Sinésio, De Arruda - 2016 - Implementação de estratégias de controle de temperatura em um forno para secagem com carregamento por esteir

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Universidade Federal de Pernambuco 
Centro de Tecnologia e Geociências 
Curso de Especialização em Automação Industrial 
 
 
 
 
 
 
 
Implementação de estratégias de controle de temperatura em 
um forno para secagem com carregamento por esteira 
 
 
 
 
Diogo Sinésio Trajano de Arruda 
 
 
Orientador: Prof. Dr. Zanoni Dueire Lins 
 
 
 
 
 
Monografia apresentada ao Centro de 
Tecnologia e Geociências da Universidade 
Federal de Pernambuco como parte dos 
requisitos para obtenção do Certificado de 
Especialista em Automação Industrial 
 
 
 
 
 
 
Recife, 2016 
 
 
Resumo 
 
 
Implementação de estratégias de controle de temperatura em 
um forno para secagem com carregamento por esteira 
 
 
Diogo Sinésio Trajano de Arruda 
 
Março/2016 
 
Orientador: Prof. Dr. Zanoni Dueire Lins 
Área de Concentração: Automação Industrial 
Palavras-chave: Automação, CLP, Integração, Controle de Processos 
 
 
Neste trabalho, foi realizada a implementação de um sistema com estratégias de controle de 
temperatura de um forno, com inserção de produtos através de esteira. O projeto foi dividido em 
dois subsistemas, movimentação e controle de temperatura, para que fosse possível idealizar, 
analisar e constatar as melhorias alcançadas para utilização em um sistema de secagem. 
Os sistemas de secagem, assim como todos os outros processos que envolvem a temperatura como 
variável apresentam características comuns, como a dificuldade que surge ao se aplicar variações 
bruscas. Além disto, é importante ressaltar que o controle de temperatura é muito difundido no meio 
industrial devido a grande quantidade de processos que utilizam esta variável como base em 
sistemas de automação industrial. 
Apesar de tudo, ainda que existam muitas formas para realizar controle de variáveis de processo, 
como a temperatura, é interessante mostrar e comprovar novas possibilidades de realização destas 
atividades, sendo mais modernas e avançadas ou apenas diferentes, dado que não existe uma 
maneira ideal de realizá-las. E alguns fatores como a grande quantidade de equipamentos e 
dispositivos e a integração dos mesmos diversificam cada vez mais a forma como estas operações 
são feitas. 
Então, como uma nova possibilidade é criada através da realização deste trabalho, métricas de 
desempenho como tipo de operação, tempos de subida e acomodação e limites de temperatura são 
utilizadas para fins de comparação e análise do êxito da solução. 
Com uso de um Controlador Lógico Programável - CLP, e um conjunto para movimentação de 
produtos, onde estão inseridos um inversor de frequência e um motor, sendo todos estes 
equipamentos comandados por meio de um Sistema Supervisório, são feitos testes e obtém-se 
resultados importantes em relação à estrutura, operação e os tempos do sistema de controle, 
inclusive com melhoria comprovada neste último fator. 
 
 
 
 
 
Sumário 
 
Capítulo 1 - Introdução ........................................................................................................................ 1 
1.1 Situação Atual ............................................................................................................................ 4 
1.2 Motivação................................................................................................................................... 6 
1.2.1 Modernização baseada em avanço tecnológico .................................................................. 6 
1.2.2 Desempenho da solução proposta ....................................................................................... 7 
1.3 Objetivos .................................................................................................................................... 8 
1.4 Organização da Monografia ....................................................................................................... 9 
Capítulo 2 - Especificação e Tecnologias Disponíveis ...................................................................... 11 
2.1 Restrições do Projeto Proposto ................................................................................................ 11 
2.2 Especificações do Projeto Proposto ......................................................................................... 13 
2.3 Tecnologias Disponíveis .......................................................................................................... 14 
2.3.1 CLP ................................................................................................................................... 14 
2.3.2 Inversor de Frequência ...................................................................................................... 20 
2.3.3 Termopar ........................................................................................................................... 24 
2.3.4 RTD (Resistance Temperature Detector) .......................................................................... 27 
2.3.5 Sistema Supervisório......................................................................................................... 31 
2.4 Considerações Finais................................................................................................................ 32 
Capítulo 3 - Montagem do Projeto ..................................................................................................... 33 
3.1 Implementação do sistema de movimentação .......................................................................... 35 
3.1.1 Conexão entre inversor e motor ........................................................................................ 38 
3.1.2 Testes da ligação entre CLP e inversor ............................................................................. 38 
3.1.3 Controle de movimentação ............................................................................................... 39 
3.2 Implementação do controle de temperatura ............................................................................. 41 
3.2.1 Testes com placas de entrada analógica ............................................................................ 43 
3.2.2 Testes da programação do controle de temperatura .......................................................... 44 
 
 
3.2.3 Montagem do controle de temperatura ............................................................................. 47 
3.3 Conclusão das montagens ........................................................................................................ 49 
3.4 Descrição da parte lógica do controle do CLP ......................................................................... 51 
3.5 Programação do CLP ............................................................................................................... 53 
3.6 Implementação do Sistema Supervisório ................................................................................. 65 
3.5.1 Ambiente do Elipse E3 Studio .......................................................................................... 66 
3.5.2 Aplicação do projeto ......................................................................................................... 68 
3.7 Considerações Finais................................................................................................................ 71 
Capítulo 4 - Resultados obtidos ......................................................................................................... 73 
4.1 Sistema Supervisório................................................................................................................ 73 
4.2 Controle da Temperatura ......................................................................................................... 79 
4.3 Considerações Finais................................................................................................................ 85 
Capítulo 5 - Conclusões e Trabalhos Futuros ....................................................................................87 
5.1 Conclusões ............................................................................................................................... 87 
5.2 Trabalhos Futuros .................................................................................................................... 88 
Referências Bibliográficas ................................................................................................................. 89 
Anexos ............................................................................................................................................... 91 
A) Configuração dos parâmetros dos tags do driver MProt do Elipse E3 ..................................... 91 
 
 
 
 
Lista de Figuras 
 
Figura 1.1: Pirâmide dos Sistemas de Automação ............................................................................... 2 
Figura 1.2: Sistema de Controle de Malha Fechada ............................................................................ 3 
Figura 1.3: Sistema de secagem de caixas de papel ............................................................................. 5 
Figura 2.1: Tempos de subida e acomodação em um gráfico de saída .............................................. 12 
Figura 2.2: Estrutura do sistema proposto ......................................................................................... 14 
Figura 2.3: Passos para projeto de automação com CLP ................................................................... 16 
Figura 2.4: Diagrama de blocos da arquitetura do CLP ..................................................................... 17 
Figura 2.5: Diagrama dos estados do CLP ......................................................................................... 19 
Figura 2.6: Ciclo de varredura (scan) ................................................................................................. 20 
Figura 2.7: Diagrama de blocos de inversor de frequência................................................................ 21 
Figura 2.8: Diagrama dos blocos do inversor de frequência .............................................................. 23 
Figura 2.9: Esquema básico de um termopar ..................................................................................... 24 
Figura 2.10: Esquema de termopar conectado a voltímetro............................................................... 24 
Figura 2.11: Compensação de junção fria .......................................................................................... 25 
Figura 2.12: Cálculo da tensão resultante do termopar ...................................................................... 25 
Figura 2.13: Ponte de Wheatstone ..................................................................................................... 28 
Figura 2.14: Montagem de RTD em ponte, a dois fios ...................................................................... 29 
Figura 2.15: Montagem de RTD em ponte, a três fios ....................................................................... 30 
Figura 2.16: Montagem de RTD em ponte, a quatro fios .................................................................. 30 
Figura 3.1: Ambiente da Tela Inicial do software TIA Portal ........................................................... 34 
Figura 3.2: Diagrama esquemático do subsistema de movimentação ............................................... 35 
Figura 3.3: Especificações do Inversor de Frequência CFW10 ......................................................... 36 
Figura 3.4: Placa de identificação do motor WEG ............................................................................ 37 
Figura 3.5: Bornes XC1 do Inversor CFW10 .................................................................................... 37 
Figura 3.6: Ligação trifásica do motor ............................................................................................... 38 
Figura 3.7: Módulo de acionamento de relés ..................................................................................... 39 
Figura 3.8: Conexão entre CLP, Módulo de Relés e Inversor de Frequência .................................... 41 
Figura 3.9: Diagrama esquemático do subsistema do controle de temperatura ................................. 42 
Figura 3.10: Módulo para bancada com forno e sensores .................................................................. 42 
Figura 3.11: Local de encaixe da placa de sinal na CPU ................................................................... 43 
Figura 3.12: Gráfico de demonstração do Controle ON-OFF ........................................................... 44 
Figura 3.13: Modos de conexão do sensor RTD à placa de sinal ...................................................... 47 
Figura 3.14: Modo de conexão do sensor Termopar à placa de sinal ................................................ 48 
Figura 3.15: Ligações elétricas do controle de temperatura .............................................................. 48 
Figura 3.16: Diagrama Esquemático Completo da Solução Proposta ............................................... 49 
Figura 3.17: Montagem completa do projeto ..................................................................................... 50 
Figura 3.18: Configuração do bloco PWM no TIA Portal ................................................................. 51 
Figura 3.19: Diagrama de Blocos do Controle PID ........................................................................... 52 
Figura 3.20: Network para iniciar ou desligar o processo .................................................................. 54 
Figura 3.21: Network de mudança de modo de controle e acionamento do forno ............................. 54 
 
 
Figura 3.22: Linhas de Comando para Leitura do sensor de temperatura ......................................... 55 
Figura 3.23: Primeira parte da network do Controle ON-OFF .......................................................... 56 
Figura 3.24: Continuação da network do Controle ON-OFF ............................................................. 57 
Figura 3.25: Primeira parte da network de implementação da melhoria no controle PID ................. 57 
Figura 3.26: Continuação da network de implementação da melhoria no controle PID ................... 58 
Figura 3.27: Network de comando do controlador PID ..................................................................... 59 
Figura 3.28: Network de leitura e configuração dos parâmetros do controle PID ............................. 60 
Figura 3.29: Network do bloco PWM ................................................................................................ 61 
Figura 3.30: Primeira parte da network de controle do inversor de frequência ................................. 62 
Figura 3.31: Segunda parte da network de controle do inversor de frequência ................................. 63 
Figura 3.32: Network de simulação da movimentação dos produtos na esteira ................................ 64 
Figura 3.33: OB200 contendo o bloco PID........................................................................................ 65 
Figura 3.34: Ambiente inicial do Elipse E3 Studio ........................................................................... 67 
Figura 3.35: Lista de Tags do driver MProt e os respectivos parâmetros .......................................... 67 
Figura 3.36: Tela inicial do Sistema Supervisório ............................................................................. 68 
Figura 3.37: Tela de Simulação e Supervisão do processo ................................................................ 69 
Figura 3.38: Tela de parametrização e configuração ......................................................................... 70 
Figura 3.39: Tela para acompanhar comportamento das variáveis .................................................... 71 
Figura 4.1: Transição da TelaInicial ao inserir o valor de setpoint................................................... 74 
Figura 4.2: Tela de Supervisão do processo em momento diferente do inicial, com motor parado .. 75 
Figura 4.3: Tela de Supervisão no momento que há produto no forno e velocidade Lenta .............. 76 
Figura 4.4: Tela de Parametrização.................................................................................................... 77 
Figura 4.5: Tela de Parametrização com mensagem de alerta sobre o valor de ajuste dos limtes ..... 78 
Figura 4.6: Tela de Parametrização com controle ON-OFF selecionado e melhoria devido a inércia 
térmica ................................................................................................................................................ 79 
Figura 4.7: Controle ON-OFF, Setpoint de 30°C .............................................................................. 80 
Figura 4.8: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 27°C ................................................ 82 
Figura 4.9: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 30°C ................................................ 83 
Figura 4.10: Controle PID com melhoria - Setpoint de 34°C ............................................................ 84 
Figura 4.11: Comparação das curvas de resposta com melhoria e sem melhoria .............................. 85 
 
 
 
Lista de Tabelas 
 
Tabela 1.I: Evolução anual do mercado de automação no mundo ....................................................... 6 
Tabela 2.I: Valores de tensão e temperatura de Termopar tipo J ....................................................... 26 
Tabela 2.II: Tabela de valores de resistência e temperatura para PT-100 ......................................... 28 
Tabela 3.I: Lista de Tags do Programa feito no TIA Portal ............................................................... 53 
 
 
 
 
 
Lista de Abreviaturas e Siglas 
 
CA – Corrente Alternada 
CC – Corrente Contínua 
CLP – Controlador Lógico Programável 
CPU – Central Processing Unit 
GND - Ground 
IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor 
IHM - Interface Homem-Máquina 
LED - Light Emitting Diode 
NA - Normalmente Aberto 
NF - Normalmente Fechado 
PH - Potencial de Hidrogênio 
PID - Proporcional Integral Derivativo 
PT-100 - Sensor de Temperatura do tipo RTD, feito de Platina 
PV - Process Variable 
PWM - Pulse Width Modulation 
RAM - Random Access Memory 
RTD - Resistance Temperature Detector 
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition 
SCL - Structured Control Language 
SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído 
SP - Setpoint 
TIA Portal - Totally Integrated Automation Portal, software proprietário da Siemens 
TRIAC - Triode for Alternating Current 
UCP - Unidade Central de Processamento 
 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1 
Introdução 
 
 Automação é definida como um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se 
constroem sistemas ativos capazes de atuar com eficiência ótima pelo uso de informações recebidas 
do meio sobre o qual atuam. Através de outro ponto de vista, automação é qualquer sistema apoiado 
em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança de pessoas, da qualidade 
dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, aperfeiçoando os complexos 
objetivos das indústrias e dos serviços [1] [2]. 
Um conceito importante em relação à automação é a função que cada equipamento ou 
dispositivo exerce. E este dado tem uma definição através da pirâmide de automação, mostrada na 
Figura 1.1, onde cada parte de um sistema de automação está localizada em um nível com 
características e funções comuns entre os componentes. 
O nível mais baixo tem como representantes os instrumentos de campo como sensores, 
atuadores, válvulas e outros equipamentos, apresentando uma comunicação rápida e de dados de 
tamanhos pequenos. Os níveis superiores apresentam a tendência de aumentar o tamanho dos dados, 
porém apresentando velocidades menores de comunicação. 
O segundo nível, logo acima do nível mais baixo, tem como componentes os elementos de 
controle como o CLP e os SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído. Acima do nível de 
controle, encontra-se o nível de supervisão onde estão localizados os Sistemas SCADA e as IHMs - 
 
2 
 
Interface Homem Máquina. Os dois níveis mais acima na pirâmide estão relacionados com dados 
gerenciais e integração com o ambiente corporativo. 
 
Figura 1.1: Pirâmide dos Sistemas de Automação 
Fonte: COELHO, M. S. Sistemas Supervisórios. CEFET-SP, 2009 
 
Ainda sobre o significado da automação, o termo encontra-se atrelado a aplicação de 
sistemas e suas derivações. Um sistema é qualquer coleção de interação de elementos que funciona 
para alcançar um objetivo comum e que evoluiu com o tempo. Além disto, é dito que aquilo que 
pode ser definido como sistema num contexto pode ser apenas um componente de outro sistema, 
dando origem ao conceito de subsistema [3] [4] [5]. 
De um ponto de vista mais prático, sistema é um conjunto de elementos dinamicamente 
relacionados entre si que desempenham uma atividade para atingir um objetivo, operando sobre 
entradas e fornecendo saídas processadas. Alguns dos principais componentes de um sistema são 
[5] [6]: 
- Entradas: representam os insumos ou as variáveis independentes do sistema; 
- Saídas: representam os produtos ou as variáveis dependentes do sistema; 
- Subsistemas: elementos que compõem o sistema; 
- Processamento: engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que interagem entre 
si para converter entradas e saídas. 
 
3 
 
Além destes, existem as fronteiras e a realimentação (ou feedback). 
A integração do CLP - Controlador Lógico Programável, um elemento de processamento, 
com alguns outros elementos permite a realização de controle dos mais variados processos. Por 
exemplo, o controle de nível de um tanque contendo um fluido qualquer, onde há um sensor 
capacitivo de nível, uma válvula para encher o tanque e outra para esvaziá-lo, pode ser realizado por 
um CLP. Por apresentar um elemento sensor que fornece o valor atual do nível do fluido, este 
sistema é dito de malha fechada e, portanto, possui realimentação. Por outro lado, os sistemas de 
controle ditos de malha aberta, não possuem realimentação. 
Na Figura 1.2 é mostrado um diagrama de blocos exemplificando um sistema de malha 
fechada. O elemento definido como sensor, é o bloco responsável por realimentar o controlador 
com informações do processo (o tanque, no exemplo citado). O sinal enviado pelo sensor é 
comparado com um valor de referência ou valor desejado, denominado set point (SP) e a partir do 
resultado desta comparação é gerado um erro. O elemento controlador atua diretamente neste valor 
de erro, inserindo um método de controle capaz de aproximar o valor de saída do processo ao SP. 
Entre alguns métodos de controle conhecidos, é possível citar: ON-OFF, Proporcional, Integral, 
Derivativo e suas junções (PI, PD e PID), adaptativo, por lógica fuzzy, entre outros. A escolha do 
método de controle é parte essencial do projeto, porque diz respeito a variáveis como: custo, 
velocidade de resposta, robustez, segurança, etc. 
 
Figura 1.2: Sistema de Controle de Malha Fechada 
A realimentação adquirida através do elemento sensor pode ser a partir de qualquer variável 
física relativa ao processo. As mais comuns são pressão, nível, vazão, temperatura, pH - Potencial 
de Hidrogênio, condutividade, velocidade e umidade [7]. 
A partir dos conceitos apresentados, é possível citar que a automação tem forte conexão com 
o controle de processos, visto que este busca transformar um processo manual, executado por 
pessoas, em um processo automático, executado em sua grande parte por máquinas, equipamentos e 
dispositivos como os CLPs, computadores, sensores e motores. 
 
4 
 
1.1 Situação Atual 
 O sistemaescolhido para ser automatizado tem como funções básicas o controle da 
temperatura da câmara de um forno, com inserção de produtos através da movimentação de uma 
esteira. Além disto, há necessidade de criar uma interface operacional capaz de estabelecer 
comunicação com o processo em si e permitir o controle de todo o sistema. 
A movimentação por esteira é amplamente utilizada na indústria, sendo parte integrante de 
diversos tipos de fábricas. As esteiras apresentam grande utilização na área de logística e também 
em movimentação de produtos dos mais variados tipos de indústrias, como microeletrônica, 
automotiva, metalúrgica, de mineração, têxtil, entre outras. 
As características de facilidade, velocidade e segurança das esteiras representam um grande 
avanço na movimentação de produtos, permitindo que os mesmos possam ser transportados através 
de diferentes processos como separação, seleção, secagem, queima, resfriamento, envasamento, 
entre outros. 
 Entre um dos tipos de esteiras, pode-se citar a elétrica, que é movimentada através de um 
motor elétrico. Para controlar a velocidade do motor é utilizado um inversor de frequência 
conectado ao mesmo. Com isto, também é possível aumentar a segurança e diminuir o risco de 
danificação do equipamento de acionamento da esteira. Maiores detalhes sobre os inversores de 
frequência serão dados em capítulos posteriores. 
Outro fator importante a ser levado em consideração, diz respeito ao tipo de sistema de 
produção utilizado nos processos com esteira. Existem os processos de projeto, processos de 
jobbing, processos em lotes (ou bateladas), processos de massa e processos contínuos. A definição 
do tipo é baseada em fatores como tempo de manufatura, necessidade específica, demanda do 
produto, flexibilidade, volume de produção, repetição da manufatura, padronização, equipamentos 
especializados e mão de obra [8]. 
O controle de temperatura de compartimentos ou fornos é utilizado em muitos processos 
industriais. Entre estes processos, é possível citar a fabricação de resistores para utilização em 
circuitos eletrônicos, onde em uma das etapas do processo de construção dos componentes é 
necessário manter uma temperatura constante. Na fabricação de cerâmica e vidro, também existem 
etapas em que é realizado este tipo de controle. Assim como em processos de refrigeração industrial 
que, diferentemente dos outros, controla a temperatura em níveis baixos [9] [10] [11]. 
Entre muitos outros processos similares, um de grande importância em sua área é o controle 
de temperatura realizado em reatores químicos. Por apresentar grande instabilidade, relacionada 
com constantes de tempo variáveis, grandes tempos de atraso, não linearidades e distúrbios 
 
5 
 
estocásticos, é extremamente importante que o mesmo funcione da melhor maneira possível, 
evitando assim danos mais sérios, como explosões [12]. 
Os processos que utilizam uma integração entre esteira e controle de temperatura de um 
forno são normalmente definidos em sistemas contínuos, sistemas de produção em massa ou 
sistemas de produção em lotes. 
 Na situação apresentada neste projeto, as especificidades do sistema estão baseadas na forma 
como o subsistema de movimentação funciona: de maneira contínua, porém com restrições devido a 
presença do forno. E também, como o subsistema de controle de temperatura aquece o produto 
visando uma temperatura definida. O aquecimento visa uma secagem, fazendo com que o produto 
adquira propriedades pertinentes à continuação do processo. Um exemplo de processo de secagem, 
utilizado em caixas de papel, pode ser visto na Figura 1.3. 
 
Figura 1.3: Sistema de secagem de caixas de papel 
A estrutura atual do sistema apresenta componentes dos três níveis inferiores da pirâmide de 
automação, mostrada na Figura 1.1. Da base da pirâmide, existem os dispositivos de campo. Em um 
nível mais acima, estão os dispositivos de controle. Já no nível de IHM/SCADA, está o sistema para 
supervisão e operação. 
Com as informações sobre a localidade de cada componente do sistema, é possível concluir 
que o projeto encontra-se predominantemente na malha rápida, no contexto da automação 
industrial. A malha lenta é representada pelos níveis superiores, onde há presença dos sistemas 
gerenciais e corporativos e não é utilizada neste projeto. 
 
6 
 
1.2 Motivação 
Nesta seção é feita a divisão em dois pontos, buscando primeiramente uma visão geral e 
posteriormente, uma mais específica. De forma geral, será analisada a modernização baseada nos 
avanços tecnológicos relacionados com a automação industrial. E, além disto, em uma visão mais 
particular do ponto de vista do projeto, será feita a análise da motivação específica relacionada ao 
desempenho do projeto. 
 
1.2.1 Modernização baseada em avanço tecnológico 
A busca incessante por diminuição dos custos, aumento da produção, dos lucros, da 
competitividade e mais recentemente, da segurança, acarretou a necessidade de modernização das 
indústrias. Visando estas melhorias, um fator capaz de contribuir em grandes proporções é a 
automação. Automatizar a planta de uma indústria tornou-se cada vez mais comum e há uma busca 
cada vez maior para realização de operações deste tipo. 
Em uma pesquisa de 2012 sobre o mercado mundial de Automação Industrial, foi analisado 
o crescimento deste ramo no mercado. Conforme pode ser visto na Tabela I, de 2003 a 2011, houve 
aumento no mercado de automação, exceto em 2009 devido ao ápice da crise econômica global. 
Todas as áreas citadas nas colunas da Tabela 1-I estão relacionadas com automação. Isto ajuda a 
ratificar o fato de que a automação é cada vez mais presente nos ambientes industriais [13]. 
Tabela 1.I: Evolução anual do mercado de automação no mundo 
Adaptado de: https://doc.research-and-analytics.csfb.com - Global Industrial Automation (2012) 
 
 
Além de fatores econômicos, a automação industrial permite que tarefas manuais sejam 
realizadas de forma automática ou através da tela de um computador ou IHM, permite que 
Ano/Ramo Produção Industrial Processos Fabricação Automação
2003 3,7% -0,3% 11,3% 4,4%
2004 5,4% 5,1% 13,0% 8,5%
2005 4,4% 8,4% 9,1% 8,7%
2006 5,5% 11,4% 11,4% 11,4%
2007 5,7% 8,8% 11,5% 10,0%
2008 0,5% 10,6% 2,4% 6,8%
2009 -7,2% -5,1% -19,5% -11,5%
2010 9,6% -3,3% 20,6% 6,3%
2011 5,0% 9,7% 13,8% 11,6%
2012 (estimado) 3,7% 8,5% 5,2% 7,0%
2013 (estimado) 4,9% 5,4% 7,4% 6,3%
 
7 
 
operações complexas sejam simplificadas através de algoritmos e de programações e ainda permite 
que atividades perigosas sejam executadas com menor risco ou risco zero. 
Em mercados em expansão e desenvolvimento, com implantação de indústrias, fábricas e 
plantas industriais, a atualização dos processos através de automação torna-se cada vez mais 
comum. Diversas empresas realizam este tipo de operação, também chamado de modernização ou 
retrofit, para que seus equipamentos, sistemas e processos se tornem mais atualizados e mais 
competitivos no mercado. Sistemas relacionados à tecnologia e à sua evolução, como computadores 
e celulares, tendem a se tornar obsoletos, aumentando custo de manutenção, aumentando a 
dificuldade de reposição de peças e diminuindo a relação entre custo e benefício. 
Neste contexto, é possível citar a modernização de um processo térmico através da 
automação de um controle de temperatura em conjunto com um sistema de movimentação de 
produtos. Em tempos mais antigos, para realizar operações deste tipo, o operador ou o responsável 
pelo controle do processo precisava executar atividades manuais, como por exemplo, ajuste da 
velocidade, acionamento de botões físicos para ligar e desligar, ajuste da potência do forno, fosse 
esta adequação feita através de uma válvula que libera vapor para aumento da temperatura ou 
através da corrente que flui por um resistor de aquecimento. Esse ajuste da temperatura definida 
como referência é feita por meio deuma verificação da temperatura através de sensores de 
temperatura como termômetros, tendo como necessidade para estas atividades a locomoção do 
operador para um local próximo ao processo, onde fosse possível realizar a leitura do instrumento. 
Com a modernização das indústrias e a implantação da automação industrial, várias 
atividades têm se tornado mais práticas e com menor grau de movimentação do operador, bastando 
apenas o acompanhamento da planta em telas de supervisórios, painéis, quadros ou interfaces e suas 
respectivas ações de controle. Existem situações em que a presença do operador junto ao processo é 
indispensável, como por exemplo, na execução de uma manutenção preventiva ou corretiva. 
Por estes fatores é visto que, a automação traz benefícios não somente para as empresas, mas 
também para o homem como indivíduo capaz de manusear equipamentos e sistemas para realização 
de um processo em uma indústria, que agora, realiza movimentos mais reduzidos, de menor esforço 
físico e com menor risco para sua segurança. 
 
1.2.2 Desempenho da solução proposta 
Analisar os benefícios conquistados com a utilização de sistemas de automação é 
fundamental para avaliar a aplicação dos mesmos. Logo, é necessário verificar diversas 
características para que seja possível definir qual o objetivo específico da automação, quais são os 
 
8 
 
parâmetros mais importantes para analisar seu desempenho e quais melhorias podem ser feitas para 
que o sistema especificado se torne mais próximo do ideal e cumpra os requisitos necessários. Estes 
itens serão definidos como figuras de mérito do projeto e podem ser resumidos da seguinte forma: 
 Critérios que apresentam influência na mudança de velocidade da esteira; 
 Influência do tempo que o produto permanece dentro da câmara do forno; 
 Tempos de subida e acomodação do controle de temperatura; 
 Limites do controle de temperatura. 
Estas informações serão avaliadas e mensuradas durante a montagem do projeto e a partir 
disto será possível fazer uma análise mais profunda sobre o desempenho do projeto e verificar se há 
êxito na solução apresentada. A forma como cada item é avaliado depende da sua natureza e do 
subsistema no qual está incluso. 
 
1.3 Objetivos 
 Os interesses deste trabalho podem ser definidos como objetivos gerais e objetivos 
específicos. Primeiramente, sobre os objetivos gerais, busca-se o estudo do conceito de automação e 
aplicação de projetos de automação em ambientes industriais, utilizando equipamentos e 
dispositivos compatíveis com a realidade das indústrias, como controladores, sensores, atuadores e 
sistemas de aquisição de dados, supervisão e operação. Além disto, são estudados assuntos 
específicos relacionados ao projeto como o controle de temperatura, a utilização de sensores de 
temperatura e limitações e especificações de projeto aplicadas aos equipamentos. 
 Como objetivos específicos, é possível citar a montagem de um sistema de automação em 
que é feito o controle de temperatura em um forno alimentado por uma esteira. Contudo, ainda 
existem outros objetivos como a implementação de diferentes estratégias de controle, baseadas no 
comportamento da planta e do atuador, criação de um ambiente para supervisão e operação através 
de um sistema supervisório e montagem de um sistema de movimentação utilizando motor e 
inversor de frequência para mudanças de velocidade da esteira. 
Além disto, também é necessário incluir nos objetivos a constatação do bom funcionamento 
do sistema através de dados comparativos entre as especificações requeridas, admissíveis e adotadas 
no trabalho. 
 
 
9 
 
1.4 Organização da Monografia 
 O método utilizado para resolução do problema de automatização através da montagem do 
sistema proposto teve como princípio básico a divisão em subsistemas distintos que serão 
interligados através do controlador e também de um sistema de supervisão. 
Primeiramente, será montado o conjunto de acionamento do motor da esteira. Para isto, 
torna-se necessário a parametrização correta do inversor de frequência. Nesta operação, é 
imprescindível conhecer todos os dados do motor que será utilizado. Entre estes dados, os principais 
são: tensão de alimentação, se o motor é monofásico ou trifásico, potência, corrente nominal e 
frequência. 
O funcionamento desejado do motor depende da operação de parametrização. A partir desta 
atividade, poderemos definir, por exemplo, a rampa de aceleração do motor, que define o quão 
rápido o motor chegará a sua velocidade nominal. 
Após as operações no inversor de frequência, é necessário programar a interface com o 
controlador. Entre os modos de comunicação destes dois equipamentos, existe a possibilidade da 
utilização de uma placa no inversor capaz de receber e enviar dados digitais e analógicos. E é deste 
modo que as configurações do inversor de frequência serão feitas pelo usuário. 
No outro subsistema, ou seja, no controle de temperatura, existem etapas mais complexas. O 
controlador será responsável pela ação de controle, porém, para isto, é preciso modelar o processo 
térmico do forno. Com a modelagem concluída, o controle será implementado e testado, com o 
intuito de validar os resultados do modelo. A validação do sistema também é feita a partir de testes, 
com diferentes rotinas e possibilidades de funcionamento, ou até situações de erro ou falha. 
Depois de montados e testados, os subsistemas serão integrados na mesma programação e 
será feita a última verificação do funcionamento do sistema completo. Associado a isto, toda a 
estrutura de supervisão é montada e esta se comunicará com os demais equipamentos. 
No capítulo 1 é feita uma introdução a respeito do tema principal deste projeto que é a 
automação, também são identificados os objetivos e as metas a serem atingidas. 
No capítulo 2, as tecnologias disponíveis e que serão utilizadas no projeto são identificadas e 
suas principais características são apresentadas. 
No capítulo 3, a montagem do projeto é explicada, assim como a forma de integração entre 
os diversos itens presentes no mesmo. 
O capítulo 4 fala sobre os resultados obtidos depois das montagens e dos testes realizados e 
também sobre o atendimento às exigências dos objetivos traçados. 
 
10 
 
No capítulo 5 é feita a conclusão do trabalho e a descrição de problemas e possibilidade de 
melhoria e trabalhos futuros. 
O capítulo 6 apresenta as referências utilizadas na criação deste projeto. 
Há ainda a apresentação de anexos pertinentes ao bom entendimento do projeto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2 
Especificação e Tecnologias 
Disponíveis 
 
 O objetivo deste capítulo é apresentar as principais características do sistema proposto, 
incluindo as restrições e especificações necessárias para escolha de equipamentos, tecnologias e 
softwares. Além disto, será feita uma análise das tecnologias disponíveis e uma descrição dos 
equipamentos, componentes e dispositivos que serão utilizados na montagem e execução do projeto. 
É interessante essa descrição para que haja um conhecimento genérico do estado atual das 
tecnologias que serão utilizadas. 
 
2.1 Restrições do Projeto Proposto 
As restrições da solução serão baseadas nas figuras de mérito apresentadas na Seção 1.2.2. 
Logo, será avaliado cada item separadamente para que seja possível realizar uma melhor análise dos 
mesmos. 
Primeiramente, os critérios que influenciam na mudança de velocidade da esteira e no tempo 
que o produto permanece dentro da câmara do forno estão relacionados à operação e à estrutura do 
sistema. Sobre a operação, são criadas limitações para que os produtos sejam impossibilitados de 
adentrar ao forno enquanto a temperatura não estiver no valor definido. Depois de a temperatura 
atingir o valor pré-definido, o processo passa a funcionar continuamente, sem interrupções, até que 
haja umamudança no setpoint de temperatura. Já em relação à estrutura, é citado o comprimento 
 
12 
 
da esteira e da câmara do forno e a relação entre estes valores. Isto é, caso haja necessidade de 
alteração de velocidade devido ao tamanho do forno fazendo com que o produto permaneça o 
tempo desejado dentro da câmara. Por exemplo, caso haja necessidade do produto (desconsiderando 
o tamanho do mesmo) permanecer dentro da câmara por 50 s e o comprimento do forno seja de 1 m, 
a velocidade da esteira pode ser ajustada para 0,02 m/s e assim será capaz de atender à exigência. 
Caso haja mudança no tamanho do forno ou no tempo requisitado para o produto permanecer dentro 
da câmara, basta ajustar a velocidade da esteira para que as exigências sejam atendidas. 
Os tempos de subida e acomodação também definem restrições do projeto. As estratégias de 
controle precisam ter estes dados como base para o funcionamento. É válido ressaltar a informação 
de que processos térmicos apresentam características inerentes, como a relativa lentidão de resposta 
e a impossibilidade de grandes variações bruscas. Então, a análise da velocidade de resposta do 
subsistema de temperatura deve levar em consideração estes fatores. Além disto, é necessário 
entender as características do atuador responsável pelo aquecimento da câmara, neste caso o forno. 
Como consequência de uma limitação já imposta pela operação do sistema, o tempo de 
subida tem a possibilidade de ter um comportamento lento, sem prejudicar o processo. A conexão 
direta entre este tempo e a variação de temperatura é utilizada para definir que aumentos de 
temperatura entre 2 e 4 ºC por minuto satisfazem as condições da solução proposta. 
O tempo de acomodação é resultado do desempenho da estratégia de controle implementada 
e sua definição é mostrada na Figura 2.1, juntamente com a definição do tempo de subida. No 
exemplo da Figura 2.1, a tolerância aceitável para o tempo de acomodação é de 10%. 
 
Figura 2.1: Tempos de subida e acomodação em um gráfico de saída 
 
13 
 
Este parâmetro também deverá ter relação com outra figura de mérito da solução proposta que são 
os limites do controle de temperatura. Em sistemas críticos, tanto o tempo de acomodação quanto os 
limites devem ser bem controlados e ter comportamento preciso, porém, na solução proposta neste 
trabalho, estes parâmetros não são fatores de risco. Logo, devido a estas considerações, valores de 
tempo de acomodação maiores que 3 minutos e menores que 6 minutos, são aceitáveis, visto que 
após a inicialização e a estabilização da temperatura, o processo funciona de forma contínua, sem 
interrupções relacionadas ao controle de temperatura. E o parâmetro de tolerância aceitável pode ser 
definido como 5% do setpoint. 
Ainda relacionado com a estratégia de controle e as restrições temporais, pode ser citado o 
sobrepasso (ou overshoot), também mostrado na Figura 2.1. De forma aceitável, a definição deste 
parâmetro encontra-se entre 5 e 10% do valor do setpoint. 
A última figura de mérito, os limites do controle de temperatura, apresenta uma restrição 
importante para o objetivo do sistema. A depender da finalidade, existe a possibilidade desses 
limites serem maiores ou menores. Em casos críticos, onde a temperatura deve ter valores muito 
precisos com o intuito de o produto adquirir alguma propriedade decorrente do aquecimento ou 
resfriamento, é interessante que os limites sejam muito pequenos. Contudo, em situações pouco 
críticas, como a deste projeto, limites entre 1,0 e 2,5 °C são aceitáveis. 
 
2.2 Especificações do Projeto Proposto 
A partir da estrutura do sistema atual e das definições dos objetivos e métricas de 
desempenho do projeto proposto, são apresentadas especificações dos equipamentos para 
elaboração do projeto. 
Em relação aos equipamentos, o sistema proposto tem como base um controlador capaz de 
trabalhar em ambientes industriais, com garantia temporal e que possa processar sinais de entrada e 
de saída. E para realizar esta função, foi escolhido um CLP. Também é necessário um equipamento 
com capacidade para acionar um motor elétrico de corrente alternada (CA) e controlar a velocidade 
destes e para isto, foi escolhido o inversor de frequência. 
Além disto, é de suma importância que os dois equipamentos em nível de controle, apresentem a 
possibilidade de comunicação entre si, visto que o motor será controlado pelo inversor e este pelo 
CLP. 
Ainda para montagem do sistema, porém já em nível de campo, são necessários sensores de 
temperatura e de passagem, além de um motor elétrico para acionamento da esteira e o forno para 
aquecimento da câmara e consequentemente dos produtos. 
 
14 
 
Para que a especificação possa ser idealizada da melhor maneira possível, é mostrado, na 
Figura 2.2, um diagrama de blocos da solução apresentada neste trabalho. 
Assim como o sistema da situação atual, todos os componentes da solução proposta 
encontram-se nos três níveis inferiores da pirâmide de automação. 
 
 
Figura 2.2: Estrutura do sistema proposto 
 
2.3 Tecnologias Disponíveis 
Nesta seção serão discutidas, de maneira genérica, as tecnologias escolhidas para montagem 
do sistema proposto. 
 
2.3.1 CLP 
Os CLPs surgiram na década de 1960 e tinham como objetivo reduzir os tempos para 
mudança das lógicas de funcionamento dos sistemas elétricos das indústrias. Anteriormente, quando 
o processo realizado era atualizado para algum outro tipo de peça ou produto, as indústrias 
necessitavam modificar toda a lógica de relés, assim como a organização dos cabos e dos quadros 
elétricos, aumentando significativamente o custo final dos produtos [14]. 
Ao utilizar o CLP, basta uma modificação na programação, ou seja, uma mudança no 
software e é possível realizar ações e obter produtos totalmente diferentes dos anteriores. Com essa 
 
15 
 
facilidade, houve uma redução dos custos e dos tempos de parada para atualização das plantas 
fabris. 
Além destes avanços, com o passar do tempo, foi possível obter ainda mais vantagens com a 
evolução dos CLPs. É possível citar algumas, como [14] [15]: 
- Flexibilidade; 
- Economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido; 
- Baixo consumo de energia; 
- Fácil gestão das falhas; 
- Possibilidade de programação sem interrupção do processo; 
- Observação do funcionamento; 
- Velocidade de operação; 
- Capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos. 
Visto que os controladores têm seu maior foco de utilização nas indústrias, onde também são 
utilizados computadores e notebooks, é importante frisar uma diferença relevante entre os dois tipos 
de equipamentos eletroeletrônicos. Apesar dos computadores também terem capacidade de 
mudança de funcionamento a partir do seu software, os CLPs apresentam robustez e capacidade de 
trabalho em ambientes mais hostis, severos e com requisitos mais específicos de segurança, como o 
chão de fábrica. Por isto, estes equipamentos são aplicados nos mais diversos tipos de indústria, 
como petroquímicas, aeroespaciais, metalúrgicas, siderúrgicas, químicas, alimentícias, de tecidos, 
de celulose, entre outras. 
Além disto, a utilização dos CLPs também é possível em outros tipos de ambiente, como 
residencial e comercial, por exemplo. Nestas situações, os CLPs são os equipamentos responsáveis 
por todo o controle das entradas e saídas presentes no sistema de automação destes ambientes. Isto 
é, controlam os ambientes através de sensores, ditos entradas e também, acionam atuadores (ou 
saídas), como motores, sirenes, lâmpadas e aparelhos de ar-condicionado. 
Independente do fim para o qual foi projetada, a automação de equipamentos, sistemas ou 
processos através dos CLPs necessita seguir alguns passos indispensáveis para o bom 
funcionamento da mesma. Estes passos são apresentados na Figura 2.3. 
 
16 
 
 
Figura 2.3: Passos para projeto de automação com CLP 
Conforme é visto, o primeiropasso é a definição de entradas e saídas do sistema a ser 
automatizado, seguido pela elaboração do programa do usuário e a simulação do mesmo. A 
definição das entradas e saídas é um ponto importante, pois tem que considerar tudo o que será 
envolvido na automação e estará diretamente conectado ao CLP. É a partir desta parte que é 
possível elaborar de uma forma mais organizada o programa do usuário para, em seguida, realizar 
os testes necessários para validação do bom funcionamento do programa. 
Os outros passos dizem respeito à parte física do projeto como: montagem do equipamento, 
cabeamento, dispositivos que serão utilizados, assim como a organização do mesmo em um espaço 
determinado, como um painel, por exemplo, e seu funcionamento no campo de aplicação. 
 
2.3.1.1 Arquitetura 
CLP é um dispositivo físico eletrônico, baseado em um microprocessador, dotado de 
memória programável capaz de armazenar programas implementados por um usuário com o 
objetivo, baseado no estado de suas entradas, determinar o estado das saídas de forma a controlar 
um determinado processo [16]. 
Sua estrutura básica é apresentada de formas diferentes na literatura, porém, em sua forma 
mais simples, pode ser definida pela Figura 2.4. Onde está presente a Unidade Central de 
 
17 
 
Processamento (UCP) (ou Central Processing Unit - CPU) e o Sistema de Interface de Entrada e 
Saída. A CPU é responsável pelas atividades do CLP e é formada pela Memória e Processador. 
Além destes componentes, ainda estão presentes na arquitetura do CLP a Fonte de Alimentação e a 
Interface de Comunicação [16]. 
 
Figura 2.4: Diagrama de blocos da arquitetura do CLP 
Conforme o próprio nome, a Fonte de Alimentação é responsável por fornecer energia a 
CPU e também aos módulos de entrada e saída. Apesar dos controladores programáveis possuírem 
esta fonte interna, há situações em que se torna necessário o uso de uma fonte externa. Estas 
condições estão diretamente ligadas à quantidade de módulos alimentados, ou seja, à potência 
fornecida aos módulos e ao nível de tensão de alimentação do dispositivo. 
A memória, interna a CPU, é dividida em duas partes: a memória de programa, com 
capacidade de armazenar o programa desenvolvido pelo usuário e a memória de dados, responsável 
pelo armazenamento temporário de dados. 
A CPU, assim como nos computadores domésticos, tem como função o processamento de 
todas as atividades do CLP, como executar o programa desenvolvido pelo usuário, gerenciar os 
módulos de entrada e saída e a comunicação. 
A interface de comunicação representa toda a troca de informações do CLP com outros 
equipamentos e dispositivos, como IHM, Sistemas Supervisórios, computador industrial, sensores, 
atuadores, etc. 
 
 
18 
 
2.3.1.2 Entradas e Saídas 
 Os CLPs possuem entradas e saídas analógicas e digitais, normalmente. É dito isto, pois 
existem modelos em que não há, por exemplo, entradas ou saídas analógicas, sendo necessária a 
expansão através de cartões, placas de sinal ou módulos. 
O sistema de interface de entrada tem a função de tornar compatíveis os sinais de tensão e 
corrente que são provenientes dos sensores de campo, com o nível de sinal com o qual a CPU pode 
receber suas informações. Enquanto o de saída, tem capacidade para enviar sinais para os atuadores, 
resultantes do processamento da lógica de controle [17]. 
Conforme citado anteriormente, existem dois tipos de entradas: digitais e analógicas. As 
entradas digitais, também chamadas de discretas, possuem dois estados possíveis, ligados ou 
desligados, nível lógico 0 ou 1, ativado ou desativado. Alguns exemplos de dispositivos que podem 
ser conectados às entradas digitais são as botoeiras, as chaves fim de curso, sensores de 
proximidade, contatos de relé, termostatos e pressostatos. As entradas digitais podem funcionar em 
corrente contínua (CC), com níveis de 12 ou 24 V, ou CA, com níveis comuns de 110 ou 220 V 
[18]. 
As entradas analógicas permitem que o CLP manipule grandezas contínuas, em grande 
parte, enviadas por sensores eletrônicos. As grandezas tratadas são tensão e corrente elétrica. 
Apresentando uma larga faixa de utilização: tensões de 0 a 10 V, 0 a 5 V, 1 a 5 V, -5 a +5 V ou -10 
a +10 V, em CC e correntes de 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA. As entradas com faixas de utilização que 
apresentam sinais simétricos (positivo e negativo) são chamadas de entradas diferenciais. 
Saídas digitais, analogamente às entradas digitais, podem assumir apenas dois estados, 
ligado ou desligado. Válvulas solenoides, contatores, alarmes, relés, sirenes e lâmpadas são 
exemplos de atuadores conectados em saídas digitais e podem ser constituídas como saída digital a 
relé, saída a transistor ou saída a TRIAC (Triode for Alternating Current). A diferença entre estas 
configurações de saída está no tipo de carga alimentada (CC ou CA), na corrente máxima, na 
velocidade de comutação, isolação elétrica e tempo de vida útil [17]. 
As saídas analógicas são utilizadas para controlar atuadores como válvulas proporcionais, 
motores, inversores de frequência, resistências elétricas, entre outros. Fornecem tensão na faixa de 0 
a 10 V ou 0 a 5 V, normalmente, ou corrente, em sua grande maioria, na faixa de 0 a 20 mA ou 4 a 
20 mA, porém em valores percentuais. Por exemplo, uma saída analógica pode fornecer corrente 
suficiente para uma válvula proporcional abrir 30% [17]. 
 
 
19 
 
2.3.1.3 Funcionamento 
De uma maneira geral um CLP pode estar em modo de operação, programação ou execução. 
No modo de programação, o equipamento se encontra em Espera. No modo de execução, pode 
assumir o estado de erro que, ocorre quando há uma falha no controlador, seja na operação do 
equipamento ou na execução do programa. Na Figura 2.5, é mostrado um diagrama dos três 
possíveis estados do CLP. Pelo diagrama, é visto que o CLP só sai do estado de Erro com um reset 
do mesmo. A mudança do estado de Espera para o estado de Execução e vice-versa pode ser feita 
por software ou por hardware. 
 
Figura 2.5: Diagrama dos estados do CLP 
No momento que é energizado e estando o CLP no modo de Execução, uma rotina de 
inicialização é realizada com as seguintes operações: 
- Limpeza da memória de imagem, para operandos não retentivos; 
- Teste de memória RAM; 
- Teste de executabilidade do programa. 
Logo após, a CPU inicia uma leitura sequencial das instruções em laço fechado (loop), chamado de 
ciclo de varredura ou scan. Este ciclo é apresentado na literatura de forma bastante parecida e 
praticamente com os mesmos passos, porém alguns CLPs executam o scan de forma diferente, 
alterando a ordem de algumas etapas. O ciclo mais comum é mostrado na Figura 2.6. 
 
20 
 
 
Figura 2.6: Ciclo de varredura (scan) 
As características apresentadas neste item são os atributos básicos dos CLPs encontrados no 
mercado. Estas propriedades foram apresentadas sem especificação de marca ou modelo. Ao utilizar 
este equipamento, é necessário ter um entendimento básico da arquitetura e do funcionamento para 
que isto possa ser aplicado em cada situação específica. 
Após esta abordagem, é necessário discutir as especificações do projeto proposto e qual CLP 
é capaz de atender os requisitos especificados. 
 
2.3.2 Inversor de Frequência 
Em décadas passadas, anterior aos anos 1990, os motores de corrente contínua apresentavam 
um grande domínio do mercado de acionamento e, por este motivo, o controle de velocidade com 
precisão tinha como foco este tipo de máquina. Contudo, por causa da sua estrutura e de seu 
funcionamento, isto trazia diversos problemas como custo e necessidade de retificação da tensão de 
fornecimento para alimentá-lo [19] [20]. 
Foi em um cenário de surgimento da eletrônica de potência aliada à necessidade de aumento 
de produção e diminuição de custos, que surgiu a automação. 
Como consequência disto, uma infinidade de equipamentos pôde ser desenvolvida para as 
maisdiversas variedades de aplicações e setores industriais. Entre esses equipamentos, é possível 
destacar um dos mais utilizados nesses processos juntamente com o CLP: o inversor de frequência. 
Um equipamento versátil e dinâmico que possibilitou o controle de velocidade na utilização dos 
 
21 
 
motores de indução em substituição aos motores de corrente contínua, visto que os motores CA 
apresentavam uma série de vantagens, como baixo custo de manutenção, ausência de escovas 
comutadoras, baixo ruído elétrico e velocidade de rotação superior. 
Essas vantagens levaram as indústrias a desenvolverem um sistema capaz de controlar a 
potência (velocidade e torque) de um motor CA [21]. 
 
2.3.2.1 Princípios básicos 
O funcionamento do inversor de frequência pode ser dividido para facilitar a compreensão. 
Existe a etapa de retificação, onde através de uma ponte retificadora e capacitores (filtro), a tensão 
CA é convertida para um nível de tensão CC. A outra etapa inclui os transistores de potência, onde 
normalmente IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) são utilizados. Além disto, existe ainda a 
etapa de comando, responsável pelo controle de disparo dos pulsos dos IGBTs. Na Figura 2.7, é 
mostrado um diagrama de blocos com as partes básicas de um inversor de frequência. 
 
Figura 2.7: Diagrama de blocos de inversor de frequência 
 O controle, realizado pela lógica de comando, permite a obtenção de um sistema de tensão 
alternado trifásico em que as fases estão defasadas em 120°, exatamente como a tensão fornecida 
pela rede. Permite ainda, conforme seu propósito básico, controlar a frequência de chaveamento dos 
transistores e que, por consequência, controla a velocidade do motor, comprovado pela Equação 1. 
 N = (120.f) / p (Eq. 1) 
Onde ‘N’ é a velocidade do motor, em rpm, ‘f’ é a frequência da rede, em Hz e ‘p’ é o número de 
polos. O número de polos é fixo, pois é determinado em sua construção, logo, para variar a 
velocidade de rotação de um motor, basta variar a frequência de alimentação. Por este motivo, o 
inversor de frequência pode ser considerado, mesmo que de forma grosseira, uma fonte de tensão 
alternada de frequência variável [21]. 
 
 
22 
 
Ainda assim, a função do inversor não se resume ao controle da velocidade de um motor 
CA. Este equipamento também deve manter o torque constante para não provocar alterações na 
rotação quando o motor estiver com carga. 
O tipo de controle executado pelos inversores de frequência é dividido em dois tipos, 
controle escalar (ou V/f constante) e controle vetorial. Não é parte do escopo deste trabalho a 
explicação detalhada de cada tipo. 
Entretanto, de forma simplificada, pode-se dizer que no controle escalar é definido um valor 
para esta relação, V/f, e a partir disto, a velocidade varia na mesma proporção que a tensão, 
possibilitando ao torque permanecer constante. A variação da tensão, oriunda do barramento CC, é 
obtida a partir do circuito de comando dos IGBTs, através da modulação por largura de pulso (Pulse 
Width Modulation - PWM). Isto é possível, porque a lógica de controle além de distribuir os pulsos 
aos IGBTs, também controla o tempo que cada IGBT permanece ligado [21]. 
O controle vetorial é mais moderno e permite um controle de velocidade com respostas 
rápidas e de alta precisão. Anteriormente, as máquinas de corrente contínua com sistemas de 
controle em malha fechada já atendiam essas solicitações. Porém, conforme foi dito no item 2.2, a 
máquina CC apresenta desvantagens relevantes em relação à máquina de indução. Logo, com o 
avanço teórico das técnicas vetoriais de controle, em que a avaliação das variáveis internas do 
motor, num processo dinâmico, é efetuada e passada ao sistema controlador, a regulação da 
máquina de indução tornou-se mais precisa e mais próxima do controle alcançado com a máquina 
de CC [20]. 
 
2.3.2.2 Blocos do inversor 
Os inversores de frequência apresentam diferentes configurações, componentes e funções a 
depender de cada fabricante. Contudo, algumas destas partes são essenciais para que o inversor 
consiga executar sua função com êxito. É possível citar a CPU, a IHM, as interfaces e uma parte já 
citada chamada de etapa de potência, constituída pelo retificador, o barramento CC e as chaves de 
potência. Na Figura 2.8 é mostrado um diagrama dos blocos de um inversor de frequência. A 
explicação de cada bloco é dada em seguida. 
 
 
 
 
 
 
23 
 
 
Figura 2.8: Diagrama dos blocos do inversor de frequência 
 
A CPU pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador e esta 
escolha depende apenas do fabricante. Isto se deve ao fato de que cada inversor possui um conjunto 
de características e especificações, seja em relação aos seus parâmetros e funcionamento ou em 
relação a sua capacidade de processamento. 
É neste bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) são armazenadas, 
visto que existe uma memória integrada a este componente. A CPU não somente armazena os dados 
e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o 
funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle 
coerente, para os IGBTs. 
O bloco chamado IHM é responsável por receber informações de parametrização do usuário, 
através do acionamento de teclas, com o intuito de realizar as operações e funções desejadas do 
inversor de frequência. Também é possível visualizar estados atuais das variáveis como tensão 
nominal, potência nominal, frequência nominal, frequência atual, corrente máxima, rampa de subida 
ou descida, entre outros. Os inversores podem ainda ser parametrizados por IHMs remotas. 
Em relação ao bloco de Interfaces, a maioria dos inversores pode ser comandada através de 
dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade 
de rotação de um motor CA no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. Para 
inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico. Este é o sistema mais 
utilizado em máquinas. Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de 
um parâmetro de programação, acessível na IHM, podemos selecionar qual entrada é válida [20]. 
 
24 
 
2.3.3 Termopar 
O termopar é um tipo de sensor de temperatura que consiste em dois metais de naturezas 
distintas unidos em suas extremidades, onde estas uniões são denominadas junções. A medição de 
temperatura é possível, pois, ao submeter às duas junções temperaturas distintas, é gerada uma força 
eletromotriz. Este fenômeno é denominado Efeito Seebeck. A diferença de potencial que surge nas 
extremidades não depende da área de contato e nem da sua forma. 
Na aquisição do valor de tensão, a extremidade ligada ao painel, ao CLP ou a algum outro 
equipamento capaz de interpretar a leitura, é chamada de junção fria ou de referência, enquanto a 
extremidade que mede a temperatura do processo no campo é chamada de junção quente ou de 
medição. Na Figura 2.9 é mostrado um esquema básico de um termopar. 
 
Figura 2.9: Esquema básico de um termopar 
Na Figura 2.10, é mostrado como um termopar é conectado a um instrumento, neste caso o 
voltímetro, capaz de medir a tensão gerada pela diferença de temperatura entre as junções. 
 
Figura 2.10: Esquema de termopar conectado a voltímetro 
A tensão gerada pelo termopar é pequena, da ordem de milivolts, por este motivo alguns 
cuidados devem ser tomados ao montar o sistema de medição. Entre estes cuidados é possível citar 
a escolha e utilização dos cabos de extensão e compensação e também, a formação de outros 
 
25 
 
termopares entre as conexões. Na Figura 2.10, os cabos utilizados como ‘C’ são de cobre e caso não 
estejam em ambiente isotérmico, ou seja, numa mesma temperatura, afetarão o desempenho da 
medição. Outro detalhe importantena medição está relacionado à compensação da junção fria. 
Todos os termopares tem como temperatura de referência 0°C e é a partir desta temperatura que os 
cálculos para obtenção da tensão são feitos. E como, normalmente, a junção de referência não se 
encontra nesta temperatura (0°C), é necessário realizar uma compensação. Grande parte dos 
instrumentos que fazem a leitura da temperatura realiza esta compensação automaticamente. Na 
Figura 2.11, são mostradas duas medições utilizando termopar. Na Medição (1), o instrumento não 
realiza a compensação da junção fria, enquanto que na Medição (2), o instrumento possui a função 
de correção inserida, por isto, apresenta a temperatura correta, 600°C. 
 
Figura 2.11: Compensação de junção fria 
Para realizar a medição sem utilização de instrumentos capazes de indicar diretamente a 
temperatura, torna-se necessário o uso das tabelas dos termopares e do cálculo da tensão gerada pela 
diferença de temperatura entre as junções. Primeiramente, é preciso ter um voltímetro, pois a 
indicação da tabela dos termopares é em mV. Segundo, é realizado o cálculo com a tensão obtida no 
instrumento de medição. Utilizando o exemplo da Figura 2.12, é possível obter a equação capaz de 
definir a tensão total e consequentemente, a temperatura da junção de medição [22]. 
 
Figura 2.12: Cálculo da tensão resultante do termopar 
 
26 
 
Nesta montagem, é utilizada uma compensação da junção de referência devido à presença 
dos cabos que são conectados ao voltímetro. 
A Equação 2 é utilizada para calcular a tensão resultante do circuito da Figura 2.12 e este valor será 
utilizada na tabela do termopar escolhido. 
u(T)= – eBC(T2) – eAB(TR) + eAB(T) + eBC(T2) (Eq. 2) 
=> u(T)= – eAB(TR) + eAB(T) 
Conforme é visto nesta simplificação, decorrente da Equação 2, para definir a temperatura 
na junção de medição é feita a diferença entre a tensão gerada na junção quente e a tensão gerada na 
junção fria. O resultado é um valor de tensão, da ordem de mV. Na utilização da tabela, há uma 
relação entre o valor de tensão e a temperatura correspondente. A Tabela 2-I mostra a relação entre 
valores de tensão e de temperatura entre 0°C e 350°C, de um termopar tipo J, com junção de 
referência a 0°C, isto é, todos os cálculos apresentam como referência esta temperatura. 
Tabela 2.I: Valores de tensão e temperatura de Termopar tipo J 
Adaptado de: http://www.intech.co.nz/products/temperature/typej.html. 
 
Como exemplo, digamos que ao medir a tensão com o instrumento, o valor encontrado fosse 
4,760 mV. De forma a garantir um valor mais confiável na medição, é necessário utilizar um 
termômetro para medir a temperatura ambiente e consequentemente a temperatura na junção de 
 
27 
 
referência, supondo que fosse encontrado um valor de 25°C. Primeiramente, o valor de tensão 
correspondente a este valor de temperatura deve ser achado na Tabela II. Nas linhas da tabela, o 
valor da dezena é encontrado, neste caso igual a 20, e nas colunas, é encontrado o valor da unidade 
da temperatura, neste caso igual a 5. Então, uma parcela da Equação 2 é definida e é possível 
realizar o cálculo para se obter a temperatura da junção de medição a partir do valor de tensão 
encontrado na Tabela II, ou seja, 1,277 mV: 
u(T)= – eAB(TR) + eAB(T) => 4,760 = - 1,277 + eAB(T) => 
eAB(T) = 4,760 + 1,277 => eAB(T) = 6,037 
De forma análoga, a temperatura deve ser encontrada pela utilização da Tabela II. Porém, é preciso 
encontrar o valor de tensão de maior proximidade com o valor encontrado. E pela Tabela II, o valor 
mais próximo é 6,031 mV e esta tensão está relacionada à temperatura de 114°C, aproximadamente. 
 
2.3.4 RTD (Resistance Temperature Detector) 
A termorresistência ou, simplesmente RTD - Resistance Temperature Detector é um tipo de 
sensor de temperatura cujo princípio de funcionamento está relacionado à variação da resistência 
elétrica em função da variação da temperatura, efeito este que ocorre em quase todos os materiais 
condutores elétricos [7]. 
O RTD é um sensor extremamente popular em aplicações de processos industriais por causa 
da sua ampla faixa de utilização e também por causa da sua precisão. 
A termometria de resistência utiliza as relações características da resistência elétrica com a 
temperatura. Para metais puros, esta relação pode ser expressa conforme a Equação 3 [23]: 
 RT = R0 (1 + α.T + β.T² + γ.T³...) (Eq. 3) 
Onde ‘RT’ é a resistência do RTD à temperatura ‘T’, ‘R0’ é a resistência à temperatura de 
0ºC, ‘α’ é o coeficiente térmico do resistor e ‘β’ e ‘γ’ são coeficientes calculados com base em dois 
ou mais pontos onde se conhece o par “resistência e temperatura”. O coeficiente ‘α’ varia em 
função da temperatura, e esse fato deve ser considerado, principalmente, quando os mesmos são 
utilizados para medição em um intervalo de temperatura acima de 100ºC. Normalmente, a Equação 
3 é simplificada para a Equação 4: 
 RT = R0 (1 + α.T) (Eq. 4) 
 
 
 
 
 
28 
 
 
A medição com RTD pode ser realizada a dois, três ou quatro fios, utilizando o circuito em 
Ponte de Wheatstone, mostrado na Figura 2.13. 
 
Figura 2.13: Ponte de Wheatstone 
Quando apresenta uma relação de resistência conforme mostrada na Equação 5, esta se encontra 
balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente no galvanômetro, pois os potenciais 
nos pontos A e B são idênticos. 
 R1 x R3 = R2 x R4 (Eq. 5) 
Portanto conhecendo-se os valores de R1 e R2, e ajustando a resistência R3 até que a ponte fique 
em equilíbrio, tem-se através de R3 o valor de R4 e por consequência, é possível encontrar o valor 
de temperatura correspondente através da Tabela 2-II, caso fosse utilizado o sensor do tipo PT-100. 
Tabela 2.II: Tabela de valores de resistência e temperatura para PT-100 
Adaptado de: http://www.exacta.ind.br 
 
 
29 
 
A ligação a dois fios é a que apresenta maior influência da temperatura e da distância entre o 
sensor e o instrumento de medição e também, por conta disto, menor precisão. Por estes fatores, 
este método de medição é pouco recomendado. Na Figura 2.14 é vista a montagem a dois fios. 
 
Figura 2.14: Montagem de RTD em ponte, a dois fios 
Analisando o circuito da Figura 2.14, é possível visualizar que R3 é a resistência variável, usada 
para balancear o circuito e as resistências dos cabos, RL1 e RL2 apresentam influência na Ponte, 
visto que estão em série com o RTD e por consequência, influenciam no processo de medição. Isto 
pode ser comprovado no cálculo através da utilização da Equação 5: 
R1 x R3 = (RTD + RL1 + RL2) x R2 
Caso R1 = R2, então R3 deve ser balanceada de tal forma que R3 = RTD + RL1 + RL2 
A ligação a três fios é a mais utilizada no ambiente industrial, pois apresenta boa precisão e 
facilidade na confecção. Na Figura 2.15, é mostrada esta montagem. Devido à utilização do terceiro 
fio, há um balanceamento na influência da resistência dos fios RL1 e RL2 e, por consequência, a 
resistência equivalente referente aos cabos é cancelada. 
 
30 
 
 
Figura 2.15: Montagem de RTD em ponte, a três fios 
Isto pode ser provado ao utilizar novamente a Equação 5, obtendo o equilíbrio desta forma: 
R1 x (R3 + RL1) = R2 x (RTD + RL2) 
Caso R1 = R2, então R3 + RL1 = RTD + RL2 e, tendo os cabos de ligação as mesmas 
características, como tipo, tamanho, diâmetro e estando na mesma temperatura, terão o mesmo 
valor de resistência, RL1 = RL2, logo, R3 = R4 e será possível achar o valor de temperatura 
correspondente através da Tabela III, para o caso de um RTD do tipo PT-100. 
A ligação a quatro fios é a mais estável e com maior precisão, porém é pouco utilizada nas 
indústrias, sendo utilizada apenas em laboratórios e sensores padrão.Este tipo de ligação é 
mostrado na Figura 2.16 [24]. 
 
Figura 2.16: Montagem de RTD em ponte, a quatro fios 
 
31 
 
 Em relação ao termopar, o RTD apresenta vantagens e desvantagens, assim como em 
comparação com outros sensores de temperatura. O RTD possui maior precisão na faixa de 
utilização em que operam, tem características de estabilidade e repetibilidade melhores quando 
comparado com termopar, dispensa uso de fios e cabos de extensão e, a depender da ligação, não 
sofre influência da distância de operação. Como desvantagem, o custo pode ser citado, pois, 
normalmente, o RTD é mais caro em relação ao termopar na mesma faixa de operação, algo em 
torno de R$ 20,00, R$ 30,00, a depender do fornecedor escolhido. Além disso, é mais frágil 
mecanicamente, além de tudo isso, possui tempo de resposta mais lento e sofre do problema de 
autoaquecimento. 
 
2.3.5 Sistema Supervisório 
 Para que o controle possa ser realizado por um operador, mesmo que o processo seja 
simulado e não esteja em escala industrial, é necessário haver alguma interface com a capacidade de 
executar esta função. E a criação desta etapa é um dos objetivos principais deste projeto, já que em 
ambiente industrial, dificilmente um operador ou alguém do setor de manutenção tem acesso 
diretamente ao programa do CLP e sim a uma tela onde o processo é supervisionado. 
 Os sistemas supervisórios são amplamente utilizados no ambiente industrial e podem ter 
diferentes funcionalidades e aspectos visuais para cada tipo de processo ou objetivo. Estes sistemas 
têm uma característica comum que é a apresentação dos seus serviços em uma tela, normalmente de 
um computador. 
Para que o controle possa ser realizado por um operador, mesmo que o processo seja 
simulado e não esteja em escala industrial, é necessário haver alguma interface com a capacidade de 
executar esta função. E a criação desta etapa é um dos objetivos principais deste projeto, já que em 
ambiente industrial, dificilmente um operador ou alguém do setor de manutenção tem acesso 
diretamente ao programa do CLP e sim a uma tela onde o processo é supervisionado. 
 Os sistemas supervisórios são amplamente utilizados no ambiente industrial e podem ter 
diferentes funcionalidades e aspectos visuais para cada tipo de processo ou objetivo. Estes sistemas 
têm uma característica comum que é a apresentação dos seus serviços em uma tela, normalmente de 
um computador. 
 
 
 
32 
 
2.4 Considerações Finais 
 As descrições apresentadas sobre os equipamentos utilizados neste projeto são genéricas. 
Contudo, em um projeto de automação industrial, seja qual for seu tamanho, a especificação dos 
equipamentos que serão utilizados é parte do escopo, sendo inclusive uma das partes essenciais já 
que envolve custo, familiaridade com a tecnologia, tempo e capacidade de integração com outros 
equipamentos. 
 Grande parte dos CLPs do mercado possuem características em comum, como capacidade 
de processamento, disponibilização de entrada e saídas, facilidade de programação, entre outros. 
Contudo, há um custo envolvido em cada um destes fatores e é necessário analisar quais atributos 
são relevantes na escolha do CLP final para utilização em um projeto. 
 O mesmo pode ser dito em relação aos inversores de frequência. Há diversas marcas com 
funcionalidades semelhantes e com vantagens e desvantagens, porém sempre deve ser analisado o 
custo e também, a relação entre este custo e o benefício trazido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 3 
Montagem do Projeto 
 
A montagem de todo o projeto foi realizada no Laboratório de Automação do Departamento 
de Engenharia Elétrica, na Universidade Federal de Pernambuco. Foi utilizado um CLP S7-1200, 
CPU 1214C da Siemens, um inversor da WEG, modelo CFW10, um motor também da WEG, 
modelo W22 IR2, um módulo para bancada contendo um pequeno forno acoplado a três sensores de 
temperatura: termopar tipo J, termopar tipo K e um RTD do tipo PT-100 e outro módulo para 
bancada contendo relés. Além disso, uma fonte de tensão controlada (também para montagem em 
bancada) com tensões fixas de 12 e 24 V e tensão regulável de 0 a 24 V e corrente máxima de 1 A. 
Toda a parte de programação do CLP e do Sistema Supervisório foi realizada em um computador 
presente no Laboratório utilizando os respectivos softwares. 
O CLP é a parte principal do projeto e é o equipamento responsável pela aquisição e 
centralização das informações, algoritmo de controle da temperatura do processo simulado e 
controle de velocidade da esteira através do inversor de frequência. Juntamente com o CLP, o 
Sistema Supervisório atua no gerenciamento de informações. 
A programação do CLP é feita no ambiente do TIA Portal (Totally Integrated Automation 
Portal), um software proprietário da Siemens capaz de atender boa parte dos requisitos na 
concepção de um projeto de automação. Uma grande dificuldade deste tipo de projeto é a 
comunicação e compatibilidade entre os diversos equipamentos utilizados, visto que cada um possui 
 
34 
 
um software próprio. Então, a ideia do TIA Portal, assim como a tradução de seu nome diz é 
justamente esta, conseguir integrar de forma simples todas as tarefas dos diferentes tipos de 
equipamentos em um único local. 
Além da possibilidade de programação dos CLPs, é possível realizar toda a configuração das 
IHMs compatíveis da Siemens, assim como a configuração de drives, inversores de frequência e de 
toda a estrutura de rede do projeto de automação, focando principalmente na integração dos 
dispositivos utilizados. 
Em sua tela inicial, chamada de “Portal View”, mostrada na Figura 3.1, são vistas algumas 
opções no menu inicial denominado “Start”, como criação de novos projetos, abertura de projetos 
existentes ou migração de projetos. Já em outro menu, denominado “Devices & networks” é 
possível realizar a configuração e a adição de dispositivos aos projetos. 
 
Figura 3.1: Ambiente da Tela Inicial do software TIA Portal 
Outro ambiente do software TIA Portal é o “Project View”, onde é possível realizar todos os ajustes 
do projeto, inclusive programação do CLP em algumas linguagens como Ladder, Diagrama de 
Blocos ou SCL – Structured Control Language (uma linguagem de alto nível com características de 
orientação a objeto), alteração de configurações de hardwares dos equipamentos incluídos no 
projeto, testes e simulações, checagem da estrutura de ligação entre os equipamentos e também de 
 
35 
 
rede, possibilidade de verificar quais equipamentos estão visíveis na rede, entre diversas outras 
tarefas. 
Com estas características e a grande quantidade de funcionalidades, o software TIA Portal é 
capaz de atender os objetivos das tarefas propostas relacionadas ao CLP. 
 
3.1 Implementação do sistema de movimentação 
O diagrama esquemático do sistema de movimentação é mostrado na Figura 3.2. A partir 
deste esquema é possível ter uma visão geral deste subsistema da solução. 
 
Figura 3.2: Diagrama esquemático do subsistema de movimentação 
 
Para funcionamento do sistema de movimentação por esteira, primeiramente, é necessário 
parametrizar o inversor de frequência. Mesmo que o motor tenha condições de ser ligado 
diretamente à rede, para poder controlar a velocidade da esteira e ter um maior domínio sobre o 
funcionamento da mesma, é necessário que o inversor seja instalado e este seja parametrizado. 
Esta operação, conforme dito no item 2.3.2, tem como objetivo adequar as especificações do 
inversor ao motor e deste à máquina. E, além disto, há também a necessidade de parametrizar em 
relação ao processo, pois mesmo que o sistema funcione normalmente, algumas modificações 
podem trazer benefícios como a otimização do processo em si e o aumento da vida útil dos 
equipamentos. 
O modelo do inversor CFW10 utilizado foi o CFW100016S2024PSZ. E este equipamento 
apresenta como características: