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AULA 1 FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROLE CONVERSA INICIAL Caro aluno, seja bem-vindo à sua primeira aula de Fundamentos de Sistemas de Controle. Nesta primeira aula, abordaremos a evolução da automação industrial. Você conhecerá os primeiros sistemas de automação convencionais baseados em lógicas a relé e a origem do CLP (Controlador Lógico Programável). Analisaremos os principais componentes dos controladores e seu funcionamento. Por fim, apresentaremos as vantagens e as desvantagens da implementação da automação. Neste contexto, a ideia é que, ao final da aula, você tenha uma boa noção da evolução e dos principais componentes dos controladores lógicos programáveis. CONTEXTUALIZANDO A automação industrial é uma área que vem evoluindo muitos nos últimos anos e se utiliza de CLP para a implementação de comandos lógicos e de equipamentos eletroeletrônicos, pneumáticos e mecânicos para substituir atividades manuais e que envolvem decisões e comandos. O uso de soluções de automação tem grande repercussão em diversos setores, tais como: industrial, energético, saneamento, têxtil, siderúrgica, aéreo, predial, portuário, agrícola, entre outros. A implementação de sistema de automação não se resume à redução ou à substituição de trabalho humano, e sim tem como objetivo trazer melhoria para os processos, maior segurança na operação de sistema em ambientes perigosos, aumento da qualidade, otimização, redução de tempo de produção e custos. Porém, antes de mergulharmos nas novas tecnologias, vamos, nesta primeira aula, entender um pouco mais sobre a origem e a evolução dos sistemas de controle. TEMA 1 – EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL O princípio de tudo foi a mecanização das primeiras ferramentas, o que culminou com a revolução industrial, que ocorreu na Inglaterra em meados do século XVIII. A expansão do comércio no continente e o aprimoramento das técnicas de navegação, que incrementaram o comércio marítimo, aliados à farta mão de obra e ao controle do Estado por parte da burguesia – ingredientes estes que geraram grande acúmulo de capital –, permitiram a chamada Revolução das Máquinas. Neste período, surgiram a máquina de fiação, o tear mecânico, o motor 02 a vapor e a locomotiva. Por volta da segunda metade do século XIX, inicia-se a segunda revolução industrial, quando França, Alemanha, Itália, e ainda EUA, Japão e outros países também experimentam o glamour da industrialização. O grande marco deste período é a utilização, em grande escala, da energia elétrica e do petróleo. Novas tecnologias produzem ferramentas e máquinas mais modernas e eficazes. Aproximadamente na metade do século seguinte, a grande maioria das indústrias já está mecanizada e, ao final deste, a automatização de quase todos os processos já é realidade em totalidade. Alguns autores citam o início da terceira revolução industrial neste período, com o emprego generalizado dos computadores (Jesus; Silva). O termo automação foi criado na década de 1940 por um engenheiro da Ford Motor Company, que descreveu vários sistemas nos quais ações e controles automáticos substituíam o esforço e a inteligência humana. Nessa época, os dispositivos de controle eram eletromecânicos por natureza. A parte lógica era realizada por meio de relés e temporizadores intertravados, e a intervenção humana acontecia em alguns pontos de decisão. Por meio de relés, temporizadores, botões, posicionadores mecânicos e sensores, podiam ser realizadas sequências simples de movimento lógico ao ligar e desligar motores e atuadores (Lamb, 2015). No final da década de 1960 e início dos anos 1970, as fábricas automobilísticas não possuíam flexibilidade para mudanças constantes no processo de produção. Qualquer alteração no processo de fabricação dos automóveis, por menor que fosse, era trabalhosa e demorada. Dessa forma, para produzir um automóvel de cor ou modelo diferente, havia longa espera, uma vez que a produção era feita em grandes lotes. Nessa época, a tecnologia era a automação com lógica de contatos, utilizando painéis com reles eletromecânicos e muita fiação. Obviamente, essas fábricas não haviam sido projetadas para constantes modificações. Por causa das limitações tecnológicas, qualquer alteração na configuração da linha de produção tinha custo elevado, pois todos os intertravamentos para controle e segurança eram feitos com painéis de relés e contatores (Parede; Gomes, 2011). A utilização de lógica de contatos apresentava as seguintes desvantagens: � Custo de modificações elevado – efetuar modificações nas linhas de produção significa alterar as lógicas implementadas a relés, 03 temporizadores e contatores. Tais modificações acarretam grandes modificações nos painéis existentes ou até mesmo a troca por um novo; � Custo de manutenção e operação elevados – os painéis eram enormes e ocupavam áreas de igual tamanho nas fábricas, de modo que os componentes eletromecânicos eram suscetíveis a falhas, o que aumentava o custo de manutenção. Figura 1 – Painel de relés Fonte: Parede; Gomes (2015). TEMA 2 – CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS O primeiro controlador lógico programável foi desenvolvido para atender a uma demanda da General Motors que tinha como objetivo resolver os problemas existentes com os painéis a relé. Para tanto, a GM solicitou que a solução a ser produzida tivesse as seguintes características: • � baixo custo; • � ser fisicamente menor que painéis a relés para otimização de espaço no chão de fábrica; • � confiabilidade maior do que painéis a relés; • � facilidade de programação; • � facilidade na manutenção e reparo. Em 1969, a Bedford Associates apresentou para a General Motors um equipamento que atendia a suas necessidades, além de funcionar em operações distintas e ser de fácil programação. Esse equipamento era o MODICON (Modular 04 Digital Controller). O MODICON 084 foi o primeiro CLP comercial com essas tecnologias. Tal modelo proporcionou diversos benefícios à indústria, entre eles (Parede; Gomes, 2011): • � facilidade na implementação de modificações por ser facilmente programável; • � menor custo de manutenção; • � diminuição de espaços físicos; • � aumento do tempo de vida útil. Os CLPs foram introduzidos na indústria brasileira na década de 1980, inicialmente nas filiais de empresas multinacionais, que implantavam a tecnologia utilizada na matriz. Em pouco tempo, essa tecnologia proliferou e o CLP adquiriu grande aceitação no mercado. Em 1994, havia mais de 50 fabricantes de CLP, o que demonstrava seu sucesso e aceitação. A Tabela 1 mostra os principais eventos na evolução tecnológica do CLP (Parede; Gomes, 2011): Tabela 1 – Evolução do CLP Década 1960 Evento Surgimento do CLP em substituição aos painéis de controle com relés eletromecânicos – economia de energia, facilidade de manutenção, redução de espaço e diminuição de custos. Padronização das linguagens de programação sob o padrão IEC 61131-3, introdução interface homem - máquina (IHM), softwares supervisores e de gerenciamento, interfaces para barramento de campo e blocos de funções. 1990 Fonte: Parede; Gomes (2011). Os CLPs foram desenvolvidos para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (ligado - desligado, alto - baixo etc.); porém, hoje têm adquirido muitas outras funções com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de sinais analógicos, controle contínuo multivariáveis, controle de posição de alta precisão etc. Como visto anteriormente, os CLPs nasceram para substituir relés na implementação de intertravamentos e controle sequencial, especializando-se 1970 O CLP adquiriu instruções de temporização, operações aritméticas, movimentação de dados, operações matriciais, terminais de programação, controle analógico PID. No final da década, foram incorporados recursos de comunicação, propiciando a integração entre controladores distantese a criação de vários protocolos de 1980 Redução do tamanho físico em virtude da evolução da eletrônica e adoção de módulos inteligentes de E/S, proporcionando alta velocidade e controle preciso em aplicações de posicionamento. Introdução da programação por software em microcomputadores e primeira tentativa de padronização do protocolo de comunicação. 05 no tratamento de variáveis digitais. Segundo Jesus e Silva, algumas características mais relevantes dos CLPs são: • � Caráter modular dos CLPs: permite adequar o controlador para qualquer aplicação, já que o projetista especifica só o número e tipos de módulos necessários de acordo com o número de entradas, saídas e outras funções, que requer o processo a ser controlado, adequando-se o controlador à aplicação. • � Flexibilidade dada pela programação: pode ser aplicado a qualquer tipo de processo e facilmente alteradas as funções por meio do programa, sem mexer na instalação. • � Comunicação: cada fabricante possui redes de comunicação proprietárias e possibilidades para comunicação com outros CLPs ou componentes como inversores de frequência, o que possibilita a distribuição de tarefas de controle e a centralização das informações por meio de computadores que rodam aplicativos de supervisão. Diversos meios físicos são possíveis: fios trançados, fibras ópticas ou ondas de rádio. • � Redundância: quando o sistema assim o requer, são fornecidos módulos e CPUs (Unidade Central de Processamento) redundantes (com mais de uma CPU) que garantem uma altíssima confiabilidade de operação até nos processos mais exigentes. Figura 1 – CLP Fonte: O autor. 06 A implementação de sistemas automatizados tem como características mais relevantes, segundo Jesus e Silva: • � Fornecimento via projeto de integração; • � Sistema divido em diversas CPUs de CLPs a fim de obter melhor performance em aplicações críticas. Redundância proporcionada pela duplicação de cartões de I/O (entrada / saída), fontes e CPUs; • � Redes de comunicação antes proprietárias, agora buscam obedecer a padrões internacionais. Uso recente de fibras óticas; • � Total liberdade de escolha de parceiros de equipamentos e engenharia; • � Programação do supervisório independentemente da programação do CLP; • � As variáveis devem ser definidas duas vezes: na base de dados do SCADA e no programa do CLP; • � T ecnologia em geral aberta; • � Muito eficiente no tratamento de variáveis discretas com poder e flexibilidade crescentes no tratamento de variáveis analógicas; • � Hardware e software padrões de mercado; • � Custos globais baixos quando comparado a SDCD - Sistemas Distribuídos para Controle Digital. Figura 2 – Painel com CLP Fonte: O autor. 07 TEMA 3 – PRINCIPAIS COMPONENTES DOS CONTROLADORES A estrutura física do CLP é um conjunto de circuitos eletrônicos interligados formados por processadores, memórias, barramentos, dispositivos de entrada e saída, fonte de alimentação e terminal de programação. (Parede; Gomes, 2011). Ao analisarmos o CLP quanto à sua arquitetura e forma construtiva, podemos compará-lo com um computador especialmente adaptado para aplicações industriais. Em razão de suas características físicas, ele pode funcionar em ambientes industriais agressivos, pois suporta variações de temperatura, vibrações, ruídos elétricos, pequenas variações na tensão etc. Por tudo isso, é considerado um equipamento robusto (Parede; Gomes, 2011). Os principais módulos do CLP são os seguintes: • � Unidade Central de Processamento (UCP); • � Memórias; • � Módulos de Entrada e Saída. 3.1 Unidade central de processamento A unidade central de processamento (UCP) gerencia todo o sistema, controlando as operações realizadas pelas diferentes unidades funcionais. A principal função da UCP é controlar e executar instruções presentes na memória. Ela é responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle (Parede; Gomes, 2011). Os primeiros CLPs usavam microprocessadores com lógica discreta. Alguns microprocessadores possuíam uma característica conhecida como microcoded, que foi muito importante para o desenvolvimento dos CLPs. Esses microprocessadores tinham seu conjunto de instruções formado pela combinação de um conjunto de operações básicas. Na década de 1980, os CLPs já eram utilizados normalmente em sistemas de automação que envolviam lógica e sequenciamento. Surgia, então, a necessidade de desenvolver novas aplicações para esses equipamentos. (Parede; Gomes, 2011) O surgimento de novas aplicações fez com que os CLPs sofressem evoluções, de início em razão da insuficiência de memória, das limitações do barramento e do aumento da complexidade do sistema. Para melhorar seu desempenho, associado à necessidade de maior processamento, os CLPs passaram a realizar multiprocessamento. (Parede; Gomes, 2011) 08 A introdução significativa de novos produtos e das redes de comunicação de CLPs, bem como a disponibilidade de processadores cada vez mais poderosos, fizeram com que muitas das tarefas executadas por processadores, antes localizados em módulos de entrada e saída inteligentes, fossem executadas em software pela unidade central de processamento. (Parede; Gomes, 2011) Figura 3 – Esquema de controle de processo em indústria Reactor 1 Run Plan: Actual: Key Performance Indicators Conversion Efficiency Emissions Limit Ratio Prod: Thionite State: Mid-Run Agit: ON Locks: CLEAR Comp A Comp B Cool CPC CRM LVL 80.0 Rate 72.0 2 HR 80 % Balance IN OUT Hydrog A Cycle Comp A Suct Dsch VIB: OK BRG: OK OIL: OK Locks: CLEAR Bed Bed A1 A2 Reactor 2 Run Plan: Actual: 2 Prod: CRM-114 State: Mid-Run Agit: ON Locks: CLEAR % 70 12 HR 500 F L O W 470 2 HR 1.0 0.5 12 HR Comp A Comp B Cool CPC CRM LVL Balance IN OUT Hydrog B Cycle Comp B Suct Dsch VIB: OK BRG: OK OIL: OK Locks: CLEAR Bed Bed B1 B2 Feed System Alarms: ACK UNACK P1 P2 P3 P4 0 1 2 4 0 0 1 1 Toggle List /Summary Feed A Atv 1 Clr Feed B 68.0 Rate 60.0 2 HR 500 F L O W 470 2 HR Atv 2 T-In Feed C Pres SynG %IP Main Menu Trend Control Reactor 1 Feed Sys Reactor Hydrog 2 A Hydrog B L3 L4 2 071608 08:55:07 RX2 LOW CRM –QUALITY EXC Aux Sys Menus L2 T-Out Visc Aux Systems CWT PWR C57D CWP VentP Null-A S10 VentT Jup2 S200 MGA Grok Fonte: Delta Systems Engineering, 2017. 3.2 Memória Memória é o local em que são armazenados instruções e dados, ou seja, as informações necessárias para o funcionamento do CLP. As memórias podem ser classificadas em: • � Memória executiva ou do programa monitor; • � Memória do sistema; • � Memória imagem das entradas e saídas (E/S); • � Memória de dados; • � Memória do usuário ou de aplicação. A evolução da microeletrônica viabilizou o uso de memórias semicondutoras. No início, foram utilizadas as memórias RAM (random access 09 memory), que, por serem intrinsecamente voláteis, eram acompanhadas de baterias que as mantinham permanentemente alimentadas. Depois, as memórias PROM (programmable read only memory) passaram a ser empregadas, porém, não eram reprogramáveis. O próximo passo foi adotar as memórias não voláteis EPROM (erasable programmable read only memory), que eram apagadas pela exposição à luz ultravioleta. Surgiram, então, as memórias EEPROM (electrically erasable read only memory), que podiam ser apagadas eletricamente. (Parede; Gomes, 2011) 3.3 Módulos de entrada e saída (E/S) Os módulos de entrada e saída (E/S) são utilizados para permitir a comunicação entre o CLP e os dispositivos externos. Esses dispositivos podem ser divididos em dois grandes grupos, segundoParede e Gomes (2011): • � Dispositivos de entrada – classificados como entradas digitais e entradas analógicas; • � Dispositivos de saída – classificados como saídas digitais e saídas analógicas. TEMA 4 – FUNCIONAMENTO DOS CONTROLADORES Os controladores apresentam 3 partes básicas para seu funcionamento: entradas, unidade central de processamento e saídas. Figura 4 – Estrutura básica dos CLPs Fonte: Zancan (2011). Nas entradas do CLP são conectados os transdutores, dispositivos que informam eletricamente as variáveis do processo à Unidade Central de Processamento (CPU). Esta, por sua vez, analisa as informações de entrada, a lógica de funcionamento do processo programada pelo usuário, ativando ou 010 desativando as saídas do CLP. As saídas do CLP são conectadas a elementos atuadores, dispositivos que interagem com o processo, a fim de controlá-lo. O controle e o processamento das informações de entrada e saída são realizados de forma sequencial, por meio de ciclos de varredura, conforme mostra a figura a seguir. Figura 5 – Ciclo de varredura do CLP Fonte: Zancan (2011). 4.1 Início Ao ligar o CLP, é verificado o funcionamento da CPU, as memórias, os circuitos auxiliares e a existência de programa, desativando todas as saídas (Zancan, 2011). 4.2 Verificando o estado das entradas O CLP faz a leitura do estado de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. Este procedimento dura alguns microssegundos (Zancan, 2011). 011 4.3 Transferência de dados para a memória Após realizar a leitura do estado das entradas, o CLP armazena as informações obtidas em uma memória chamada “memória imagem das entradas e saídas”. Esta memória será consultada pelo CLP durante o processamento do programa do usuário (Zancan, 2011). 4.4 Comparação com o programa do usuário Ao executar o programa do usuário, o CLP consulta a memória imagem das entradas, atualizando a memória imagem das saídas, de acordo com as instruções do programa do usuário (Zancan, 2011). Figura 7 – Exemplo de programa do usuário 4.5 Atualização das saídas Após atualizar a memória imagem das saídas, o CLP atualiza as interfaces ou módulos de saída, iniciando então um novo ciclo de varredura (Zancan, 2011). 012 TEMA 5 – VANTAGENS E DESVANTAGES DA IMPLEMENTAÇÃO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A seguir, apresentaremos as vantagens e as desvantagens que a implementação da automação industrial proporciona de acordo com a ideia de Lamb (2015). 5.1 Vantagens • � Operadores ou humanos com tarefas de trabalhos pesadas ou monótonas podem ser substituídos. • � Operadores humanos que realizam tarefas em ambientes perigosos, como aqueles com temperaturas extremas ou em atmosferas radioativas e tóxicas, podem ser substituídos. • � Tarefas que estão além da capacidade humana foram facilitadas. O manuseio de cargas grandes ou pesadas, a manipulação de elementos minúsculos ou as exigências para se fabricar um produto de forma muito rápida ou muito lenta são exemplos disso. • � A produção é mais rápida e os custos de mão de obra são menores por produto em comparação às operações manuais equivalentes. • � Os sistemas de automação conseguem incorporar facilmente inspeções e verificações a fim de reduzir o número de produtos fora de um determinado padrão de produção, permitindo o controle estatístico de processo que gerará produtos mais consistentes e uniformes. • � A automação serve de catalisador para melhoria da economia das empresas e da sociedade. Por exemplo, o produto nacional bruto e o padrão de vida da Alemanha e do Japão aumentaram drasticamente no século XX, em grande parte por esses países terem incorporado a automação em sua produção de armas, automóveis, têxteis e outros bens para exportação. • � Os sistemas de automação não tiram férias ou ficam doentes. 5.2 Desvantagens � A tecnologia atual não é capaz de automatizar todas as tarefas desejadas. Certas tarefas não podem ser facilmente automatizadas, como a produção ou a montagem de produtos cujos componentes têm inconsistência de 013 tamanhos ou tarefas em que a habilidade manual é necessária. Alguns produtos precisam de manipulação humana. • � Algumas tarefas custam mais para serem automatizadas do que para serem realizadas de forma manual. A automação é aplicável em processos repetitivos, consistentes e que envolvem grandes volumes de produtos. • � É difícil prever com precisão o custo de pesquisa e desenvolvimento para automatizar um processo. Uma vez em que esse custo pode ter um grande impacto sobre a rentabilidade, geralmente se descobre que não houve vantagens econômicas na automação de um processo somente quando ela já esta implantada. No entanto, com o advento e a continuidade do crescimento de diferentes tipos de linhas de produção, é possível fazer estimativas mais precisas baseadas em projetos anteriores. • � Os custos iniciais são relativamente altos. A automação de um novo processo, ou a construção de uma nova planta, precisa de um investimento alto em comparação com o custo unitário do produto. Mesmo as máquinas que já possuem os custos de desenvolvimentos recuperados se tornam caras em termos de hardware e mão de obra. O custo pode ser proibitivo para as linhas de produção personalizadas, em que o manuseio de ferramentas e de produtos dever ser realizado. • � Geralmente, é necessário um departamento de manutenção qualificado para consertar e manter os sistemas de automação em bom funcionamento. Falhas no sistema de automação podem resultar em perdas totais de produção ou em uma produção defeituosa. 5.3 Análise das vantagens e desvantagens No geral, as vantagens parecem superar as desvantagens. Seguramente, é possível dizer que os países que adotaram a automação desfrutam de um padrão de vida mais elevado do que aqueles que não a adotaram. Independentemente das implicações sociais que possam ocorrer, não existem dúvidas de que a produtividade aumenta com a aplicação adequada de técnicas de automação (Lamb, 2015). 014 5.4 A sociedade do conhecimento É certo que todas essas mudanças tecnológicas desenvolveram novas formas de trabalho, e que trouxeram novas exigências de qualificação e perfil do trabalhador (Capelli, 2015). No final de século XX, a automação e a produtividade reduziram o percentual de funcionários que desempenham funções de trabalhos tradicionais, enquanto na demanda competitiva houve aumento dos que desempenham funções analíticas: engenharia, marketing, gerenciamento e administração. Mesmo os indivíduos ligados diretamente à produção e à prestação de serviços são valorizados por suas sugestões para melhorar a qualidade, reduzir custos e diminuir ciclos (Capelli, 2015). Essa competitividade nos leva, segundo Capelli (2015): • � A uma constante necessidade de investimento na formação de cada indivíduo; • � Certamente o capital intelectual é o bem mais precioso de qualquer empresa. Qualquer que seja o segmento industrial, a automação tornou- se necessária à sobrevivência em mercados dinâmicos e flexíveis, em que a presença humana é bem remunerada. FINALIZANDO Como vimos nesta primeira aula, apresentamos um pouco da evolução dos controladores lógicos programáveis e os desafios iniciais para a implementação deste produto em linhas de produção. A implantação de sistemas de automação nos impõe desafios que devem ser avaliados para que custos, serviços de desenvolvimento e implementação da solução de automação atinja a necessidade e a qualidade exigidas pelo cliente final. A partir da próxima aula, vamos nos aprofundar nas interfaces dos CLPs com o processo, sendo estas: entradas e saídas e sensores de campo. 015 REFERÊNCIAS PAREDE, I. M.; GOMES, L. E. L. Eletrônica 6: Automação Industrial. São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011. (Coleção Técnica Interativa. Série Eletrônica, v. 6) CAPELLI, A. Automaçãoindustrial: controle do movimento e processos contínuos. São Paulo: Editora Erica, 2015. LAMB, F. Automação industrial: na prática. Porto Alegre, RS: McGraw-Hill, 2015. ZANCAN, M. D. Controladores programáveis. 3 ed. Santa Maria, RS: Universidade Federal de Santa Maria; Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 2011. JESUS JUNIOR, S. F.; SILVA, S. J. G. Evolução da automação industrial. Disponível em: <https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/ DCA447/trabalho1/trabalho 1_18.pdf>. Acesso em: 1 nov. 2017. 016
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