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Aula 01- Introdução a automação
AUTOMAÇÃO
_ A palavra Automation foi inventada pelo markenting da industria de equipamentos na década de 1960.
_ O neologismo, sem duvida sonoro, buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial.
_ Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da Redução de custos, assim, aperfeiçoando os complexos objetivos das industrias e dos serviços.
_ A automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes
de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquinas que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da analise dos problemas que porventura venham ocorrer.
_ A vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informatização e a possibilidade da expansão utilizando recursos de fácil acesso;
_ Nesse contexto, são de extraordinária importância os controladores lógicos programáveis (CLP), que tornam a automação industrial uma realidade onipresente.
_ Nos processos produtivos das industrias, sejam elas farmacêuticas, alimentícias, petroquímicas, etc., a automação consiste em controlar grandezas físicas, isto e, alterar intencionalmente os valores de tais grandezas como temperatura, pressão, vazão, nível,velocidade, densidade, pH, etc.
_ Para implantar e perpetuar as melhores praticas produtivas devemos:
◦ deixar que as máquinas façam aquilo que podem e que lhes cabe fazer: realizar tarefas repetitivas.
◦ deixar que o operador realize aquilo que e especialidade do ser humano: intervenções sob demanda, analise e tomada de decisão.
_ Com a finalidade de garantir o funcionamento das maquinas, visando controlar as grandezas físicas, foram inseridos sensores para monitorar e indicar as condições dos processos, pois os sensores indicam quando os atuadores devem ser acionados de forma a controlar um processo adequadamente.
PIRAMEDE DA AUTOMAÇÃO
_ Automatizar um sistema tornou-se mais viável a medida que a eletrônica avançou e passou a dispor de circuitos capazes de realizar funções lógicas e aritméticas com os sinais provenientes dos sensores e gerar os respectivos sinais de saída.
_ Com este avanço, o controlador, os sensores e atuadores passaram a funcionar em conjunto, transformando processo em um sistema automatizado, onde o próprio controlador toma decisões em função da situação dos sensores e aciona os atuadores.
_ Essa operação automática no contexto dos primeiros sistemas de automação operavam por meio de sistemas eletromecânicos, empregando reles e chaves contatoras.
_ Neste caso, os sinais acoplados as maquinas dos processos produtivos acionam circuito lógicos a reles que disparam as cargas e atuadores.
_ Com o avanço da eletrônica, as unidades de memória ganharam maior capacidade e com isso armazenam todas as informações necessárias para controlar diversas etapas do processo.
_ Essa evolução converge para os microcontroladores, dispositivos responsáveis por receber informações das entradas, associá-las as informações contidas na memória e a partir destas desenvolver uma lógica para acionar as saídas.
_ Toda essa evolução permitiu que hoje em dia a industria conte com sistemas compactos, com alta capacidade de controle, que permite acionar diversas saídas em função de vários sinais de entrada combinados logicamente.
_ Um outro fator importante e que desta evolução e que toda a lógica de acionamento pode ser desenvolvida através de software, que determina ao controlador a sequência de acionamento a ser desenvolvida.
Evolução dos sistemas de controle
_ As plantas industriais (plantas de processo produtivo), em sua maioria, necessitam de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável.
_ Uma planta pode ser tão simples como o acionamento de um ventilador para controlar uma temperatura, ou tão complexa como o controle das barras em um reator nuclear para gerar energia elétrica por fissão.
_ Componentes básicos da automação
◦ Sensores
◦ Atuadores
◦ Redes
◦ IHM (Interface Homem maquina)
◦ Controlador (CLP, PC, especifico)
◦ Supervisórios
_ 1 - Sensores/transdutores
_ Um sensor e um aparelho para detectar e sinalizar uma condição que se altera. Pode ser a presença ou ausência de um objeto. Pode ser uma quantidade mensurável como uma distancia.
_ Transdutor e um dispositivo que converte uma condição física do elemento sensor em um sinal elétrico para ser utilizado pelo CLP através da conexão as entradas do CLP.
2 – Atuadores
_ Sua função e converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, normalmente ligando ou desligando algum elemento.
_ Os atuadores são conectados as saídas do CLP.
_ Um exemplo típico e fazer o controle do acionamento de um motor através do CLP. Neste caso a saída do CLP vai ligar os desligar a bobina do contator que o comanda.
3 – Controladores
_ De acordo com os estados das suas entradas, o controlador utiliza um programa de controle para calcular os estados das suas saídas.
_ Os sinais elétricos das saídas são convertidos no processo através dos atuadores.
_ O operador pode interagir com o controlador por meio dos parâmetros de controle.
_ No contexto atual, e bastante comum encontrar plantas de produção com vários controladores que mostram o estado das variáveis em um display.
_ Alem disso, vários controladores podem estar interligados compartilhando informações sobre diferentes partes do processo através de uma rede local (LAN) e um computador supervisório central, o
qual gerencia os relatórios de produção, receitas e alarmes.
MALHA DE CONTROLE
_ O controle do processo e dito automático quando uma parte (ou a totalidade) do mesmo e realizada por um equipamento (que na maioria das vezes, e eletrônico).
_ Quando se fala em regulação (ou controle), deve-se necessariamente subentender uma medição (de uma variável qualquer do processo), isto e, a informação que o regulador recebe.
_ Recebida essa informação, o sistema regulador compara com um valor preestabelecido (SET POINT), verifica-se a diferença entre ambos, e age-se de maneira a diminuir ao máximo essa diferença.
_ Esta sequência de operações: medir a variável – comparar com valor pré determinado – atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point, denominados malha de controle.
_ Uma malha de controle pode ser ABERTA ou FECHADA
_ MALHA ABERTA: a informação sobre a variável controlada não e usada para ajustar qualquer entrada no sistema para compensar variações nas variáveis do processo.
_ Obs.: a informação da temperatura do liquido de saída, não afeta na regulação da entrada ou de vapor para o sistema.
_ MALHA FECHADA: a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, e usada para manipular uma ou mais variáveis do processo.
_ Obs.: a informação da temperatura do liquido de saída, vai acarretar uma regulação de uma variável do processo, no caso, da entrada de vapor.
_ Nos sistema de MALHA FECHADA, o controle de processo pode ser efetuado e compensado antes ou depois de afetar a variável controlada:
◦ Controle a Realimentação (feedback)
◦ Controle Antecipativo (feedforward)
◦ Controle a Realimentação (feedback): e a maneira tradicional de se controlar um processo e medir a variável a ser controlada, comparar seu valor com o set point e alimentar a diferença (erro) em um controlador que mudara a variável manipulada de modo a levar a variável controlada ao valor desejado.
◦ Controle Antecipativo (feedforward): se aplica a processos com grandes atrasos. Consiste em detectar o distúrbio assim que este ocorre no processo e realizar a alteração apropriada na variável manipulada, de modo a manter a saída igual ao valor desejado. A ação corretiva tem inicio assim que o distúrbio na entrada do sistema for detectado, em vez de aguardar que o mesmo se propague por todo o processo, como ocorre na realimentação.
SISTEMAS DINÂMICOS
_O desenvolvimento dos estudos de engenharia de automação requer o estabelecimento de alguns conceitos pertinentes a modelos matemáticos de sistema de processos industriais.
_ Os processos industriais são sistemas dinâmicos, concebidos e projetados para se manterem estáveis em determinadas condições de operação.
_ Em controle e automação focalizamos em sistemas dinâmicos (dinâmico e relativo a “forcas e energias produzindo movimento” – mecânica newtoniana) em um sentido especial.
_ Um sistema e um conjunto de elementos interconectados, de modo a formar um todo organizado. Todo sistema possui um objetivo geral a ser atingido e a integração entre seus componentes pode ocorrer por meio de fluxo de material ou de energia, p.ex.
_ Por analogia o termo dinâmico se estende a todos os fenômenos físicos, químicos e biológicos que sejam regidos por equações diferenciais – em que o TEMPO e a variável independente.
_ Estes sistemas são ditos “acionados pelo tempo” (time-driven). Dizemos que eles tem “memória” (a saída presente depende da anterior).
_ Mas existem outros tipos de sistemas dinâmicos (acionados por eventos), tão importantes quanto os primeiros (acionados pelo tempo), e que viabilizam as operações básicas e fundamentais de qualquer processo:
◦ liga e desliga bombas e motores;
◦ abre e fecha válvulas;
◦ seleciona modos de operação: manual ou automático, filas de serviços, sequências operacionais, entre outros.
_ A estrutura deste tipo de sistema impõe regras lógicas de operação, baseadas em causa e efeito para eventos, seus sinais são números naturais representando estados lógicos (booleanos: 0 ou 1; V ou F). São sistemas dinâmicos “acionados por eventos” (event driven”). Sistemas de filas.
_ Existem, então, duas grandes classes de sistemas dinâmicos:
_ Resumidamente, sistemas dinâmicos podem ser:
◦ Acionados pelo tempo (variáveis continuas de processos: vazão, pressão, temperatura, nível, outras - descritas por equações diferenciais)
◦ Acionados por eventos (variáveis booleanas: liga e desliga bombas e motores, abre e fecha válvulas, seleciona modos de operação, manual ou automático – descritos por álgebra de Boole, autômatos, redes de Petri).
Parte 1: Sistemas dinâmicos convencionais (acionados pelo tempo)
_ A observação dos sinais permite a classificação dos sistemas (a variável independente t pode ser continua ou discreta):
Parte 2: Sistemas dinâmicos a eventos discretos – SEDs (acionados por eventos)
São sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos:
_ 1. Os sinais assumem valores num conjunto enumerável como {Liga, Desliga, On, Off}, {Aberto, Fechado}, {Manual, Automático, Semi-automático}.
_ 2. As alterações de valor quando ocorrem, são tão rápidas que se podem modelar como instantâneas,
para qq t ε R.
3. Eventos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos internos de saída.
_ SEDs respondem a eventos internos e externos com sinais discretos também, de acordo com regras rígidas de causa e efeito (teoria matemática de conjuntos – são sistemas lógicos) ou com regras estatísticas (são sistemas estocásticos).
O que significa Controle de Processos (dinâmicos convencionais)?
Varias coisas, entre elas:
_ manter um processo em seu ponto operacional mais eficiente, previamente definido;
_ manter o processo operando no ponto desejado, com a menor variabilidade possível;
_ prevenir condições instáveis no processo que poderiam colocar em risco pessoas e/ou equipamentos;
_ prover interface amigável da operação e dos dados do processo aos operadores, engenheiros e técnicos.
De que depende o controle do processo?
De varias coisas, entre elas:
_ da instrumentação: instrumentos de medida (sensor de temperatura, vazão, pressão, nível, etc..) e atuadores (válvulas de controle, bombas com velocidade variável..);
_ do hardware de controle (arquitetura do sistema de controle e automação: CLP’s, redes, PC’s...);
_ dos softwares utilizados nos equipamentos de controle (programação dos CLP’s, sistemas supervisórios, bancos de dados, PIMS, MES, ...);
_ das técnicas de projeto de controladores, estratégias de controle.
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