01 dispositivos de controle (1)

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Dispositivos de 
Controle
Prof. Dr. Neil Paiva Tizzo
PUC Minas campus de Poços de Caldas – MG, Brasil
Versão: Wednesday, April 15, 2020
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Pirâmide de 
Automação 
Industrial
2
Manufacturing 
Execution System
Enterprice Resource
Planning
Outro ponte
de vista da 
Pirâmide de 
Automação
Industrial
3
4
Sala de Controle
IHM
Unidades de ProcessamentoEquipamentos de Campo
Fluxo da Informação na Pirâmide
Introdução
• Os modernos processos industriais de fabricação exigem 
sistemas de controle cada vez mais sofisticados. Esses 
processos são muitos variados e abrangem a fabricação de 
produtos diversos como os derivados do petróleo, os 
produtos alimentícios, o papel e a celulose, entre outros.
• Em todos esses processos é absolutamente indispensável 
controlar ou manter constantes algumas variáveis. O 
objetivo são: redução de variabilidade, aumento de 
eficiência e aumento da segurança.
• Por exemplo, precisamos controlar a pressão, a vazão, a 
temperatura, o nível, o pH, a condutividade, a velocidade e 
umidade em muitos destes processos. Os instrumentos de 
medição e controle são elementos que nos permitem 
manter controladas estas variáveis.
Dispositivos 
Empregados em 
Malhas Típicas de 
Controle
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Dispositivos Empregados em Malhas Típicas de Controle
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Elementos 
Primários de 
Medição (sensores)
Transdutores e 
Conversores
Transmissor
Indicadores Controlador
Elementos Finais 
de Controle 
(Atuadores) 
Elementos Primários de Medição (Sensores) 
• Em todas as malhas de controle existe um elemento que está conectado à variável do 
processo e mede suas alterações. Como esses elementos são os primeiros na malha de 
controle, chamam-se elementos primários. Como exemplos temos placas de orifício, 
termorresistência, tubos de Venturi e Pitot, entre outros.
• Os elementos primários são dispositivos que causam alguma mudança nas suas 
propriedades de acordo com mudanças nas condições do fluido do processo que podem 
ser medidas. Por exemplo, com uma termorresistência, à medida que a temperatura do 
processo do fluido nas vizinhanças da termorresistência aumenta ou diminui, a 
resistência elétrica do sensor aumenta ou reduz na mesma proporção, sendo a 
resistência medida e, a partir dessa medição, a temperatura é determinada.
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Termorresistência
PT100
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Termopar
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Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo 
custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de 
medição de temperatura. Um termopar é constituído de dois metais distintos 
unidos em uma das extremidades. Quando há uma diferença de 
temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, verifica-se 
o surgimento de uma diferença de potencial que pode ser medida por 
um voltímetro.
Transdutores e Conversores 
• Transdutor é um dispositivo que converte um sinal mecânico em sinal elétrico. 
Por exemplo, em um dispositivo de medição de pressão por capacitância, o 
transdutor converte as mudanças de pressão em uma mudança proporcional na 
capacitância. 
• Conversor é um dispositivo que traduz um tipo de sinal em outro tipo. Por 
exemplo, um conversor pode converter um sinal digital em analógico. Em 
controle de processos, um conversor pode ser utilizado para converter um sinal 
de corrente de 4 a 20 mA em um sinal pneumático de 3 a 15 psi, comumente 
utilizado em atuadores de válvulas. 
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Exemplo de Conversor 
Corrente/Pressão (I/P)
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Transmissor
• É um dispositivo que converte o sinal de 
leitura de um elemento primário de 
medição em um sinal padrão e o transmite 
a um mostrador ou controlador. 
• Exemplos típicos são transmissores de 
pressão, temperatura, nível etc.
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Transmissor 
de Pressão
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Indicadores
• A maioria dos instrumentos é conectada a 
um sistema de controle, mas, às vezes, os 
operadores necessitam verificar a 
temperatura no chão de fábrica em um 
ponto de medição. 
• Isso se torna possível por meio de um 
indicador. 
• Os indicadores podem ser simples 
medidores de temperatura ou de pressão 
ou ainda complexos elementos de 
indicação digital. 
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Representação 
de um Indicador
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Controlador
• Dispositivo que recebe dados de um 
instrumento de medida, compara-os com um 
determinado setpoint e, se necessário, envia 
sinais a um elemento de controle para tomar 
ações corretivas.
• Controladores podem executar funções 
matemáticas complexas ou realizar simples 
funções de soma ou subtração para fazer 
comparações. 
• Eles têm a habilidade de receber sinais de 
entrada e realizar funções matemáticas para 
produzir um sinal de saída. 
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Controladores Típicos
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Controladores 
Lógicos 
Programáveis 
(CLPs)
• Projetado para uso em um ambiente 
industrial, que tem como finalidade 
desempenhar funções logicas, 
sequenciais, temporização, contagem e 
aritmética, para controlar, através de 
entradas e saídas digitais ou analógicas, 
vários tipos de máquinas ou processos. 
• O controlador programável e seus 
periféricos associados são projetados para 
serem facilmente integráveis em um 
sistema de controle industrial. 
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Controlador 
Lógico 
Programável 
(CLP)
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Gabinete de 
um CLP
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Sistemas de 
Controle 
Distribuído 
(DCS)
• São controladores que, além de realizarem 
funções de controle, fornecem leituras de status 
do processo, mantêm bases de dados e 
avançadas Interfaces Homem/Máquina (IHM). 
• A aplicação de DCS é recomendada para plantas 
complexas com malhas de controle na ordem de 
centenas. Esses sistemas são fornecidos por 
fabricantes como Foxboro, Honeywell, 
Rosemont, Yokogawa etc. 
• O DCS tem algumas características particulares. 
A primeira é que o hardware e o software são 
mais flexíveis, sendo mais fáceis de modificar e 
configurar. Também são equipados com 
ferramentas de otimização e controle de alta 
performance. 
• Nessa configuração, diversas partes da planta e 
elementos da rede são conectados uns aos 
outros por rede de campo. 
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Elementos de 
um Sistema de 
Controle 
Distribuído 
(DCS)
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Controlador 
Multiloop
• No topo da hierarquia, um computador de 
supervisão (host) é colocado. O host é responsável 
por realizar as funções de mais alto nível, as quais 
podem ser de otimização da operação do processo 
em horizontes de tempo que podem variar dias, 
semanas ou meses, fazendo a integração com 
sistemas gerencias corporativos. 
• Também podem ser utilizados controladores para 
controlar uma única malha de controle (single 
loop) ou mais de uma malha de controle 
(multiloop). 
• Em um controlador multiloop, a programação 
ser feita pela configuração de blocos predefinidos 
ou por seleções de configuração. Esses 
controladores também contam com entradas e 
saídas digitais e analógicas, definição de alarmes, 
além de interfaces de comunicação com sistemas 
de supervisão SCADA. 
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Controlador 
Multiloop
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IHM
• IHM →Interface Homem Máquina
• De uma forma geral, esse tipo de 
controlador permite a configuração das 
malhas de controle pela IHM ou via 
software por meio uma interface amigável. 
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Interface 
Homem 
Máquina (IHM)
27
Exercício: Dispositivos de Controle de 
a 7
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Elementos 
Finais de 
Controle
• O elemento final de controle é a parte do 
sistema de controle que atua para alterar 
fisicamente a variável manipulada.
• Esse elemento pode ser uma válvula utilizada 
para aumentar ou diminuir a vazão de fluido, 
bombas para regular o fluxo, entre outros que 
atuem diretamente na variável manipulada. 
• Um exemplo é o elemento final de controle 
utilizado para regular a vazão de ar em uma 
caldeira para controlar a sua combustão.
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Exemplo de 
Válvula
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Válvula solenóide é simplesmente um tipo 
eletroímã constituído por um fio de cobre 
isolado por bobina. Estas válvulas são usadas 
para substituir uma válvula manual em 
aplicações onde o controle remoto é 
desejável. Servem para controlar o fluxo de 
líquidos ou gases
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Sistema de 
Controle Típico: 
representaçãoparcial de um 
sistema de 
controle de uma 
planta, 
sensores/transd
utores, 
controladores e 
atuadores
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Telemetria
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Uma velha conhecida
Telemetria
• É a técnica de transportar medições obtidas no 
processo que está a uma determinada distância até
um ponto que facilite sua visualização, controle e 
manutenção. 
• É preciso utilizar telemetria devido à necessidade 
de centralizar os instrumentos e controles de um 
processo em painéis de controle ou em uma sala 
de comando e controle. 
• O agrupamento dos instrumentos facilita a 
visualização, possibilitando uma visão em conjunto 
do desempenho de uma unidade. 
• Sinais empregados:
• Saída digital
• Saída analógica
• Sinal pneumático
• Sinais analógicos
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Sinais 
Empregados
• Saídas digitais: a saída do dispositivo somente assume valores “0” ou “1” 
lógicos (também denominadas saída liga-desliga ou on-off). Esse tipo de 
sensor só́ é capaz de indicar se uma grandeza física atingiu um valor 
predeterminado (exemplo: pressostatos, termostatos, chaves de nível etc.). 
• Saídas analógicas: neste caso, o transdutor possui uma saída contínua, ou 
seja, representa na saída os valores da grandeza de entrada.
• Sinal pneumático: produzido pela mudança da pressão do ar em uma 
tubulação de sinal em proporção à alteração na variável do processo. O 
padrão comum da indústria para sinal pneumático é de 3-15 psi; 3 psi 
corresponde ao valor mais baixo da escala (Low Range Value - LRV) e 15 psi, 
ao fundo de escala (Upper Range Value - URV). Ainda se encontram 
instalações com transmissão pneumática, entretanto, como advento da 
eletrônica, esses sinais são cada vez mais raramente encontrados em 
processos.
• Sinais analógicos: o padrão mais comum de sinais elétricos é em corrente de 
4 a 20 mA. Com esse sinal o transmissor envia uma pequena corrente 
de um conjunto de cabos. Nesse tipo de transmissão, o sinal zero da variável 
de processo é representado por 4 mA, e 20 mA representa o URV. 
Exemplo de 
Saída Digital
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Exemplo de Saída Analógica
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Exercício
• Um processo, que possui uma termorresistência e um transmissor, deve 
mantido à temperatura de 100 oC.
• O transmissor envia a saída um sinal de 4 a 20 mA, que é proporcional às 
mudanças na temperatura.
• O transmissor é ajustado para produzir 4 mA quando a variável do 
é 95 oC e 20 mA quando a temperatura for de 105 oC.
• Qual será a corrente que o transmissor irá enviar quando a temperatura 
de 100 oC?
• Resposta: o transmissor vai enviar 12 mA quando a temperatura for de 100 
oC.
• Outro padrão comum de sinal analógico é de 1 a 5 V. 
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Integração de 
Sinais 
Analógicos 
com 
Controladores 
Lógicos 
Programáveis 
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Entradas analógicas
Saídas analógicas
Saída de comunicação digital
Integração de um Sinal de Entrada Analógico com CLP
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Os sinais analógicos, que podem ser de qualquer grandeza, como 
temperatura, pressão, vazão, nível, entre outros, necessitam de um 
módulo (cartão) para transformar o sinal do processo (analógico) em 
um sinal digital que o CLP possa compreender a fim de efetuar as suas 
operações. 
Integração de um Sinal de Entrada Analógico com CLP
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Os dispositivos (sensores/transdutores) que fornecem uma saída analógica de 
acordo com a variável do processo são geralmente conectados a transdutores 
e transmissores, que enviam o sinal ao cartão de entrada analógica. O 
transdutor converte a variável de processo (pressão, temperatura etc.) em 
potencial elétrico muito baixo (tensão ou corrente), que será amplificado e 
propriamente condicionado por um transmissor que será conectado a um 
cartão de entrada analógico de um CLP. 
Relação entre Variável de Processo e Entrada do Cartão Analógico
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Exercício
• Um cartão de entrada analógico é conectado a um transmissor de 
temperatura, e a temperatura do processo varia de 0 a 600 oC e fornece 
sinal de 0 a 10 Vcc proporcional à variável do processo.
• Qual é a relação entre a variação da variável do processo e a entrada 
analógica do CLP (variação de tensão em relação à variação de 
temperatura)?
• Resposta:
• A faixa de variação de temperatura será 600 oC – 0 oC = 600 oC.
• A faixa de variação da entrada analógica do cartão é 10 Vcc – 0 = 10 Vcc.
• Assim, a variação de tensão para cada grau de variação do processo (∆1 oC) será: 
∆1𝑜𝐶 =
10
600
= 0,0166 𝑉𝑐𝑐/𝑜𝐶
• Se a temperatura do processo for 100 oC, a tensão no cartão analógico será de 1,66 
Vcc.
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Conversão 
de Sinal 
Digital de 
um CLP em 
Sinal de 
Saída 
Analógico
Saídas Analógicas: os sinais de saída analógicos 
podem comandar dispositivos como válvulas, 
motores e posicionadores. Para tanto, necessita-se 
transformar um sinal digital do CLP em um sinal 
analógico para ser enviado ao processo.
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Representação da Interligação de uma Saída 
Analógica
Os sinais de saída analógicos 
são empregados em aplicações 
que requerem o controle de 
dispositivos de campo que 
respondem a níveis de tensão 
ou corrente. Um exemplo 
desse tipo de dispositivo é
uma válvula proporcional 
usada para controlar a vazão 
de um fluido
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Controle de 
Válvula 
Proporcional 
por uma 
Saída de CLP 
em 4 a 20 
mA
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Sinais de 
comunicação 
digital
Os mais utilizados em controle nos 
dias atuais. Eles são combinados de 
forma específica para representar 
variáveis de processo, bem como 
enviar outras informações, como, 
por exemplo, de diagnóstico. 
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Protocolos de 
Comunicação
• Fabricantes podem utilizar protocolos abertos 
ou proprietários de comunicação. Os abertos 
são aqueles que podem ser usados por 
qualquer companhia que desenvolve um 
dispositivo, enquanto os protocolos 
proprietários são de propriedade de um 
fabricante específico e somente podem ser 
utilizados com sua permissão. 
• A tendência em processos industriais é utilizar 
protocolos abertos como HART, Devicenet, 
Modbus, Profibus, entre outros. 
Exercício: Dispositivos de Controle de 
8 em diante
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8282/cfi/0!/4/2@100:0.00
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