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Sebenta UC02953 — Sistemas de Automação Industrial

1. Pirâmide de Automação e Industry 4.0

1.1 Níveis da Automação (ISA-95)

A pirâmide de automação industrial (modelo ISA-95 / IEC 62264) organiza os sistemas de informação e controlo em 5 níveis hierárquicos:

Nível 0 — Campo (Field Level):

• Dispositivos físicos: sensores (temperatura, pressão, caudal, posição), actuadores (válvulas, cilindros, motores)
• Tecnologias de comunicação: 4–20 mA (analógico), HART, IO-Link, AS-i, DI/DO digitais

Nível 1 — Controlo Básico:

• PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System), PAC
• Executa o controlo em tempo real (scan time típico: 1–20 ms)
• Comunicação com campo: PROFIBUS, DeviceNet, CANopen, IO-Link Master

Nível 2 — Supervisão:

• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), HMI local
• Monitorização e supervisão do processo; controlo de operadores

Nível 3 — Gestão de Produção:

• MES (Manufacturing Execution System): ordens de produção, OEE, qualidade

Nível 4 — Gestão Empresarial:

• ERP (Enterprise Resource Planning): finanças, logística, RH, clientes

2. Programação PLC — IEC 61131-3 Avançado

2.1 Structured Text (ST)

ST é a linguagem mais versátil da IEC 61131-3. Semelhante ao Pascal/C. Adequada para algoritmos complexos, cálculos matemáticos e controlo de processos.

Estruturas de controlo:

(* IF-THEN-ELSE *)
IF temp > 90.0 THEN
    alarm_high := TRUE;
    heater_output := 0.0;
ELSIF temp < 20.0 THEN
    alarm_low := TRUE;
    heater_output := 100.0;
ELSE
    alarm_high := FALSE;
    alarm_low := FALSE;
END_IF;

(* WHILE loop *)
WHILE index < 10 DO
    array[index] := index * 2;
    index := index + 1;
END_WHILE;

(* FOR loop *)
FOR i := 0 TO 9 BY 1 DO
    sum := sum + data[i];
END_FOR;
average := sum / 10;

(* CASE OF *)
CASE machine_state OF
    0: output := 'PARADO';
    1: output := 'A AQUECER';
    2: output := 'EM PRODUÇÃO';
    3: output := 'A ARREFECER';
ELSE
    output := 'ERRO';
END_CASE;

2.2 Tipos de Dados e Estruturas

Tipos de dados base:

• BOOL (1 bit): TRUE/FALSE
• INT (16 bit): -32768 a +32767
• UINT (16 bit): 0 a 65535
• DINT (32 bit): inteiro longo com sinal
• REAL (32 bit): ponto flutuante IEEE 754
• TIME: duration (ex.: T#5s, T#100ms)
• STRING[80]: cadeia de caracteres até 80 caracteres

Tipos compostos:

(* TYPE para estrutura de dados *)
TYPE Motor_Data:
STRUCT
    running: BOOL;
    fault: BOOL;
    speed_rpm: REAL;
    current_A: REAL;
    temp_C: REAL;
    run_hours: DINT;
END_STRUCT;
END_TYPE;

(* Uso *)
VAR
    pump_motor: Motor_Data;
END_VAR
pump_motor.speed_rpm := 1450.0;

2.3 Blocos de Função (FB) Personalizados

Os Function Blocks (FB) encapsulam funcionalidades reutilizáveis com memória interna:

FUNCTION_BLOCK FB_PID_Controller
VAR_INPUT
    setpoint: REAL;
    measured: REAL;
    Kp, Ti, Td: REAL;
    dt: REAL; (* período de amostragem em s *)
    enable: BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    output: REAL;
    error_abs: REAL;
END_VAR
VAR
    integral: REAL;
    last_error: REAL;
END_VAR

IF enable THEN
    error_abs := setpoint - measured;
    integral := integral + error_abs * dt;
    (* Anti-windup: limitar a integral *)
    integral := MIN(100.0, MAX(-100.0, integral));
    output := Kp * (error_abs + (1/Ti)*integral + Td*(error_abs-last_error)/dt);
    output := MIN(100.0, MAX(0.0, output));
    last_error := error_abs;
ELSE
    output := 0.0;
    integral := 0.0;
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

2.4 SFC (Sequential Function Chart) Detalhado

O SFC é baseado nas Redes de Petri. Componentes:

• Steps (passos): representados por quadrados; cada passo tem acções associadas
• Transitions (transições): representadas por traços horizontais com a condição booleana
• Divergência/convergência: OR (fluxo alternativo) ou AND (fluxo paralelo)

Acções num passo SFC:

• N (Non-stored): acção activa enquanto o passo é activo
• S (Set): activa a acção permanentemente
• R (Reset): desactiva a acção permanentemente
• P (Pulse): activa a acção por 1 ciclo quando o passo torna activo
• L (Limited): activa a acção por um tempo limitado (Time Limit)

3. HMI — Design e Implementação

3.1 Tipos de HMI

3.2 Gestão de Alarmes ISA-18.2

A norma ISA-18.2 (ANSI/ISA-18.2-2016) define as melhores práticas para gestão de alarmes:

Classificação de prioridade de alarme:

• Prioridade 1 (Crítica): risco imediato para segurança, ambiente ou activo → resposta imediata
• Prioridade 2 (Alta): potencial dano a curto prazo → resposta rápida (minutos)
• Prioridade 3 (Média): supervisão activa necessária → resposta em horas
• Prioridade 4 (Baixa): informação; monitorizar tendência

Métricas de qualidade de alarmes:

• Alarm flood: > 10 alarmes/10 minutos é inaceitável
• Standing alarms: alarmes que nunca se resolvem — indicam problema de processo ou mal configurados
• Chattering alarms: um alarme activa/desactiva repetidamente sem ação do operador

4. SCADA e OPC UA

4.1 OPC UA (Unified Architecture)

O OPC UA é o standard aberto da OPC Foundation para comunicação entre sistemas de automação:

Vantagens do OPC UA:

• Plataforma independente: Linux, Windows, embedded
• Segurança integrada: autenticação, autorização, encriptação (TLS)
• Modelo de informação: dados com semântica (não apenas valores crus)
• Publisher-Subscriber: versão pub/sub para IIoT e MQTT

Servidor OPC UA — configuração básica:

1. Definir o URL do endpoint (ex.: opc.tcp://192.168.1.100:4840)
2. Configurar a segurança: None, Sign, SignAndEncrypt
3. Criar nodes de dados (variáveis, métodos)
4. Configurar permissões de acesso (utilizadores e roles)

4.2 Historiadores de Dados (Historian)

Sistemas de historização armazenam dados de processo com marca temporal e os disponibilizam para análise retrospectiva:

• OSIsoft PI: o mais usado na indústria de processo; compressão de dados muito eficiente
• Ignition Historian: baseado em SQL; fácil integração com ERP
• WinCC OA: Siemens; integração nativa com Simatic

Compressão de dados:

• Exception Report: só guarda um valor quando muda mais de X% (economia de 80–95% vs. armazenamento a taxa constante)
• Swinging door: interpolação linear entre pontos

5. Comunicação Industrial — Detalhes

5.1 Modbus TCP — Mapeamento de Registos

O Modbus TCP é uma extensão do Modbus RTU que encapsula as mensagens Modbus num frame TCP/IP:

Tabelas de endereçamento Modbus: | Área | Endereço decimal | Função de leitura | Função de escrita | Tipo | |------|-----------------|-------------------|-------------------|------| | Coils | 1–9999 (00001–09999) | FC01 | FC05, FC15 | Bit read/write | | Discrete Inputs | 10001–19999 | FC02 | — | Bit read only | | Input Registers | 30001–39999 | FC04 | — | Word (16bit) read only | | Holding Registers | 40001–49999 | FC03 | FC06, FC16 | Word (16bit) read/write |

Exemplo de leitura Modbus TCP (frame):

Transaction ID: 0x0001
Protocol ID: 0x0000
Length: 0x0006
Unit ID: 0x01
Function Code: 0x03 (Read Holding Registers)
Start Address: 0x006B (107 = holding register 40108)
Quantity: 0x0003 (3 registos)

5.2 PROFINET — Configuração

O PROFINET usa TCP/IP e UDP como transporte:

• RT (Real-Time): ciclo 1–10 ms; prioridade via IEEE 802.1Q VLAN
• IRT (Isochronous Real-Time): ciclo 250 µs–1 ms; hardware dedicado

Configuração em TIA Portal:

1. Adicionar dispositivo de campo no Network View
2. Atribuir endereço IP e nome de dispositivo PROFINET
3. Configurar I/O modules (slot, dados a transferir)
4. Definir o I-Device de I/O (actualização de diagnóstico)
5. Compilar e fazer download para o PLC

6. Cibersegurança Industrial

6.1 IEC 62443 — Visão Geral

A norma IEC 62443 é a principal referência para cibersegurança de sistemas de automação e controlo industrial (IACS):

Estrutura:

• Parte 1: Conceitos gerais
• Parte 2: Políticas e procedimentos
• Parte 3: Requisitos para sistemas
• Parte 4: Requisitos para componentes

Security Levels (SL):

• SL 1: Protecção contra ataques não intencionais (erros de utilizador)
• SL 2: Protecção contra ataques simples intencionais (script kiddies)
• SL 3: Protecção contra ataques sofisticados com recursos moderados
• SL 4: Protecção contra ataques de estados-nação (APT)

6.2 Medidas de Segurança Práticas para PLCs

1. Segmentação de rede: separar rede OT (operational technology) da rede IT; usar firewall industrial (Fortinet, Cisco, Tofino)
2. Gestão de credenciais: palavra-passe forte no PLC (diferente do padrão de fábrica)
3. Controlo de portas USB: desabilitar ou monitorizar portas USB nos PLCs
4. Patch management: actualizações de firmware do PLC em ambientes controlados
5. Backup de programas: guardar versões de programa com data e versão; armazenar offline
6. Auditoria de acessos: registar quem acedeu ao PLC e quando (log de eventos)

Sebenta elaborada para a UC02953 do curso TMIM — Aulify Platform Versão 1.0 — 2026