros se concentram nas entradas e saídas industriais em tempo real e no
tratamento de interrupções. 
Alguns fabricantes – como a Renesas Technology Corporation, fabricante de semicondutores –
especializaram-se no desenvolvimento de dispositivos desse tipo. Por exemplo, o Renesas RX600 é um
microcontrolador de processamento de rede dedicado a executar tarefas de manipulação de pacotes com um
processador de 32 bits. Veja a imagem:
Renesas RX600.
Outras tecnologias de rede – como EtherCAT, que consiste em uma tecnologia de rede do tipo Ethernet
industrial de alto desempenho e bastante utilizada em monitoramento em tempo real – fornecem suporte para
redes determinísticas que oferecem a capacidade de suportar algoritmos de controle distribuído em tempo
real. O suporte para EtherCAT está embutido em diversos controladores, como a série XMC400 de MCUs, da
Infineon Technologies.
Exemplo
Com núcleos redundantes, é possível implementar maiores graus de tolerância a falhas do que é possível
com as arquiteturas CLP tradicionais. A família AURIX de MCUs multicore – processadores que possuem
mais de um núcleo –, da Infineon, implementa trêsnúcleos de processador, dois dos quais podem operar
em sincronia. 
Dois processadores que podem ser utilizados de
maneira sincronizada.
A utilização de núcleos operando em sincronia
possui uma grande vantagem na detecção de
erros. Os erros aleatórios (não sistemáticos) na
execução de instruções podem ser detectados
por discrepâncias entre os resultados obtidos
pelos núcleos sincronizados. Observe na
imagem ao lado.
Esse artifício é bastante simples, mas eficiente,
uma vez que os dois núcleos atuam em paralelo
processando as informações. Como os dados
utilizados pelos núcleos são iguais, resultados
equivalentes são esperados. 
Caso os resultados sejam discrepantes, um erro
é detectado. Quando há essa detecção, a operação pode ser repetida e verificada. Também é possível que um
técnico pare o sistema com segurança para verificações antes que qualquer produto seja danificado ou a
segurança do operador seja comprometida.
As operações a serem executadas também dependem cada vez mais da segurança das funções do CLP
devido à presença de uma conexão de rede que se estende até a nuvem. A característica on-line desses
novos dispositivos industriais torna fundamental a adoção de redes seguras e diferentes camadas de
segurança.
Saiba mais
Uma das estratégias mais comuns para preservação da segurança operacional dos controladores é a
utilização de login e senha nos acessos à rede. Assim, os CLPs têm de ser autenticados antes de estar
autorizados a ingressar em um sistema de controle distribuído, precisando, em troca, autenticar a própria
rede. Quaisquer transações capazes de afetar a operação precisam ser autenticadas e criptografadas
para evitar a interceptação e a modificação por hackers. 
Um requisito fundamental é que uma raiz confiável de hardware seja incorporada ao hardware central do CLP.
Isso pode estar no núcleo do MCU ou ser fornecido com o uso de cripto-processadores especializados e
dispositivos de memória seguros que não permitam que o sistema conclua o processo de inicialização, a
menos que tenham certeza de que a imagem de inicialização não foi comprometida e que os dispositivos
conectados ao CLP são válidos. 
Essas estratégias de segurança são fundamentais, uma vez que o acesso de pessoas mal-
intencionadas pode provocar danos severos e até mesmo irreversíveis, além da apropriação indevida
de dados sigilosos.
O Cypress Semiconductor PSoC 6 da empresa Infineon Technologies reúne os conceitos de processamento
embutido dual-core e segurança integrada. O MCU combina um ARM Cortex-M4 para processamento de alto
nível para uma resposta rápida a eventos de entrada e saída do controlador. Seu ambiente de execução
confiável protege o acesso ao armazenamento de dados local para evitar que hackers tenham acesso a 
firmwares (programa que fornece controle de baixo nível para o hardware do controlador) confidenciais.
Controladores e IIOT
Junto com a tendência de adoção de sistemas de controle distribuído, está a contínua miniaturização de
todos os componentes de um sistema de controle e da eletrônica de maneira geral. A redução nas dimensões
Módulos de entrada e saída DC (DC Input and Output)
em um CLP.
dos dispositivos tem permitido, entre outras vantagens, a adoção de sistemas embarcados, além de contribuir
para uma maior facilidade de manutenção e instalação dos periféricos. 
Sistemas embarcados
Sistemas com mais complexidade computacional e capazes de agir de forma independente.
Placas como a NodeMCU ESP-8266 e a ESP-32 são placas de desenvolvimento que possuem uma
capacidade razoável de processamento e apresentam capacidade de conexão com a rede (wi-fi), o que pode
ser visto na imagem a seguir. Essa versão miniaturizada de um controlador possibilita a implementação de
pequenas arquiteturas do tipo IoT e IIoT com periféricos de entrada e saída de dados.
Placa NodeMCU ESP-8266.
Na maioria dos controladores, as conexões de entrada e de saída continuam baseadas em blocos terminais de
parafuso convencionais. No entanto, em casos específicos, os controladores apresentam conectores
especialmente compatíveis com periféricos desenvolvidos pelos fabricantes dos controladores. 
Embora seja possível construir uma única placa
CLP que suporte a configuração mais comum
de portas de E/S analógicas e digitais, ainda é
mais comum o uso de uma arquitetura de E/S
modular. Trata-se de módulos conectados por
barramento aos módulos de processamento e
condicionamento de sinais, como pode ser
visto na imagem à direita.
Como vimos na imagem apresentada
anteriormente, um aumento no número de
entradas e saída de um CLP pode ser obtido
pelo uso de placas de expansão E/S, as quais,
por sua vez, podem ser conectadas a um
barramento ou montadas diretamente na placa-
mãe do CLP.
Algumas técnicas de otimização foram desenvolvidas de maneira a permitir que os controladores que atuam
de maneira on-line não apresentem períodos de inatividade elevados. 
Hot-plug.
MUSBR-4593-M0.
Exemplo
Um CLP pode suspender a operação normal, mas permanecer no controle de outros subsistemas
enquanto é realizada uma troca de uma das placas de E/S. Isso significa que, nos controladores
modulados, a intervenção em um módulo de entrada não paralisa todas as ações do controlador. 
Esse requisito exige um design de conector que ofereça fácil acoplamento de placas de expansão junto com
alta densidade de pinos e um esquema de retenção que garanta que as placas não possam ser separadas,
exceto por um técnico de manutenção. Esse tipo de configuração permite o desenvolvimento de tecnologias
do tipo hot-swap (troca a quente), ou seja, o controlador não precisa ser colocado em modo stop para que a
troca seja executada. 
Para evitar danos aos componentes eletrônicos
durante as trocas, dispositivos de interface hot-
plug precisam ser usados.
 
Para fornecer proteção adicional contra
situações de sobretensão e sobrecorrente
enquanto o sistema está funcionando – uma
ameaça sempre presente no ambiente industrial
–, o isolamento nas placas de expansão precisa
estar adequadamente instalado.
Embora os optoacopladores tenham sido
frequentemente usados para fornecer
isolamento, tecnologias baseadas em
transformadores e barreiras elétricas de alta
tensão semelhantes permitem um isolamento compacto entre E/S externa e eletrônica de condicionamento de
sinal e funções lógicas mais delicadas dentro do CLP principal. A série Si8xxx de isoladores digitais da Silicon
Labs e a tecnologia iCoupler da Analog Devices são exemplos de alternativas confiáveis e compactas aos
optoacopladores.
A configuração do CLP e a expansão periférica podem ser
fornecidas por meio de interfaces de alta velocidade, como
o USB. Conectores especializados – como o design USB-C
de nível industrial denominado MUSBR, desenvolvido pela
empresa Amphenol – fornecem robustez adicional com
recursos, como, por exemplo, vedações IP67. Da mesma
forma, para conexão com a infraestrutura Ethernet, o IX da 
HARTING Technology Group traz robustez para um projeto
de conector industrial em miniatura.
A fonte de alimentação a ser utilizada é uma consideração
importante para o projeto, pois a redução do tamanho do
inversor significa que muitos CLPs avançados terão de
priorizar o uso da convecção natural em vez de utilizar
ventiladores volumosos para resfriamento, já que eles
precisam reduzir o consumo energético.
Exemplo de conversor DC/DC.
Exemplo de VANT.
Os conversores DC/DC de alta integração agora
oferecem eficiências superiores a 90%. Por
meio de operação multifásica, eles são capazes
de suportar eficiências tão altas em uma ampla
gama de condições de carga, permitindo não só
que o CLP gere altas correntes de saída quando
necessário para operar máquinas, mas também
que mude facilmente para modos quiescentes
de economia de energia.
Por intermédio dessas várias mudanças
baseadas em componentes e subsistemas
prontamente disponíveis, a arquitetura CLP
pode acomodar as necessidades da IIoT e
trazer maior resiliência, robustez e custo-benefício à automação industrial.
A tecnologiabaseada em sensores difundida pela IoT permitiu conectar máquinas, equipamentos de
armazenamento e outros dispositivos nos meios doméstico e industrial. A evolução dessa nova arquitetura
tecnológica também fez com que fosse possível incluir novas ramificações, como a IIoT, possibilitando
mudanças e comunicações nas configurações de fábrica. 
As máquinas e os equipamentos que mantêm as operações em funcionamento podem, em última análise,
comunicar-se entre si para compartilhar informações importantes e confidenciais com executivos e gerentes.
Resumindo
Geralmente, esses dados oferecem insights sobre o que requer atenção imediata, ou seja, as demandas
urgentes do processo industrial. Seja uma peça ou uma função defeituosa que está com problemas, a
gerência recebe as informações e decide as próximas etapas. 
Também é possível observar uma mudança nas tecnologias IoT e IIoT para atender às demandas do mundo
automotivo. Caminhões, ônibus e outros veículos autônomos (sem motorista) já são uma realidade, podendo
ser vistos circulando pelas ruas em diversas cidades. Os carros deixarão de ser controlados por motoristas
humanos, eliminando o risco de erro e mantendo as populações seguras no processo. 
As frotas da empresa também serão
controladas por computador, garantindo que as
entregas usem menos tempo e energia e
cheguem sempre no prazo. Hoje, empresas de 
delivery utilizam veículos remotamente
operados para realizar entregas de produtos
para cliente. Em pouco tempo, veículos do tipo
VANT (veículos aéreos não tripulados) serão
responsáveis por um número cada vez maior de
entregas ao redor do mundo.
Ainda é possível notar a utilização dessa
tecnologia no monitoramento dos veículos,
acompanhando as necessidades de
manutenção (preventivas ou corretivas), como trocas de óleo e pressões em pneus, entre outras. A IIoT, no
entanto, está programada para crescer muito mais. 
Nos últimos anos, já foi observada a evolução da IIoT para abranger os setores médico e de saúde. No período
da pandemia, por exemplo, a necessidade de isolamento social levou à necessidade de atendimentos
remotos, mostrando ser possível uma integração maior entre tecnologia e serviços médicos básicos. Essa
Exemplos de dispositivos vestíveis.
Modelo de controlador lógico programável.
integração levou ao desenvolvimento de dispositivos de monitoramento para auxiliar no atendimento ao
paciente. 
Graças a esses dispositivos, os médicos podem monitorar
pacientes e até mesmo administrar tratamentos
terapêuticos e medicamentos remotamente. Se ocorrer uma
emergência, o médico responsável será capaz de solicitar
veículos de emergência e outros serviços para garantir que
a pessoa receba a ajuda necessária. Tudo isso e muito mais
pode ocorrer a partir de dispositivos vestíveis simples que
monitoram os sinais por intermédio de sensores e
transmitem essas informações.
Saiba mais
Dispositivos vestíveis: Dispositivos desenvolvidos como peças de vestuário. 
Também é uma realidade a extensão da segurança de dados por meio de centros de “nuvem” denominados 
clouds. Grandes ou pequenos, esses centros podem abrigar grandes fluxos de dados para empresas,
garantindo que informações confidenciais nunca sejam adulteradas ou comprometidas.
Como já apontamos, o termo CLP significa 
controlador lógico programável. Esse
controlador pode ser visto como um
computador industrial programado para
monitorar e controlar aplicações de fábrica,
como linhas de montagem e equipamentos de
plantas robóticas. Originalmente, tais
controladores foram projetados para a indústria
automotiva na tentativa de reduzir os efeitos
danosos nos operadores promovidos pelas
atividades repetitivas.
Com o passar dos anos, os CLPs passaram a
ser encontrados em praticamente todas as
fábricas graças às características que esses controladores apresentam de se adaptar para atender às
crescentes necessidades de produção. Atualmente, os CLPs estão desfrutando de novas vantagens, como
velocidades mais rápidas, atualizações de memória e tamanhos mais convenientes.
Ao longo dos anos, as fábricas empregaram amplamente painéis de relés e temporizadores para controlar as
operações. Esses equipamentos permitiram a implementação dos primeiros sistemas de controle nos
processos produtivos. Entretanto, por serem essencialmente eletromecânicos, eles possuíam uma vida útil
limitada a poucas operações e demandavam reparos frequentes, além de terem grandes dimensões.
Imagem conceitual de linguagem de programação .
Com o desenvolvimento dos CLPs, esses equipamentos ora
fundamentais foram gradativamente se tornando obsoletos.
A linguagem de programação dos controladores (a mais
conhecida é representada pela lógica ladder) foi
simplificada ao longo do tempo a fim de tornar a utilização
desses controladores mais atraente para os meios
industriais.
Além disso, os CLPs foram atualizados em novas formas
(em acordo com as definições expostas na IEC 61131-3)
para tornar esses sistemas padronizados. Os CLPs também
passaram por um processo significativo de melhoria no
campo da comunicação, garantindo que os funcionários e
os gerentes das fábricas conseguissem trabalhar remotamente e, ainda assim, obter acesso seguro a dados
importantes.
O mercado global de CLPs é supera a cifra de US$16 bilhões por ano e vem crescendo a cada ano.
Diversos controladores podem ser utilizados nos meios industriais, mas uma das vantagens dos
CLPs é o fato de eles poderem ser implantados em ambientes agressivos, mesmo em instalações
com calor extremo, ruído, poeira e outras variáveis. Sem eles, a automação fabril como a atual seria
muito diferente ou possivelmente não existiria.
Os CLPs existem desde o final dos anos 1960 e, de certa forma, não mudaram muito desde então. Eles
atendem a uma necessidade comum de controle de máquinas em tempo real nas indústrias dos mais
diferentes setores e constituem um dos pilares da cultura de automação de fabricação. 
CLPs e a indústria 3.0 a 4.0
Na segunda metade do século XX, as fábricas começaram a incorporar tecnologia de automação e eletrônicos
sofisticados em seus processos de produção, iniciando um período agora conhecido como a Terceira
Revolução Industrial.
Os CLPs foram essenciais nessa mudança na produção e desempenharam um papel fundamental na adoção
da Indústria 3.0. Nos anos seguintes à revolução, as empresas passaram a implementar sensores conectados
à internet, sistemas de dados avançados e outras tecnologias que se enquadram na internet das coisas – um
processo que é considerado a Quarta Revolução Industrial. 
Os CLPs são fáceis de usar e confiáveis. Além disso, comprovadamente funcionam bem nos meios
industriais e são precisos. Desse modo, foi fundamental alterá-los para que pudessem ser utilizados
nessa nova era industrial.
As vantagens dos CLPs que possibilitaram a inserção rápida e concreta deles no meio industrial envolvem
suas muitas habilidades já estabelecidas na indústria de manufatura, sua simplicidade de manutenção e sua
facilidade de montagem e programação pelos técnicos de automação. A maioria dos operadores que usa os
controladores não entende uma linguagem de script, normalmente utilizada na programação dos
microcontroladores. Dessa forma, eles se sentem confortáveis em trabalhar com os CLPs por eles terem uma
linguagem mais acessível.
Destacaremos a seguir alguns dos recursos que os mais diferentes profissionais dos setores industriais
esperam de um aplicativo CLP aplicado à IIoT:
Petróleo e gás
Para um empreiteiro de EPC (engenharia, aquisição e construção) que trabalhe em uma planta de gás,
seria importante acessar remotamente os dados para monitorar o processamento e a composição do
biogás antes de ele ser injetado nos dutos. Isso ajudaria não apenas a garantir que o sistema esteja
funcionando corretamente, mas também a fazer uma manutenção preventiva, tornando possível
alertar o cliente sobre quaisquer correções necessárias.
Tratamento de água
Uma instalação de processamento de resíduos sólidos que permita monitorar se as plantas estãooperando adequadamente.
Companhias de telefonia
Seria possível monitorar a integridade de suas linhas telefônicas para garantir que elas estejam
funcionando em caso de emergência.
Embalagem
Uma empresa que fabrica embalagens especiais por meio máquinas injetoras, buscando soluções
para monitorar as máquinas e receber alertas de paradas. Ela também deverá ser capaz de recuperar
dados sobre a velocidade das máquinas de moldagem por injeção para que possa ser alertada
sempre que o tempo de ciclo for afetado. Isso ajudará a otimizar suas operações e aumentar a
produção.
Original Equipment Manufacturer (OEM)
Um OEM que fabrica equipamentos de processamento químico para empresas de processamento de
resíduos de papel e água e que deseja centralizar os dados de seus vários sistemas de alarme. A
utilização da tecnologia IIoT em conjunto com os controladores lógicos programáveis lhe permitiria ver
detalhes do que acionou determinado alarme e a visualização de todos os dados remotamente.
Além disso, essa tecnologia permitiria o desenvolvimento de uma interface de usuário limpa para que
os dados possam ser facilmente interpretados em todos os departamentos. Por fim, esse sistema
também permite controlar remotamente os sistemas a fim de que não seja necessário enviar um
especialista para atender os clientes fora do estado para problemas facilmente resolvidos.
Fabricação de alimentos e bebidas
Uma empresa que produz ingredientes para os setores de panificação, confeitaria e chocolate
procura seguir protocolos específicos de produção em cadeia. Com a utilização da tecnologia IIoT, é
possível automatizar a coleta de dados para auditorias de órgãos de fiscalização.
Além disso, é possível desenvolver sistemas de alertas automatizados em vez dos sistemas atuais de
alertas manuais para eventos importantes, o que acontece, por exemplo, quando uma caldeira
desliga.
Refrigeradores industriais
A utilização de uma nova tecnologia de refrigeração capaz de salvar os dados coletados e de
monitorar remotamente suas instalações usando um painel on-line.
Mineração, energia e manufatura industrial
Um grupo de engenharia que presta consultoria em soluções para empresas de mineração, energia e
manufatura industrial pode oferecer um serviço de IoT para seus clientes. Com isso, tais clientes
podem usar as informações de instrumentos e processos, as quais vão para um sistema SCADA a ser
hospedado em um serviço de nuvem amigável cujas equipes de gerenciamento e engenharia possam
visualizar remotamente. Também seria possível o controle remoto, permitindo ligar e desligar as
saídas dos controladores.
Combustão industrial
Um grupo de engenharia especializado no desenvolvimento de queimadores aplicados em fornos e
caldeiras industriais pode tornar os dados de queimadores, fornos e controladores prontamente
disponíveis por meio da internet com o uso da IIoT.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
Sincronização entre processadores
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Evolução dos CLPs
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Tecnologias dos CLPs
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Verificando o aprendizado
Questão 1
A nova Revolução Industrial (também chamada de era da Indústria 4.0) é caracterizada pelo uso de
tecnologias modernas que exploram novos conceitos, como sistemas embarcados, IoT e inteligência artificial,
entre outros conceitos. As arquiteturas dos novos sistemas industriais adaptados à Indústria 4.0 são
caracterizados pela adoção de um controle distribuído. De que forma isso pode ser observado?
A
Centralização dos diversos elementos que compõem a planta.
B
Utilização de poucos sensores nos processos industriais.
C
Independência de controladores nos processos industriais.
D
Integração entre vários atuadores e manipuladores em tempo real.
E
Comunicação apenas entre algumas partes que formam a planta industrial.
A alternativa D está correta.
Os sistemas industriais que atendem aos requisitos da Quarta Revolução Industrial utilizam, em sua
essência, sistemas modernos que empregam novas tecnologias, como, por exemplo, internet das coisas
industrial, sistemas embarcados, inteligência artificial e comunicação em tempo real.
Questão 2
A crescente demanda pelo uso das redes de dados nos processos produtivos industriais modernos torna
necessário, para não dizer essencial, o uso de processadores mais poderosos, sendo capazes inclusive de
lidar com:
A
protocolos de segurança sofisticados.
B
sistemas pneumáticos, mas não elétricos.
C
sistemas eletromecânicos, exclusivamente.
D
sistemas de áudio e vídeos sem a capacidade de transmissão em tempo real.
E
exclusivamente protocolos de comunicação do tipo Hart.
A alternativa A está correta.
Os processadores modernos com maior capacidade de processamento e módulos de redundância são
capazes tanto de lidar com informações em tempo real e processamento digital de sinais quanto de
executar protocolos de segurança, que são essenciais para lidar com as informações distribuídas em redes
abertas e a comunicação via internet.
Exemplo de sistema SCADA.
2. Sistemas supervisórios e internet das coisas industrial
Vamos começar!
O sistema SCADA e a IIoT
Neste vídeo, o especialista aborda os principais conceitos e aspectos que deverão ser observados durante o
estudo deste módulo.
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Sistema SCADA
O sistema SCADA (sistema de controle de supervisão e aquisição de dados) é um software para o controle de
processos industriais. O sistema realiza a coleta de dados em tempo real de locais remotos para permitir o
controle de equipamentos e o monitoramento das condições operacionais também em tempo real. 
O SCADA fornece às organizações as
ferramentas necessárias para tomar e
implementar decisões baseadas em dados dos
processos industriais. Um dos tipos mais
usados de sistema de controle industrial, o
SCADA pode gerenciar praticamente qualquer
tipo de processo industrial.
Os sistemas SCADA incluem componentes de
hardware e software. O hardware coleta e
alimenta os dados em sistemas controladores
de campo, que encaminham os dados para
outros sistemas. Por sua vez, esses sistemas
processam e apresentam os dados a uma
interface homem-máquina (IHM) em tempo hábil (real time).
Os sistemas SCADA também possibilitam registrar todos os eventos para relatar o status e os problemas do
processo. Os aplicativos SCADA ainda permitem gerar avisos quando as condições se tornam perigosas por
meio da emissão de alarmes.
Componentes de um sistema SCADA
Os sistemas SCADA incluem componentes implantados em campo para coletar dados em tempo real, bem
como sistemas relacionados para permitir a atuação e possibilitar a automatização dos processos industriais. 
Os componentes SCADA incluem o seguintes itens:
Sensores e atuadores
Sensor é um recurso de um dispositivo ou sistema que detecta entradas de processos industriais. Já
o atuador é um recurso do dispositivo ou sistema que controla o mecanismo do processo. Em termos
simples, um sensor funciona como um medidor, que exibe o status de uma máquina ou a variável de
um processo, enquanto um atuador atua como um interruptor, um elemento ativo ou até uma válvula
de controle que pode ser usado para controlar um dispositivo ou processo. Ambos são controlados e
monitorados por controladores de campo equipados com um sistema SCADA.
Controladores de campo SCADA
Eles interagem diretamente com os sensores e atuadores distribuídos pelo campo. Existem duas
categorias de controladores de campo:
Unidade terminal remota – também chamada de unidades de telemetria remota (UTRs), ela faz
a interface com sensores ou dispositivos instalados em campo para coletar dados de
telemetria e encaminhá-los para um sistema primário para ação adicional.
Controladores lógicos programáveis (CLPs) – fazem a interfacecom atuadores para o controle
de processos industriais geralmente baseados na telemetria de corrente coletada pelas UTRs
e nos padrões estabelecidos para os processos.
Computadores supervisórios SCADA
Eles controlam todos os processos SCADA, sendo usados para coletar dados de dispositivos de
campo e enviar comandos a tais dispositivos a fim de controlar processos industriais.
Software IHM (interface homem-máquina)
Ele fornece um sistema que consolida e apresenta os dados dos dispositivos de campo obtidos pelo
sistema SCADA. Também permite que os operadores entendam e, se necessário, modifiquem o status
dos processos controlados pelo SCADA.
Infraestrutura de comunicação
Permite que os sistemas supervisórios SCADA se comuniquem com dispositivos e controladores de
campo. Essa infraestrutura ainda possibilita que os sistemas SCADA coletem dados de dispositivos de
campo e controlem esses dispositivos.
O SCADA, às vezes, é comparado com a IIoT. Embora haja uma sobreposição considerável, os dois termos,
porém, são diferentes. 
Os sistemas SCADA tendem a fornecer sistemas monolíticos mais completos com forte integração entre níveis
e dispositivos, enquanto os sistemas baseados em IIoT conferem maior interoperabilidade e mais opções para
implantar sistemas e dispositivos em uma organização com o uso da internet.
Características dos sistemas SCADA
Embora os sistemas SCADA possam incluir recursos especiais para indústrias ou aplicações específicas, a
maioria dos sistemas suporta recursos, como, por exemplo:
A aquisição de dados – é a base dos sistemas SCADA. Os sensores coletam dados e os entregam aos
controladores de campo, que, por sua vez, alimentam os dados dos computadores equipados com o
SCADA.
O controle remoto – realizado por meio do controle de atuadores de campo com base nos dados
adquiridos dos sensores de campo.
A comunicação de dados em rede habilita todas as funções SCADA. Os dados coletados dos sensores
devem ser transmitidos aos controladores de campo. Já esses controladores se comunicam com os
computadores supervisórios. Comandos de controle remoto são transmitidos de volta aos atuadores
dos computadores dos sistemas de supervisão.
A apresentação dos dados é feita por meio de IHMs, que representam dados atuais e históricos para os
operadores que operam o sistema SCADA.
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Dados históricos e em tempo real são partes importantes do sistema SCADA, pois permitem que os
usuários acompanhem o desempenho atual em relação às tendências históricas.
Alarmes alertam os operadores SCADA para condições potencialmente significativas no sistema. Os
alertas podem ser configurados para notificar os operadores quando os processos são bloqueados,
quando os sistemas estão falhando ou quando outros aspectos dos processos SCADA precisam ser
interrompidos, iniciados ou ajustados.
Os relatórios sobre as operações do sistema SCADA podem incluir relatórios sobre o status do sistema
e o desempenho do processo, assim como relatórios personalizados para usos específicos.
Arquitetura SCADA
Os sistemas SCADA operam em cinco dos seis níveis definidos na Purdue Enterprise Reference Architecture
(PERA). Desenvolvida na década de 1990, a PERA consiste em um modelo de referência para arquitetura
corporativa tendo em vista a integração corporativa:
Nível 0
O nível de campo inclui dispositivos de campo, como sensores, usados para encaminhar dados
relativos a processos de campo, e atuadores, usados para controlar processos.
Nível 1
O nível de controle direto inclui controladores locais (como CLPs e RTUs) que fazem a interface
diretamente com dispositivos de campo, incluindo a aceitação de entradas de dados de sensores e o
envio de comandos para atuadores de dispositivos de campo.
Nível 2
O nível de supervisão da planta inclui sistemas supervisórios locais que agregam dados de
controladores do nível 1 e emitem comandos para que esses controladores executem.
Nível 3
O nível de controle de produção inclui sistemas de supervisão de todo o sistema que agregam dados
do sistema de nível 2 para produzir relatórios contínuos para o nível de programação de produção,
bem como outras funções locais ou regionais, como alertas e relatórios.
Nível 4
O nível de programação de produção inclui sistemas de negócios usados para gerenciar processos
em andamento.
Quase todas as indústrias trabalham com um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados
(SCADA). Esse é o tipo de sistema do qual todo o trabalho industrial depende muito. 
O SCADA fornece uma visão aos supervisores sobre as condições da planta. Por esse motivo, ele é usado em
quase todas as verticais industriais para acessar toda a planta a partir de uma sala de controle.
Antes do SCADA, a Revolução Industrial deu uma guinada drástica com a Indústria 3.0, que começou por meio
da automação parcial dos processos, em que as indústrias usavam controles e computadores programáveis
por memória. Durante essa revolução, a internet foi introduzida como o grande avanço para toda a
automatização industrial. 
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HMI SCADA Design Plano Industrial.
Rede de dados cabeada.
A invenção de computadores e softwares foi considerada revolucionária e levou à automação de tarefas,
sendo também conhecida como automação inteligente.
Uma das grandes vantagens dos sistemas
SCADA é possibilitar o controle e a aquisição de
dados via software e hardware e permitir às
indústrias controlar os processos produtivos
tanto de maneira local quanto remota. Muitas
indústrias, como as que lidam com sistemas de
águas residuais, energia, petróleo e gás,
manufatura e produção de alimentos, usam
sistemas SCADA para coletar, monitorar e
processar os dados em tempo real.
Além disso, com a introdução do SCADA, ficou
muito mais simples gerenciar os processos
industriais e ter uma interação direta com
dispositivos, como válvulas, bombas e motores. O SCADA ajudou as indústrias a monitorar e controlar
equipamentos industriais em todos os segmentos, como, por exemplo, desenvolvimento, produção e
fabricação. 
Um sistema SCADA básico é composto por:
Interface homem-máquina;
Sistema de supervisão;
Unidades terminais remotas;
Controladores lógicos programáveis (CLPs);
Infraestrutura de comunicação;
Programação SCADA.
Todos esses componentes, quando combinados, formam um sistema SCADA funcional no qual a interface
homem-máquina é um dispositivo de entrada-saída, permitindo que um operador humano controle os dados.
O sistema supervisório é um servidor de comunicação que conecta a interface homem-máquina com outros
equipamentos, como CLPs e dispositivos sensores.
As unidades terminais remotas são utilizadas para transmitir os dados registrados para os sistemas
supervisórios. Além disso, os CLPs funcionam por meio de sensores e contribuem com grande parte do
monitoramento em tempo real do processamento industrial.
Como funciona um sistema SCADA?
Os sistemas SCADA são importantes e confiáveis, porque fornecem uma grande quantidade de dados para a
tomada de decisões de negócios inteligentes. Sensores, controladores e unidades de tempo real
desempenham um papel importante na coleta de dados. 
O sistema em tempo real consiste em um grande número de sensores que coleta os dados no local. Para
garantir que todo o sistema funcione perfeitamente, é importante monitorar esses sensores.
O sistema SCADA usa uma rede de dados (cabeada ou sem
fio) para a comunicação eficaz entre o usuário e os
dispositivos. Como muitos dados são obtidos por meio de
sensores, eles devem ser mantidos protegidos para uma
comunicação de dados eficaz. Desse modo, os sistemas
SCADA precisam utilizar uma comunicação em rede segura
para a transmissão de dados.
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Modelo de IHM.
Como uma grande quantidade de dados é
coletada por meio de dispositivos sensores, a
conversão desses dados em informações úteis
se torna uma tarefa bastante importante. À
medida que se torna complexo lidar com
grandes números de sensores
simultaneamente, o sistema SCADA utiliza a
IHM para reunir todosos dados dos sensores e
transformá-los em informações efetivas.
Como o SCADA usa IHM, as informações
exibidas precisam ser monitoradas por
humanos. A IHM fornece o acesso de várias
unidades de controle e CLPs.
Os sistemas SCADA usam interruptores para operar cada dispositivo. Esses interruptores ajudam a ligar e
desligar cada dispositivo. Apesar de funcionarem automaticamente, sem intervenção humana, os sistemas
SCADA devem ser usados manualmente em certas situações.
A automação industrial está evoluindo de tal forma que, em muitos processos, os robôs podem ser utilizados
para substituir a mão de obra humana. Uma revolução maior ainda é esperada com a introdução da internet
das coisas industrial ou Indústria 4.0.
Como a IOT assumiu o SCADA e o CLP?
A internet das coisas (IoT) é um conceito avançado que as indústrias estão aceitando amplamente devido às
técnicas baseadas em sensores e em abordagem orientada por dados. Ela permite que os sistemas industriais
criem estratégias para suas decisões de negócios e melhorem as brechas para servir com melhor qualidade.
Exemplo
Se um sistema SCADA estiver gerando relatórios detalhados, o uso de uma solução IoT poderá melhorar
o formato e fornecê-los de maneira muito mais simples e eficaz. Além disso, as soluções tecnológicas
auxiliam no compartilhamento dos relatórios diretamente para a matriz ou qualquer pessoa específica. 
A Indústria 4.0 é uma era e uma revolução que tornou tudo automatizado e mudou a dinâmica de toda a
estrutura vertical da indústria. Nesse contexto, o CLP é a tecnologia que acompanhou o SCADA nas últimas
décadas, mas ficou desatualizado devido ao avanço tecnológico.
Até os CLPs recebem dados de sensores, que processam esses dados e os enviam para registro ou
monitoramento de acordo com os parâmetros programados. Os CLPs podem registrar e monitorar dados em
tempo real, como temperatura de operação, umidade, vazão e pressão, entre outros. Eles ainda podem iniciar
e parar automaticamente os processos, consequentemente gerando alarmes se ocorrer algum mau
funcionamento.
A IoT industrial evoluiu como uma tecnologia melhor em relação aos tradicionais SCADA e CLP. Sem
dúvida, seus recursos inteligentes são altamente adaptáveis às indústrias modernas de hoje. A
maioria das estatísticas de muitas indústrias concluiu que a força dos sistemas SCADA era relevante
na revolução da Indústria 4.0. Com isso, a IoT industrial surgiu como uma tecnologia implementada
em cima do SCADA. Parâmetros como escalabilidade e inteligência analítica surgiram com a
introdução da tecnologia disruptiva da IIoT.
Os dados gerados a partir de sistemas SCADA ainda atuam como fonte de dados para a IoT industrial. A IIoT
se concentra na análise dos dados granulares da máquina para melhorar a produtividade, enquanto o SCADA
costumava se ater ao monitoramento e ao controle. 
A IIoT, portanto, trouxe uma onda de novos negócios para mudar o cenário do SCADA.
A diferença entre a internet das coisas e os sistemas SCADA na utilização dos meios industriais pode ser
destacada em:
Escalabilidade
Nos sistemas SCADA, devido à sua arquitetura tradicional, quando o número de usuários aumenta,
isso degrada drasticamente o desempenho do sistema. Além disso, também leva mais tempo para
executar relatórios de plantas localizadas em países e regiões diferentes da planta central.
A IoT tem a capacidade de ingerir e processar uma enorme quantidade de dados de sensores e
permite conectar qualquer coisa relevante usando protocolos, como MQTT, HTTPS, XMPP, COAP e
REST, por exemplo, alimentados por escalabilidade sob demanda devido à arquitetura sem servidor.
Análise de dados
O principal uso do SCADA é para a operação diária da planta e para a ingestão e armazenamento de
uma quantidade finita de dados sem a preservação de dados históricos para análises mais profundas.
A IIoT envolve a retenção de dados de longo prazo para analisar ainda mais os dados a fim de prever
cronogramas de manutenção, reduzir o tempo de inatividade geral e prolongar a vida útil do
equipamento. Além de permitirem análises preditivas e manutenções preventivas, os recursos da IIoT
suportam inclusive módulos do tipo machine learning.
Padronização
Os sistemas SCADA usam principalmente OPC (protocolos de comunicação aberto) para a coleta de
dados. Esse é um padrão que resistiu ao teste do tempo, mas suas principais desvantagens são que
ele depende da tecnologia DCOM e que os dispositivos não podem coletar ou trocar dados entre si
independentemente da área de cobertura.
O principal objetivo da IoT industrial é padronizar redes de sensores, coleta de dados e agregação.
Padrões de IoT, como OPC arquitetura unificada (OPC UA), já estão sendo usados para definir a
comunicação segura em tempo real dentro de uma planta com diferentes dispositivos de controle e
sensores de diferentes fornecedores. A segurança é incorporada aos padrões IoT com suporte para
MQTT, HTTPS, RAML etc.
Interoperabilidade
Em sistemas SCADA, os dispositivos não fabricados pelo mesmo fabricante não podem se integrar
facilmente. Às vezes, até mesmo versões diferentes do mesmo fabricante apresentam o desafio de
fazê-las funcionar de forma intercambiável. Por isso, o SCADA fornece processos de negócios
distribuídos que funcionam em silos.
Os ecossistemas de IoT industrial ainda permanecem fragmentados. No entanto, existem protocolos,
como o MQTT, que permitem que as plataformas se comuniquem entre dispositivos
independentemente do fornecedor.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
Constituição do sistema SCADA
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Comparação entre os sistemas SCADA e IIoT
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Protocolos de comunicação
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Verificando o aprendizado
Questão 1
Os sistemas industriais são formados por diversas estruturas que permitem monitorar e controlar as plantas
produtivas. Nos sistemas do tipo SCADA, são utilizados elementos (dispositivos) capazes de atuar nos
processos produtivos, como interruptores ou elementos ativos. Como esses elementos são chamados?
A
Atuadores
B
Sensores
C
Controladores
D
RTUs
E
CLPs
A alternativa A está correta.
Os elementos atuadores são os dispositivos de uma máquina ou de uma planta de processo produtivo que
faz as movimentações das estruturas físicas no processo produtivo.
Questão 2
Os controladores instalados em campo são componentes fundamentais dos sistemas SCADA. Entre os
diferentes tipos de controladores, aqueles que permitem a interface com os sensores para a coleta de dados e
o encaminhamento para os sistemas primários são denominados:
A
CLPs
B
UTRs
C
Sensores
D
Atuadores
E
IHMs
A alternativa B está correta.
Uma UTR (unidade terminal remota) é um dispositivo que faz a interface de elementos no mundo físico com
um sistema de controle distribuído (SCADA).
3. Conclusão
Considerações finais
Vimos neste conteúdo as estruturas originais dos CLPs e as adaptações necessárias para que eles sejam
utilizados nas indústrias 4.0, já que os controladores estão diretamente relacionados ao processo de
automação industrial das fábricas. No contexto de digitalização de fábricas, observamos ainda a importância
dos processadores e da combinação de unidades de processamento para processamento digital e aquisições
de dados em tempo real, bem como sua relevância para a evolução dos processos industriais.
Completando o laço CLP-internet-indústria, destacamos a importância dos sistemas de segurança, tendo em
vista que a utilização das redes abertas (internet) torna os sistemas fabris mais susceptíveis e,
consequentemente, vulneráveis.
Também abordamos o sistema SCADA e a IoT, discutindo se as integrações de tais sistemas com os
elementos sensores e atuadores e com a aquisição de dados. Eles diferem em muitos aspectos, mas
compartilham este objetivocomum: permitir a automatização, o monitoramento e o controle dos processos
produtivos.
Por fim, frisamos que um sistema SCADA é limitado quanto ao uso em um sistema de controle na Indústria 4.0,
enquanto a internet das coisas industrial é composta por vários dispositivos conectados entre si e possibilita
uma integração mais adequada aos sistemas de controle modernos. Isso ocorre porque os sistemas em IIoT
permitem que os objetos sejam controlados remotamente em diferentes redes e arquiteturas.
Em um sistema SCADA, é necessário gerar relatórios analíticos manualmente. Já com a solução baseada em
IoT, é possível automatizar esse processo a fim de economizar tempo e obter resultados de qualidade.
Podcast
Neste podcast, o especialista fala um pouco mais sobre conceitos relacionados à integração entre os
controladores lógicos programáveis (CLPs) e a internet das coisas na Indústria 4.0.
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melhor os sistemas supervisórios. A versão de estudante desse programa permite desenvolver pequenas
interfaces de operação e simular o funcionamento de um processo industrial.
Referências
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CHASE, O.; ALMEIDA, F. Sistemas embarcados. v. 10, n. 11, 2007.
 
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PAIOLA, C. E. G. O papel do supervisório no atual contexto tecnológico. InTech América do Sul, n. 132, 2012.
 
PARENTE, A. P. et al. Automação de processos industriais: do pneumático à indústria 4.0. Revista processos
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SANTOS, L. M. A. L. dos. et al. Industry 4.0 collaborative networks for industrial performance. Journal of
manufacturing technology management, 2020.
	CLPs na Indústria 4.0
	1. Itens iniciais
	Propósito
	Objetivos
	Introdução
	Conteúdo interativo
	1. Controladores lógicos programáveis e internet das coisas industrial
	Vamos começar!
	O conceito de internet das coisas na indústria
	Conteúdo interativo
	Modernização dos controladores
	Exemplo
	Saiba mais
	Controladores e IIOT
	Exemplo
	Resumindo
	Saiba mais
	CLPs e a indústria 3.0 a 4.0
	Petróleo e gás
	Tratamento de água
	Companhias de telefonia
	Embalagem
	Original Equipment Manufacturer (OEM)
	Fabricação de alimentos e bebidas
	Refrigeradores industriais
	Mineração, energia e manufatura industrial
	Combustão industrial
	Vem que eu te explico!
	Sincronização entre processadores
	Conteúdo interativo
	Evolução dos CLPs
	Conteúdo interativo
	Tecnologias dos CLPs
	Conteúdo interativo
	Verificando o aprendizado
	2. Sistemas supervisórios e internet das coisas industrial
	Vamos começar!
	O sistema SCADA e a IIoT
	Conteúdo interativo
	Sistema SCADA
	Componentes de um sistema SCADA
	Sensores e atuadores
	Controladores de campo SCADA
	Computadores supervisórios SCADA
	Software IHM (interface homem-máquina)
	Infraestrutura de comunicação
	Características dos sistemas SCADA
	Arquitetura SCADA
	Nível 0
	Nível 1
	Nível 2
	Nível 3
	Nível 4
	Como funciona um sistema SCADA?
	Como a IOT assumiu o SCADA e o CLP?
	Exemplo
	Escalabilidade
	Análise de dados
	Padronização
	Interoperabilidade
	Vem que eu te explico!
	Constituição do sistema SCADA
	Conteúdo interativo
	Comparação entre os sistemas SCADA e IIoT
	Conteúdo interativo
	Protocolos de comunicação
	Conteúdo interativo
	Verificando o aprendizado
	3. Conclusão
	Considerações finais
	Podcast
	Conteúdo interativo
	Explore +
	Referências