Aula 01 Introdução

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TEP 00.126
Automação da Produção
Professor Bruno Campos Pedroza
E-mail: bpedroza@vm.uff.br
Celular: (21) 99621-1282
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Apresentação do Curso
PROGRAMA DA DISCIPLINA - PRIMEIRA PARTE
Manufatura Flexível
Controladores Lógicos Programáveis (CLPs)
Sensores, Atuadores e Lógica de Controle
Tabela Verdade, Mapa de Karnaugh
Programação em linguagem Ladder
Máquinas de Estado
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Apresentação do Curso
PROGRAMA DA DISCIPLINA - SEGUNDA PARTE
Braços robóticos
Classificação
Acionamento pneumático
Comando Numérico Computadorizado (CNC)
Fabricação Assistida por Computador (CAM)
Sistemas CAD/CAM
Tecnologia de Grupo
Revisão de Arranjo Físico
Otimização de Grupos de Trabalho
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Apresentação do Curso
AVALIAÇÃO
Duas Provas Individuais:
Prova P1: Conteúdo da Primeira Parte da Disciplina;
Prova P2: Conteúdo da Segunda Parte da Disciplina.
Quatro Práticas de Laboratório em Grupo de Três Alunos:
Prática de Laboratório PL1: Laboratório de Relés;
Prática de Laboratório PL2: Laboratório de CLP’s ;
Prática de Laboratório PL3: Demonstração de CNC;
Prática de Laboratório PL4: Trabalho de CAD/CAM.
Exercícios Individuais:
Exercícios E1: Conteúdo da Primeira Parte da Disciplina;
Exercícios E2: Conteúdo da Segunda Parte da Disciplina.
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Apresentação do Curso
AVALIAÇÃO
A Nota Final será dada por:
onde:
		é a Nota da Primeira Parte da Disciplina;
		é a Nota da Segunda Parte da Disciplina;
		é a Nota das Práticas de Laboratório.
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Apresentação do Curso
AVALIAÇÃO
As notas parciais serão calculadas da seguinte forma:
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Apresentação do Curso
RESULTADO FINAL
 e Frequência - APROVADO
 e Frequência - V.S.
 - APROVADO
 - REPROVADO
 ou Frequência - REPROVADO
 
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Apresentação do Curso
BIBLIOGRAFIA
MORAES, Cícero Couto de, e CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial, 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010.
MARTINS, Geomar Machado. Princípios de Automação Industrial. Apostila do Curso Princípios da Automação Industrial da Universidade Federal de Santa Maria, 2012.
CHIAVERVI, Vicente. Tecnologia Mecânica: Processos de Fabricação e Tratamento, 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.
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Apresentação do Curso
MATERIAL DE APOIO
Ajuda online do software “CNCSimulator” em http://cncsimulator.info/OnlineHelp/OnlineHelp.html 
Material em http://www.logis.uff.br/~artur/AP
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Introdução
Sistemas Dinâmicos
Em Automação, nosso interesse focaliza-se em sistemas que são dinâmicos em um sentido especial, ou seja, a palavra "dinâmico" entendida como relativa a "forças e energias produzindo movimento“.
Portanto, o termo refere-se originalmente à mecânica newtoniana: forças aplicadas a massas geram acelerações que definem os movimentos dos corpos no espaço; tais fenômenos são regidos por equações diferenciais, em que o tempo é a variável independente.
Introdução
Sistemas Dinâmicos
Por analogia, estende-se o termo "dinâmico" a todos os fenômenos térmicos, químicos, fisiológicos, ecológicos, etc. que também sejam regidos por equações daquele tipo.
São sistemas intrinsecamente dinâmicos, como que "acionados pelo tempo" ("time-driven").
Introdução
Sistemas Dinâmicos
No entanto, um segundo significado tornou-se essencial nas últimas décadas, devido a inúmeros e importantíssimos outros tipos de sistemas, tais como os de chaveamento manual ou automático, as manufaturas, as filas de serviços, os computadores, etc.
Sua estrutura impõe principalmente regras lógicas, de causa e efeito, para eventos; seus sinais são números naturais representando estados lógicos (on-off, sim-não) ou quantidades de recursos ou de entidades.
Introdução
Sistemas Dinâmicos
Tais sistemas não são descritos por equações diferenciais ou de diferenças. São sistemas dinâmicos em um sentido especial, dinâmicos latu sensu, "acionados por eventos" ("event-driven").
Introdução
Sistemas Dinâmicos
Classes de Sistemas Dinâmicos
ACIONADOSPOR
DESCRITOS POR
NOME
Tempo (“time-driven”)
Equações diferenciais na variável tempo
Contínuos no tempo
Equações diferenciais na variável tempo
Discretos no tempo
Eventos (“event-driven”)
AlgebradeBoole, álgebradióide, autômatos finitos, redes de Petri,
programas computacionais
A eventos discretos
Introdução
Sistemas Dinâmicos
Introdução
Sistemas Dinâmicos Convencionais
Introdução
Sistemas Dinâmicos Convencionais
 
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Introdução
Sistemas Dinâmicos Convencionais
Outro importante divisor de classes nos sistemas é a linearidade. Para constatar se um sistema é linear não basta observar sinais isolados, é necessário estudar as relações de causa/efeito entre entradas e saídas.
São lineares aqueles sistemas que atendem as seguintes propriedades:
Homogeneidade (também chamada de escalonamento ou proporcionalidade):
Aditividade:
Caso contrário, o sistema é não linear.
Introdução
Sistemas Dinâmicos Convencionais
Observações:
Por muitas razões, a análise dos sistemas lineares é muito mais simples do que a dos não lineares.
A maioria dos sistemas físicos reais é não linear, embora muitos deles admitam aproximações lineares geralmente quando os sinais de interesse são pequenas flutuações em torno de dados níveis de operação.
Como veremos adiante, os sistemas a eventos discretos são essencialmente não lineares, isto é, não admitem aproximação linear.
Introdução
Sistemas Dinâmicos Convencionais
Outra classificação importante dos sistemas é em determinísticos e estocásticos; estes últimos são caracterizados pela presença de alguma variável ou de algum parâmetro cuja definição se faz por meios estatísticos.
Por exemplo:
sinal de entrada, contínuo no tempo, de origem atmosférica;
sinal de entrada, discreto no tempo, em que os intervalos entre pulsos ou impulsos sucessivos são aleatórios, como a chegada de clientes a uma fila de serviço;
alguma transmissão interna ao sistema se altera em função de probabilidades, como a parada da produção por falha de máquina e o retomo após o tempo de reparo.
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
Seja o sistema apresentado na figura a seguir:
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
O contator da figura é energizável pela chave L1 ou pelas chaves L2 e L3, simultaneamente.
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
Os eventos de entrada possíveis são combinações dos elementos L1, L2, L3, assumindo os valores O ou 1.
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
O estado do sistema é naturalmente o do contator, definido em {O, 1}. É, portanto, um sistema lógico.
Introdução
Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos
O comportamento deste sistema é descrito pela seguinte tabela verdade.
L1
L2
L3
C
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
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O Controle
Controle Dinâmico
O controle dinâmico tem por objetivo estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-o mais obediente aos operadores e mais imune às perturbações dentro de certos limites.
Utiliza sempre medidas de variáveis internas e/ou de saída do sistema, num esquema de realimentação ou feedback em torno do sistema original.
O Controle
Controle Dinâmico
A Figura mostra um processo simples, de uma só variável de saída, sobre a qual age um sistema de controle dinâmico completo, composto de realimentação e de alimentação avante.
O Controle
Controle de Eventos ou Controle Lógico
O controle lógico tem por objetivo complementar sistemas lógicos de maneira que eles respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário.
O controle lógicorealiza-se por meio de circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos etc.) em que as variáveis são binárias (valor 0 ou 1); esses circuitos são chamados, genericamente, de redes lógicas.
O Controle
Controle de Eventos ou Controle Lógico
As Redes Lógicas podem ser:
Redes lógicas combinatórias são redes sem memórias nem temporizações; ao projetá-las, basta a álgebra booleana para descrever, analisar e simplificar as redes, e com alguma técnica de "organização do raciocínio" ou de "registro padronizado e compacto", tais como a Tabela da Verdade e o Diagrama de Relés.
Redes lógicas sequenciais são as redes com memórias, temporizações e entradas em instantes aleatórios.
Introdução
Automação
A palavra “automation” foi inventada pelo marketing da indústria de equipamentos na década de 1960. O neologismo, sem dúvida sonoro, buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial.
Introdução
Automação
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 indústrias e dos serviços.
Exemplos: automação da mineração, da manufatura metálica, dos grandes processos químicos contínuos, automação bancária, metroviária, aeroportuária.
Introdução
Automação
É comum pensar que a automação resulta tão somente do objetivo de reduzir custos de produção. Isso não é verdade: ela decorre mais de necessidades 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 materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo e melhor planejamento e controle da produção.
Introdução
Automação
A automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da análise dos problemas que porventura venham a ocorrer.
A vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informatização é a possibilidade da expansão utilizando recursos de fácil acesso; nesse contexto, são de extraordinária importância os centro, ladores lógicos programáveis ( CLPs), que tomam a automação industrial uma realidade onipresente.
Introdução
Automação
Quando se visita uma instalação automatizada é difícil distinguir as contribuições da engenharia, tanto a de controle dinâmico quanto a de controle lógico; o que se vê são computadores de interface homem-máquina, cabos de sinal e de energia e componentes físicos do processo, tais como motores, válvulas, tubulações, tanques, veículos etc.
A rigor, coexistem contribuições das duas especialidades de controle, assim como de outras engenharias.
Introdução
Automação
Por exemplo, no caso de uma planta química pioneira de processo contínuo é claro que uma reação química teórica deve ser inicialmente comprovada em laboratório.
Confirmada sua viabilidade, a engenharia química deve montar uma planta-piloto para estabelecer as condições operacionais mais eficientes.
Segue-se um projeto químico industrial, em plena escala, para depois virem a engenharia civil do prédio, a mecânica e a hidráulica dos vasos e tubulações, e a de instrumentação.
Introdução
Automação
Paralelamente, a engenharia de controle dinâmico deve pesquisar modelos matemáticos do processo e projetar as malhas de realimentação capazes de manter as condições operacionais nos valores eficientes, a despeito das perturbações previsíveis no processo e na qualidade dos insumos.
Deve também pesquisar um algoritmo de controle que otimize a eficiência e ainda simular o conjunto em computador. 
Introdução
Automação
Finalmente, intervém a engenharia de automação priorizando o controle lógico, através da implementação das regras desejadas para os eventos discretos no processo (a chamada "receita" do processo), ou seja, das manobras capazes de levá-lo aos níveis da operação eficiente.
Deve ainda considerar os níveis de segurança para os componentes e para as pessoas, assim como os requisitos de monitoração, alarme e intervenção por parte dos operadores e os relatórios gerenciais.
Introdução
Automação
A engenharia de automação deve selecionar os equipamentos de computação e de redes, depois programá-los, testá-los em bancada e acompanhar o desempenho no start up.
Em plantas químicas pioneiras como esta, com os recursos tecnológicos digitais de hoje, a implementação das malhas do controle dinâmico é usualmente uma parte pequena das tarefas da engenharia de automação.
Introdução
Arquitetura da Automação Industrial
A automação industrial exige a realização de muitas funções.
A figura a seguir representa a chamada Pirâmide de Automação, com os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.
Arquitetura da Automação Industrial
Pirâmide de Automação
Arquitetura da Automação Industrial
Pirâmide de Automação
No topo da pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa.
Arquitetura da Automação Industrial
Pirâmide de Automação
Na base da pirâmide está frequentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via
inversores, conversores ou sistemas de partida suave sobre máquinas e motores e outros processos
produtivos.
Introdução
Computadores para Automação
O Controlador Lógico Programável (CLP) é um dispositivo digital que controla máquinas e processos.
Introdução
Computadores para Automação
Utiliza uma memória programável para armazenar instruções e executar funções específicas: energização/desenergização, temporização, contagem, sequenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados.
Introdução
Computadores para Automação
Os CLP’s, de extraordinária importância prática nas indústrias, caracterizam-se por:
robustez adequada aos ambientes industriais (geralmente não incluem vídeo);
programação por meio de computadores pessoais (PCs);
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.
Introdução
Computadores para Automação
Níveis 1, 2 e 3 da pirâmide de automação.
Introdução
Computadores para Automação
Diagrama de blocos dos níveis 1 e 2 da pirâmide de automação.
Introdução
Nível 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 as automações especializadas, 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 o "assembly", e se grava em memórias tipo ROM (Read Only Memory).
Introdução
Nível de Complexidade da Automação
Entre as de "maior" complexidade estão os grandes sistemas de automação: estendem-se por áreas extensas e envolvem muitos computadores de vários tipos e capacidades.
 São, por exemplo, os sistemas de controle de vôo nos aeroportos, os de controle metroviário, os de defesa militar.
Sua programação envolve, além de programas de aplicação comercial e científica, a plena engenharia de software de tempo real, com programas em C, Ada e outras linguagens específicas de tempo real.
Introdução
Nível de Complexidade da Automação
Mas há um imenso número de automações industriais e de serviços que consideramos de complexidade “média”: são de âmbito médio, tais como sistemastransportadores 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.
O foco deste curso está nos sistemas de automação de complexidade "média".
Introdução
Projeto de Automação
Existem duas modalidades distintas de desenvolvimento de projeto em automação.
Na primeira, o usuário sabe exatamente todas as ações que deseja ver 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 a lógica das ações.
 
O diagrama de blocos a seguir descreve as etapas para implementação da automação nas duas modalidades.
Introdução
Projeto de Automação
Introdução
Referências Bibliográficas
MORAES, Cícero Couto de, e CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial, 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010.
Capítulo 1 – A Engenharia de Automação.