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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E ROBÓTICA AULA 1 Prof. Rafael Vilas Boas Wiecheteck 2 CONVERSA INICIAL A automação industrial é aplicada na grande maioria das plantas industriais. Até mesmo pequenas empresas utilizam algum tipo de automação para melhorar, controlar e monitorar sua produção. Nesta aula serão apresentados os níveis de automação que as plantas industriais podem implementar, abordando, inclusive, o que é um controle de processo e quais os controles existentes. Veremos também a diferença entre controle contínuo e controle discreto, além das principais características das plantas industriais de processo contínuo e das plantas industriais de processo discreto. TEMA 1 – INTRODUÇÃO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Segundo Groover (2011), a automação pode ser definida como a tecnologia por meio da qual um processo ou procedimento é alcançado sem a assistência humana. Na atualidade, a automação é feita combinando-se um programa de instruções com um sistema de controle. Para o autor, apesar de a automação ser aplicada nas mais diversas áreas, ela é diretamente associada às indústrias de produção. Em um ambiente industrial, há diversas tecnologias utilizadas para automatizar as operações de produção. Essas tecnologias estão distribuídas por toda a planta industrial, indo desde os sensores localizados no chão de fábrica, que sinalizam apenas a presença ou não de uma peça, até os softwares de gestão, que tratam todos os dados obtidos para gerar informações sobre lucro, quantidade de itens produzidos, qualidade final dos produtos, projeção de produção etc. A Figura 1 apresenta um diagrama no qual as tecnologias de automação e controle são utilizadas em um sistema de produção. Como se pode observar, o nível da fábrica é conectado ao nível do empreendimento, ou seja, todas as informações coletadas no chão de fábrica podem ser utilizadas para compor estudos de tomada de decisão em nível gerencial e em planejamentos de médio e longo prazo. Figura 1 - Diagrama de blocos apresentando a interligação dos vários sistemas industriais 3 Fonte: Groover, 2011. 1.1 Níveis de automação A ideia de automação pode ser aplicada nos vários níveis de operação de uma planta industrial. Em um nível mais baixo, temos os sensores e atuadores de um equipamento, como, por exemplo, uma máquina-ferramenta automatizada, na qual o sistema de posicionamento pode ser controlado. Nesse caso, os sensores identificam a posição da ferramenta e, após a ação do sistema de controle, os atuadores a deslocam para a nova posição desejada. Em um nível acima do citado anteriormente, temos outro nível de automatização, no qual podemos pensar em duas ou mais máquinas- ferramentas conectadas entre si através de um sistema de manuseio e transporte automático de peças. Nesse caso, por exemplo, pode-se ter uma esteira como o sistema de transporte e braços robóticos como sistema de manuseio: ao terminar sua operação, a primeira máquina-ferramenta sinaliza ao sistema que sua operação está concluída; então, o braço robótico pode retirar a peça da máquina e colocá-la na esteira. Quando o sistema de transporte identificar que a peça está posicionada e liberada, esta é transportada até a próxima máquina-ferramenta, a qual receberá o produto através de outro braço robótico que a retirará da esteira e a posicionará nesta próxima máquina. Em uma planta industrial, é possível identificar 5 níveis de automação. Segundo Groover (2011), estes níveis de automação são os seguintes: 4 Nível 1 – Nível de dispositivo: é o nível mais baixo na hierarquia de automação. Inclui atuadores, sensores e outros componentes de hardware incluídos no nível da máquina. Os dispositivos são combinados em loops individuais de controle, como, por exemplo, na malha de controle por realimentação para um eixo de uma máquina CNC ou uma articulação de um robô industrial. Nível 2 – Nível de máquina: é o nível do dispositivo no qual o hardware é montado em máquinas individuais. Como exemplo, podemos citar as máquinas-ferramentas CNC, robôs industriais, sistemas de transporte e veículos de transporte automatizados. Neste nível, as funções de controle incluem a execução da sequência de etapas no programa de instruções na ordem correta e a certificação de que cada etapa foi adequadamente executada. Nível 3 – Nível de célula: esse nível opera sob as instruções do nível de fábrica. Uma célula ou um sistema de produção é um grupo de máquinas ou estações de trabalho conectadas e apoiadas por um sistema de manuseio de materiais – um computador ou outro equipamento apropriado ao processo de produção. As linhas de produção estão incluídas nesse nível. As funções incluem a expedição da peça e o carregamento da máquina, a coordenação das máquinas com os sistemas de manuseio de materiais e a coleta e avaliação dos dados de inspeção. Nível 4 – Nível de fábrica: esse é o nível da produção. Ele recebe instruções do sistema de informações corporativo e as traduz em planos operacionais para a produção. Funções semelhantes incluem processamento de pedidos, planejamento de processos, controle de estoque, aquisição, planejamento de requisitos de materiais, controle do chão de fábrica e controle de qualidade. Nível 5 – Nível de empreendimento: esse é o nível mais alto, formado pelo sistema de informações corporativo. Ele se ocupa de todas as funções necessárias ao gerenciamento da empresa: marketing e vendas, contabilidade, projeto, pesquisa, planejamento agregado e plano-mestre de produção. Figura 2 – Os cinco níveis de automação em uma planta industrial 5 Fonte: Groover, 2011. TEMA 2 – SISTEMAS DE CONTROLE Um elemento de controle em um sistema automatizado tem a função de executar funções pré-definidas a fim de realizar alguma operação de produção. Os sistemas de controle podem ser divididos basicamente em sistemas de malha fechada e sistemas de malha aberta. 2.1 Controle em malha fechada O sistema de controle em malha fechada funciona com o conceito de realimentação, ou seja, uma parte do sinal de saída é injetada novamente na entrada. Este sinal de realimentação é comparado com o sinal de entrada, ou parâmetro de entrada, e a diferença entre eles é utilizada para que o sinal de saída fique em conformidade com este sinal de entrada. Um controle em malha fechada é composto por seis elementos básicos: o parâmetro de entrada, o processo a ser controlado, a variável de saída, o sensor para realimentação, o controlador e o atuador. O parâmetro de entrada é o valor que se deseja, representando o valor de saída que se quer obter. Por exemplo: em um controle de temperatura, a 6 temperatura desejada é o valor regulado no termostato. Portanto, a variável de saída é que está sendo controlada (a temperatura). Outros exemplos podem ser: controle de força, vazão, velocidade etc. A saída do sistema de controle é medida através de um sensor, e esta medição é utilizada para fechar a malha entre o sinal de entrada e o sinal de saída do processo. Portanto, são os sensores que realimentam os sistemas de controle em malha fechada. A comparação entre os sinais de entrada e de saída é realizada pelo controlador, que tem a função de realizar os devidos ajustes para reduzir a diferença entre eles. Os atuadores são utilizados para realizar os ajustes necessários calculados pelo controlador no processo. Esses atuadores são dispositivos de hardware que fisicamente executam as ações de controle (motores elétricos e válvulas de controle de vazão). A Figura 3 mostra a representação em blocos de um sistema de controle de malha fechada. Figura 3 – Sistema de controle em malha fechada Fonte: Groover, 2011. Vale lembrar que a malha apresentada na Figura 3 aplica-se ao controle de somente umavariável. Em processos industriais, há dezenas de subprocessos; portanto, para cada variável que se deseja controlar, será necessário um sistema de controle próprio. 2.2 Controle em malha aberta Os sistemas de controle em malha aberta funcionam sem um sistema de realimentação: os controles operam sem medir a variável de saída. Nesse caso, não há a comparação entre os valores de entrada e de saída. 7 Para este tipo de controle, o atuador deve ser extremamente confiável e preciso, pois há o risco de não causar o efeito desejado no processo, o que configura uma grande desvantagem. Por outro lado, como vantagem, este tipo de controle tende a ser mais simples e mais barato que os sistemas de controle em malha fechada. Os sistemas de malha aberta normalmente são aplicados quando as ações executadas pelo sistema de controle são simples, quando a função do atuador é bastante confiável ou quando forças de atuação contrárias ao atuador são pequenas o suficiente para serem desprezíveis. A Figura 4 apresenta um diagrama em blocos de um sistema de controle em malha aberta. Figura 4 – Sistema de controle em malha aberta Fonte: Groover, 2011. 2.3 Outras funções dos sistemas de controle Atualmente, os sistemas de automação são utilizados para atender diversas necessidades, além do tradicional controle da produção. Os sistemas de controle podem ser utilizados também em aplicações de monitoramento e segurança, manutenção e diagnóstico e detecção de erros. Esses tipos de controle podem oferecer somente informações, sem atuação física por parte do sistema de controle; em outros casos, a atuação se limita a acionar um alarme quando, por exemplo, um trabalhador se aproxima de um equipamento em funcionamento. 2.4 Monitoramento da segurança O monitoramento de segurança pode ser aplicado em ambientes com trabalho perigoso. Normalmente, um sistema automatizado é instalado nessas áreas para evitar que um ser humano permaneça em uma área de risco. Entretanto, tais áreas precisam de manutenções periódicas, que devem ser realizadas por uma pessoa. 8 Desse modo, o sistema pode operar em um nível de segurança maior, ou mesmo desligar-se completamente quando uma pessoa acessa uma determinada área de risco. Além da proteção humana, esses sistemas devem proteger os equipamentos próximos e que interagem no processo. Em situações nas quais se detecte possibilidade de risco, o sistema pode: Realizar a parada total do sistema. Soar um alarme. Reduzir a velocidade de operação do processo. Executar medidas corretivas para recuperar a violação de segurança. Para detectar uma violação de segurança, o sistema utiliza diversos tipos de sensores, como barreiras de luz e acionamento de botão de emergência. Algumas aplicações de segurança são descritas por Groover (2011), conforme apresentado a seguir: Comutadores de limite para detectar o posicionamento adequado de uma peça em um dispositivo para que o ciclo do processo possa começar. Sensores fotoelétricos ativados pela interrupção de um feixe de luz, podendo indicar que uma peça está na posição adequada ou detectar a presença de um humano em uma célula de trabalho. Sensores de temperatura para indicar que uma peça de metal está suficientemente aquecida para seguir para uma operação de forjamento a quente. Se não estiver, a maleabilidade do metal pode ser muito baixa e os moldes podem ser danificados durante a operação. Detectores de calor ou fumaça para prever risco de incêndio. Tapetes sensíveis à pressão para detectar presença de intrusos na célula de trabalho. Sistemas de visão de máquina que façam vigilância do sistema automatizado e seus arredores. 2.5 Manutenção e diagnóstico de reparo Os sistemas de controle podem ser utilizados para manutenção e diagnóstico de reparo, permitindo que os sistemas automatizados auxiliem na identificação da fonte de potenciais problemas. 9 Há três modos de operação mais comuns nesses sistemas de manutenção e diagnósticos de erros, conforme descrito por Groover, 2011: 1. Monitoramento de condição (status): o sistema de diagnóstico monitora e registra a condição dos sensores e parâmetros do sistema durante a operação normal. Quando solicitado, o subsistema de diagnóstico pode listar qualquer um desses valores e oferecer uma interpretação sobre o status atual, podendo alertar sobre uma falha iminente. 2. Diagnóstico de falhas: empregado quando há um mau funcionamento ou uma falha. Seu propósito é interpretar os valores atuais das variáveis monitoradas e analisar os valores registrados antes da falha, de modo que sua causa possa ser identificada. 3. Recomendação de procedimento de reparo: o subsistema recomenda à equipe de reparo as etapas que devem ser ocorrer na realização de reparos. Algumas vezes os métodos para o desenvolvimento das recomendações baseia-se no uso de sistemas especialistas, nos quais os julgamentos coletivos de muitos especialistas em reparo são agrupados e incorporados a um programa de computador que usa técnicas de inteligência artificial. TEMA 3 – INDÚSTRIA DE PROCESSO E INDÚSTRIA DE PRODUÇÃO DISCRETA Segundo Groover (2011), o controle industrial é definido como a regulação automática das operações da unidade e de seus equipamentos associados, bem como a integração e a coordenação dessas operações em um sistema de produção maior. As indústrias podem ser divididas, quanto à sua aplicação, em dois grupos principais: as indústrias de processos e as indústrias de produção discreta. A indústria de processo possui operações de produção em montantes de materiais, portanto, os materiais processados tendem a ser líquidos, gases, pós e similares. Por outro lado, a indústria de produção discreta executa suas operações em quantidade de materiais, como peças e itens. Essa diferença entre produtos da indústria de processo e da indústria discreta exige que as operações utilizadas nas linhas de produção sejam diferentes. 10 A Tabela 1 apresenta um comparativo entre os tipos de operações típicas da indústria de processo e da indústria de produção discreta. Tabela 1 – Comparativo de operações típicas das indústrias de processo e produção discreta OPERAÇÕES TÍPICAS INDÚSTRIA DE PROCESSOS INDÚSTRIA DE PRODUÇÃO DISCRETA Reações químicas Fusão Fragmentação Forjamento Deposição (p. ex. deposição de vapor químico) Usinagem Destilação Montagem mecânica Mistura de ingredientes Moldagem de plástico Separação de ingredientes Estampagem em folha de metal Fonte: Groover, 2011. 3.1 Variáveis e parâmetros A diferença entre as indústrias de processo e de produção discreta começa pelas variáveis e parâmetros de cada uma (lembrando que as variáveis são as saídas e os parâmetros são as entradas de um processo). Na indústria de processo, as variáveis e os parâmetros possuem a característica de ser contínuos no tempo, ao passo que, na indústria de produção discreta, como o nome sugere, possuem a característica de ser discretos. A variável contínua é aquela que se mantém ininterrupta no tempo (Figura 5a). Esse tipo de sinal é considerado analógico, ou seja, pode assumir qualquer valor dentro de um determinado intervalo. As operações de produção são caracterizadas por variáveis contínuas. Exemplos: temperatura, vazão, pressão e velocidade. Por outro lado, a variável discreta pode assumir apenas determinados valores em um determinado intervalo. A variável binária é o tipo mais comum, podendo assumir apenas dois valores, zero ou um (Figura 5b). Essa variável pode sinalizar, por exemplo, aberto/fechado através de um interruptor fim-de- curso, a situação ligado/desligado de um motor e a presença/ausência de um produto em uma determinada posição. Existem também as variáveis discretas que podem assumir mais de dois valores, porém, em uma quantidade limitada.Neste caso, são chamadas de variáveis discretas não binárias. 11 Figura 5 – Exemplo de um sinal analógico (a) e de um sinal discreto (b) TEMA 4 – CONTROLE CONTÍNUO E CONTROLE DISCRETO Assim como existem dois tipos básicos de variáveis e parâmetros, contínuos e discretos, temos também dois tipos básicos de controle: o controle contínuo e o controle discreto. Na prática, a maioria das indústrias possui tanto variáveis de processo quanto variáveis de produção discreta em suas plantas. Assim, há diversos controladores industriais que possuem a capacidade de operar esses dois tipos de sinais. Vale lembrar que, como todos os sistemas computacionais são digitais, é necessário transformar o sinal analógico em sinal digital. Para isso, o sinal analógico é capturado de forma periódica (amostragem) e convertido para um sinal discreto. Com isso, esse sinal amostrado fica muito próximo do sinal contínuo real. A Tabela 2 apresenta um comparativo entre controle contínuo e controle discreto. Tabela 2 – Comparativo entre controle contínuo e controle discreto 12 FATOR DE COMPARAÇÃO CONTROLE CONTÍNUO NAS INDÚSTRIAS DE PROCESSO CONTROLE DISCRETO NAS INDÚSTRIAS DE PRODUÇÃO DISCRETA Medidas típicas de saída de produto Medidas de peso, volume de líquidos, volume de sólidos Número de peças, número de produtos Medidas típicas de qualidade Consistência, concentração da solução, ausência de contaminantes, conformidade com as especificações Dimensões, acabamento superficial, aparência, ausência de defeitos, confiabilidade do produto Variáveis e parâmetros típicos Temperatura, vazão, peso Posição, velocidade, aceleração, força Sensores típicos Medidores de fluxo, termopares, sensores de pressão Interruptores de fim-de- curso, sensores fotoelétricos, extensômetros, sensores piezoelétricos Atuadores típicos Válvulas, aquecedores, bombas Interruptores, motores, pistões Constantes típicas de tempo de processo Segundos, minutos, horas Menos de um segundo Fonte: Adaptado de Groover, 2011. 4.1 Sistemas de controle contínuo Em um sistema de controle contínuo, busca-se manter o valor da variável de saída em um nível desejado (controle por realimentação). Entretanto, na prática, há muitas malhas de realimentação que devem ser coordenadas para que uma variável de saída se mantenha no valor desejado. Exemplos de processos contínuos são apresentados por Groover (2011): Controle da saída de uma reação química que depende de temperatura, pressão e vazão de entrada de vários reagentes. Todas essas variáveis e/ou parâmetros são contínuos. Controle da posição de uma peça de trabalho relativa à ferramenta de corte em uma operação de fresamento de contornos em que superfícies curvas complexas são geradas. A posição da peça é definida por valores de coordenadas x, y, z; conforme a peça é movida, essas coordenadas podem ser consideradas variáveis contínuas que mudam ao longo do tempo para formar a peça final. Há diversas formas de aplicar um sistema de controle contínuo. A seguir, confira os principais modos: Controle regulatório: tem por objetivo manter o desempenho do processo dentro de uma faixa de tolerância aceitável. Pode ser aplicado quando o desempenho é usado como uma forma de medir a qualidade do produto. O problema desse tipo de controle é que a ação de correção só é tomada 13 depois que uma perturbação já afetou a saída. A Figura 6 apresenta o diagrama em bloco desse tipo de controle. Figura 6 – Diagrama de blocos de um controle regulatório Fonte: Groover, 2011. Controle preditivo: neste tipo de controle, busca-se antecipar os efeitos das perturbações que possam vir a prejudicar o processo. Ao identificar essas perturbações, o controle realiza as compensações corretivas necessárias antes que o processo seja afetado. O controle regulatório é utilizado em conjunto com o controle preditivo para garantir que a correção esteja sendo realizada corretamente. A Figura 7 apresenta o diagrama de blocos do controle preditivo combinado com o controle por realimentação. Figura 7 – Diagrama de blocos de um controle regulatório Fonte: Groover, 2011. 14 Como dito anteriormente, há diversos modos de controle que podem ser utilizados, dependendo de cada caso de uso. A título de conhecimento, podemos citar outros tipos de controle: otimização em estado estacionário, controle adaptativo, estratégias de busca em tempo real etc. 4.2 Sistema de controle discreto Os sistemas de controle discreto trabalham com variáveis em que as mudanças são discretas, ou seja, que possuem valores definidos e que normalmente sejam sinais binários (como, por exemplo, ligado/desligado, aberto/fechado, zero/um). Normalmente, as mudanças ocorrem porque o estado do sistema mudou (mudança ocasionada por evento) ou porque um certo período de tempo passou (mudança ocasionada por tempo). A mudança ocasionada por evento é realizada pelo controlador quando algum evento causou uma alteração no estado do sistema. Por exemplo: iniciar/terminar uma operação, ligar/desligar um motor ou abrir/fechar uma válvula. O outro modo de controle discreto se dá através da mudança ocasionada por tempo, quando, em um determinando momento, ou passado um período pré- determinado, o controlador executa uma ação. Portanto, o tempo em que a mudança ocorre é importante. Por exemplo: uma operação de tratamento de calor em que uma temperatura deve se manter por um certo período de tempo, na qual um sistema automatizado coloca a peça em um forno e a retira depois do período pré-estabelecido. TEMA 5 – CONTROLE DE PROCESSO POR COMPUTADOR Para que possamos utilizar computadores no controle de processos industriais, é necessário que requisitos sejam atendidos e que sejam incorporadas certas capacidades. Neste último tema serão apresentados alguns desses requisitos e capacidades. 5.1 Requisitos de controle Independentemente de a aplicação ser de controle contínuo ou de controle discreto, há alguns requisitos básicos comuns à grande maioria das 15 aplicações de controle de processos. Alguns dos principais requisitos básicos são apresentados por Groover (2011): 1. Interrupções iniciadas por processos: dependendo da importância dos sinais de entrada do processo, o computador pode precisar interromper a execução de um programa para atender a uma necessidade específica de maior prioridade. Normalmente, uma interrupção é ativada por condições anormais de operação que devem receber uma ação corretiva imediata. 2. Ações iniciadas por temporização: capacidade do controlador de executar ações em intervalos específicos de tempo. Essas ações podem ser geradas em intervalos de tempo regulares ou em momentos distintos do tempo. 3. Comandos do computador para o processo: capacidade de enviar sinais de controle para o processo a fim de realizar uma ação corretiva. Pode- se acionar um dispositivo ou reajustar um parâmetro em uma malha de controle. 4. Eventos iniciados por programa ou sistema: envolvem a comunicação entre computadores e dispositivos através de uma rede de comunicação. Os sinais, comandos de controle e dados são transferidos entre os computadores durante todo o controle do processo. 5. Eventos iniciados por operador: capacidade de aceitar entradas da equipe de operação. Essas entradas incluem: novos programas, edição de programas existentes, entrada de dados do consumidor, número do pedido e instruções de inicialização para o próximo ciclo de produção, requisição de dados do processo, solicitação de paradas de emergência, entre outros. 5.2 Recursos do controle por computador Os controladores necessitam de certos recursos para que possam interagir com o processo industrial e com o operador. Esses recursos são: a pesquisa de dados, os intertravamentos, os sistemasde interrupção e o tratamento de exceções. 16 5.2.1 Pesquisa (amostragem de dados) A pesquisa se refere à amostragem periódica de dados que indicam o estado do processo. Em alguns sistemas, a pesquisa procura por mudanças nos dados desde o último procedimento de busca e coleta apenas os dados novos gerados pelo processo. Pontos importantes na pesquisa incluem: 1. Frequência da pesquisa: é o intervalo de tempo entre as coletas de dados. 2. Ordem da pesquisa: sequência em que devem ser lidos os pontos com os dados do processo. 3. Formato da pesquisa: este item se refere ao modo como o procedimento de amostragem será realizado. Como alternativas, pode-se citar: informar todos os dados novos de todos os dispositivos a cada ciclo de pesquisa ou atualizar o sistema apenas com dados que sofreram mudanças. 5.2.2 Intertravamento Mecanismo de segurança pelo qual é feita a coordenação de atividades entre dispositivos. É uma forma de sequenciar atividades e garantir que uma atividade seja finalizada antes de a atividade seguinte ser iniciada. Um intertravamento pode ser de entrada ou de saída. Intertravamento de entrada é um sinal originado externamente ao controlador; pode ser enviado por uma chave fim-de-curso ou por um sensor, por exemplo. Por outro lado, o intertravamento de saída é um sinal enviado pelo controlador para comandar e coordenar os diversos dispositivos externos. 5.2.3 Sistema de interrupção Há situações nas quais é necessário interromper uma operação normal para atender situações emergenciais, quer seja pelo processo, quer seja pelo operador. Portanto, um sistema de interrupção é uma característica de controle que permite suspender a execução do programa atual para executar uma sub- rotina ou outro programa em resposta a um evento de maior prioridade. Esse tipo de sistema é importante para o controle de processos devido à necessidade de executar rotinas de maior prioridade antes de rotinas de prioridades mais baixas. 17 5.2.4 Tratamento de exceções No controle de processos, uma exceção é um evento que está fora da operação normal do sistema de controle. Gerenciar as exceções é fundamental ao controle de processos industriais. Como exemplos de eventos que geram exceções, podemos citar: Problemas de qualidade no produto. Variáveis de processo operando fora dos intervalos normais. Escassez de matéria-prima ou de insumos necessários para suprir o processo. Condições de perigo. Mau funcionamento do controlador. O tratamento de exceções pode ser considerado uma maneira de detecção e de recuperação de erros. FINALIZANDO Nesta aula, apresentamos uma introdução à Automação Industrial. Vimos que há vários níveis de automação, desde o chão de fábrica até os níveis gerenciais e de tomada de decisão. Foram apresentados também os conceitos de controle industrial e as diferenças entre as plantas de produção de processos contínuos e de processos discretos. Por fim, foram apresentados os conceitos de controle de processos por computador e suas principais características. 18 REFERÊNCIAS GROOVER, M. Automação industrial e sistemas de manufatura. 3. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011.
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