Aula 01 A Engenharia de Automacao

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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
A Engenharia de Automação
Automação Semestre 01/2015
Engenharia de Controle e Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistemas Dinâmicos
 Classe dos Sistemas Dinâmicos:
 Tempo “time-driven” Descritos por equações diferenciais na variável tempo. Contínuos no 
tempo.
Ex.: fenômenos térmicos, químicos, ...
Sinais analógicos.
 Eventos “event-driven” Descritos por Álgebra de Boole, Álgebra Dióide, Autômatos finitos, redes 
de Petri e programas computacionais. Eventos discretos.
Ex.: sistemas on-off, sim-não,...
Sinais digitais.
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Sistemas dinâmicos convencionais - tempo
 Para classificar esses sistemas é necessário 
observar os seus sinais:
 Contínuo em amplitude e no tempo
 Contínuo em amplitude e discreto no tempo
 Discreto em amplitude e contínuo no tempo
 Discreto em amplitude e no tempo
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Sistemas dinâmicos – eventos discretos
 São sistemas cuja a evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou 
esporádicos.
 Os sinais são do tipo on-off, verde-vermelho, 1-2-3..., avança-recua,...
 As alterações dos valores são rápidas que podem ser consideradas como instantâneas
 Eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos 
internos e de saída
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O Controle
Figura 1.1– Controle de temperatura elementar.
Figura 1.2- diagrama de blocos do sistema térmico.
Nesse processo (aquário), temos a necessidade de controlar a 
temperatura, que é medida
através de um sensor (termômetro), que possibilita ao 
controlador, fazer uma comparação com
um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão 
de ligar ou desligar o atuador
(resistor elétrico), mantendo a temperatura dentro de um 
limite considerado aceitável.
As condições externas que podem influenciar na
temperatura da água, chamadas de distúrbios. A temperatura 
do ambiente externo influencia
diretamente no controle, determinando uma condição diferente 
de atuação no processo.
Este controle do aquário não possui precisão. Esse tipo de 
controle chamamos de Liga/Desliga, o atuador (resistor) 
permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente 
= desligado e máxima corrente =
ligado). É considerado então um controle descontínuo.
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O Controle
Figura 1.3– Controle realimentado automático.
Figura 1.4- Elementos básicos de um controle realimentado.
Nesse processo de aquecimento, temos a 
necessidade de controlar a temperatura, que é 
medida através de um sensor (termômetro) com 
sinal analógico, que possibilita ao controlador, fazer 
uma comparação com
um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a 
decisão de abrir ou fechar o atuador
(válvula proporcional), mantendo a temperatura 
dentro de um limite considerado aceitável.
As condições externas que podem influenciar na 
temperatura da água, chamadas de distúrbios. Este 
controle do aquário possui maior precisão. Esse tipo 
de controle chamamos de malha fechada, o atuador 
(resistor) trabalha em uma faixa de sinal 
analógico. É considerado então um controle 
contínuo.
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Automação
 Definição: Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a 
interferência do homem.
 Possui a vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informação e a possibilidade da expansão
utilizando recursos de fácil acesso ; neste contexto, são de extraordinária importância os controladores 
lógicos/automação programáveis (CLPs/CAPs – PLCs/PACs), que tornam a automação industrial uma realidade.
 CLPs: Controladores Lógicos Programáveis
 PLCs: Programmable Logic Controller
 CAPs: Controladores de Automação Programáveis
 PACs: Programmable Automation Controller
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Automação
CLPs ou PLCs
-Linguagens: 1 ou 2 (LD e/ou ST).
-Pode ter programação de lógica on-line mas não cria endereços de 
memória on-line.
-Disciplinas de controle: Intertravamento.
-Não tem RIUP (Remove Insert Under Power).
-Alguns PLCs de grande porte gerenciam I/Os em redes.
-A CPU nos PLCs modulares deve ser sempre no slot 0.
-Programa baseado em endereços de memória pré-definidos pelo 
fabricante. 
Exemplo: PLC5, SLC500 e MicroLogix: B3:0/0 N7:0 ... 
-No software de programação da maioria dos PLCs não é possível a 
criação de blocos de controle (Add-Ons) e nem estrutura de variáveis 
(Tanques, Motores, ...) e nem criação de estrutura de vetores e matrizes. 
-Nos PLCs a instrução de PID é para controle básico.
-A maioria dos PLCs utilizam a unidade de medida de memória em words. 
Exemplo: CPU 5/05 com 64kw.
CAPs ou PACs
-Linguagens: mínimo 4: LD, SFC, FB e ST.
-Programação de lógica e banco de dados on-line.
-Disciplinas de controle: Safety, Intertravamento, CNC, Batch, 
Gestão e Controle de Drives e Motion e DCS (controle de processo).
-Tem opção de RIUP conforme o modelo do PAC.
-Todos os PACs gerenciam I/Os remotos em redes.
-A CPU nos PACs modulares podem ser instalado em qualquer slot 
do rack ou chassi.
-Programa baseado em tags, ou seja, o usuário nomeia as variáveis.
Exemplo: Aux_Auto, Temp_caixa, ...
-No software de programação de todos os PACs é possível a criação 
de blocos de controle (Add-Ons) e estrutura de variáveis (Tanques, 
Motores, ...) e criação de estrutura de vetores e matrizes. 
-Nos PACs a instrução de PID é para controle avançado (PIDE)
-Todos os PACs utilizam a unidade de medida de memória em bytes. 
Exemplo: CPU do CMX L32E 750kbytes. (Controlador da bancada 1 
do LAB)
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Automação
CLPs ou PLCs – continuação:
-Os PLCs tem scan de processamento básico como: leitura do estado 
das entradas, executa o programa, escrita nas saídas e executa 
comunicação.
-Nos PLCs somente pode existir uma CPU no rack ou chassi.
CAPs ou PACs – continuação:
-Os PACs tem scan de processamento conforme a prioridade e 
tempo de execução das rotinas contínuas, rotinas periódicas, 
rotinas por evento, prioridade de leitura e escrita das entradas e 
saídas. (pipeline).
-Nos PACs podem existir mais de uma CPU no rack ou chassi.
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Automação
 Além da redução de custos de instalação, PLCs ou PACs proporcionam valor acrescentado muitos 
benefícios:
 Confiabilidade. Uma vez que um programa foi escrito e depurado, este pode ser facilmente 
transferido e descarregado (download) para outros Controladores. Isso reduz o tempo de 
programação, minimiza a depuração e aumenta a confiabilidade. Com toda a lógica existente 
na memória do Controlador, não há nenhuma chance de ocorrer um erro de fiação lógica. A 
fiação é necessária apenas para a alimentação e as entradas e saídas.
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Automação
 Flexibilidade. Alterações do programa podem ser feitas com poucas intervenções do 
programador. OEMs (fabricantes originais de equipamentos) podem facilmente implementar 
atualizações do sistema através do envio de um novo programa em vez de uma pessoa de 
serviço. Os usuários finais podem modificar o programa no campo, ou, inversamente, os OEMs
podem impedir que os clientes finais possam alterar o programa (um recurso de segurança 
importante).
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Automação
 Funções avançadas. Controladores podem executar uma grande variedade de disciplinas de 
controle, desde uma disciplina de controle simples como uma ação repetitiva de manipulação 
até a manipulação de dados complexos.
A padronização dos Controladores abrem muitas 
portas para “designers”, e também simplifica o trabalho para a equipe de manutenção do 
sistema.
 Comunicações. Comunicando-se com interfaces de operação, outros Controladores ou a 
facilidade na coleta de dados pelos computadores e a troca de informações.
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Automação
 Velocidade. Por causa de alguns processadores de máquinas automatizadas que processam 
milhares de dados - e objetos que passam por uma fração de segundo na frente de um sensor 
– são aplicações de automação que requerem muitas vezes que o Controlador tenha a 
capacidade de ter uma resposta rápida.
 Diagnóstico. A capacidade de resolução de problemas de dispositivos de programação e os 
internos ao processador possibilita obter um diagnóstico no Controlador e permite que os 
usuários possam facilmente encontrar e corrigir problemas de software e hardware.
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Automação
Wastewater treatment facility
Packaging
Não importa qual seja a aplicação, o uso de 
Controladores ajuda a aumentar a competitividade. 
Processos utilizando Controladores incluem: 
acondicionamento, envasamento e 
embalagem, manuseio de materiais, 
usinagem, geração de energia, 
climatização / construção de sistemas de 
controle, sistemas de segurança, 
montagem automatizada, 
linhas de pintura e tratamento de água. 
Controladores são aplicados em uma grande variedade 
de indústrias, incluindo alimentos e bebidas, 
automotivo, químico, plásticos, papel e 
celulose, produtos farmacêuticos e metais. 
Virtualmente qualquer aplicação que requer 
controle elétrico pode-se usar um Controlador.
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Automação
 Principais objetivos da Automação:
 Reduzir custos de produção
 Maior nível de qualidade
 Controle por especificações numéricas de tolerância
 Maior flexibilidade de modelos de manufatura para o mercado
 Maior segurança coletiva para os operários
 Menores perdas materiais e de energia
 Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo
 Melhor planejamento e controle da produção
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Arquitetura da Automação Industrial
 A pirâmide da Automação Industrial:
 A automação industrial exige a realização de muitas funções. A pirâmide a seguir mostra 
diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.
 Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via 
inversores de frequência, conversores de frequência ou sistemas de partida suave sobre 
máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide , a característica 
marcante é a informação ligada ao setor corporativo da empresa com sistemas de gestão 
“Business Intelligence”.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Nível 5: Administração dos recursos da empresa. 
Softwares para gestão de vendas e financeira. 
Decisão e gerenciamento de todo o sistema.
 Nível 4: Nível da programação e planejamento da 
produção, realizando o controle e a logística dos 
suprimentos.
 Nível 3: Controle do processo produtivo da planta. 
Constituído por banco de dados, com informação 
sobre índices de qualidade da produção, relatórios e 
estatísticas de processo, índices de produtividade, 
algoritmos de otimização da operação produtiva.
 Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e 
de algum tipo de supervisão associada ao processo. 
Aqui se encontram concentradores de informações 
sobre o Nível 1, e as Interfaces Homem-Máquina 
(IHM)
 Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e 
componentes (chão-de-fábrica).
ISA-S95
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Arquitetura da Automação Industrial
 Controladores para Automação.
 De início o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC) é um dispositivo digital que 
controla máquinas e processos. Utiliza uma memória programável para armazenar instruções 
e executar funções específicas: energização/desenergização, temporização, contagem, 
seqüenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Controladores para Automação.
 O desenvolvimento dos CLPs começou em 1968 em resposta a uma necessidade 
constatada pela General Motors.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Controladores para Automação.
 Origem: (1968/69)
Naquela época, a GM consumia dias ou semanas para se alterar um sistema de controle 
baseado em relés, isto ocorria sempre que se mudava um modelo de carro ou se 
introduziam modificações na linha de montagem. Para reduzir este alto custo, a GM 
especificou um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, que 
pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos nas fábricas. Também era 
preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade 
e temperatura encontrados num ambiente industrial
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Arquitetura da Automação Industrial
 Sistemas de Controle tradicionais com 
relés e contatoras.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Controladores para Automação.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Controladores para Automação.
 Os Controladores (Controladores Industriais) se caracterizam por:
 Robustez adequada aos ambientes industriais;
 Programação por meio de computadores pessoais;
 Linguagens amigáveis para o projetista de automação de eventos discretos;
 Permitir tanto o controle lógico quanto o controle dinâmico (P+I+D);
 Incluir modelos capazes de conexões em grandes redes de dados.
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Arquitetura da Automação Industrial
 Níveis de Complexidade da Automação:
 Pequena – até 200 I/Os, pequenas redes de dados (10 nós), uma IHM com tela até 6” M. ou C., 
um PC para supervisão para até 15 telas;
 Média – até 1000 I/Os, médias redes de dados (60 nós), uma IHM com tela até 10” M. ou C., um 
PC para supervisão para até 25 telas;
 Grande – mais de 1000 I/Os, mais de uma rede de dados do mesmo protocolo ou de diferentes 
protocolos, uma ou mais IHM com tela até 15” M. ou C., um ou mais PCs para supervisão com 
mais de 25 telas com arquitetura servidor/cliente podendo ter redundância de servidores;
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Arquitetura da Automação Industrial
Integration Continuum
Aplicações pequenas Aplicações Compactas Grandes aplicações
Baixa Alta
Conectividade Simples
Mecanica ligada a máquina
Máquinas stand alone
Baixo custo
Apenas controle
Eixos com servo drives
Grande capacidade de controle
Controle elétrico e mecânico
Baixos custos de engenharia
Eixos coordenados
Alimentadores de robos
Conectividade avançaca
Capacidade de trocar informação 
com outros sistemas
Arquitetura de Componentes Arquitetura Integrada
Uso atual dos CLPs ou PLCs Uso atual dos CAPs ou PACs
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Perguntas?