Arquiteturas de sistemas de automação Industrial

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Introdução:
Os sistemas automatizados atuais se tornam mais complexos a cada dia. A razão desta complexidade pode ser entendida por sua natureza multidisciplinar conduzindo a necessidades diferenciadas de tratamento metodológico e estruturado para concepção, análise, e posterior implementação de soluções. A integração de um sistema resultará em sua configuração física e desempenho funcional podendo ser melhor viabilizada através da elaboração de arquiteturas de automação.
A automação extrapola os limites de chão de fábrica, abrangendo o produto acabado e atingindo fronteiras ainda mais amplas tais como a automação do negócio. A solução completa deve utilizar uma metodologia transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir as metas estabelecidas. Projetistas e desenvolvedores devem estar atentos na escolha e definição de um sistema de automação e controle, de modo que o projeto leve em consideração vários critérios e que possa estar em sincronia com o avanço tecnológico.
Conceituação de arquitetura de automação
Arquitetura de automação pode ser definida como uma representação da estrutura de um sistema em variados níveis de detalhamento utilizada para a concepção de modelos, configuração do arranjo físico, de instalação e suas interfaces, especificação de equipamentos e sistemas, seleção da tecnologia de controle, projeto de comandos e realização de funções de automação, comunicação e gerenciamento.
O desenvolvimento de projetos baseado em arquiteturas de automação assume enorme importância em aplicações de engenharia devido às demandas e características particulares de cada indústria. O conceito de arquitetura aplicado ao desenvolvimento fornece grande flexibilidade e agilidade desde a concepção até a implantação e manutenção do sistema, seja em novas aplicações ou adaptações de existentes.
Na área de automação industrial, a atual tendência em aplicações conduz o projeto de sistemas com estrutura de controle e comando distribuída e requer em seu desenvolvimento a especificação de uma arquitetura como elemento de planejamento, modelagem e validação. A arquitetura orienta a transição entre o projeto e a construção de sistemas permitindo a realização simultânea de múltiplas tarefas interdependentes simplificando os sistemas em estruturas de blocos.
A arquitetura de um sistema de manufatura é o resultado do projeto do sistema onde são especificadas as funções dos componentes, suas interfaces, interações e restrições. Tem como função descrever de forma resumida toda a complexidade dinâmica de um sistema através de modelos simples. 
Projeto de arquiteturas de automação
A concepção da arquitetura de automação é o primeiro passo na elaboração de uma solução em qualquer sistema organizando seus elementos vitais como aquisição de dados, CLP’s, instrumentos, sistema de supervisão, etc em torno de redes de comunicação apropriadas. O sucesso de um sistema está diretamente associado ao projeto da arquitetura em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade, expansibilidade etc. [4]
Após elaboração e análise do layout conceitual do sistema, é necessário determinar seu layout físico incluindo o arranjo ou disposição espacial dos componentes e instalações. Nesta etapa surgem questões de interface e integração onde se iniciam as considerações a respeito da arquitetura de automação e seleção do método de controle. Consequentemente, as necessidades do layout físico, do processo e do produto definem a arquitetura de automação e a tecnologia de controle.
O projeto de sistemas com conceito de arquitetura modular e layout reconfigurável adquire grande importância tendo por objetivo a necessidade de satisfazer aos critérios de flexibilidade. Os aspectos de planejamento da automação e de projeto dos sistemas de apoio ao processo são tão importantes quanto a tecnologia a ser utilizada na manufatura. As vantagens neste conceito de desenvolvimento da automação são favorecer a integração dos componentes de diferentes fabricantes presentes no layout aos sistemas de automação incluindo hardware e troca de dados via software. Esses tipos de características incluem:
projeto modular dos componentes do sistema;
arquitetura aberta nos controles.
A seleção da tecnologia de controle e sua estratégia de implementação é determinante na configuração da arquitetura de automação que permite uma análise comparativa proporcionando a escolha da opção ideal para uma dada aplicação em determinado contexto, mas considerando questões estratégicas, funcionais, de desempenho, de escalabilidade, conectividade, interoperabilidade entre outras importantes características.
A figura 1 apresenta um layout conceitual de um sistema de manufatura robotizado com uma possível arquitetura de automação.
Figura 1
A figura 2 mostra um diagrama contendo os módulos de um sistema de manufatura conforme Groover
Figura 2
Segundo Paragon o desenvolvimento de projetos de engenharia baseado em arquiteturas de automação proporciona inúmeras vantagens, sendo elas técnicas, econômicas, funcionais e metodológicas.
As soluções baseadas em conceitos modulares e orientados a reconfiguração, poderão conduzir a sistemas mais inteligentes, eficientes, econômicos e confiáveis por agregarem o conhecimento acumulado em processos anteriores reproduzindo as melhores soluções e criando oportunidades para incorporar importantes inovações.
A seguir estão relacionados os inúmeros benefícios
desenvolvimento e implementação de tarefas que podem ser divididas entre diferentes frentes de trabalho permitindo que cada um aplique suas melhores especialidades;
fácil identificação das soluções utilizadas indicando e justificando quando e como cada estágio do desenvolvimento recebeu implementações de engenharia;
fornece uma abstração simplificada do sistema auxiliando o projetista a definir as interfaces e interações entre os diversos componentes;
quando é necessária uma alteração no processo, reduz-se o impacto das mudanças pela possibilidade de focalizar apenas as áreas que necessitam de maiores mudanças;
a arquitetura indica os componentes vitais para o sistema, os quais não deverão ser alterados quando da adaptação deste sistema para novos usos, caso em que se estaria aplicando uma arquitetura diferente;
a arquitetura é um meio de comunicação importante durante o processo de projetar ou reprojetar o sistema fornecendo base para discussões entre as partes envolvidas;
fornece terminologia unificada, sem ambiguidades e conhecida por todos os envolvidos;
fornece simplicidade no projeto do sistema permitindo um desenvolvimento fácil e rápido;
maior qualidade no desenvolvimento dos sistemas por se basearem em conceitos confiáveis, já comprovados pela arquitetura;
interfaceamento e a possibilidade de reaproveitamento de módulos da arquitetura em diferentes projetos ou gerações de sistemas.
Arquitetura aberta de integração
A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes e setores industriais tais como as indústrias de processo e manufatura. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de tecnologias padronizadas, ditas abertas, são componentes indispensáveis no conceito de automação de hoje. [1]
Uma arquitetura aberta para um sistema de automação fornece uma plataforma com ampla capacidade de conectividade com as mais diversas tecnologias criando um ambiente flexível e escalonável. O ambiente integrado facilita a engenharia, comissionamento, manutenção e gestão de redes de campo. Sua interface permite a fácil operação e diagnóstico de todo o sistema. Sistemas de automação baseados em tecnologia fieldbus proporcionam uma arquitetura de integração transparente, hierarquicamenteorganizada e estruturada conectando as áreas industriais de engenharia, suprimentos, produção, etc.
Uma arquitetura aberta simplifica a engenharia através da criação de um ambiente voltado para a convergência entre as tecnologias de automação e informação facilitando os processos e aumentando a eficiência através da redução do tempo de elaboração, alteração e execução de projetos. O conjunto de aplicativos de software e assistentes de configuração desenvolvidos em torno de tecnologias abertas proporcionam liberdade ao usuário para conectar-se com equipamentos e softwares de diversos fabricantes.
A integração entre protocolos permite a capacidade de interconectividade entre vários controladores tornando a arquitetura simples, robusta e fácil de ser expandida reduzindo a necessidade de subsistemas de I/Os. A capacidade de expansão por meio da modularidade permite o crescimento gradual do sistema e a transição da tecnologia convencional para a digital.
Este conceito de arquitetura pode ainda incorporar a capacidade de simulação permitindo testar os intertravamentos e estratégias de controle subsidiando a criação das lógicas de controle. A tecnologia fieldbus proporciona uma arquitetura enxuta, com menos hardware e menas fiação simplificando o projeto dos painéis e esquemas de ligação. Os sistemas baseados em software permitem a configuração off-line e a criação de templates (modelos pré-definidos) reutilizáveis facilitando a geração de novos sistemas. A tecnologia digital adiciona maior confiabilidade e segurança ao sistema através das funções de diagnóstico.
Cada aplicação industrial possui condições e características específicas onde os padrões de processo e natureza das operações requerem características especiais do sistema de controle conduzindo a determinadas configurações. Protocolos digitais são tecnologias inovadoras que permitem a atualização do sistema de modo que o usuário não fique preso a uma determinada tecnologia comprometendo seu investimento.
Cada protocolo possui um nicho de mercado com características e funcionalidades diferentes, uma arquitetura aberta multiprotocolo através do uso de conversores de sinais torna possível integrar diversos controladores e sistemas de produção de forma harmoniosa, robusta e efetiva garantindo uma configuração adequada do sistema para cada aplicação. [5]
A Figura 3 apresenta uma arquitetura aberta de automação
Figura 3
Propriedades para uma arquitetura aberta de automação
A figura 3 apresenta uma arquitetura aberta de automação multiprotocolo onde é possível a conectividade e interoperabilidade entre diversos fabricantes de automação mediante o uso dos conversores de sinais. Abaixo destacamos as principais características deste conceito de arquitetura de automação:
integração industrial: a arquitetura de automação em seu nível mais elevado permite a conexão com diferentes áreas dentro da empresa tais como ERP, PLM e MES;
escalabilidade: é necessária para atender as mudanças nas condições de mercado e processo, é a capacidade de expandir ou reconfigurar o sistema sem maiores investimentos;
comunicação digital: a comunicação digital facilita a coleta e aquisição de dados mantendo a integridade de informações devido a maior imunidade;
conectividade: via barramentos e protocolos abertos, a conectividade é possível com a utilização de protocolos padronizados e não-proprietários;
interoperabilidade: pode ser garantida através de normas aceitas e reconhecidas. Uma alternativa frente aos altos custos de manutenção, atualização e expansão de sistemas é a possíbilidade de composição e escolha entre dispositivos de vários fornecedores pelo uso de padrões abertos. A compatibilidade é garantida pela estabilidade de padrões internacionais;
confiabilidade: através da construção de um sistema otimizado com reduzido número de componentes proporcionando maior confiabilidade;
manutenção mais simples: possibilidade de composição com diversos fornecedores;
redução do erro de medição: com a eliminação da conversão A/D do sinal vindo do transmissor de campo;
redução de materiais: eletrocalhas, eletrodutos, condulets, caixas de junção, cabos, painéis, borneiras, fontes de alimentação, conversores e etc;
reduções de tempo: no comissionamento e partida de sistemas;
atualização de firmware;
alimentação do instrumento pelo mesmo cabo de sinal;
opções de segurança intrínseca;
capacidade de auto sensing (auto reconhecimento) do instrumento permitindo fácil instalação e download de parâmetros;
redução dos custos de engenharia, instalação e manutenção, além do controle de fluxo de informações e processos.
Conclusão
Neste artigo, foi destacada a importância das arquiteturas de automação para o desenvolvimento de sistemas de manufatura e sua influência sobre os resultados dos projetos. Foram apresentados os conceitos de integração baseada em arquiteturas abertas e modulares relacionando suas principais características.
Foi estudada a arquitetura de automação industrial como um dos principais elementos de integração na implementação de sistemas de manufatura permitindo a possibilidade de iniciar um sistema de pequeno porte com tecnologia convencional e promover seu crescimento gradual com sua evolução para arquiteturas de maior porte através da inserção de novos componentes tanto em sentido horizontal quanto vertical através da comunicação e implementação de funções em hierarquias superiores.
A pirâmide da Automação Industrial
Quando falamos sobre automação industrial, nem sempre temos uma noção exata sobre o tamanho deste tema. Por vezes, quem está começando na área pode imaginar que automação industrial se limita a pequenos campos isolados sem nenhuma correlação.
No artigo de hoje, apresentaremos a pirâmide da automação industrial – um diagrama que representa, de forma hierárquica, os diferentes níveis de controle e trabalho em automação industrial através de cinco níveis.
 
Como podemos observar na figura acima, a chamada “pirâmide da automação industrial” apresenta os diferentes níveis de controle de automação industrial, desde os equipamentos e dispositivos em campo até o gerenciamento corporativo da empresa.
Veja a descrição de cada um destes níveis:
Nível 1 – Aquisição de Dados e Controle Manual: O primeiro nível é majoritariamente composto por dispositivos de campo. Atuadores, sensores, transmissores e outros componentes presentes na planta compõem este nível.
Nível 2 – Controle Individual: O segundo nível compreende equipamentos que realizam o controle automatizado das atividades da planta. Aqui se encontram CLP’s (Controlador Lógico Programável), SDCD’s (Sistema Digital de Controle Distribuído) e relés.
Nível 3 – Controle de Célula, Supervisão e Otimização do Processo: O terceiro nível destina-se a supervisão dos processos executados por uma determinada célula de trabalho em uma planta. Na maioria dos casos, também obtém suporte de um banco de dados com todas as informações relativas ao processo.
Nível 4 – Controle Fabril Total, Produção e Programação: O quarto nível é responsável pela parte de programação e também do planejamento da produção. Auxilia tanto no controle de processos industriais quanto também na logística de suprimentos. Podemos encontrar o termo Gerenciamento da Planta para este nível.
Nível 5 – Planejamento Estratégico e Gerenciamento Corporativo: O quinto e último nível da pirâmide da automação industrial se encarrega da administração dos recursos da empresa. Neste nível encontram-se softwares para gestão de venda, gestão financeira e BI (Business Intelligence) para ajudar na tomada de decisões que afetam a empresa como um todo.
Como podemos notar, o esquema demostrado através da pirâmide da automação industrial tenta organizar os diferentes níveis de controle existentes através da divisão em cinco níveis hierárquicos. Os níveis mais baixos estão diretamente relacionados com os equipamentos utilizados em campo, enquanto os níveis superiores tratam do gerenciamento dos processos,da planta e da empresa.
http://www.automacaoindustrial.info/a-piramide-da-automacao-industrial/
Referências bibliográficas
[1] CASSIOLATO, César. Redes industriais. 2014. 
[2] ROSÁRIO, João Mauricio. Automação industrial 1. ed. São Paulo: Baraúna, 2009. 515 p.
[3] PARAGON ACADÊMICO. Arquitetura dos sistemas de manufatura: simulação com manufatura flexível, 2014. 
[4] LUGLI, Alexandre Baratella; SANTOS, Max Mauro Dias. Sistemas Fieldbus para automação industrial: Devicenet, CANopen, SDS, Ethernet. 1. ed. São Paulo, Érica, 2011. 156 p.
[5] SMAR. System 302: automação empresarial. 2014.