Aula 1 Comunicação Eletrônica

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<p>Redes Industriais e Sistemas Supervisórios</p><p>Aula 1: Conceituação geral da rede de automação industrial</p><p>Apresentação</p><p>As redes de automação industrial ou redes industriais surgiram como uma forma de integrar os processos e sistemas</p><p>de uma indústria a �m de tornar os processos produtivos mais e�cientes.</p><p>Essas redes surgiram à medida que dispositivos de controle e monitoramento foram sendo desenvolvidos. Era</p><p>necessário integrar tais dispositivos para que suas informações pudessem ser utilizadas de maneira interligada,</p><p>permitindo, por exemplo, que parâmetros de sensores norteassem a ação de atuadores.</p><p>O desenvolvimento das redes industriais passou por uma série de etapas, desde a época em que os sistemas eram</p><p>predominantemente centralizados até a criação dos sistemas distribuídos. Essa evolução tornou ainda mais necessário</p><p>o conhecimento de suas vantagens e parâmetros durante o processo de implantação de uma rede industrial.</p><p>Objetivos</p><p>Apontar as vantagens das redes de campo.</p><p>Comparar os sistemas centralizados e distribuídos, e sistemas proprietários e abertos;</p><p>Comparar os sistemas centralizados e distribuídos, e sistemas proprietários e abertos;</p><p>Palavras iniciais</p><p>As redes de controle industrial são o resultado da evolução e da</p><p>so�sticação de um processo observado desde antes da criação da</p><p>eletrônica: a produção industrial.</p><p>Ao longo dos séculos, grandes inovações tecnológicas permitiram o desenvolvimento das indústrias e consequentemente do</p><p>processo produtivo:</p><p>Século XVIII</p><p>No século XVIII, foram desenvolvidos grandes sistemas mecânicos, que ajudaram a alavancar a revolução industrial;</p><p>Século XIX</p><p>O século XIX foi considerado a era das máquinas a vapor, tecnologia que foi de extrema importância para o aumento</p><p>da capacidade produtiva das indústrias;</p><p>Século XX</p><p>Já no século XX, as principais conquistas tecnológicas estiveram relacionadas à capacidade de aquisição,</p><p>transmissão e processamento de informações.</p><p>1940</p><p>Até a década de 1940, as plantas industriais eram operadas de maneira manual com o uso de um grande número de</p><p>trabalhadores. Eles faziam uso de alguns poucos instrumentos mecânicos elementares, a partir dos quais realizavam</p><p>controle local de toda a planta industrial.</p><p>1960</p><p>Apenas na década de 1960 começou a ser empregado o termo automação, neologismo criado por setores de</p><p>marketing das indústrias com o objetivo de enfatizar a participação de computadores no controle automático</p><p>industrial.</p><p>A palavra automação descreve um conceito amplo, envolvendo um conjunto de técnicas de controle a partir das quais é</p><p>criado um sistema capaz de fornecer a resposta ou ação adequada, em função das informações que ele recebe do processo</p><p>em que está atuando. Assim surgem as redes industriais.</p><p>Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online</p><p>As redes de automação industrial ou redes industriais surgiram como uma</p><p>forma de integrar os processos e sistemas de uma indústria, tornando os</p><p>processos produtivos mais e�cientes. Um sistema industrial pode ser</p><p>centralizado ou distribuído. Quando centralizado, ele depende de uma</p><p>central de comando ou de um computador central para gerenciar e</p><p>comandar todos os processos.</p><p>Esses sistemas centralizados representam um custo mais elevado para a implantação da rede, devido ao maior gasto com</p><p>estruturas como cabeamento. Além disso, o processo de expansão de um sistema centralizado é altamente complexo,</p><p>principalmente quando comparado ao processo de expansão de um sistema distribuído. Dessa forma, os sistemas</p><p>distribuídos possuem consideráveis vantagens:</p><p>01 Ausência da dependência de uma central de comando;</p><p>02 Facilidade de instalação, operação, manutenção e ampliação;</p><p>03 Possibilidade do uso de ferramentas de diagnóstico distribuídas pela rede;</p><p>04 Redução do custo de instalação;</p><p>05 Possibilidade da interligação de equipamentos de diferentes fabricantes.</p><p>Assim, as redes industriais utilizadas são essencialmente sistemas distribuídos, ou seja, diversos elementos trabalham de</p><p>forma simultânea a �m de supervisionar e controlar um determinado processo. Esses elementos (sensores, atuadores, CLPs,</p><p>CNCs, PCs etc.) necessitam estar interligados para que possam trocar informações de forma rápida e precisa.</p><p>Inicialmente os sistemas existentes eram baseados em controladores de malha única de realimentação (Single-Loop</p><p>Controllers – SLC). Já nos anos 1960 surgiram os sistemas de controle digital direto (Direct Digital Controller – DDC). Desde</p><p>essa época, o desenvolvimento do controle industrial é altamente in�uenciado e dependente do avanço na tecnologia dos</p><p>microprocessadores e microcontroladores, os quais possibilitam que os sistemas se tornem cada vez mais distribuídos.</p><p>As redes distribuídas existem desde antes da revolução da eletrônica digital, que proporcionou o surgimento do DDC. A</p><p>principal diferença é que não tinham um funcionamento integrado – muito pelo contrário, funcionavam de forma</p><p>desorganizada, através de um conjunto de malhas de controle independentes.</p><p>Inicialmente o uso do computador no controle de processos foi obrigatoriamente centralizado, devido ao elevado custo</p><p>desses equipamentos na época em que começaram a ser utilizados. O controlador era �xado próximo à unidade que ele</p><p>controlava, e assim o operador, estando em um ponto de controle, não tinha informações do que ocorria no resto da planta</p><p>industrial.</p><p>Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online</p><p> Shutterstock Por Jenson</p><p>Um marco importante para o desenvolvimento das redes industriais foi o desenvolvimento dos transistores: a partir deles</p><p>passou a ser possível levar os sinais da variável de processo até́ uma sala de controle central onde os controladores</p><p>realizavam as devidas correções e os sinais retornavam ao campo para atuar nos elementos �nais de controle.</p><p>Inicialmente em uma fábrica não existia somente uma central de controle, mas sim várias. Cada central de controle</p><p>concentrava informações sobre determinada área da planta industrial. Podemos perceber que não existia uma integração de</p><p>todas as informações das variáveis da planta industrial. Assim, um operador, estando em um ponto de controle, não tinha</p><p>informações do que estava ocorrendo no resto da planta. Atualmente o uso dos DDCs é praticamente nulo.</p><p> Transitores – Shutterstock - Por pockethifi</p><p>Sistemas de controle distribuído</p><p>Na década de 1990, surgiram os sistemas digitais de controle distribuído (SDCD). O SDCD tem como principal função o</p><p>controle de processos de forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos</p><p>de produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações e segurança operacional.</p><p>Atenção</p><p>Esses sistemas possuem processadores e redes redundantes, permitindo uma descentralização do processamento de dados e</p><p>decisões, através do uso de unidades remotas na planta. Outro diferencial desse sistema é a possibilidade de oferecer uma</p><p>interface homem-máquina (IHM), que possibilita o interfaceamento com controladores lógicos programáveis (CLP),</p><p>controladores PID, equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede.</p><p>Nos SDCD puderam ser usados DDCs com tecnologias mais avançadas, implementando um grande número de malhas de</p><p>controle em um único computador, o que centralizou um conjunto de informações e funções de controle. Esses DDCs são</p><p>conectados via um barramento de comunicação de dados que inclui ainda um sistema supervisório.</p><p>Apesar de ter sua denominação como redes industriais, esse tipo de sistema é utilizado em diversas áreas que necessitam de</p><p>algum tipo de automação:</p><p>01 Usinas de geração elétrica e redes de abastecimento elétrico;</p><p>02 Sistemas de controle de meio ambiente;</p><p>03 Semáforos;</p><p>04 Sistemas de automação residencial;</p><p>05 Sistemas de tratamento de água;</p><p>06 Re�narias de petróleo;</p><p>07 Usinas químicas;</p><p>08 Indústria farmacêutica;</p><p>09 Redes de sensores de monitoramento meteorológico;</p><p>10 Indústria de metalurgia.</p><p>À medida que surgiram os sistemas de redes de automação</p><p>industrial,</p><p>diversos protocolos foram desenvolvidos. Entretanto, alguns deles tinham</p><p>seu uso restrito por serem proprietários, ou seja, por pertencerem a uma</p><p>determinada empresa. Já outros, por serem abertos, possibilitavam sua</p><p>utilização de maneira livre.</p><p>Além disso, protocolos como o MODBUS eram inicialmente proprietários, porém tiveram seu uso liberado, tornando-se</p><p>protocolos abertos. Essas redes de campo passaram também a ser divididas em cinco níveis:</p><p>Clique nos botões para ver as informações.</p><p>estão presentes a maior parte dos dispositivos de campo como atuadores e sensores;</p><p>Primeiro nível </p><p>caracterizado como um nível de controle. Nele estão presentes equipamentos que realizam o controle automatizado da</p><p>planta, como, por exemplo, controladores lógicos programáveis e relés;</p><p>Segundo nível </p><p>destinado principalmente aos processos de supervisão e otimização da planta;</p><p>Terceiro nível </p><p>destinado ao gerenciamento e planejamento de toda a planta;</p><p>Quarto nível </p><p>responsável pelo gerenciamento de toda a empresa. Aqui são realizados os processos de gestão �nanceira,</p><p>planejamento de produção e administração de recursos. As decisões tomadas neste nível necessitam de dados obtidos</p><p>a partir dos outros níveis</p><p>Quinto nível </p><p>Para que essas redes de automação industrial sejam planejadas e instaladas, devem-se levar em conta algumas variáveis.</p><p>Assim, para garantir que uma rede de comunicação e controle atenda às necessidades da planta industrial, devem ser</p><p>consideradas as seguintes variáveis:</p><p>Taxa de transmissão;</p><p>Topologia física da rede;</p><p>Meio de transmissão (guiado ou não);</p><p>Tecnologia de comunicação;</p><p>Algoritmo de acesso ao barramento</p><p>Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online</p><p>Além disso, é necessário atentar aos fatores que viabilizam a instalação da</p><p>rede, como:</p><p>Compatibilidade da rede com a planta;</p><p>Custo de instalação do projeto;</p><p>Facilidade de instalação, con�guração e expansão do sistema;</p><p>Manutenção;</p><p>Quantidade de dispositivos;</p><p>Disponibilidade de produtos e segurança.</p><p>Atividades</p><p>1. A partir do século XX, as principais conquistas tecnológicas estavam relacionadas principalmente a que fatores?</p><p>a) Ao aumento progressivo das jornadas de trabalho, visto que foi verificado que os funcionários poderiam ser produtivos por uma</p><p>quantidade maior de horas por dia.</p><p>b) À capacidade produtiva bruta proveniente de máquinas cada vez maiores e com maior volume de produção.</p><p>c) À capacidade de coleta, transmissão e processamento de informações.</p><p>d) À busca de novos locais de instalação para indústrias, visto que as grandes cidades começaram a proibir grandes construções.</p><p>e) Ao desenvolvimento de sistemas a vapor mais modernos e precisos para aprimorar a qualidade dos produtos.</p><p>2. Qual é o principal motivo de haver um único computador central no início da aplicação de computadores nas plantas</p><p>industriais?</p><p>a) A velocidade de processamento.</p><p>b) O tamanho dos computadores.</p><p>c) O custo elevado desse equipamento.</p><p>d) A dificuldade de importação.</p><p>e) A dificuldade de contratar mão de obra especializada.</p><p>3. A partir dos conhecimentos sobre redes industriais obtidos até esta etapa da aula, indique a alternativa que identi�ca de</p><p>maneira correta quais a�rmativas estão corretas e quais são falsas.</p><p>( ) Em uma planta industrial, existia sempre apenas uma central de controle.</p><p>( ) Em uma planta industrial com mais de uma central de controle, os sistemas sempre são distribuídos e as centrais</p><p>interligadas.</p><p>( ) As plantas industriais utilizavam sistemas centralizados para minimizar os gastos com cabeamento.</p><p>( ) O desenvolvimento dos microcontroladores tornou os sistemas cada vez mais distribuídos.</p><p>( ) A redução dos custos de instalação é uma das vantagens do uso de sistemas distribuídos.</p><p>( ) O procedimento de expansão de um sistema centralizado é altamente complexo.</p><p>a) F – F – V – V – V – V</p><p>b) V – F – V – F – F – F</p><p>c) F – F – F – V – V – V</p><p>d) F – F – F – F – V – V</p><p>e) V – V – V – V – F – F</p><p>4. Como vimos até o momento as redes de automação não são aplicadas apenas na indústria. Marque a opção que NÃO</p><p>corresponde a uma área de utilização dessas redes de automação:</p><p>a) Usinas químicas</p><p>b) Artes plásticas</p><p>c) Automação residencial</p><p>d) Refinarias de petróleo</p><p>e) Usinas eólicas</p><p>5. À medida que os sistemas de redes de automação industrial evoluíram e se desenvolveram, sua estruturação se tornou mais</p><p>complexa. Assim, essas redes passaram a ser divididas em cinco níveis. Como podemos caracterizar o segundo nível?</p><p>a) Pode ser caracterizado como o nível de sensores e atuadores.</p><p>b) Pode ser caracterizado como o nível de mais alta supervisão, gerenciando a empresa como um todo.</p><p>c) Pode ser caracterizado como um nível de supervisão.</p><p>d) Pode ser caracterizado como um nível de controle.</p><p>e) Pode ser caracterizado como um nível de planejamento.</p><p>6. Para que as redes de automação industrial sejam planejadas e instaladas, algumas variáveis devem ser levadas em</p><p>consideração. Marque a alternativa que não corresponde a uma dessas variáveis:</p><p>a) Topologia física de rede.</p><p>b) Meio de transmissão.</p><p>c) Taxa de transmissão.</p><p>d) Algoritmo de acesso ao barramento.</p><p>e) Localização do estabelecimento.</p><p>7. Os sistemas digitais de controle distribuído têm como principal função o controle de processos de forma a permitir uma</p><p>otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de produção, melhoria na qualidade dos produtos,</p><p>precisão das operações e segurança operacional. Quando surgiram os sistemas digitais de controle distribuído?</p><p>a) Década de 1940</p><p>b) Década de 1990</p><p>c) Década de 1980</p><p>d) Década de 1950</p><p>e) Década de 1970</p><p>8. A implantação das redes industriais possui diversos benefícios para as empresas, trazendo inclusive modi�cações em sua</p><p>concepção. Qual das alternativas não corresponde a um benefício dessa utilização:</p><p>a) Redução de custos de produção.</p><p>b) Melhor aproveitamento de matéria-prima.</p><p>c) Aumento do risco para os trabalhadores.</p><p>d) Melhoria na qualidade dos produtos.</p><p>e) Aumento da segurança nas indústrias.</p><p>9. O uso de redes em indústrias mostra a importância das interconexões no mundo atual. Isso evidencia a necessidade cada</p><p>vez maior de comunicação entre pessoas e até mesmo dispositivos. Nesta era, qual é o principal patrimônio que se tem?</p><p>a) Os dispositivos de comunicação.</p><p>b) Os padrões.</p><p>c) A informação.</p><p>d) Os meios de transmissão.</p><p>e) A tecnologia de transmissão.</p><p>Notas</p><p>Referências</p><p>BERGE, J. Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance. Research Triangle Park, NC: ISA, 2002.</p><p>CHEN, D.; MOK, A. K. Developing New Generation of Process Control Systems. In: IEEE Real-Time Embedded System</p><p>Workshop. San Diego, 2001.</p><p>COGHI, M. A. Critérios para seleção de redes para automação industrial. In: Revista Mecatrônica Atual, n. 11, set. 2003. São</p><p>Paulo.</p><p>MORAES, C. C. de; CASTRUCCI, P. L. Engenharia de Automação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.</p><p>REYNDERS, D.; MACKAY, S.; WRIGHT, E. Practical Industrial Data Communications. Best Practice Techniques. Newnes:</p><p>Elsevier, 2005.</p><p>Próxima aula</p><p>Sincronismo e enquadramento em uma transmissão</p><p>Meios de comunicação</p><p>Topologias de rede</p><p>Explore mais</p><p>texto com bold</p><p>texto com italico</p><p>texto com Link.</p><p>javascript:void(0);</p>