aula 01_automacao industrial_introducao

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Automação industrial
Informações básicas
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Ementa
Sistemas de manufatura; 
automação na manufatura; 
projeto assistido por computador; 
fabricação assistida por computador; 
integração de processo de projeto e manufatura; 
redes de comunicação industrial; 
sistemas de controle automático de equipamentos;
comando numérico; 
máquinas de operação autônoma; 
produtos de operação autônoma. 
Conteúdo programático
CONCEITOS BÁSICOS (Introdução. Sistemas de manufatura. Projeto assistido por 
computador. Fabricação assistida por computador. Integração de processo de 
projeto e manufatura. Automação na manufatura. Conceitos básicos e 
terminologia. Objetivos. Requisitos. Segurança. Infraestrutura demandada. 
Sistemas de comunicação. Perspectivas.).
AUTOMAÇÃO EM PROCESSOS (Conceitos básicos. Requisitos de projeto. 
Definição de infraestrutura. Redes industriais. Fundamentos de controle de 
processos. Sistemas em malha aberta e fechada).
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL, CLP (Considerações. Descrição do 
hardware e programação. Sistemas de coordenadas e eixos. Fundamentos e 
desenvolvimento de programação. Requisitos. Aplicações).
Conteúdo programático
SENSORES INDUSTRIAIS (Considerações. Tipos de sensores e simbologia gráfica. Sensores 
digitais e analógicos. Sensores de pressão, temperatura, nível, vazão. Aplicações).
MÁQUINAS CNC, Comando Numérico Computadorizado (Considerações. Estrutura básica. 
Fundamentos e desenvolvimento de programação e operação. Programação absoluta e 
incremental. Sistemas de comunicações. Aplicações).
INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL APLICADA À AUTOMAÇÃO (Considerações. Modelagem. 
Processamento sinais. Requisitos. Sistemas supervisórios. Redes neurais. Lógica fuzzy. 
Otimização).
PROJETO INDUSTRIAL (Considerações. Etapas de projeto. Documentação. 
Desenvolvimento).
Bibliografia Básica
• GEORGINI, M. Automação aplicada: descrição e implementação 
de sistemas sequenciais com PLCS. 9 ed. São Paulo: Érica, 2014 
• ROQUE, L. A. O. Automação de processos com linguagem ladder
e sistemas supervisórios. Rio de Janeiro: LTC, 2014 
• PRUDENTE, F. Automação industrial PLC: teoria e aplicações: 
curso básico. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2015 
Bibliografia Complementar
• CAPELLI, A. Automação Industrial: controle do movimento e processos contínuos. 3 
ed. São Paulo: Érica, 2013. 
• RASHID, H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações. 2 ed. São Paulo: 
Makron Books, 1999. 
• MORAES, C. C.; CASTRUCCI, P. Engenharia de automação industrial. Rio de Janeiro: LTC, 
2001. 
• FRANCHI, C. M. Controladores lógicos programáveis: sistemas discretos. São Paulo: 
Érica, 2008. 
• FIGINI, GIANFRANCO. Eletrônica industrial: circuitos e aplicações. Curitiba: hemus. 
2002
Bibliografia
Datas importantes
ETAPA REFERÊNCIA DATA VALOR
Primeira
APS – Projeto disciplina
Parte inicial
01 / abril 20,0 pontos
Avaliação 22 / abril 20,0 pontos
Segunda
APS – Projeto da disciplina
Parte final
10 / junho 20,0 pontos
Avaliação 24 / junho 20,0 pontos
Especial Avaliação 11 / julho 100,0 pontos
Projeto da disciplina
• Grupo de, no máximo, 04 alunos. 
• Na primeira etapa, valerá 20,0 pontos. Caso a parte escrita seja entregue até a data 
limite de 01/abril/2022, somar-se-á à nota da APS a nota da avaliação da primeira 
etapa de notas, ou seja, serão destinados ao projeto 40,0 pontos. Caso a parte escrita 
não seja entregue até o dia estipulado, os alunos que não efetuarem a entrega estarão 
obrigados a fazer a avaliação escrita da primeira etapa de notas e, assim, o projeto 
valerá 20,0 pontos (APS). Neste dia limite para entrega ocorrerão as apresentações da 
primeira parte dos projetos (máximo 15 minutos).
• Na segunda etapa, valerá 20,0 pontos. Caso a parte escrita seja entregue até a data 
limite de 10/junho/2022, somar-se-á à nota da APS a nota da avaliação da segunda 
etapa de notas, ou seja, serão destinados ao projeto 40,0 pontos. Caso a parte escrita 
não seja entregue até o dia estipulado, os alunos que não efetuarem a entrega estarão 
obrigados a fazer a avaliação escrita da segunda etapa de notas e, assim, o projeto 
valerá 20,0 pontos (APS). Neste dia limite para entrega ocorrerão as apresentações da 
parte final dos projetos (máximo 15 minutos).
Regras básicas
Na primeira etapa de notas, cada grupo deverá efetuar a seleção de um processo 
industrial a ser automatizado (será utilizado um PLC que será programado em Ladder na 
implementação a ser feita na segunda etapa do projeto). 
Pode ser feita uma conexão com o trabalho de acionamentos elétricos (neste caso, tem-se 
uma outra opção, usando PLC, para comandar os motores).
O processo industrial escolhido, obrigatoriamente, deve demandar as seguintes operações 
de controle:
• Acionamento e desligamento de componentes do processo sob condições 
especificadas (no mínimo, cinco operações; por exemplo, três motores, como em 
acionamentos, e mais dois sistemas de sinalização).
• Intertravamentos temporizados (ou seja, ligar ou desligar um equipamento após 
determinado período de tempo em que um outro tenha sido ligado ou desligado). 
Pelo menos, uma operação deste tipo.
• Programação de momento em que determinado equipamento deve entrar e sair de 
operação.
Projeto da disciplina – Regras básicas
Uma vez definido o foco do projeto, o mesma deve 
ser apresentado ao professor da disciplina para 
verificação de requisitos e atendimento às 
demandas estabelecidas.
Somente após esta verificação inicial, aconselha-se 
o início da atividades de projeto.
Projeto da disciplina – Regras básicas
Conteúdo da primeira parte do projeto:
1) Descrição detalhada do processo a ser controlado, contendo a forma de operação, condições de falha, 
sistemas de segurança e monitoramento necessários, sequência de operações, simultaneidade de 
operações, enfim, tudo que for relevante para a especificação do sistema de automação/controle.
2) Descrição detalhada do ambiente da instalação (alimentação elétrica, temperatura, umidade, 
existência de poluentes, materiais dispersos no ar, fontes de interferências eletromagnéticas, etc.).
3) Listagem de dispositivos sensores e atuadores que deverão estar presentes nos sistema de 
automação/controle. Neste primeiro momento, não é necessário especificar estes dispositivos.
4) Descrição/especificação de todos os equipamentos a serem controlados, definindo características 
elétricas de alimentação e parâmetros relevantes.
5) Descrição detalhada, porém ainda genérica, da metodologia e/ou abordagem pretendida para 
implementação do sistema de controle, definindo requisitos, parâmetros, detalhamento de grandezas 
a serem medidas e controladas, características importantes e que podem interferir na especificação 
dos dispositivos a serem utilizados.
Projeto da disciplina – Regras básicas
Automação industrial
Contextualização
Processos produtivos centrados no ser humano.
Atividades de engenharia associadas ao projeto 
dos produtos e projetos e/ou gestão de 
processos.
Geram-se informações e/ou conhecimento em todos os lugares e a qualquer tempo, 
em quantidade incompatível com a capacidade humana de processamento.
Por motivações diversas (ambientais, segurança, qualidade, demandas de negócio, por 
exemplo) o ser humano é afastado do processo produtivo.
Atividades de projeto de produtos e processos continuam demandando serviços de 
engenharia, porém, a gestão de processo ganha novas características e/ou demandas.
Realidade
Se alguém executa alguma atividade que pode ser 
automatizada, mais cedo do que imagina, será 
substituído por uma máquina e/ou por algum tipo 
artificial de inteligência. 
Realidade – indo além
Ser usuário de novas tecnologias não é garantia de ocupação: se uso 
tecnologia para fazer alguma coisa, a priori,a tecnologia conseguirá 
fazer o que faço (e muito melhor que eu). 
Em um processo produtivo, o descartável não é a tecnologia, sou eu, o 
usuário dela.
Automação industrial
Um exemplo
Automação industrial
Introdução
Aurélio:
• “AUTOMÁTICO ”: Que se move, regula e opera por si mesmo ”
• “AUTOMAÇÃO ”: Sistema automático de controle pelo qual os
mecanismos verificam seu próprio funcionamento, efetuando
medições e introduzindo correções sem a interferência do 
homem.
Introdução
• Automação é a substituição do trabalho humano ou
animal por máquina.
• Automação é a operação de máquina ou de sistema
automaticamente ou por controle remoto, com a 
mínima interferência do operador humano.
• Automação é o controle de processos automáticos. 
Automático significa ter um mecanismo de atuação
própria, que faça uma ação requerida em tempo 
determinado ou em resposta a certas condições para 
garantir sua exatidão nominal.
Introdução
Automação industrial é o uso de qualquer 
dispositivo mecânico ou eletro-eletrônico para 
controlar máquinas e processos.
Introdução
Introdução
O conceito de automação inclui a idéia de usar
a potência elétrica ou mecânica para acionar
algum tipo de máquina. 
Deve acrescentar à máquina algum tipo de 
inteligência para que ela execute sua tarefa de 
modo mais eficiente e com vantagens
econômicas e de segurança.
Introdução
“Engenharia de automação é o 
estudo das técnicas que visam 
otimizar um processo de negócio, 
aumentando sua produtividade, 
promovendo a valorização da força 
de trabalho humano, e assegurando 
uma operação ambientalmente 
segura”
Introdução
“A automação tem por foco o processo, os 
ativos de produção e os especialistas 
envolvidos nas atividades de operação e 
gerenciamento do negócio”.
“A automação restitui ao homem sua condição 
de ser pensante no processo industrial”.
Introdução
• Realiza tarefas repetitivas
• Deixa para o homem, fazer no máximo 
intervenções sob demanda, análise e tomada de 
decisões
Introdução
Introdução
Podemos citar como objetivos operacionais do controle dos processos 
industriais:
• Adaptação a perturbações externas
• Adaptação às restrições dos equipamentos e materiais
• Aumento da estabilidade operacional
• Atendimento da especificação do produto
• Otimização do uso de recursos e matéria-prima
• Melhora nos resultados econômicos do processo
• Segurança operacional e pessoal
• Redução do impacto ambiental 
Considerações
Considerações
Sistemas de processamento de dados capazes de 
(Bezdek, 1992/1994)
• reconhecer padrões
• adaptar
• tolerar falhas
• desempenho aproxima desempenho humano
• uso não explícito do conhecimento
Considerações
Considerações
Abordagem para analisar e projetar sistemas 
inteligentes (Duch, 2007)
• autonomia
• aprendizagem
• raciocínio
Considerações
Sistemas de computação capazes de (Eberhart, 1996)
• aprender
• tratar novas situações utilizando
raciocínio
generalização
associação
abstração
descoberta
autonomia
Considerações
Controle
Introdução
Definições básicas
• Engenharia é a ciência que busca resolver problemas de 
forma aproximada. Quando fazemos medições de 
grandezas de Engenharia, os dados obtidos sempre 
apresentam erros. Por mais esforços que venhamos a 
empregar, quer com cuidados especiais ou com 
instrumental sofisticado, a medição perfeita (exata) nunca 
será realizada.
• Apesar de não haver exatidão, mesmo assim a Engenharia 
consegue resolver, de forma aproximada, problemas e com 
isso atender às necessidades da sociedade. Por meio da 
aplicação de técnicas e procedimentos, o engenheiro 
executa projeto e construção de tudo o que o ser humano 
usa, como carros, tratores, aviões, foguetes, edifícios, 
estradas, computadores, robôs, aparelhos para medicina, 
odontologia, de comunicação, etc. 
Introdução
É nesse contexto de “soluções aproximadas” que 
encontramos o significado de Modelagem, pois 
Engenharia é um conjunto de modelos. Modelos 
podem ser empíricos (físicos) ou analíticos
(matemáticos e/ou computacionais). 
Em controle estamos interessados em como utilizar 
esses modelos para conseguirmos respostas 
desejadas de sistemas.
Introdução
Modelagem matemática é a área de 
conhecimento que estuda maneiras 
de desenvolver e implementar 
modelos matemáticos de sistemas 
reais.
• Modelagem caixa branca
(modelagem pela física ou natureza 
do processo ou ainda modelagem 
fenomenológica ou modelagem 
conceitual).
• Modelagem empírica
Modelagem matemática
Modelagem matemática
• LINEARIDADE: validade do princípio da 
superposição.
• INVARIÂNCIA NO TEMPO: verificação da variação 
da dinâmica do sistema com a evolução temporal.
• CONCENTRAÇÃO DE PARÂMETROS: verificação 
da variação das variáveis de interesse apenas com 
o tempo e não com o espaço.
Considerações importantes
SISTEMA
Combinação de componentes que atuam em conjunto de 
forma a realizar certo objetivo. Um sistema pode ser físico, 
biológico, econômico, etc.
De forma genérica, representaremos um sistema como uma 
caixa que pode ter entradas (u) e saídas (y).
Algumas definições
ESTADO
Conjunto de valores necessários e suficientes que permitem 
saber, a cada instante, a configuração e a situação atual do 
sistema. 
O estado de um sistema é caracterizado pelas suas variáveis 
de estado. 
Algumas definições
SISTEMAS DINÂMICOS
Sistemas cujas variáveis de estado variam no 
tempo, segundo leis físicas que podem ser 
modeladas matematicamente. 
Algumas definições
SERVO SISTEMA
Controladores de posição, velocidade ou de 
aceleração. Um servo sistema é composto por um 
elemento sensor, pela lógica de controle e pelo 
atuador (de posição, velocidade ou aceleração). 
Algumas definições
ENTRADA
Qualquer grandeza que pode modificar, de forma significativa 
ou não, o estado do sistema. 
O comportamento de uma entrada é considerado 
independente do sistema, ou seja, ele não sofre influência 
do sistema.
Algumas definições
SAÍDA
Qualquer grandeza do sistema que caracteriza seu estado. Não 
significa fluxo que sai do sistema e sim alguma informação do 
mesmo.
Podem corresponder às mudanças de valores de variáveis físicas 
do sistema ou mesmo às variações de parâmetros utilizados para 
descrevê-lo.
Algumas definições
VARIÁVEL CONTROLADA: Quantidade ou condição que é medida e 
controlada.
Normalmente, a variável controlada é a saída do sistema.
SINAL DE CONTROLE OU VARIÁVEL MANIPULADA: Quantidade ou condição 
que é variada (ou manipulada) para provocar a variação da variável 
controlada.
CONTROLAR significa medir o valor da variável controlada e aplicar o sinal 
de controle para corrigir ou limitar o desvio do valor medido com relação ao 
valor desejado.
Algumas definições
DISTÚRBIO: Sinal que tende a afetar de forma adversa o valor 
da variável controlada (saída do sistema).
Um sinal de distúrbio pode ser interno (gerado dentro do 
próprio sistema) ou externo (gerado fora do sistema).
Esforço ou sinal que afeta a resposta do sistema. 
Algumas definições
SISTEMA DE CONTROLE: Interconexão de 
componentes formando uma configuração de 
sistema que produzirá uma resposta desejada do 
sistema.
Conjunto de componentes organizados de forma a 
conseguir a resposta desejada de um sistema.
Algumas definições
SISTEMA DE CONTROLE:
Engenharia de sistemas de 
controle se preocupa com 
compreensão e controle de 
segmentos do seu ambiente, 
geralmente, chamados de 
sistemas, para prover 
produtos econômicos para a 
sociedade (Dorf).
A isso podemos acrescentar: 
produtos econômicos, 
estáveis, robustos e 
sustentáveis.
Algumas definições
SISTEMA DE CONTROLE DE MALHA ABERTA: Utiliza um 
dispositivo de atuação para controlar diretamente o processo 
sem usar retroação.
Este tipo de sistema de controle não pode compensar efeitos 
de perturbações e atuam unicamente com base na entrada.
Um exemplo seria uma torradeira que atua com base em um 
timer e não possui nenhuma indicaçãoda condição (cor) da 
torrada para interromper o processo.
Algumas definições
Sistema de controle – malha aberta
SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA: Utiliza uma medida da saída e 
a retroação (realimentação) deste sinal para compará-la com a saída 
desejada (referência ou comando).
Como vantagens, temos uma menor sensibilidade à ruídos e/ou 
perturbações e alterações de ambiente (menor sensibilidade a mudança de 
parâmetros; melhor rejeição de perturbações; melhor atenuação do ruído; 
melhor redução de erro em estado permanente e controle e ajuste de 
estado transitório). Como principal desvantagem, temos um aumento de 
complexidade (e custo) do sistema.
Algumas definições
Sistema de controle – malha fechada
Especificações de desempenho:
• resposta adequada aos sinais de controle;
• atenuação de perturbações;
• limitação de sinais críticos.
Especificações de controlador:
• Linear, simples e eficiente.
• metodologia de projeto? 
Motivação e contexto
Estabilidade (resposta de transiente, resposta de 
estado estacionário, resposta natural, resposta forçada) 
→ Sistemas de controle devem ser estáveis.
Custo (Qual o impacto econômico?)
Robustez (O quão seu sistema é sensível a mudanças 
de parâmetros?)
Motivação e contexto
Circuito RLC – sem carga
Circuito RLC – com carga
Circuito RLC – com carga e controle PID
Circuito RLC – com carga e controle PID
Circuito RLC – com carga diferente e controle PID
Para compreender e controlar sistemas complexos, 
existe a necessidade de definição de modelos 
matemáticos quantitativos para os mesmos.
Como estes sistemas são dinâmicos, as equações 
que os descrevem são usualmente equações 
diferenciais.
A adoção de hipóteses e/ou simplificações pode 
permitir um conjunto de equações mais facilmente 
manipuláveis.
Considerações
Em resumo, na abordagem de problemas com sistemas 
dinâmicos, têm-se as operações seguintes:
a) Definição do sistema e de seus componentes.
b) Formulação do modelo matemático e hipóteses 
adotadas.
c) Definição das equações do modelo.
d) Resolução das equações em função das variáveis de 
saída desejáveis.
e) Exame das soluções e hipóteses obtidas.
f) Se necessário, reanálise do sistema e/ou modelo.
Considerações
A figura ao lado mostra um sistema mecânico 
simples massa-mola-amortecedor que pode 
ser descrito pela Segunda Lei de Newton. 
Consideramos que o atrito entre a massa e a 
parede pode ser modelado como 
amortecimento viscoso, ou seja, a força de 
atrito é linearmente proporcional à velocidade 
da massa. Essa constante é indicada pela letra 
b.
Na figura, temos duas posições: x indica a 
posição da extremidade da mola se a massa M
não está conectada; y indica a nova posição, 
quando a massa está conectada (assim, temos 
um deslocamento δ qualquer a partir da 
referência x sem a massa, ou seja, y = x + δ).
Exemplo 1
As forças existentes são, portanto:
a) A força de atração gravitacional 
(peso): fM = mg;
b) A força elástica da mola: fk;
c) A força de atrito entre a massa 
e a parede: fb;
d) A força externa aplicada: f;
Exemplo 1
Assim, pela segunda Lei de 
Newton, devemos ter 
(desprezando a massa da 
mola):
De forma simplificada:
Exemplo 1
Makybvmgf =−−+
Pelas definições feitas, 
y = x + δ
logo:
Exemplo 1
Makybvmgf =−−+
Makkxbvmgf =−−−+ 
Antes de aplicarmos a força f(t), o 
sistema estará deslocado de δ e o 
conjunto estará em equilíbrio 
(velocidade nula).
Isto quer dizer que a força da mola 
deverá equilibrar o peso, ou seja: 
mg = kδ
Assim, temos:
Exemplo 1
Makkxbvmgf =−−−+ 
Makxbvf =−−
Como
Podemos reescrever a equação 
como:
Exemplo 1
++= dttvktbvtvdt
d
Mtf )()()()(
)()()()(
2
2
tkxtbvtx
dt
d
Mtf ++=
)()( tx
dt
d
tv =
Makxbvf =−−
Assim, a equação
nos permite obter toda e qualquer 
informação do sistema e podemos 
definir a força f(t) (entrada) de forma a 
obter um resultado (saída) esperado.
Além disso, a equação (modelo) nos 
permite entender (prever) o 
comportamento do sistema para 
determinado tipo de entrada (força 
externa aplicada).
Exemplo 1
++= dttvktbvtvdt
d
Mtf )()()()(
Raciocínio semelhante ocorre quando analisamos 
um circuito elétrico, como o RLC da figura. Sua 
análise resulta em uma equação com a forma 
apresentada.
Exemplo 2
Considerações
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
• As equações diferenciais que governam as tensões e correntes em 
um sistema elétrico são semelhantes as equações diferenciais que 
modelam o movimento de um sistema mecânico.
• Um sistema mecânico possui um circuito elétrico análogo e 
vice‐versa. Na Tabela, são apresentados os componentes elétricos e 
os componentes mecânicos que estão associados. Existem duas 
analogias possíveis de serem realizadas.
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
Analogia entre sistemas elétricos e mecânicos
FIM