Instrumentação 2

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BÁSICO EM 
INSTRUMENTAÇÃO E 
AUTOMAÇÃO 
INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Automação Industrial 
 
Introdução à Automação Industrial 
 
 
A automação industrial é uma área vital da engenharia que se concentra na 
utilização de tecnologias para operar e controlar processos industriais com o 
mínimo de intervenção humana. Este campo abrange uma ampla gama de 
tecnologias, incluindo sensores, atuadores, controladores lógicos 
programáveis (CLPs), sistemas de controle distribuído (DCS) e sistemas de 
supervisão e aquisição de dados (SCADA). 
Conceitos de Automação Industrial 
A automação industrial refere-se à aplicação de tecnologias e sistemas 
automáticos para controlar e monitorar a produção e outras operações 
industriais. O objetivo principal é aumentar a eficiência, a precisão e a 
consistência dos processos, reduzindo a necessidade de intervenção humana 
direta. A automação pode ser aplicada em diversas indústrias, como 
manufatura, energia, petroquímica, alimentos e bebidas, e muitas outras. 
Componentes Básicos de um Sistema de Automação 
Os sistemas de automação industrial são compostos por diversos 
componentes que trabalham em conjunto para monitorar e controlar 
processos. Entre os componentes básicos, destacam-se: 
 
 
 
 
1. Sensores: 
o Função: Detectam mudanças nas condições do processo (como 
temperatura, pressão, nível e vazão) e convertem essas 
mudanças em sinais elétricos. 
o Tipos Comuns: Sensores de temperatura (termopares, RTDs), 
sensores de pressão, sensores de nível e sensores de vazão. 
2. Atuadores: 
o Função: Convertem os sinais de controle em ação física, 
ajustando os parâmetros do processo (como abrir ou fechar 
válvulas, ligar ou desligar motores). 
o Tipos Comuns: Válvulas solenoides, motores elétricos, 
cilindros pneumáticos e bombas. 
3. Controladores Lógicos Programáveis (CLPs): 
o Função: Executam programas de controle que processam os 
sinais dos sensores e enviam comandos aos atuadores para 
manter as variáveis de processo dentro dos valores desejados. 
o Características: Flexíveis, reprogramáveis, capazes de 
executar operações lógicas e aritméticas. 
4. Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA): 
o Função: Monitoram e controlam processos em tempo real, 
coletando dados de campo e apresentando informações em 
interfaces gráficas para os operadores. 
o Componentes: Software SCADA, interfaces homem-máquina 
(IHMs), servidores de dados. 
 
 
 
5. Redes de Comunicação: 
o Função: Facilitar a comunicação entre diferentes componentes 
do sistema de automação. 
o Tipos Comuns: Ethernet industrial, Profibus, Modbus, 
DeviceNet. 
Vantagens da Automação nos Processos Industriais 
A implementação da automação industrial oferece diversas vantagens 
significativas que contribuem para a melhoria da eficiência operacional, 
qualidade do produto e segurança do trabalho. Entre as principais vantagens, 
destacam-se: 
1. Aumento da Eficiência: 
o Otimização dos Processos: A automação permite ajustes 
precisos e rápidos nas condições de operação, melhorando a 
eficiência dos processos. 
o Redução de Tempo de Ciclo: Processos automatizados podem 
operar em velocidades superiores às possíveis manualmente, 
reduzindo o tempo de ciclo de produção. 
2. Melhoria da Qualidade do Produto: 
o Consistência e Precisão: A automação garante que os produtos 
sejam fabricados de acordo com especificações rigorosas, 
minimizando variações e defeitos. 
o Monitoramento Contínuo: Sensores e sistemas de controle 
monitoram continuamente as condições do processo, 
permitindo ajustes imediatos para manter a qualidade. 
 
 
 
3. Redução de Custos: 
o Economia de Mão de Obra: A automação reduz a necessidade 
de intervenção humana direta, resultando em economia de 
custos laborais. 
o Redução de Desperdícios: Controle preciso dos processos 
minimiza desperdícios de materiais e energia. 
4. Melhoria da Segurança: 
o Ambientes Perigosos: Sistemas automatizados podem operar 
em ambientes perigosos para os seres humanos, reduzindo o 
risco de acidentes. 
o Monitoração de Condições Críticas: A automação permite o 
monitoramento de condições críticas (como temperatura e 
pressão), prevenindo situações de risco. 
5. Aumento da Flexibilidade: 
o Adaptação a Novos Produtos: Sistemas automatizados podem 
ser reprogramados para produzir novos produtos com relativa 
facilidade, aumentando a flexibilidade da produção. 
o Escalabilidade: A automação facilita a escalabilidade das 
operações, permitindo que as empresas aumentem ou diminuam 
a produção conforme necessário. 
Em resumo, a automação industrial é uma tecnologia transformadora que 
permite às indústrias alcançar níveis elevados de eficiência, qualidade e 
segurança. Ao compreender os conceitos básicos, os componentes essenciais 
e as vantagens da automação, as empresas podem implementar sistemas 
automatizados que aprimoram significativamente suas operações e 
competitividade no mercado. 
 
 
Controladores Lógicos Programáveis (CLP) 
 
O que são CLPs e sua Função na Automação 
Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) são dispositivos eletrônicos 
robustos e versáteis usados na automação industrial para controlar máquinas 
e processos. Eles foram projetados para substituir sistemas de controle 
baseados em relés e temporizadores, oferecendo maior flexibilidade, 
eficiência e capacidade de programação. Os CLPs são essenciais para a 
automação porque permitem a execução de tarefas complexas de controle de 
forma precisa e confiável, reduzindo a necessidade de intervenção humana 
direta. 
A função principal dos CLPs na automação é receber sinais de entrada de 
sensores e outros dispositivos de campo, processar esses sinais de acordo 
com um programa pré-determinado e gerar sinais de saída para acionar 
atuadores e outros dispositivos de controle. Isso permite que os processos 
industriais sejam controlados de maneira eficiente, segura e econômica. 
Estrutura e Funcionamento dos CLPs 
Os CLPs são compostos por várias partes essenciais que trabalham em 
conjunto para realizar suas funções de controle: 
1. Unidade Central de Processamento (CPU): 
o Função: O "cérebro" do CLP, responsável por executar o 
programa de controle, processar dados de entrada e gerar 
comandos de saída. 
 
 
 
o Componentes: Microprocessador, memória RAM para 
armazenamento temporário de dados, memória ROM para 
armazenamento do sistema operacional e memória flash para 
armazenamento de programas de controle. 
2. Módulos de Entrada e Saída (I/O): 
o Entradas: Recebem sinais de dispositivos de campo, como 
sensores e botões. 
o Saídas: Enviam sinais para atuar dispositivos como válvulas, 
motores e lâmpadas. 
o Tipos: Entradas e saídas digitais (on/off) e analógicas (valores 
variáveis). 
3. Fonte de Alimentação: 
o Função: Fornece a energia necessária para o funcionamento do 
CLP e seus módulos. 
4. Interface de Comunicação: 
o Função: Permite a comunicação entre o CLP e outros 
dispositivos ou sistemas, como computadores, redes industriais 
e outros CLPs. 
o Protocolos Comuns: Modbus, Profibus, Ethernet/IP. 
5. Software de Programação: 
o Função: Ferramenta usada para desenvolver, testar e carregar 
programas de controle no CLP. 
 
 
 
 
Programação Básica de CLPs: Linguagens de Programação e Exemplos 
Práticos 
Os CLPs são programados usando linguagens de programação padronizadas, 
definidas pela norma IEC 61131-3. As principais linguagens de programação 
incluem: 
1. Ladder Diagram (LD): 
o Descrição: Baseada em diagramas de relés, é a linguagem mais 
comum e intuitiva, especialmente para técnicos e engenheiros 
familiarizados com circuitos elétricos. 
o Uso: Ideal para tarefas de controle simples e lógicas 
sequenciais. 
o Exemplo: Controle de uma lâmpada usando um interruptor: Se 
o interruptor estiver ligado, a lâmpada acende. 
2. Structured Text (ST): 
o Descrição: Linguagemtextual de alto nível, similar a 
linguagens de programação convencionais como Pascal. 
o Uso: Adequada para algoritmos complexos e operações 
matemáticas. 
o Exemplo: Programa para calcular a média de três valores de 
temperatura. 
3. Function Block Diagram (FBD): 
o Descrição: Baseada em blocos funcionais, permite a 
interligação de funções predefinidas. 
o Uso: Útil para operações analógicas e controle de processos 
contínuos. 
 
 
o Exemplo: Controle de um sistema de aquecimento onde a 
temperatura é mantida dentro de um intervalo específico. 
4. Sequential Function Chart (SFC): 
o Descrição: Representa a sequência de operações e transições 
entre estados. 
o Uso: Ideal para processos que seguem uma sequência definida 
de passos. 
o Exemplo: Controle de um ciclo de enchimento de um tanque, 
onde o processo avança de um estado ao próximo quando certas 
condições são atendidas. 
5. Instruction List (IL): 
o Descrição: Linguagem de baixo nível, similar à linguagem 
assembly. 
o Uso: Menos comum, mas útil para programação detalhada e 
otimizada. 
o Exemplo: Implementação de uma lógica de controle simples 
usando instruções básicas. 
Exemplos Práticos 
1. Controle de Motor: 
o Objetivo: Ligar e desligar um motor elétrico com base em um 
sinal de botão. 
o Programa em Ladder Diagram: 
o |-----[ ]-----[ ]-----| (Botão Start) (Bobina Motor) 
o |-----[ ]-----|/|-----| (Botão Stop) (Contator Motor) 
 
 
Controle de Temperatura: 
• Objetivo: Manter a temperatura de um forno dentro de uma faixa 
específica. 
• Programa em Function Block Diagram: 
[ Entrada_Temp ]-----(PID)-----(Saída_Atuador) 
Contagem de Produtos: 
• Objetivo: Contar o número de produtos em uma linha de produção. 
• Programa em Structured Text: 
IF Sensor_Produto = TRUE THEN 
 Contador := Contador + 1; 
END_IF; 
Os CLPs são ferramentas poderosas que transformaram a automação 
industrial, permitindo o controle preciso e eficiente de processos complexos. 
A compreensão de sua estrutura, funcionamento e programação é 
fundamental para aproveitar ao máximo suas capacidades e otimizar a 
operação industrial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistemas Supervisórios e SCADA 
 
Conceito de Sistemas Supervisórios e SCADA 
Sistemas Supervisórios e SCADA (Supervisory Control and Data 
Acquisition) são tecnologias fundamentais na automação industrial. Eles 
proporcionam uma interface para monitorar, controlar e coletar dados de 
processos industriais em tempo real. Um sistema SCADA é utilizado para 
supervisionar e controlar equipamentos industriais e infraestruturas, como 
linhas de produção, redes de distribuição de energia, sistemas de tratamento 
de água e outros processos críticos. 
Os sistemas SCADA coletam informações de sensores e atuadores, 
processam esses dados e apresentam informações significativas aos 
operadores através de interfaces gráficas. Eles também permitem o controle 
remoto de processos, ajustando parâmetros e executando comandos com 
base nas condições monitoradas. 
Arquitetura e Componentes de um Sistema SCADA 
A arquitetura de um sistema SCADA é composta por vários componentes 
interconectados que trabalham em conjunto para garantir o monitoramento e 
o controle eficiente dos processos industriais. Os principais componentes de 
um sistema SCADA incluem: 
1. Estação Mestre (Master Station): 
o Função: Centro de controle do sistema SCADA, onde os dados 
são processados e apresentados aos operadores. 
o Componentes: Computadores, servidores, interfaces homem-
máquina (IHMs), software SCADA. 
 
 
2. Unidades de Aquisição de Dados (Remote Terminal Units - RTUs): 
o Função: Dispositivos que coletam dados de campo de sensores 
e atuadores e transmitem esses dados para a estação mestre. 
o Características: Robustez, capacidade de operar em ambientes 
adversos, comunicação com a estação mestre via diversos 
protocolos. 
3. Controladores Lógicos Programáveis (CLPs): 
o Função: Controlam processos locais, executando lógicas de 
controle e fornecendo dados para a estação mestre. 
o Integração: CLPs são frequentemente integrados com sistemas 
SCADA para controle local e coleta de dados. 
4. Sensores e Atuadores: 
o Função: Sensores monitoram variáveis de processo (como 
temperatura, pressão, nível, vazão) e atuadores realizam ações 
de controle (como válvulas, motores, aquecedores). 
o Interação: Sensores enviam dados para RTUs ou CLPs, que 
transmitem informações para a estação mestre. 
5. Redes de Comunicação: 
o Função: Facilitar a troca de dados entre RTUs, CLPs e a estação 
mestre. 
o Protocolos Comuns: Ethernet, Modbus, Profibus, DNP3, entre 
outros. 
 
 
 
 
Integração de CLPs com Sistemas SCADA para Monitoramento e 
Controle de Processos 
A integração de CLPs com sistemas SCADA é essencial para um 
monitoramento e controle eficazes dos processos industriais. Essa integração 
permite que os dados coletados pelos CLPs sejam transmitidos para a estação 
mestre do SCADA, onde podem ser processados e utilizados para decisões 
de controle. A seguir, são descritos os principais aspectos dessa integração: 
1. Comunicação: 
o Protocolo de Comunicação: A escolha do protocolo adequado 
(como Modbus, Profibus, Ethernet/IP) é crucial para garantir 
uma comunicação eficiente entre CLPs e sistemas SCADA. 
o Configuração da Rede: A rede deve ser configurada para 
suportar a troca de dados em tempo real, minimizando latências 
e garantindo a integridade dos dados. 
2. Coleta de Dados: 
o Leitura de Variáveis: CLPs coletam dados de sensores e os 
enviam para o sistema SCADA. 
o Registro Histórico: Sistemas SCADA armazenam dados 
históricos para análise e relatórios, permitindo o 
acompanhamento de tendências e o diagnóstico de problemas. 
3. Monitoramento e Controle: 
o Visualização de Dados: A interface gráfica do SCADA 
apresenta dados de processo em tempo real, permitindo que os 
operadores monitorem o estado dos sistemas. 
 
 
o Controle Remoto: Operadores podem ajustar parâmetros de 
processo e emitir comandos para os CLPs através do SCADA, 
proporcionando controle remoto e centralizado. 
4. Alarmes e Notificações: 
o Configuração de Alarmes: Sistemas SCADA podem ser 
configurados para gerar alarmes em resposta a condições 
anormais detectadas pelos CLPs. 
o Notificações: Alarmes são apresentados na interface do 
SCADA e podem ser enviados por e-mail ou SMS para alertar 
operadores e técnicos. 
5. Relatórios e Análises: 
o Geração de Relatórios: Sistemas SCADA podem gerar 
relatórios automáticos baseados em dados coletados, facilitando 
a análise de desempenho e a tomada de decisões. 
o Análise de Dados: Ferramentas de análise permitem a 
identificação de padrões e tendências, ajudando na otimização 
dos processos. 
A integração de CLPs com sistemas SCADA proporciona uma plataforma 
poderosa para o monitoramento e controle eficiente de processos industriais. 
Essa combinação permite que as indústrias operem com maior eficiência, 
segurança e qualidade, fornecendo uma base sólida para a automação 
avançada e a transformação digital.