Automação Industrial: Conceitos, Níveis e Aplicações, Resumos de Física

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Faculdade Anhanguera de Anápolis

Controle e Automação de Processos Industriais

Anápolis, 2020.

Aluno: Antônio Lourenço Pereira Junior

Curso: Engenharia Elétrica

Professor: Girtemberg

RA: 374005512200 CPF: 03721585100

Email: [email protected]

Resumo Unidade 1

De acordo com o aumento da sociedade moderna e o crescimento da competitividade de mercado, as pessoas têm de encontrar alternativas de realizar suas tarefas diárias, razão pela qual pode dizer que a automação moderna tem por objetivo prover o conforto para seus usuários. A integração da automação industrial nasceu na prática, com Henry Ford, por volta de 1920, quando este criou a linha de montagem do modelo T com o intuito de aumentar a produtividade, reduzir custos de produção e garantir a segurança dos funcionários da fábrica. Na década de 1960, a indústria de equipamentos inventou o termo automação, um neologismo que buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial. Na década de 1980, aconteceu uma revolução tecnológica que facilitou e barateou o processo de automação. Com essa breve história, você pôde perceber a mudança dos conceitos da automação. Algo que se iniciou com a sistematização de pessoas em linhas de produção evoluiu para o controle de processos por meio de computadores. O conceito de automação, segundo Rosário (2009), é a utilização de qualquer dispositivo mecânico ou eletroeletrônico para controlar máquinas e processos. Nos dias atuais a automação tem objetivos bem diferentes: não apenas reduz custos e amplia a produtividade como era antigamente, mas também visa o conforto dos usuários, a agilidade de comunicação entre os diversos setores e níveis da produção, maior controle e supervisão dos processos industriais e ainda, por vezes, a remoção completa do contato humano com a produção de objetos estéreis, como alimentos e equipamentos médicos. Uma das funções mais exploradas da automação é a segurança, tanto para o usuário quanto para as demais pessoas que estejam envolvidas no processo ou que estejam de visita no ambiente fabril. A automação industrial é apenas uma das aplicações de um sistema automatizado. Podemos destacar que, com a evolução da tecnologia, a automação só é limitada pela criatividade do profissional. Algumas das aplicações dentro da automação industrial são: processos de estamparia (moldagem de chapas ao formato desejado), máquinas de solda, processos de pintura, dosagem de produtos para misturas, controle de pH, estações de tratamento de efluentes, britagem de minérios, usinas de pelotização, carregamento de vagões, corte e descascamento de madeira, branqueamento e embalagens em todas as indústrias mencionadas.

1. Indústrias de processamento contínuo em que o processo produtivo envolve variáveis contínuas ao longo do tempo; geralmente as medidas de produto são massa, volume e vasão.
2. Indústrias de processamento discreto são aquelas que envolvem variáveis discretas ao longo do tempo, em que a produção é medida em unidades. O bloco de comando é responsável pela elaboração e transmissão de dados, sendo constituído de computadores, controladores, CLP (Controladores Lógicos Programáveis) e/ou microprocessadores. Os atuadores, como o próprio nome diz, atuam no sistema de forma física, sendo responsáveis pela operação final, que consiste em transformar sinais elétricos, pneumáticos e hidráulicos em uma outra grandeza física. Também possuem dispositivos detectores (sensores) que são responsáveis por monitorar o processo e emitir sinais para o controlador, que serão analisados e calculados para que possam realizar a devida correção do sistema. Interface Homem/ Máquina (IHM) são dispositivos que visam fazer a interação entre homens e máquinas, elementos por meio dos quais podemos supervisionar o funcionamento do sistema e até aplicar ações, caso necessário. Por fim, apesar de esses sistemas de controle funcionarem de forma automática, ainda assim se faz necessária a existência de órgãos de manobra de proteção e acionamento manual. O sistema tradicional de controle por realimentação consiste em sensor que, ao final do processo, realiza medidas ou inspeções para obter informações que serão enviadas ao controlador para análise e cálculo das possíveis ações a serem tomadas. O controle é dividido em duas técnicas: por realimentação positiva e por realimentação negativa. Dessa forma, pode-se predizer como deve ser feita a correção antes que ela chegue até o processo propriamente dito. Essa técnica foi difundida depois daquela denominada realimentação negativa. No controle antecipativo, assim que o sistema se inicia, a variável de entrada verificada. A ação liga/desliga, como o próprio nome sugere, visa um algoritmo de controle em que a variável de entrada é corrigida ao ligar ou desligar um processo para adequá- lo ao valor desejado. A ação proporcional refere-se ao controle mais preciso, adequando, de forma sutil, o sinal de correção ao Setpoint. As ações integral e derivativa não são técnicas isoladas de controle, sendo aplicadas em conjunto com a ação proporcional, visando a correção dos erros apresentados por esta.

O processo de produção é a atividade de transformação da matéria-prima em algo útil para o consumidor, cliente ou interessado. Quando nos referimos à matériaprima, não podemos pensar apenas em algo bruto e tangível, mas sim em algo mais amplo. Até os anos 1970, os sistemas de manufatura ofereciam um número limitado de produtos que respondiam a uma demanda maior que a capacidade de produção. Desta forma, o planejamento visava identificar o gargalo de produção (ponto do processo em que a demanda é maior que a capacidade de produção) a partir

do qual se determinava a capacidade do sistema. O comportamento da demanda ao longo do tempo complica ainda mais a gestão. Levando em conta os pedidos conhecidos (pedidos formalizados pela empresa) e a previsão de consumo (previsão por pedidos anteriores), podemos chegar no gráfico a seguir. O planejamento pode ser dividido em três partes, o que facilita o processo de tomada de decisão, pois considera o grau de certeza das informações: Planejamento estratégico: tem como objetivo adquirir e desenvolver os recursos de produção, definir novos produtos, políticas de atendimento e gerar planos de produção baseados nas previsões de demanda. Planejamento tático: visa desagregar as metas estabelecidas pelo planejamento estratégico em termos de tempo, recursos e produtos, além de ser responsável por estabelecer políticas de produção e utilização de recursos. Planejamento operacional: também chamado de programação de produção, tem como objetivo a execução das tarefas estabelecidas pelo planejamento tático. Visa alocar tarefas aos recursos disponíveis no sistema. Enquanto a continuidade evita interrupções durante o processo, a fluidez mantém cada parte deste funcionando, de forma a otimizar os tempos para que não existam falhas entre uma parte e outra do processo. O processo pode se apresentar mediante três princípios operacionais:

1. Empurra: é o tipo mais tradicional de operação. A matéria-prima passa por um processo de transformação e só depois é encaminhada para o próximo estágio de transformação e assim sucessivamente, até que o produto esteja concluído.
2. Puxa: neste princípio operacional, o processo se inicia ao final da cadeia produtiva, levando em conta a demanda da próxima operação.
3. Misto (puxa-empurra): aqui os dois métodos se complementam para que o efeito do gargalo seja minimizado, sendo a forma mais moderna de gestão de produto. Em processos mais complexos, temos que adequar o sistema misto para que possamos gerir uma linha com diversas sublinhas que realizam o trabalho de transformação. Imagine uma empresa cuja linha de produção tenha sublinhas que deixam o processo de produção complexo. Isso nos diz que provavelmente a empresa adota o princípio operativo misto para controlar e gerenciar a produção. Os conceitos apresentados até aqui são conhecidos como práticas industriais e foram desenvolvidos com base em experiência e intuição de gerentes ao longo dos anos. Essas práticas utilizam os sistemas produtivos do ponto de vista do cliente (demanda) e trabalham para maximizar a satisfação dele. Os princípios operacionais são vistos de três formas distintas. O princípio de empurra é o mais tradicional, mas apresenta problemas quanto ao tempo de fabricação, não levando em conta o prazo de entrega. Já o princípio de puxa visa dar prioridade à demanda, e esta garante o funcionamento das operações, porém deixa de lado os recursos operacionais, o que pode acarretar problemas para a produção.

pneumático, sendo chaves, potenciômetros, transdutores de temperatura, pressão e força, entre outros. Sistemas supervisórios são softwares que permitem a comunicação entre um computador e uma rede de automação, trazendo ferramentas padronizadas para a construção de interfaces entre o operador e o processo. O sistema supervisório mais conhecido e difundido no meio industrial é o sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), que permite a comunicação entre os níveis superiores (níveis 4 e 5) da empresa e os níveis inferiores (níveis 1 e 2).

De maneira geral, podemos dividir os controladores em dois grandes grupos: os analógicos e os digitais. Os controladores analógicos do tipo pneumático foram aplicados na indústria de forma massiva até a década de 1970, quando foram substituídos pelos analógicos eletrônicos na década de 1980. Esse tipo de controlador utiliza sinais contínuos para calcular a saída do sistema. Os controladores digitais começaram a ser implantados nas indústrias a partir da década de 1980 e são os mais aplicados até hoje, tendo uma vasta gama de produtos no mercado atual. Os computadores digitais são intensivamente utilizados no controle distribuído, no controle por realimentação de variável simples (single loop), em controle lógico, na transmissão de dados e, principalmente, no controle lógico programável, sendo que também podem ser utilizados em conjunto com controladores analógicos para medição de variáveis. as principais vantagens dos controladores digitais são a alta capacidade de processamento, dessa forma, sendo mais adequados para controles avançados, além de serem superiores aos controladores analógicos nos quesitos precisão, resolução de ajustes em seus modos de controle, linearização e caracterização de sinal, maior flexibilização de programação e comunicação. Os principais tipos de controladores digitais são: Relês eletromecânicos: como o próprio nome diz, são controladores baseados em painéis de relês, sendo conhecidos por sua operação e manutenção. Circuitos eletrônicos com lógica fixa: esse tipo de controlador é uma alternativa tecnológica para o controle de processos industriais, por serem avançados e de baixo custo. Computadores de processo (PC industrial): sua maior vantagem é em relação à quantidade de tarefas que pode realizar ao mesmo tempo (multitasking), sendo de grande versatilidade e fácil reprogramação. Microcontroladores: esses controladores são amplamente utilizados em controle periférico de acessórios, como motores automotivos, brinquedos, relógios digitais, micro-ondas, entre diversas outras aplicações. Unidades terminais remotas: são o mais baixo nível de controle e supervisão, sua principal aplicação é a interface dos sinais de controle do processo e o canal de comunicação com o centro de operações. Os controladores lógicos programáveis (CLPs), ou PLC, que têm seu significado do inglês Programmable Logic Controller, são definidos por Prudente (2011) como sendo um complexo sistema eletrônico para uso industrial capaz de gerir qualquer operação de controle industrial de maneira flexível. Podemos destacar basicamente três tipos de CLPs: CLP compacto: são montados em uma caixa única, o CPU (unidade central de processamento), algumas entradas e

saídas digitais e, em alguns casos, entradas e saídas analógicas. CLPs modulares de pequeno porte: são montados em racks, onde são inseridos os cartões separadamente. CLPs modulares de grande porte: são equipamentos com grande capacidade de processamento e memória, que podem controlar milhares de entradas e saídas (locais ou remotas), e alguns fabricantes disponibilizam CPUs que podem trabalhar em redundância via hardware, em sistemas tolerantes a falhas.

De acordo com Rosário (2005), o desenvolvimento do sistema digital envolve a busca de uma solução otimizada entre a estrutura mecânica básica, o sistema de sensoriamento e o elemento de atuação e de controle, por meio do processamento automatizado de informações e do controle global do sistema. O principal objetivo passa a ser a eliminação de protótipos intermediários e a geração de sistemas e componentes integrados de controle. A primeira ferramenta utilizada pelo conceito de prototipagem rápida é o CAD (Computer Aided Design, ou Desenho Auxiliado por Computador), pois permite a elaboração de projetos de mecânica, elétrica e eletrônica, deixando o projeto próximo do real e facilitando a simulação dos componentes da automação. O projeto em CAD permite que se otimize o sistema sem a necessidade de protótipos reais, o que simplifica o processo de desenvolvimento e o torna mais seguro, além de reduzir o custo com construção de protótipos. O sistema de simulação faz uso de um método conhecido como CAM (Computer Aided Manufacturing, ou Manufatura Assistida por Computador), que é bastante importante e utilizado nos dias atuais, pois permite a elaboração de sistemas de simulação de movimentos dos meios de manufatura, e alguns softwares possibilizam, ainda, a geração de programas para o funcionamento dos componentes do sistema. Com a criação do programa pelo sistema CAM, pode-se implementá-lo diretamente no dispositivo, o que permite seu controle correto. A arquitetura da automação é composta, como foi discutido anteriormente, por níveis hierárquicos que determinam os componentes e as diretrizes do sistema automatizado. Assim sendo, podemos determinar que a estrutura da automação toma uma nova forma por se tratar da estrutura real do processo e não apenas de conceitos de níveis. Antes de gerar a programação dos componentes do sistema por meio do sistema CAM, a modelagem do sistema em CAD é necessária.