⚙ Aula 3 · Fluxos Produtivos

Concepção de Fluxos Produtivos
e Modelos de Processo

Nesta aula construímos fluxogramas de processo (PFD e diagramas de blocos), exploramos a lógica de sequência de operações e identificamos as variáveis de processo críticas em exemplos reais de manufatura e biossistemas — incluindo uma introdução ao controle automático.

PFD e BFD Lógica de sequência (SFC) T · P · F · L · pH · Umidade Linha de embalagem Tratamento de efluentes Controle PID (introdução)

⏱ Duração: 2 horas

🎓 Modalidade: Exposição + estudo de caso

🌿 Contexto: Ind. e agroindustrial (Caatinga)

0–20 min
PFD/BFD

20–40 min
Sequência

40–75 min
Variáveis

75–110 min
Modelagem

110–120 min
Quiz

PFD, Diagramas de Blocos e Fluxogramas

1.1 O que é um Process Flow Diagram (PFD)?

Conceito fundamental

Um Process Flow Diagram (PFD) é a representação gráfica de alto nível que mostra os principais equipamentos de um processo e os fluxos de material ou energia entre eles, sem detalhar tubulações, instrumentação exata ou dimensionamento.

Exibe grandes equipamentos: reatores, tanques, trocadores de calor, colunas.
Indica as principais correntes de processo com sentido de fluxo.
Pode incluir dados básicos: temperatura, pressão e vazão de cada corrente.
Serve para projeto conceitual, comunicação engenharia ↔ operação e treinamento.

ℹ

O PFD é o ponto de partida para o P&ID (Piping & Instrumentation Diagram), que traz o detalhamento completo de tubulações, válvulas e instrumentos.

Quando o processo é simplificado ao máximo — cada etapa em um único bloco — chamamos de Block Flow Diagram (BFD), ideal para visão geral e análise econômica preliminar.

▲ Esboço de PFD: matéria-prima → três etapas de processo → produto

1.2 O que é um Block Flow Diagram (BFD)?

Conceito fundamental

Um Block Flow Diagram (BFD) é a forma mais simplificada de representar um processo industrial. Cada bloco retangular representa uma seção inteira do processo (que pode conter vários equipamentos), e as setas entre os blocos indicam apenas a direção do fluxo de material ou energia — sem qualquer detalhe de equipamento, tubulação ou instrumento.

É usado na fase conceitual ou de estudo de viabilidade, antes de se conhecer os equipamentos.
Permite visualizar rapidamente entradas, saídas e subprodutos do processo.
Facilita a comunicação com gestores, clientes e equipes multidisciplinares.
Pode incluir dados globais de massa e energia por corrente, sem detalhes internos.

💡

Regra prática: Se você consegue desenhar o processo em 3 a 8 blocos numa folha A4 sem precisar nomear equipamentos individuais, você está fazendo um BFD. Quando os equipamentos precisam ser identificados, já é um PFD.

Elementos típicos de um BFD

Bloco: representa uma etapa ou unidade de operação (ex.: "Fermentação", "Destilação").
Seta contínua: corrente principal de processo (matéria-prima, produto intermediário, produto final).
Seta tracejada: correntes auxiliares ou subprodutos (vapor, utilidades, resíduos).
Rótulos: nome da corrente e, opcionalmente, vazão mássica ou composição global.

▲ BFD genérico: cada bloco é uma seção do processo; correntes auxiliares em tracejado

1.3 PFD × BFD × Fluxograma de atividades

Comparativo

Tipo	Foco principal	Nível de detalhe	Simbologia	Uso típico
BFD	Macro-etapas da planta (seções)	Baixo: cada bloco = unidade inteira	Retângulos + setas	Estudo de viabilidade, apresentação gerencial
PFD	Fluxo físico entre equipamentos	Médio: equipamentos e correntes	Símbolos ISA/ISO 10628	Projeto de processo, balanço de massa/energia
P&ID	Tubulações, válvulas, instrumentos	Alto: cada componente está presente	ISA S5.1, IEC 10628	Detalhamento, montagem, operação, manutenção
Fluxograma de atividades	Passos lógicos / administrativos	Variável: inclui decisões, documentos	BPMN, UML	PCP, logística, Procedimentos Operacionais Padrão

⚠

Erro comum: Confundir PFD com P&ID. O PFD é para entender o que o processo faz; o P&ID é para saber como está conectado e instrumentado.

1.4 Vídeos recomendados

YouTube

Process Flow Diagrams (PFDs) Explained

Visão geral de PFDs como espinha dorsal do projeto de processo.

How to Read Process Flow Diagrams

Leitura de PFDs em plantas de óleo & gás e energia.

Lógica de Sequência em Processos

2.1 Etapas e transições (modelo SFC)

Sequential Function Chart

Todo fluxo produtivo pode ser decomposto em uma sucessão de etapas e transições. Na automação, essa estrutura é formalizada pelo Sequential Function Chart (SFC) — parte integrante da norma IEC 61131-3 para programação de CLPs.

Etapa (Step): estado estável com ações associadas (ex.: "Encher tanque → abrir válvula V1").
Transição: condição lógica para avançar (ex.: "Nível ≥ setpoint").
Ações: comandos contínuos (S/R de coils) ou pulsados (P) enquanto a etapa está ativa.

✔

O SFC garante que somente uma etapa está ativa por vez (em sequências simples), evitando acionamentos simultâneos indevidos.

Exemplo textual – Enchimento e descarga

Início: abrir válvula de entrada (V1) enquanto nível < setpoint alto.
Quando nível ≥ alto: fechar V1, aguardar comando de descarga.
Ao receber comando: abrir válvula de saída (V2) até nível ≤ baixo.
Quando nível ≤ baixo: fechar V2, retornar ao passo 1.

▲ SFC simplificado: 3 etapas com condições de transição

2.2 Pseudo-código Ladder / ST equivalente

IEC 61131-3

A lógica de sequência pode ser implementada em Texto Estruturado (ST) no CLP:

            // Structured Text (ST) – IEC 61131-3 — Controle de nível simplificado
CASE etapa OF
  0: // Enchimento
    V1 := TRUE; V2 := FALSE;
    IF nivel >= nivel_alto THEN etapa := 1; END_IF;

  1: // Aguarda comando de descarga
    V1 := FALSE; V2 := FALSE;
    IF cmd_descarga THEN etapa := 2; END_IF;

  2: // Descarga
    V1 := FALSE; V2 := TRUE;
    IF nivel <= nivel_baixo THEN etapa := 0; END_IF;
END_CASE;
          

Variáveis de Processo

3.1 As variáveis "vitais" da instrumentação industrial

Process Variables (PV)

Em automação de processos, as variáveis medidas e controladas definem a segurança e a qualidade da operação. As principais são agrupadas em:

TTemperatura — reações, secagem, conforto PPressão — segurança, bombeamento, compressão FVazão — balanço de massa, dosagem de reagentes LNível — inventário em tanques, proteção de bombas pHQualidade química — tratamento de água/efluentes HUmidade — silos, secadores, câmaras frigoríficas ρDensidade — controle de concentração em soluções ηViscosidade — dosagem, homogeneização de fluidos

3.2 Manufatura × Biossistemas

Comparativo contextualizado

Variável	Sensor típico	Exemplos em manufatura	Exemplos em biossistemas / agroindustrial
Temperatura (T)	Termopar, PT100	Forno de tratamento térmico, túnel de secagem	Secador de grãos, fermentador, biodigestor
Pressão (P)	Transdutor de pressão	Linha de ar comprimido, vaso de pressão	Sistema de irrigação pressurizada, biodigestor
Nível (L)	Float, ultrassônico, radar	Tanque de alimentação de linha de pintura	Reservatório de irrigação, lagoa de equalização
Vazão (F)	Eletromagnético, Coriolis	Dosagem de cola em linha de embalagem	Vazão de irrigação, efluente tratado
pH	Eletrodo de vidro	Neutralização de banhos químicos	Tratamento de efluentes, fertirrigação
Umidade (H)	Capacitivo, infravermelho	Estufa de cura, embalagem de alimentos	Umidade de grãos em silo, câmara de armazenamento

3.3 Mini-atividade interativa — Variáveis por processo

Interativo

Selecione um processo para ver as variáveis sugeridas e discutir em sala:

Selecione um processo acima para ver as variáveis sugeridas.

Clique em um dos botões acima.

Estudo de Caso — Linha de Embalagem

4.1 Descrição do processo

Estudo de caso 1

Considere uma linha de embalagem automatizada com cinco etapas principais integradas por uma esteira transportadora:

Alimentação — produto chega à esteira por gravidade ou manipulador.
Formação da caixa — erector dobra e cola o fundo das caixas.
Enchimento — manipulador ou contadora insere o número correto de unidades.
Fechamento e selagem — fita adesiva é aplicada no topo.
Pesagem e inspeção — balança verifica o peso; desvio de caixas fora de especificação.

💡

A linha pode operar de modo contínuo (sem paradas entre etapas) ou discreto (passo a passo por ciclo de produto). O modo discreto facilita a lógica de controle.

▲ BFD: 5 etapas da linha de embalagem

4.2 Variáveis, sensores e atuadores

Instrumentação

Etapa	Variável crítica	Sensor sugerido	Atuador sugerido
Alimentação	Presença de produto	Sensor fotoelétrico	Motor da esteira (inversor)
Formação da caixa	Caixa formada (estado)	Sensor indutivo / câmera	Atuador pneumático (erector)
Enchimento	Contagem de unidades	Encoder / sensor de contagem	Braço robótico ou dosador
Fechamento	Tampa selada (estado)	Sensor de pressão / câmera	Pistão de fita (pneumático)
Pesagem / inspeção	Peso da caixa	Célula de carga	Desviador pneumático (rejeito)

✏ Atividade 1 — Rascunho do PFD da linha de embalagem

⏱ Tempo sugerido: 15–20 min · Grupos de 3–4 pessoas

Desenhe de 4 a 6 blocos na lousa ou em papel, representando as etapas do processo.
Indique as correntes: produto, caixas vazias, caixas prontas e caixas rejeitadas.
Ao lado de cada bloco, liste as variáveis de processo críticas.
Sugira pelo menos 2 sensores e 2 atuadores para automatizar a linha.
Bônus: Descreva a lógica de sequência (SFC) para o enchimento.

Item 1 — Blocos do PFD

Os 5 blocos principais são: Alimentação → Formação da caixa → Enchimento → Fechamento/Selagem → Pesagem e Inspeção. Um sexto bloco opcional pode representar a Paletização ao final da linha.

Item 2 — Correntes de processo

Produto (unidades): fluxo principal da esquerda para a direita.
Caixas vazias: entram na etapa de Formação (corrente secundária vinda de um alimentador).
Caixas prontas: saída da etapa de Pesagem/Inspeção para paletização ou expedição.
Caixas rejeitadas: saída tracejada (subproduto) na etapa de Pesagem/Inspeção, direcionadas ao retrabalho ou descarte.

Item 3 — Variáveis críticas por bloco

Alimentação: presença de produto (sensor fotoelétrico), velocidade da esteira.
Formação da caixa: caixa formada corretamente (sensor indutivo/câmera).
Enchimento: contagem de unidades por caixa (encoder ou contador óptico).
Fechamento/Selagem: estado do lacre (pressão do pistão, sensor de posição).
Pesagem/Inspeção: peso da caixa (célula de carga), presença de tampas ou rótulos (visão computacional).

Item 4 — Sensores e atuadores sugeridos

Sensores: sensor fotoelétrico (presença de produto), célula de carga (peso), encoder (contagem/velocidade), sensor indutivo (posição de caixa).
Atuadores: motor de esteira com inversor de frequência (controle de velocidade), pistão pneumático (erector de caixa e seladora), braço robótico ou dosador (enchimento), desviador pneumático (rejeito).

Bônus — SFC do enchimento

Etapa 0 – Aguarda caixa: sensor de presença na posição de enchimento = FALSE → permanece aguardando.
Transição 0→1: sensor de presença = TRUE (caixa posicionada).
Etapa 1 – Enchendo: aciona contador, libera produto unidade a unidade.
Transição 1→2: contador ≥ quantidade_alvo.
Etapa 2 – Avança caixa: pulsa motor de esteira até próxima posição.
Transição 2→0: caixa saiu da posição (sensor = FALSE) → volta ao início.

Estudo de Caso — Tratamento de Efluentes

5.1 PFD simplificado do sistema

Biossistemas

Sistema de tratamento de efluentes industriais ou agroindustriais com quatro etapas em série — comum em cooperativas e agroindústrias do Nordeste:

Tanque de equalização — amortece variações de vazão e carga.
Reator de ajuste de pH — dosagem de cal ou ácido sulfúrico para neutralização.
Decantador / clarificador — remoção de sólidos suspensos por sedimentação.
Tanque de efluente tratado — armazenamento para descarte ou reúso.

As condições de descarte são reguladas pela Resolução CONAMA 430/2011, que estabelece limites para pH, DBO, sólidos e outros parâmetros.

▲ PFD: 4 unidades de tratamento em série

5.2 Variáveis de processo e pontos de medição

Conformidade ambiental

Variável	Etapa de medição	Por que é crítica	Faixa típica de controle
Nível (L)	Equalização, Clarificador	Evita transbordamento e protege bombas	20–80% do volume útil
pH	Entrada do reator e saída final	Conformidade CONAMA, eficiência de tratamento	6,0 – 9,0 (CONAMA 430)
Vazão (F)	Entrada e saída do sistema	Balanço volumétrico, tempo de residência	Definida pelo projeto (m³/h)
Turbidez	Saída do clarificador	Indica eficiência de remoção de sólidos	< 40 NTU (reúso agrícola)

✏ Atividade 2 — Modelagem conceitual de controle de pH

⏱ Tempo sugerido: 15–20 min · Individual ou duplas

Sobre o PFD, indique o ponto de medição de cada variável (L, F, pH, turbidez).
Descreva em texto a lógica de sequência para operação normal do sistema.
Indique os atuadores: bombas, válvulas, sistema de dosagem de reagente.
Escolha o controle de pH como variável principal: descreva o esquema de controle (sensor → controlador → atuador).
Bônus: Que tipo de controlador você usaria para o pH — on/off ou PID? Justifique.

Item 1 — Pontos de medição no PFD

Nível (L): medido no tanque de equalização (proteção da bomba de recalque) e no clarificador (evitar transbordamento de lodo).
Vazão (F): medido na entrada do sistema (após equalização) e na saída para descarte/reúso — permite calcular o tempo de residência hidráulica (TRH).
pH: medido na entrada do reator de ajuste (leitura do efluente bruto) e na saída do tanque final (verificação de conformidade com CONAMA 430: 6,0–9,0).
Turbidez: medida na saída do clarificador, antes do tanque final — indica eficiência de remoção de sólidos suspensos.

Item 2 — Lógica de sequência (operação normal)

Partida: verificar se nível no tanque de equalização ≥ nível mínimo operacional. Se sim, ligar bomba de recalque.
Dosagem: medir pH na entrada do reator. Se pH < 6,0, dosar cal (NaOH); se pH > 9,0, dosar ácido sulfúrico. Aguardar homogeneização (tempo de residência).
Clarificação: efluente flui por gravidade ou bombeado para o clarificador; lodo sedimenta. Monitorar turbidez na saída.
Descarte/Reúso: se pH ∈ [6,0; 9,0] e turbidez < limite, abrir válvula de descarte. Caso contrário, retornar ao reator (recirculação).
Parada: quando nível no tanque de equalização ≤ nível mínimo, desligar bomba e aguardar reabastecimento.

Item 3 — Atuadores do sistema

Bomba de recalque: transfere efluente do tanque de equalização para o reator de pH (controlada por nível).
Bomba dosadora de cal/NaOH: injeta agente alcalinizante quando pH < 6,0.
Bomba dosadora de ácido: injeta ácido sulfúrico quando pH > 9,0.
Válvula de descarte: abre para efluente tratado que atende à norma; fecha para recirculação.
Agitador do reator: garante homogeneização do reagente na massa líquida.

Item 4 — Esquema de controle de pH

Malha de controle em cascata ou simples:

Sensor: eletrodo de vidro + transmissor de pH (sinal 4–20 mA ou digital HART) instalado no reator.
Controlador: CLP ou controlador dedicado recebe o sinal de pH (PV), compara com o setpoint (SP = 7,0 ± 0,5) e calcula o erro.
Atuador: bomba dosadora de velocidade variável (inversor) — aumenta/reduz a vazão de reagente proporcional ao erro de pH.
Realimentação: o eletrodo mede continuamente o pH resultante, fechando a malha.

Bônus — On/off ou PID?

Para controle de pH, o controlador PID é preferível ao on/off pelos seguintes motivos:

O pH tem comportamento não-linear e resposta rápida a pequenas adições de reagente na faixa próxima à neutralidade (pH 6–8), o que tornam o on/off instável e com risco de sobrepassagem (overshoot) grave.
O PID ajusta a vazão do dosador de forma proporcional ao erro, evitando oscilação ao redor do setpoint.
Na prática, usa-se frequentemente um PI (sem derivativo), pois o sinal de pH é ruidoso e o termo D amplificaria o ruído.
O on/off pode ser aceitável apenas em sistemas muito grandes com grande inércia (ex.: lagoas de equalização com volume > 500 m³), onde a variação de pH é lenta.

Introdução ao Controle PID

6.1 Por que automatizar o controle?

Teoria de controle

O controle manual (operador ajusta válvulas com base na leitura de instrumentos) é lento e sujeito a erros humanos. O controle automático em malha fechada usa a diferença entre o valor medido (PV) e o valor desejado (SP) — o erro (e) — para calcular a ação do atuador.

▲ Malha fechada: SP → Controlador → Processo → PV → realimentação

A equação do PID

                Ação de controle u(t):
u(t) = Kp · e(t)
     + Ki · ∫₀ᵗ e(τ)dτ
     + Kd · de(t)/dt
              

Kp (Proporcional): reage ao erro atual — mais rápido mas pode oscilar.
Ki (Integral): elimina o erro em regime permanente — combate distúrbios lentos.
Kd (Derivativo): antecipa tendências — reduz overshoot.

⚠

O PID é muito sensível a ruído na medição. Para pH e turbidez — que têm sinal ruidoso — é comum usar filtro no derivativo ou optar por controle PI.

6.2 Simulador interativo de resposta PID

Interativo

Ajuste os ganhos e observe como o controlador responde a um degrau de setpoint em um processo de primeira ordem com atraso (FOPDT).

Kp (proporcional) 1.0

Ki (integral) 0.20

Kd (derivativo) 0.05

Setpoint (SP) 60

▲ Resposta ao degrau — SP (verde tracejado) × PV (laranja) — modelo FOPDT simplificado

Atividades Finais e Quiz

7.1 Checklist de aprendizagem

Autoavaliação

Marque os itens que você já domina:

Explico a diferença entre BFD, PFD e P&ID.
Identifico as principais variáveis de processo (T, P, F, L, pH, H) em um fluxo produtivo.
Consigo montar um modelo conceitual de processo com 4–6 blocos.
Entendo como a lógica SFC se conecta ao CLP e ao SCADA.
Explico o funcionamento de um controlador PID (termos P, I, D).
Sei indicar sensores e atuadores para automatizar uma linha de embalagem.
Conheço os parâmetros ambientais que regulam o descarte de efluentes (CONAMA 430).

0 / 7 itens marcados

7.2 Quiz rápido — Clique para revelar

Discussão em sala

Q1. Quando você preferiria usar um BFD em vez de um PFD? +

Para comunicar uma visão geral de um processo complexo a gestores ou em análise econômica preliminar, quando os detalhes de equipamento ainda não são necessários. O BFD agrupa múltiplos equipamentos em um único bloco, agilizando a comunicação.

Q2. Cite quatro variáveis "vitais" de instrumentação e um sensor típico para cada. +

Temperatura (termopar / PT100), pressão (transdutor de pressão), vazão (medidor eletromagnético / Coriolis) e nível (sensor ultrassônico / boia). Em processos específicos: pH (eletrodo de vidro) e umidade (sensor capacitivo ou infravermelho).

Q3. Em uma linha de embalagem, quais variáveis garantem qualidade do produto final? +

Contagem de unidades por caixa (sensor de presença / encoder), peso na balança (célula de carga), velocidade da esteira (inversor), presença de embalagem danificada (câmera / sensor óptico). Em embalagens alimentícias, adiciona-se temperatura e umidade do ambiente.

Q4. Por que o pH é tão crítico no tratamento de efluentes? +

O pH define a conformidade com normas ambientais (CONAMA 430: pH 6,0–9,0), afeta a eficiência de remoção de contaminantes (precipitação de metais pesados ocorre em faixa específica), influencia a toxicidade para organismos aquáticos e a corrosividade das instalações de concreto.

Q5. Qual a diferença entre controle on/off e controle PID? Em que situação cada um é preferível? +

O controle on/off liga/desliga o atuador ao cruzar o setpoint — simples, robusto, mas produz oscilação permanente (histerese) em torno do SP. O PID calcula a ação proporcionalmente ao erro e sua integral/derivada, mantendo a variável mais estável. Use on/off para sistemas com inércia alta (ex.: aquecimento de silo) e PID para processos que exigem precisão (ex.: pH, temperatura de fermentador).

Q6. O que é SFC (Sequential Function Chart) e qual norma o define? +

SFC é uma linguagem gráfica para programação de CLPs baseada em etapas e transições, definida pela norma IEC 61131-3. É especialmente útil para processos sequenciais (batelada, enchimento, ciclos de lavagem) pois torna explícita a ordem de operações e as condições para avançar entre estados.

7.3 Referências e leituras complementares

Aprofundamento

SMITH, C. L. Practical Process Control. Wiley, 2009.
LIPTAK, B. G. (ed.) Instrument Engineers' Handbook – Process Control. 4ª ed. CRC Press, 2006.
TURTON, R. et al. Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes. Prentice Hall, 2009.
CONAMA. Resolução 430/2011 — Condições de lançamento de efluentes. Brasília, 2011.
IEC 61131-3:2013 — Programmable controllers – Part 3: Programming languages.
ISA-5.1-2022 — Instrumentation Symbols and Identification.