Automação Industrial

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Newton Paiva
Automação Industrial
Informática Industrial
Felipe Coelho de Oliveira
– Automação Industrial
Conceitos
“Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado por computador, 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 da indústria e dos serviços.” Moraes, C. C. Engenharia de Automação Industrial. LTC
“Um sistema pode ser definido como automatizado quando é capaz de cumprir uma ou mais tarefas por meio de decisões que são tomadas em função de sinais de várias naturezas que provêm do mesmo sistema a ser controlado. Em poucas palavras, o sistema age sem a intervenção humana.” Prudente, F. Automação Industrial - PLC: Teoria e Aplicações. LTC
Podemos dizer que os dois autores estão corretos e que os dois conceitos se complementam. Moraes diz que os sistemas automatizados são apenas aqueles que são apoiados por computadores, mas aponta quais são as finalidades deste sistema. Existem sistemas automatizados que não possuem sequer um equipamento eletrônico, para exemplificar podem-se citar sistemas hidro-pneumáticos. Já prudente não cita as finalidades da automação mas diz que os sistemas automáticos funcionam sem a intervenção humana, tomando as decisões de acordo com os sinais de naturezas diversas que compõem tal sistema.
Generalidades 
Início da década de 1960 com a introdução de uma automação do tipo rígida. Neste tipo a máquina executava uma tarefa com mínima intervenção humana. As máquinas eram construídas para produzir um tipo particular de produto. A reversão do sistema é impossível ou muito custosa. Nos dias atuais a integração de várias tecnologias (informática, eletrotécnica, pneumática, hidráulica), se consegue construir máquinas ou sistemas automáticos sob controle direto de computador ou controlador dedicado, chamada de automação flexível (FMS – Flexible Manufacturing System).
Vantagens de uma instalação automatizada flexível:
Paleteira automática – Ténicos Automatización
Blocos de comando e blocos de potência de um comando automático
Blocos de potência: são os componentes que movimentam o sistema. 
Exemplo: motores de vários tipos, cilindros pneumáticos, cilindros hidráulicos e outros.
Blocos de comando: corresponde à unidade de elaboração do automatismo, é a parte inteligente que elabora o processo. É composto de computadores industriais e de detectores.
Exemplo: interruptores, chaves de fim de curso, sensores, transdutores, CLP e outros.
Partes que compõem uma automação
Em sistemas automáticos, a operação final fundamental consiste em transformar um sinal elétrico, pneumático ou hidráulico em uma grandeza física que normalmente é um deslocamento mecânico. A operação que representa o último anel dessa sequência é executada por atuadores que possam ser do tipo:
Elétrico
Pneumático
Hidráulico
Mecânico
Elétrico
Solenóide
Motor elétrico
Os motores elétricos assíncronos ou de indução encontraram amplo espaço na automação devido à utilização de inversores de frequência que são equipamentos eletro-eletrônicos que fazem o controle da potência do motor, regulação de velocidade, limitação de corrente na partida do motor, frenagem entro outros. Estes motores substituíram os motores de corrente contínua devido a sua robustez e menor custo de manutenção.
Inversor de frequência WEG
Pneumático ou hidráulico
A diferença entre os cilindros pneumáticos e hidráulicos está substancialmente na potência de acionamento e no tipo de fluido utilizado. Nos cilindros pneumáticos o ar comprimido garante velocidade no acionamento mas potência reduzida e nos cilindros hidráulicos os fluidos geralmente óleos garantem uma potência elevada mas velocidade reduzida. Estes cilindros podem ser classificadas em duas categorias:
Nos cilindros de simples efeito a entrada do ar comprimido acontece em apenas uma direção e nos cilindros de duplo efeito acontece em duas direções.
Cilindro
Dispositivos Detectores
Detectam as informações necessárias no decorrer do processo automatizado. Estes detectores podem ser do tipo digital ou analógico.
Os detectores digitais tem como sinal de saída do tipo ON/OFF. Dentre estes detectores pode-se destacar as fotocélulas, as chaves auxiliares de fim de curso, sensores óticos, sensores indutivos/capacitivos entre outros.
Os detectores analógicos transformam uma grandeza física em um sinal elétrico ou pneumático do tipo contínuo proporcional ao valor da grandeza física. Exemplo sensor de temperatura termopar, sensor ultrassônico de nível, sensor piezoelétrico de pressão, entre outros.
Fim de curso
Termopar
Potenciômetro 
IHM – Interface Homem-Máquina
É o diálogo realizado entre o homem e a máquina e pode ser divido entre dois grupos.
Dentre os blocos de comando e sinalização destacam-se as chaves seletoras e botões de comandos, sinalizadores, displays entre outros.
Botões de comando e chave seletora
Os terminais de gestão utilizam equipamentos computacionais com comandos e displays de visualização. Estes comandos podem ser do tipo digitais (0/1) ou analógicos e podem ser enviados por teclas de membranas, botões de acionamento ou touchscreen (nos equipamentos mais novos). A visualização dos parâmetros do processo podem ser apresentados em valores numéricos ou graficamente. Abaixo seguem modelos de IHM.
IHM com teclas de membrana
IHM gráfica com touchscreen
Automação e Controle
A automação está intimamente ligada à instrumentação. Os diferentes instrumentos são usados para realizar a automação. Historicamente, o primeiro termo usado foi o de controle automático de processo. Foram usados instrumentos com as funções de medir, transmitir, comparar e atuar no processo para se conseguir um produto desejado com pequena ou nenhuma ajuda humana. Isto é controle automático. Com o aumento da complexidade dos processos, tamanho das plantas, exigências de produtividade, segurança e proteção do meio ambiente, além do controle automático do processo, apareceu a necessidade de monitorar o controle automático. A partir deste novo nível de instrumentos, com funções de monitoração, alarme e intertravamento, é que apareceu o termo automação. As funções predominantes neste nível são as de detecção, comparação, alarme e atuação lógica. Por isso, para o autor, principalmente para a preparação de seus cursos e divisão de assuntos, tem-se o controle automático aplicado a processo contínuo, com predominância de medição, controle PID (proporcional, integral e derivativo). O sistema de controle aplicado é o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD), dedicado a grandes plantas ou o controlador single loop, para aplicações simples e com poucas malhas. Tem-se a automação associada ao controle automático, para fazer sua monitoração, incluindo as tarefas de alarme e intertravamento. A automação é também aplicada a processos discretos e de batelada, onde há muita operação lógica de ligar e desligar e o controle sequencial. O sistema de controle aplicado é o Controlador Lógico Programável (CLP). Assim: controle automático e automação podem ter o mesmo significado ou podem ser diferentes, onde o controle regulatório se aplica a processos contínuos e a automação se aplica a operações lógicas, sequenciais de alarme e intertravamento.
Graus de Automação
A história da humanidade é um longo processo de redução do esforço humano requerido para fazer trabalho. A sua preguiça é responsável pelo progresso e o aparecimento da automação. Pode-se classificar os graus de automação industrial em várias fases.
Ferramentas manuais
O primeiro progresso do homem da caverna foi usar uma ferramenta manual para substituir suas mãos. Esta ferramenta não substituiu o esforço humano, mas tornou este esforço mais eficiente. Exemplos de ferramentas: pá, serra, martelo, machado, enxada. Como não há máquina envolvida, considera-se que este nível não possui nenhuma automação. Na indústria,este nível significa alimentar manualmente um reator, moendo sólidos, despejando líquidos de contêineres, misturando com espátula, aquecendo com a abertura manual de válvula de vapor.
Ferramentas acionadas
O próximo passo histórico foi energizar as ferramentas manuais. A energia foi suprida através de vapor d'água, água, eletricidade e ar comprimido. Este degrau foi chamado de Revolução Industrial. A serra se tornou elétrica, o martelo ficou hidráulico. Na indústria, usa-se um motor elétrico para acionar o agitador, a alimentação é feita por uma bomba, o aquecimento é feito por vapor ou por eletricidade.
Quantificação da energia
Com a energia fornecida para acionar as ferramentas, o passo seguinte foi quantificar esta energia. Um micrômetro associado à serra, indica quanto deve ser cortado. A medição torna-se parte do processo, embora ainda seja fornecida para o operador tomar a decisão. Na indústria, este nível significa colocar um medidor de quantidade na bomba para indicar quanto foi adicionado ao reator. Significa também colocar um cronômetro para medir o tempo de agitação, um termômetro para indicar o fim da reação. As variáveis indicadas ao operador ajudavam o operador determinar o status do processo.
Controle programado
A máquina foi programada para fazer uma série de operações, resultando em uma peça acabada. As operações são automáticas e expandidas para incluir outras funções. A máquina segue um programa predeterminado, em realimentação da informação. O operador deve observar a máquina para ver se tudo funciona bem. Na planta química, uma chave foi adicionada no medidor de vazão para gerar um sinal para desligar a bomba, quando uma determinada quantidade for adicionada. Um alarme foi colocado no cronômetro para avisar que o tempo da batelada foi atingido.
Controle com realimentação negativa
O próximo passo desenvolve um sistema que usa a medição para corrigir a máquina, através da realimentação negativa. Tem-se uma medição e um ponto de referência e o sistema compara estes dois pontos e atua no processo para que eles sejam sempre iguais, próximos ou periodicamente iguais. A definição de automação de Ford se refere a este nível. Na indústria química, o controle a realimentação negativa é o começo do controle automático. A temperatura é usada para controlar a válvula que manipula o vapor. O regulador de vazão ajusta a quantidade adicionada no reator, baseando na medição da vazão.
Controle da máquina com cálculo
Em vez de realimentar uma medição simples, este grau de automação utiliza um cálculo da medição para fornecer um sinal de controle. Na planta química, os cálculos se baseiam no algoritmo PID, em que o sinal de saída do controlador é uma função combinada de ações proporcional, integral e derivativa. Este é o primeiro nível de automação disponível pelo computador digital.
Controle lógico da máquina
O sistema de telefone com dial é um exemplo de máquina lógica: Quando se tecla o telefone, geram-se pulsos que lançam chaves que fazem a ligação desejada. Caminhos alternativos são selecionados por uma série programada de passos lógicos. O sistema de segurança e desligamento da planta química usa controle lógico. Um conjunto de condições inseguras dispara circuitos para desligar bombas, fechar válvula de vapor ou desligar toda a planta, dependendo da gravidade da emergência.
Controle Adaptativo
No controle adaptativo, a máquina aprende a corrigir seus sinais de controle, se adequando às condições variáveis. Uma versão simples deste nível é o sistema de aquecimento de um edifício que adapta sua reposta ao termostato a um programa baseado nas medições da temperatura externa. O controle adaptativo tornou-se acessível pelo desenvolvimento de sistemas digitais. Um exemplo de controle adaptativo na indústria química é o compressor de nitrogênio e oxigênio para fabricação de amônia. A eficiência do compressor varia com a temperatura e pressão dos gases e das condições do ambiente. O controlador adaptativo procura o ponto ótimo de trabalho e determina se o compressor está em seu objetivo, através do índice de desempenho. Para isso, usa-se a tecnologia avançada do computador mais a tecnologia de instrumentos de análise em linha.
Controle indutivo
A máquina indutiva rastreia a resposta de sua ação e revisa sua estratégia, baseando-se nesta resposta. Para fazer isso, o controlador indutivo usa um programa heurístico. Na planta química, o sistema usa um método e o avalia, muda uma variável de acordo com um programa e o avalia de novo. Se este índice de desempenho tem melhorado, ele continua no mesmo sentido; se a qualidade piorou, ele inverte o sentido. A quantidade de ajuste varia com seu desvio do ponto ideal. Depois que uma variável é ajustada, o sistema vai para a próxima. O sistema continua a induzir as melhores condições na planta.
Máquina criativa
A máquina criativa projeta circuitos ou produtos nunca antes projetados. Exemplo é um programa de composição de música. A máquina criativa procura soluções que seu programador não pode prever. Na planta química, é o teste de catalisador. O sistema varia composição, pressão e temperatura em determinada faixa, calcula o valor do produto e muda o programa na direção de aumentar o valor.
Aprendendo pela máquina
Neste nível, a máquina ensina o homem. O conhecimento passa na forma de informação. A máquina pode ensinar matemática ou experiência em um laboratório imaginário, como estudante seguindo as instruções fornecidas pela máquina. Se os estudantes cometem muitos erros, porque não estudaram a lição, a máquina os faz voltar e estudar mais, antes de ir para a próxima lição. Assim, todos os graus de automação são disponíveis hoje, para ajudar na transferência de tarefas difíceis para a máquina e no alívio de fazer tarefas repetitivas e enfadonhas. Fazendo isso, a máquina aumenta a produtividade, melhora a qualidade do produto, torna a operação segura e reduz o impacto ambiental.
Sistemas de automáticos
Os sistemas automáticos são conjuntos de componentes, máquinas, circuitos, computadores, controladores que juntos ou até mesmo separados são capazes de realizar ações ou tarefas de forma a automatizar um processo ou parte deste.
Nos sistemas automáticos destacam-se os circuitos automáticos. Os circuitos automáticos são compostos de dispositivos de comandos, sensores e atuadores.
Dentre os circuitos automáticos é importante destacar os circuitos de acionamentos de motores elétricos. Os motores elétricos como já foi dito são atuadores que transforma energia elétrica em energia mecânica. Os motores elétricos podem ser classificados como: motores síncronos, motores de corrente contínua e motores assíncronos. 
Dentre os motores assíncronos destacam-se dois tipos de motores, os motores monofásicos e motores trifásicos. Em aplicações industriais é mais comum a utilização de motores trifásicos, porque estes são capazes de produzir torque suficiente para tocar a carga. 
Os motores elétricos assíncronos trifásicos, também conhecidos como motores de indução, podem conter 3 terminais, 6 terminais ou mais terminais, de acordo com a necessidade da aplicação. A quantidade de terminais deste motores está ligada à necessidade de se ter uma flexibilidade na hora da ligação destes equipamentos. Motores de três terminais são aqueles que os enrolamentos já foram conectados de modo a realizar a configuração estrela (Y) ou triângulo (∆).
Estes fechamentos determinam em quais condições os motores funcionarão. Quando o motor é fechado em estrela a tensão nominal em cada enrolamento é de tensão Fase-Neutro Quando o motor é fechado em triângulo a tensão é Fase-Fase.
Onde tensão de Fase, é:
Uma quantidade maior de terminais em motores trifásicos dá uma maior flexibilidade na hora de fazer a ligação.
Também existem motores elétricos de velocidade variável. Dois tipos de motores podem ser citados, os motores Dahlander e os motores de bobinas (enrolamentos) separados.
Circuitos de Carga e Circuitos de Comando
As conexões entre a rede elétricae os motores são feitos a partir de circuitos elétricos de comandos e circuitos elétricos de carga.
Os circuitos de comando são aqueles que contêm a lógica de comando, ou seja, é aquele que é capaz de tomar decisão sem que haja a interferência de um ser humano. Os circuitos de carga são aqueles circuitos que fazem a conexão da rede elétrica com os dispositivos, neste caso os motores elétricos.
Partida Direta
O circuito mais comum e mais simples de acionamento de motores é a partida direta de motor elétrico. Este nome é dado porque a conexão do motor elétrico é feita diretamente na rede elétrica, de acordo com o fechamento dos terminais estabelecidos para a condição normal de funcionamento. A seguir o circuito de carga que ilustra uma partida direta.
Circuito de carga de Partida Direta.
 Em uma partida direta o circuito (rede elétrica, cabos e componentes) deve ser capaz de suportar a corrente de partida de um motor elétrico em carga, ou seja, um motor que possui carga mecânica acoplada ao eixo. Em uma partida direta, com carga nominal, a corrente elétrica demandada pelo motor pode chegar até 8 vezes o valor da corrente nominal do motor. Um exemplo: se a corrente de um motor que aciona uma bomba hidráulica em condições nominais, ou seja, condições normais de funcionamento as quais o motor foi projetado para funcionar for de 5 A, na hora da partida pode chegar a 40 A. é uma diferença considerável. 
Mas para que o motor seja acionado deve haver um circuito de comando, na verdade os circuitos não devem ser necessariamente separados, eles coexistem em um mesmo painel, cofre ou caixa de comando. Mas em algumas ocasiões a separação deve ser feita. Circuitos de comandos podem possuir valores de tensão bem diferentes da tensão dos circuitos de carga como por exemplo, tensões de extra baixa tensão de 24V.
Circuito de comando para partida direta de motores trifásicos.
No circuito acima observamos que ao acionar a botoeira aberta, o contator K1 é acionado por uma corrente elétrica que flui entre a fase e neutro. Os contatos auxiliares deste contator K1, que possuem os terminais 13/14, 23/24 e 21/22 são acionados ao mesmo tempo. Quem é normalmente fechado se abre e quem é normalmente aberto se fecha. Com isso mesmo se a botoeira aberta não for mais acionada a bobina do contator permanece acionada pelo contato auxiliar de K1 13/14. Este contato recebe o nome de contato selo, pois ele favorece o funcionamento contínuo do contator mesmo sem o acionamento da botoeira.
Os demais contatos auxiliares do contator K1 são utilizados para sinalização do funcionamento do motor. Quando o contator K1 não é acionado o contato 21/22 permanecem fechados acionando a lâmpada verde que indica que o motor está desligado (desenergizado). Quando o contator K1 é acionado, o contato 23/24 é fechado e o contato 21/22 se abre, desligando a lâmpada que indicava que o motor estava desligado, acionando a lâmpada vermelha que indica que o motor está ligado.
Quando a botoeira normalmente fechada é acionada o motor é desligado. Isto ocorre porque o contator K1 deixa de receber a corrente que flui entre a fase e neutro. A força de atração magnética criada na bobina cessa e os contatos principais que estavam fechados no circuito de carga são abertos. Os contatos auxiliares de K1 também voltam aos seus estados normais, quem estava aberto fecha e quem estava fechado abre. O contato selo não mais é um caminho de circulação de corrente e mesmo que a botoeira fechada não seja mais acionada o contator k1 não volta a receber a corrente, que já cessou. Então o luminoso vermelho se apaga e o verde é aceso. 
Partida Direta com Reversão
Em motores elétricos de indução a reversão do sentido de rotação é possível quando se troca a posição entre duas fases que acionam o motor.
Inversão de sentido de rotação em máquinas elétricas trifásicas.
Isto ocorre devido às características construtivas do motor elétrico. O modo como os enrolamentos do estator são feitos e como as correntes e os campos magnéticos se comportam são responsáveis por esta possibilidade de inversão no sentido de rotação.
Mas para que o sentido de rotação seja feito de forma rápido e dinâmica a conexão elétrica não deve ser desfeita manualmente e depois refeita, para que o novo sentido de rotação seja realizado.
Para isso contatores são usados para fazer os fechamentos das fases de forma conveniente que as fases sejam conectadas de acordo com o sentido desejado na hora do acionamento. O circuito de carga é ilustrado a seguir.
Circuito de carga para partida direta com reversão.
Quando S1 é acionada o contator K1 é acionado o seu contato selo é fechado, e quando S1 não é mais acionada o contator permanece acionado. O contato auxiliar de K1 21/22 abre para evitar que o contator K2 seja acionado quando K1 estiver acionado, o intertravamento é importante porque ele evita o curto circuito entre fases quando K1 e K2 são acionados simultaneamente. 
Funcionamento do circuito de partida direta com reversão do sentido de rotação.
Para fazer a reversão do sentido de rotação do motor é necessário desligar o contator K1 através da botoeira S0. O contato selo 13/14 de K1 é aberto e o contato de intertravamento 21/22 é fechado. A reversão é realizada quando acionada a botoeira S2. O contator K2 é acionado assim como o seu contato selo e o intertravamento. Os contatos principais fazem as conexões dos terminais do motor à rede elétrica. Para proteção do motor e da instalação elétrica no circuito abaixo foi usado um contator motor, que é um dispositivo capaz de fazer a função de proteção da rede elétrica e do motor simultaneamente.
Reversão no sentido de direção aplicada ao motor.
Partida Estrela-Triângulo Automática 
Em algumas situações a partida direta de um motor trifásico não pode ser realizada, porque a corrente de partida se torna muito alta trazendo problemas para a rede elétrica. Para diminuir a corrente elétrica na hora da partida do motor a tensão aplicada aos terminais da máquina é diminuída de , da tensão nominal do motor.
Esta tensão menor aplicada aos enrolamentos da máquina faz com que a corrente elétrica seja menor, mas também diminui o torque inicial, e este torque deve ser o necessário para vencer o conjugado resistente da carga. Devido ao baixo conjugado de partida a que fica submetido o motor, as chaves estrela - triângulo são mais adequadas para motores com partida em vazio.
 O motor é inicialmente ligado em estrela até que alcance uma velocidade próxima da velocidade de regime, quando então essa conexão é desfeita e o motor é ligado em triângulo. Durante a partida em estrela, o conjugado e a corrente de partida ficam reduzidos a 1/3 de seus valores nominais. A seguir diagramas elétricos para acionamento em estrela-triângulo.
Ao acionar a botoeira B1 o contator K3 é acionado e por meio do contato auxiliar aciona o contator K1. O motor então é fechado na configuração estrela e entra em funcionamento.
Início do acionamento, partida em estrela.
Quando K3 e K1 são acionados simultaneamente o temporizador t1 é acionado. O temporizador t1 é responsável pela manutenção do fechamento do motor em estrela, que é o tempo necessário para que a velocidade do motor nesta condição alcance cerca de 90% da sua velocidade nominal, para evitar um pico de corrente no momento da comutação para triângulo.
Após a contagem de tempo programada em t1 o contato auxiliar normalmente fechado de t1 se abrirá fazendo a desconexão de K3. Este desligamento habilita o fechamento de K2. Neste momento o selo de K3 e o fechamento do motor em estrela são desfeitos. Com isso o contator K2 é acionado como é visto a seguir
.
Diagrama de comando realizando o fechamento em triângulo.
Fechamento em triângulo