Aula automação industrial

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Unidade Venda Nova
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Disciplina: Controle e Automação de Processos Industriais
2018/1
Prof: Sérgio Galantini
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Aberta
O Sistema de Controle em Malha Aberta é um tipo mais primitivo e de baixo custo. Nele, a entrada do sistema é um sinal predefinido, com base em experiências anteriores, para que, dessa forma, realize o trabalho e a saída alcance o sinal desejado.
Diagrama de Controle em Malha Aberta
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Aberta
Exemplo
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada
O sistema de Controle em Malha Fechada pode se dividir em dois subtipos: 
 Controle por Realimentação 
 Controle Antecipativo. 
Nesse tipo de sistema, o sinal de saída é realimentado para que se faça uma comparação com o Setpoint (valor desejado).
Diagrama de Controle em Malha Fechada
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada
Exemplo 1
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada
Exemplo 2
Acionamento Mecânico
Acionamento Eletrônico - PLC
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada
Exemplo 3
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada por Realimentação
O Controle por Realimentação (feedback), mostrado na figura a seguir, é a forma tradicional e mais usual. Ele consiste em medir a variável a ser controlada e compará-la a seu valor de referência, agindo de forma a compensar o distúrbio, tendendo a levar seu valor de volta ao desejado
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada por Realimentação
Exemplo
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada Antecipativo 
Controle Antecipativo (feedforward), mostrado na figura a seguir, foi difundido posteriormente em casos em que a realimentação é negativa e se aplica a processos com atrasos grandes. Visa agir diretamente na variável a ser controlada assim que o distúrbio é detectado, evitando que este percorra o processo todo antes de corrigi-lo.
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada Antecipativo
Exemplo 1
TIPOS DE CONTROLES DE PROCESSO
Controle em Malha Fechada Antecipativo
Exemplo 2
TIPOS DE CONTROLADORES DE PROCESSO
PLC’S
De maneira geral, podemos dividir os controladores em dois grandes grupos: 
Analógicos 
Digitais.
Os Controladores Analógicos foram amplamente utilizados até a década de 1980, quando foram substituídos por controladores digitais, pois apresentavam melhor funcionalidade, flexibilidade e ainda permitiam a comunicação de dados entre os processos.
TIPOS DE CONTROLADORES DE PROCESSO
PLC’S
Os Controladores Digitais, por serem mais sofisticados e mais complexos que os controladores analógicos, apresentam geralmente custo mais elevado. Isso é uma desvantagem para os controles que não necessitam de tamanha sofisticação. Além disso, sua complexidade acarreta instalação e manutenção mais específicas, o que gera a necessidade de especialistas ( Instrumentistas Industriais ) para sua implementação.
Principais modelos:
TIPOS DE CONTROLADORES DE PROCESSO
PLC’S
Controladores Lógicos Programáveis (CLPs)
São os controladores industriais mais utilizados. Apesar de seu alto custo, consolidaram-se no mercado por trazerem vantagens para o sistema de controle:
Isso faz com que seu preço tenha um bom custo/benefício e podemos dividir esses controladores em três tipos básicos:
TIPOS DE CONTROLADORES DE PROCESSO
PLC’S
Vídeo
https://www.youtube.com/watch?v=xy56axIbUbw
ESTRUTURA DA AUTOMAÇÃO
Aplicamos os conceitos de automação de forma virtual para facilitar a visualização e testar seu funcionamento antes de sua implementação. Portanto, a Estrutura da Automação será feita, no primeiro momento, virtualmente para permitir a simulação do sistema, a fim de sanar grande parte dos problemas. 
O método que utiliza as ferramentas de modelagem, simulação e testes virtuais é conhecido como prototipagem rápida. Esse conceito visa reduzir a necessidade de protótipos intermediários ao projeto por meio da virtualização do processo. Isso permite realizar apenas o protótipo final do projeto, reduzindo custos e tornando o projeto mais rápido e seguro.
A figura a mostra as diferenças entre o sistema real e o sistema representado virtualmente.
Sistemas CAD de manufatura
O Computer Aided Design (CAD) é uma ferramenta de prototipagem rápida. Ele permite a elaboração de projetos de mecânica, elétrica e eletrônica, deixando o projeto próximo do real e facilitando a simulação dos componentes da automação.
A figura a seguir representa uma mesa utilizada em uma célula robotizada de teste e mostra o componente real e a sua representação virtual por meio do CAD.
ESTRUTURA DA AUTOMAÇÃO
O Hardware in the Loop (HIL) é possibilitado pelo CAD, no qual, aliado a um ambiente de simulação, o hardware de controle pode ser programado e testado virtualmente, resolvendo seus problemas antes que se implemente no sistema real. Esse método não é somente usado no período de desenvolvimento, mas também pode ser aplicado em caso de necessidade de substituição de hardware de controle ou componentes do sistema.
ESTRUTURA DA AUTOMAÇÃO
Sistemas CAM de manufatura
O sistema de simulação faz uso do método conhecido como Computer Aided Manufacturing (CAM), importante e muito utilizado hoje, pois permite a elaboração de sistemas de simulação de movimentos dos meios de manufatura. Alguns softwares possibilitam, ainda, a geração de programas para o funcionamento dos componentes do sistema.
ESTRUTURA DA AUTOMAÇÃO
Sistemas CAM de manufatura
O vídeo a seguir mostra rapidamente como um sistema virtual se torna real por meio da relação CAD/CAM no processo de fabricação de próteses odontológicas, o que evidencia a versatilidade dessas ferramentas.
 Vídeo
http://bit.ly/2pG7CNk
ESTRUTURA DA AUTOMAÇÃO
INTRODUÇÃO A ENTRADAS E SAÍDAS (I/O)
Os controladores necessitam de dados para poder calcular as ações a serem tomadas. Os dados que o controlador recebe são conhecidos como Entradas do Sistema, as quais após serem recebidas darão origem aos cálculos baseados nos algoritmos internos. Isso gerará uma resposta do sistema que emitirá um sinal conhecido como Saída. Essa relação entre entradas e saídas dá origem ao conceito E/S (Entrada/Saída) ou do inglês I/O (In/Out).
Comparando entradas e saídas do sistema
Podemos dizer que, quando admitimos uma entrada no controlador, teremos obrigatoriamente uma saída. Isso mostra que um sistema controlado obedece à lei de ação e reação, o que demonstra uma relação direta com entradas e saídas. 
Correlacionando variáveis às I/O do sistema
As variáveis, entradas e saídas do sistema são elementos completamente distintos apesar de causar certa confusão por serem intimamente correlacionados. Para simplificar essa relação, podemos dizer que as vaiáveis são elementos inerentes ao processo e, portanto, existem independentemente de serem medidas ou não. Por sua vez, as entradas e saídas são sinais fabricados para controlar o sistema.
O vídeo a seguir mostra de forma simples como é feito um teste de entradas e saídas de um controlador:
 Vídeo
 https://goo.gl/sXwATd
INTRODUÇÃO A ENTRADAS E SAÍDAS (I/O)
INTRODUÇÃO A ENTRADAS E SAÍDAS (I/O)
Fluxo de informação
Vamos analisar o processo automático em uma cadeia de comando. 
Da entrada até saída do sistema há um fluxo de informação. A informação consiste em sinais de entrada que assumem diferentes características dentro do próprio sistema.
 Observe o diagrama que ilustra este fluxo:
Entrada de sinais:
A entrada de uma informação ou sinal no sistema é feita através de: 
 Interruptores de fim de curso; 
 Emissores/receptores de sinais sem contato (por exemplo, infravermelho); 
 Barreiras fotoelétricas; 
 Botões e pedais manuais; 
 Um programa de computador (que fornece os valores de referência, por exemplo). 
Processamento de sinais:
As informações da entrada são processadaspelos seguintes elementos: 
 Válvulas pneumáticas; 
 Módulos eletrônicos; 
 Microprocessadores; 
 CLP´s. 
Conversão de sinais:
A conversão de sinais é feita pelos seguintes elementos: 
 Amplificadores; 
 Placas AD/DA (analógico-digital/digital-analógico); 
 Válvulas pneumáticas, hidráulicas e eletromagnéticas. 
Saída:
A saída das informações é feita pelos atuadores ou elementos de trabalho: 
 Válvulas e cilindros hidráulicos e pneumáticos; 
 Contadores de potência; 
 Transistores de potência. 
INTRODUÇÃO A ENTRADAS E SAÍDAS (I/O)
Fluxo de informação
A Pirâmide da Automação Industrial e Níveis Hierárquicos de Controle
A Pirâmide da Automação Industrial apresenta de forma hierárquica os níveis de controle e trabalho em automação industrial através de cinco níveis:
VAMOS EXPLODIR ESTES NÍVEIS
A Pirâmide da Automação Industrial e Níveis Hierárquicos de Controle
Nível 1 – Aquisição de Dados e Controle Manual: composto por dispositivos de campo. Atuadores, sensores, transmissores e outros componentes presentes na planta compõem este nível. 
Nível 2 – Controle Individual: compostos por equipamentos responsáveis por realizar o controle automatizado das atividades da planta. CLP’s (Controlador Lógico Programável), SDCD’s (Sistema Digital de Controle Distribuído) e relés. 
Nível 3 – Controle de Célula, Supervisão e Otimização do Processo: responsável pela 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: responsável pela parte de programação e planejamento da produção. Auxilia tanto no controle de processos industriais e na logística de suprimentos. 
Nível 5 – Planejamento Estratégico e Gerenciamento Corporativo: responsável pela administração dos recursos da empresa que conta com softwares para ajudar na tomada de decisões.
A Pirâmide da Automação Industrial e Níveis Hierárquicos de Controle
Premissa 1: Ataque ao erro isolado ou sistêmico. 
Para controlar o resultado dos processos industriais e conseguir melhor exatidão durante as atividades realizadas as indústrias necessitam conhecer a fundo os tipos de erros e as suas malhas de controle para fabricar produtos com padrões internacionais e confiáveis ao seu consumidor final, assim torna-se necessário o empenho em analise de cada tipo de erro existente e o conhecimento dos processos de malhas de controle
Premissa 2: A importância do ERP nas organizações.
O sistema ERP tem uma fundamental importância dentro de uma organização, uma vez que o mesmo “monitora” todo o processo empresarial, desde o início do processo organizacional até o término do mesmo. Com as informações dos diversos setores empresariais consolidados em um único sistema, torna-se de certa forma fácil de analisar todo o processo empresarial como um todo. Pode-se, por exemplo, detectar as falhas que ocorrem no gerenciamento de estoque devido à produção excessiva de determinado produto, ocasionando assim perdas significativas na organização.
A Pirâmide da Automação Industrial e Níveis Hierárquicos de Controle
Premissa 2: A importância do ERP nas organizações – Continuação:
Vantagens de um sistema ERP nas organizações:
 Redução de custos: Com o constante monitoramento da organização como um todo, detecta- se rapidamente onde estão os processos mais dispendiosos e quais os impactos financeiros que este processo irá causar caso seja modificado. 
 Otimização do fluxo de informações: Pode-se determinar quais setores empresariais estão com deficiência em troca de informações e quais medidas devem ser tomadas para que o fluxo de informações flua de forma satisfatória. 
 Otimização no processo de decisão: Com as informações consolidadas fica relativamente simples a tomada de decisão e suas principais conseqüências dentro da organização
A Pirâmide da Automação Industrial e Níveis Hierárquicos de Controle
Premissa 2: A importância do ERP nas organizações – Continuação:
Desvantagens de um sistema ERP nas organizações:
 Muitos gestores acham que a simples implantação de um sistema ERP por si só integra a organização, o que na prática não acontece, muito pelo contrário, se o sistema ERP não encontrar um ambiente adequado para seu funcionamento, pode funcionar de forma inversa ao esperado, desestruturando toda uma organização. 
 Um sistema ERP deve ser implantado ao longo dos anos, de uma forma estruturada e gradual, devido ao seu alto custo e seu grau de complexidade. Somente desta forma a relação custo/benefício investida no sistema é justificada. 
 Outro ponto desfavorável é quando ocorre a compra do sistema, pois a organização fica dependente do fornecedor do software. Por isso, antes de adquirir um sistema ERP, devemos analisar o fornecedor para avaliarmos se o mesmo possui uma estrutura sólida e será capaz de honrar com seus compromissos.
 Por fim, podemos falar na resistência do usuário final, pois o mesmo se sente de certa forma controlado pelo sistema, uma vez que o sistema monitora seu trabalho. Uma das causas do não funcionamento do sistema ERP é exatamente o não comprometimento do usuário final com o sistema
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Introdução
Verificando os modelos para sistemas complexos, pode-se notar que eles são
resultantes de subsistemas ou elementos, cada qual com sua função de transferência. Os Diagramas em Blocos podem ser usados para representar cada um destes subsistemas, e o arranjo agrupado e conectado, em um sistema como um todo.
O Diagrama em Blocos contém vários itens na sua representação: 
 Seta: É usada para representar o sentido do fluxo de sinal.
 Bloco: É um símbolo de operação matemática sobre o sinal de entrada do bloco que produz a saída. É representado normalmente por função de transferência.
 Ponto de soma: O círculo com uma cruz é o símbolo que indica uma operação de soma. O sinal mais ou menos determina se o sinal deve ser adicionado ou subtraído.
 Ponto de junção: É um ponto a partir do qual o sinal proveniente de um bloco
vai para outros blocos ou pontos de soma.
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Exemplo:
Um Sistema em Malha Fechada com Realimentação (feedback), é representado na figura a seguir:
Entendendo a representação do Diagrama em Blocos quanto a Informação do Sistema
Tomada de Decisão
Processo/Planta

Informações
Saídas
Ação
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Tomada de Decisão
Processo/Planta

Relógio
Ação
Saídas
Entendendo a representação do Diagrama em Blocos quanto a Automação do Sistema
Tomada de Decisão
Processo/Planta

Informações
Referências
Erros
Ações
Saídas
Entendendo a representação do Diagrama em Blocos quanto ao Controle do Sistema
Tomada de Decisão
Processo/Planta

Informações
Referência ou Set-Point
Erros
Ações
Saídas
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Entendendo a representação do Diagrama em Blocos quanto ao Controle e Regulação do Sistema
Tomada de Decisão
Processo/Planta

Informações
Referência ou Set-Point
Erros
Ações
Saídas
Perturbações
Entendendo a representação do Diagrama em Blocos quanto ao Controle e Regulação do Sistema e Ações sobre as Perturbações
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Modelos de Simplificação de Sistemas
Considere um Sistema Fechado, constituído de dois componentes em Cascata e uma realimentação:
O Mesmo sistema pode ser simplificado para o seguinte:
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Modelos de Simplificação de Sistemas
Outro Exemplo:
Agrupando os blocos em série e em paralelo, teremos:
INTEGRAÇÃO DE COMPONENTE PARA AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA
Diagrama em Blocos
Vídeo
https://www.youtube.com/watch?v=jZSSeTmViko