AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
 INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
     A palavra automation foi inventada pelo marketing indústria de equipamentos de na década de 1960. O neologismo, sem duvida sonoro, buscava enfatizar a participação do computador no controle automático manual.
      Entende-se atualmente por automação todo e qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, rapidez de produção ou redução de custo, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias e dos serviços. Exemplos: mineração, siderúrgica, metalúrgica, processos químicos, metroviário, etc.
      É comum pensar que automação resulta somente do objetivo de reduzir custo de produção. Isso não é tão verdade: ela decorre mais da necessidade tais como maior nível de qualidade, expressa por especificações numéricas de tolerância, maior flexibilidade de modelos para o mercado, maior segurança pública e dos operários, menores perdas de materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade de informação sobre o processo e melhor planejamento e controle de produção.
      A automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da analise dos problemas que porventura venha ocorrer.
      A vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informatização é a possibilidade da expansão utilizando recursos de fácil acesso: nesse contexto, são importantes os controladores lógicos programáveis (CLP’s), que tornam a automação industrial uma realidade.
      O sistema de automação industrial é conceituado por ser capaz de funcionar de modo relativamente autônomo, controlado por computadores. A rede de comunicação é um dos principais recursos de suporte para o intercâmbio de informações entre as entidades da estrutura de produção com vistas à coordenação, monitoramento e gerenciamento do processo produtivo. A flexibilidade é um dos requisitos de grande importância para o sistema, pois dela dependem a facilidade de projeto, o planejamento, a manutenção e o controle da operação de máquinas para a execução das tarefas complexas de modo eficiente.
 
                COMPUTADORES PARA AUTOMAÇÃO
 
     Como informação o Controlador Lógico Programável (CLP) é dispositivo digital que controla máquinas e processos. Utiliza uma memória programável para armazenar instruções e executar funções especificas: energização / desenergização, temporização, contagem, sequenciamento, operações matemáticas e manipulações de dados.
     O desenvolvimento dos CLP´s começou em 1968 em resposta a uma necessidade a uma necessidade constatada pela GM. Naquela época, frequentemente se consumiam dias e semanas para alterar um sistema de controle baseado em relés, e isso ocorria sempre que se mudava um modelo de carros ou introduziam modificações na linha de montagem. A GM especificou um sistema de estado sólido, com flexibilidade de um computador, que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos nas fabricas. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados normalmente num ambiente industrial. Os primeiros CLP´s forma instalados em 1969, com sucesso quase imediato.
Funcionando como substitutos de circuitos de relés, eram mais confiáveis que os sistemas originais.
     Eles permitiram reduzir custos dos materiais, da mão de obra, da instalação e da localização de defeitos, reduziam as necessidades de fiação e os erros associados. Os CLP´s ocupavam menos espaço que os contatores, temporizadores e outros componentes de controle utilizados anteriormente. Mas talvez, a razão principal da aceitação dos CLP´s tenha sido a linguagem de programação, baseada em ladder (lógica de relês) e símbolos elétricos consagrados.
     Os CLP´s são de extraordinária importância prática nas industrias e se caracterizam se por:
- Robustez adequada para ambientes industriais;
- Programações por meio de PC;
- Linguagens amigáveis com projetista de automação (eventos discretos);
- Permite tanto o controle lógico quanto o dinâmico (PID);
- Possibilidade de alterar software sem alterar hardware;
- Capacidade de conexão com grandes redes de dados.
     Um CLP automatiza grande quantidade de ações com precisão confiabilidade, rapidez pouco investimento. Informações de entrada são analisadas, decisões são tomadas, comandos são transmitidos, tudo concomitantemente com o desenrolar do processo.
 
 
 
A EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
 
      De acordo com a figura temos a ação dos anos 80, onde dispositivos para automação foram montados em painéis para substituir botões, chaves, lâmpadas, mostradores e display de 7 dígitos, que foram chamados de interfaces. Nos anos 90 houve a evolução para gráficos coloridos, e que já passaram a atuar sobre a plataforma Windows, e para aplicações mais robustas eram usados PC´s industriais, em painéis condicionados rodando software Windows. Depois chegou sistemas operacionais Windows NT e Windows 2000 onde ocorreu toda a migração de supervisórios com confiabilidade e queda de valores, isso sem contar os benefícios, como grande número de pontos, vasta variedade, possibilidade de integração com redes superiores e serem vistos como ponto de gerenciamento e informação de produção.
      Com o aumento da automação nas empresas, surgiu á demanda por soluções remotas de controle e interação com equipamentos do chão de fábrica, de forma simples, segura e eficaz, para se ter controle pontual e informações em tempo real, com computadores conectados à web, provido por meio de um IP fixo, com possibilidade de configuráveis, mas limitadas por motivos de segurança.
      O campo de aplicação é vasto. Pode ir do controle de um grupo de geradores de energia à supervisão de uma injetora de plástico, mas quem utiliza CLPs em automação predial pode também programar para enviar alertas no caso de alterações no consumo de energia de um edifício ou da invasão de uma área restrita, etc.
      Os sistemas de automação industrial são aplicados com um objetivo comum: supervisionar e controlar a operação do processo produtivo e facilitar o seu controle. 
 
     ARQUITETURA DA AUTOMAÇÃO
 
       A automação industrial exige a realização de muitas funções como na figura abaixo, representa a chamada de Pirâmide da Automação, com os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.
Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o CLP, atuando via inversores, conversores ou sistemas de partida suave, sobre máquinas e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa.
A partir da figura acima é possível fazer uma breve descrição de cada nível:
 
Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão de fabrica), onde a automação é realizável pelo controlador programável. Ex: máquinas de embalagem, linha de montagem ou manufatura.
Nível 2: É onde se realiza o controle, mas tem como característica algum tipo de supervisão associado ao processo. É o nível onde se encontram concentrados de informações sobre o nível 1 e as IHM´s (Interfaces Homem Máquinas). Ex: Sala de Supervisão de um laminador de tiras a frio.
Nível 3: Permite a supervisão e o controle do processo produtivo da planta, normalmente é constituídos por bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade, algoritmos de otimização da operação produtiva. Ex: Avaliação e controle de qualidade em processos químico e alimentício.
Nível 4: É o responsável pela programação de produção e planejamento da produção realizando o controle e a logística dos suprimentos. Ex: Controle de suprimentos e estoques em função da sazonalidade e da distribuição geográfica.Nível 5: É o nível responsável pela administração dos recursos da empresa, em que se encontram os softwares para gestão de vendas, financeira, manutenção, é onde se realizam a decisão e o gerenciamento como um todo o sistema.
 
         A pirâmide apresenta alguns dispositivos geralmente encontrados em sistemas de automação industrial. Não há aqui a intenção de listar todos os dispositivos existentes, mas sim aqueles que possuam um papel determinante no controle e execução da produção e que geram informações utilizadas pelas diversas áreas da organização.
         Deve ainda registrar a tendência de adoção de um único protocolo de comunicação em todos os níveis da hierarquia de produção industrial. Para isso, as soluções baseadas no padrão IEEE 802.3, que o mercado denomina de modo genérico Ethernet, tem-se apresentado como um forte candidato a ocupar o primeiro lugar na preferência dos fabricantes e usuários.
         Os sistemas de supervisão e controle são programas configuráveis, destinados à supervisão, controle e aquisição de dados de plantas industriais, possuindo custo menor que os Sistemas Digitais de Controle Distribuído, a base de hardware pode ser um PC comum e isso facilita e barateia os custos de hardware. Estes sistemas possibilitam configurar os arquivos de alarmes e eventos além de relatórios e interfaces para controle de receitas e funções avançadas através da escrita de “scripts”, que são trechos de programas que permitem ampliar as funcionalidades.
 
       A ENGENHARIA DE SOFTWARE NA AUTOMAÇÃO
        Entende-se por engenharia de software a tecnologia para analisar requisitos de informação e projetar arquivos e fluxo de dados, para programar os equipamentos digitais, assim como testar e manter os programas computacionais. É um dos ramos da engenharia muito solicitada atualmente.
       Os softwares ditos comerciais (para bancos e empresas comerciais) requerem grandes quantidades de memória e capacidade apenas para cálculos simples; os softwares científicos (para física, engenharia, astronomia, biologia, etc.) exigem grande capacidade de cálculos e apenas pequenas memórias. Em ambos os tipos de programas a velocidade tem importância em si mesma, e ela não interfere na correção dos resultados; um programa correto numa máquina também o será numa lenta, e vice versa.
       Em muitos programas comerciais há concorrência, no sentido de que muitos usuários pedem serviços simultaneamente e não aceitem esperar; o problema usualmente se resolve com suficiente velocidade de processamento e números de terminais. Diz-se que tais programas são de tempo real.
       Os softwares para automação também têm como requisito a capacidade de administrar a concorrência de tarefas, e, por isso, são ditos de tempo real; mas em automação, velocidade e correção estão interligadas: por exemplo, num programa de controle que lê medidas oriundas de um processo físico e as coloca num buffer, a velocidade de leitura não pode ser menor que a de entrada no buffer, sob pena de ocorrer perda grave da informação. Diz-se que tais programas são de tempo real.
       O problema essencial no caso da automação é o fato de que uma tarefa pode estar mudando o valor de uma variável na memória enquanto outra está lendo a mesma variável; então é preciso ter, no acesso a essa memória, um mecanismo seguro de mútua exclusão. Diz que uma tarefa entra na região crítica com respeito a um recurso computacional quando ela está a ponto de acessá-lo; o fato deve ser sinalizado com um flag adequado; sempre que este ocorre, é preciso verificar se há alguma outra tarefa na mesma região e, em caso afirmativo, utilizar uma regra de prioridades. Uma regra de prioridades inexistente ou inadequada pode criar um deadlock ou conflito mortal.
 
 
 
 
        NÍVEIS DE COMPLEXIDADE DA AUTOMAÇÃO
 
       É fácil distinguir três níveis de complexidade, nos quais se apresentam os sistemas de automação; a eles correspondem diferentes meios de projeto e de realização física.
       Dentre as variedades com menor complexidade estão à automação especializada, como as internas aos aparelhos de TV, de vídeo, telefones celulares, eletrodomésticos, automóveis etc. Realizam-se fisicamente com microprocessadores de pequenas memórias, dedicados, montados em placas de circuito impresso e instalados no interior dos equipamentos. O software escreve-se em linguagem de máquina, como assembly, e se grava em memórias tipo ROM (Read Only Memory).
       Entre as de maior complexidade estão os grandes sistemas de automação: estendem-se por áreas extensas e envolvem muitos computadores de vários tipos de capacidades. São, por exemplo, os sistemas de controle de vôo nos aeroportos, os controles metroviários, os de defesas militar. Sua programação envolve além de programas aplicação comercial e cientifica, a plena engenharia de software de tempo real, com programas em C e outra linguagem especifica de tempo real.
       Mas a um imenso número de automação industrial e de serviços que consideramos de complexidade média: são de âmbito médio, tais como sistemas transportadores industriais e portuários, manufaturas, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios, etc. Podem realizar-se muito bem com o emprego dos controladores lógicos programáveis e seus softwares aplicativos. E nesta disciplina o foco está nos sistemas de automação de complexidade média.
         A maioria dos sistemas de complexidade média são utilizados nas indústrias automobilística, petroquímica e metalúrgicas. Os sistemas de automação compõem-se basicamente de cinco elementos:
Acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc.;
Sensoriamento: mede o desempenho do sistema ou uma propriedade particular de seus componentes. Exemplos: termopares para medição de temperatura e encoders para medição de velocidade;
Controle: utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento. Por exemplo, para manter o nível de água num reservatório, usamos um controlador de fluxo que abre ou fecha uma válvula;
Comparador ou elemento de decisão: compara os valores medidos com valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores;
Programas: contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre os diversos componentes.
  
PROJETO DE AUTOMAÇÃO
    Existem duas modalidadesdistintas de desenvolvimento de projeto em automação. Na primeira, o usuário sabe exatamente todas as ações que deseja veres automatizadas; ele define o que deve ocorrer em cada circunstância. Na segunda, ele somente define o resultado final, cabendo ao engenheiro de projeto definir toda lógica das ações.
         O diagramas de blocos a seguir descreve as etapas para implementação da automação nas duas modalidades.
 
 
 
Fonte:
Livro Engenharia de Automação Industrial
Cícero Couto de Moraes / Plínio de Lauro Castrucci
 
Apostila Telecurso - Introdução a Automação
Sesi / Senai