Automação e Controle Discreto

•

UVA

Arnaldo Amandio

20/09/2021

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Paulo Rogério da Silveira
Winderson E. dos Santos
Ano: 2002 2001 2000 1999
Edição: 8 7 6 5 4 3 2 1
Editora Érica Ltda.
Anlonio Marco Viuri Cipclli
Paulo Roberto Alves
Waldir João $,111drini
Eduardo Cesar Alves Cruz
Celso de Araujo
Salomão Choucri Junior
Eduardo Ccsar Alves Cruz
Rosana Arrudci da Silva
Érica Regina Antonio
Fábio Belém
Pedro Paulo Vieira Herruzo
Grazicla M. L Gonçalves
Mauricio Sccrvianinas de íranç.a
Marlenc reresa Santin Alves
Copyright © 1998 da Editora Érica Ltda.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câm<ira Brasileira do Livro, SP, Brasil)
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Silveir;i, Paulo Rogério da, 1968 -
/\utom;ição e controle discreto / P;iulo Rogério da SilvcirJ, Windcrson E. dos
S<intos. - São Paulo: Érica, 1998. - (Coleção Estude e Use. Série Automação Industrial)
Bibliografia
ISBN BS-7194-591-8
1. Automação. 2. Control<idores progr<imáveis. 3. Controle automático.
1. Santos, Winderson E. dos Santos, 1964. li. Título. Ili. Série.
98-49 50 CIJU-629.8
Índices para catálogo sistemático
1. Controle Automático: Engenharia 629.8
2. Controle Discreto: Engenharia de automação 629.8
TODOS OS DIREITOS RESERVADOS. Proibida a reprodução total ou parcial, por qualquer meio
ou processo, especialmente por sistemas gráficos, microfílmicos, fotogr;íficos. reprográficos,
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à sua editoração. A violação dos direitos autorais é punível como crime (art. 184 e parágrafos, do
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As imagens da abertura do livro, aberturas de capítulo e algumas no interior do
livro foram retiradas dos ClipArts do CorelDRAW e Mega Galle1y da Cmel.
Os Autores e a Edito1a acreditam que todas as informaçõ~s aqui apresentadas estão
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"Uma máquina pode fazer o trabalho de cinqlienta pessoas comuns.
Máquina alguma pode fazer o trabalho de um homem incomum."
Elbert Hubbard
Editor Americano
1365-1915
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, João Thomaz Silveira Netto (in memóriam) e Gertrudes
Elisa Lüpges Silveira, pela garra, determinação e exemplo demonstrados ao
longo de suas vidas e pelo carinho e dedicação para com seus filhos.
Paulo Silveira
Aos meus pais, Sebastião Eugônio dos Santos (in memúriam) e Nilma dos
Santos, por todo estímulo que deram à minha educação, maior patrimônio que
os pais podem deixar a scus filhos.
Winderson Santos
AGRADECIMENTOS
Caio Nabshima, mestre cm redes de compuladores e professor do
Oeparlamenlo de Informática, pela decJicada contribuição;
• Amaury Pessoa Cebran, amigo e professor do Departamento cJe
Eletrotécnica, pelo auxílio na interpretação de textos cm francês;
• Dr. Paulo C. Slaozisz, professor do Curso de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica e Informática lncJustrial, pelas sugestões no capítulo 1;
• Valério Galcazzi, da empresa Elipse, pela prestatividade e rapidez com ciue
atendeu à nossa solicitação;
• /\os nossos ;ilunos, que cm muito colaboraram e nos molivar<im na
consecução deste objetivo;
• Cassiana Caldini Ribas, pelas valiosas opiniões prestadas à elaboração do
livro.
•
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•
Luciani, esposa rle Paulo, pelo incentivo e paciência demonstrada nas
inúmeras horas incansávcis que os separaram para a realinc)fo de rn<1is este
desafio;
Tereza Cristina Karam, esposa de Winderson, pelo apoio im onteste sempre
oferecido, e Ralph e Gustavo, filhos do casal, pelas irnímeras horas de
ausência do pai;
Aos demais parentes, amigos e colegas de trab<Jlho não nominados m;:is que,
direta ou indiret<Jmente, conlrihuír<im e acreditaram na realizaç.ão deste
tr;:ibalho;
A Deus, que por sua misericórdia torna tudo possível.
ESCOJ 11T~· 1 ;:·;1 i!f'1'J':hiTO!!ISH - C:Tr.R
- lll!JU(JJ l:.Ct\ SAN Hl 11.l'ONSO --
PREFÁCIO
A obra Automação e Controle Discreto é constituída por seis capítulos,
seguidos por três apêndices, nos quais procur;imos conc;iten<.1r toda uma
experiência adquirida dentro e fora do ambiente acadêmico. Tal projeto durou
três anos, sendo que neste último, coube-nos o trabalho final de sua criação e
digitação. Destinado a técnicos, engenheiros e a todos os profissionais
envolvidos na área de automação industrial, o conteúdo é explorado de forma
simples, com informações técnicas valiosas para que se possa suscitar uma
reflexão mais aprofundada a respeito do assunto abordado.
Inicialmente, foi inserido o tema da evolução histórica e económica da
Revolução Industrial, ressaltando o papel da criação de um invento tecnológico,
passando pela evoluc,;ão do controle industrial e seu conceito, <Jté se estabelecer um
perfil para a Tecnologia de Informação, processo que está presente de forma
perspícua no atual estágio de evolução_ Integração e flexibilização são inseridas na
forma de representação de sistemas, chegando por fim na automação propriamente
dita, em que o enío4ue enfatiza a compreensão do papel do controle discreto nos
mais diferentes níveis do controle automático. Uma discussão sobre o paradigma do
desemprego, diante do estado de mecanização e cvoluç.ão tecnológica em que nos
encontramos, fez-se altamente necessária.
O assunto nos traz ainda uma rev1sao da técnica digital. Trata da
aplicação e conceito de sinais analógicos e digitais, mostrando as relações entre
os sistemas de numeração mais utilizados em controle, bern como a importância
do sistema bin{irio na lógica de contatos. Cita os códigos especiais e suas
aplicações, associados ao tratamento da álgebra booleana na solução de
problemas combinacionais.
Apresentam-se os conceitos relativos ao principal equipamento de
controle discreto da atualidade, o PLC São abordados aspectos de hardware,
tais como sua CPU e seus circuitos e interfaces de entrada e saída. Abordam-se
os principais tipos de linguagem de programação, para fins de aprendizado, nas
estruturas em diagrama de conta!os e em mnemónicos booleanos_ Optamos
pelo uso de um PLC fictício e genérico, denominado Educal. Com esse
equipamento, é possível compreender os principais conceitos de programação
encontrados na prática, tais corno: instruções de entrada e saída, instruções de
lógica booleana, temporizadores e contadores_ Aos que optarem por este
método para o ensino da programação de PLC, será muito f;Jcil adaptar a
linguagem do Educa 1 ao equipamento real disponível em laboratório, pois ele
segue princípios idênticos aos implementados cm tais equipamentos.
O livro ainda detém a descrição de uma ferramenta gráfica para a
modelagem de processos seqüenciais, denominada Grafcet. O Grafcet tem suas
... --~··~···· ...... ..._ ... _,,, 111\..UUV.:> UV::> dlHJ~ JU, por urn
grupo de pcsquis;idores e gerentes industriais envolvidos corri sistemas discretos
de gr·andc complexidade. Por meio dessa ferramenta pode-se facilmente
modelar situaç.õcs de controle que envolvam seqüenciamentos simples,
paralelos ou tomadas de decisão sobre os quais a seqiiência deva ser
acompanhada. A abordagem é feita de fonn<i clara e o comporiamento
dinâmico do Gr<Jket é amplamente ilustrado por grafos e diagramas temporais.
Após discorrer sobre aspectos teóricos e conceituais, o assunto é contemplarlo
pelos exemplos práticos dos principais cc1sos de sequenciamento encontrados
no ambiente de manufatura. Por se tratar de um assunto conceituai, (~
recomendável que o leitor ceriifique-se de sua completa compreensão antes de
passar a novo tópico.
A próxima parte é, sob o ponto rle vista de projetistas, o capítulo mais
importante relativo ao tema Controle Discreto. Nele é apresentada ao leitor uma
nova metodologia ele programação de estruturas lógicas scqlienciais em PLC.
ULilizam-se exemplos de implementação em linguagem de diagrama de
contatos, podendo, entretanto, ser facilmente convertidos pelo leitor em outras
formas de linguagem. Tal metodologia, resultante da experi(~ncia aelquirida
pelos autores ao longo de vários anos de ensino de programação de PLC (nos
cursos Técnicos e de Graduac,ão do Centro Federal de Educação Tecnológic;i do
Paran{1), vem contribuir para a elisseminação de boas práticas ele programação,
cuja aprendizagem é fácil e rápida, gerando sistemas ele fácil manutenção com
documentação detalhada.
O ú !timo tópico é referente às tecnologias associadas à automação,
contendo uma abordagem de caráter emergencial. O controlador lógico
programável é visto como um dispositivo associado a umél rede de
comunicação de dados, dentro de urna tendência de parlrão internacional de
intercomunicabilidade. São inseridos conceitos de sistemas integrados,
mostranelo a importância do computador, fazendo uma análise das técnicas
utilizadas para a engenharia de produção em nível corpmativo e operacional
Tratamos ainda das interfaces gráficas projetadas' para tornar o ambiente
industrial mais amigável, por meio da supervisão de processos, e por fim,
apresentamos um tópico sobre Teoria Ceral de Sistemas.
Ao final de cada capítulo encontra-se uma list;1 de exerc1c1os
minuciosamente selecionados pelos autores. Tais exercícios crescem, cm sua
maioria, seqücncialmente em ordem de complexidade, acompanhando " forma
como o texto foi desenvolvido ao longo cio capítulo.
Curitiba, outubro de f 998.
()s Autores
SUMARIO
Capítulo 1 - Automação Industrial: Uma Retrospcctiva Histórico-Social .......... 1
1 .1 Introduç.ão ................................................................................................. 1
1.2 A Importância de um Invento ..................................................................... 2
1 .3 A Revoluç.ão Industrial ........................................................................... 4
1 .3.1 Na Inglaterra ..................................................................................... 6
1 .3.2 A Contribuição Norte-Americana .................................................... 9
Acontecimentos que Alavancaram a Industrialização
Norte--Americana ........................................................................... ·1 O
Enquanto isto, ... no Brasil. .............................................................. 1 O
1.4 Evolução do Controle Industrial ............................................................. 13
O Controle Numérico ............................................................................ 14
Os Rohôs .................................................................................................. 1 5
O Processo Industrial ............................................................................. 16
Do Controle Centralizarlo ao Distribuído .............................................. 18
1.5 A Tecnologia da Informação ..................................................................... 20
1 .6 A Automação Industrial ......... , ................................................................ 22
1.7 A Maldição do Emprego cfa Máquina ................................................... 26
r>or que Automalizar ................................................................................ 29
Por que Não Automatizar ......................................................................... "30
Perfil para o Profissional elo Século XXI .................................................. 30
1.8 Exercícios Propostos ................................... , .......................................... "31
Capítulo 2 - Lógica Combinacional .............................................................. 33
2. 1 lnlroduç5o ............................................................................................... 33
2.1. 1 Sinais Analógicos e Digitais ........................................................... 33
Sinais Analógicos ............................................................................ 34
Sinais Digitais .................................................................................. .34
2.2 Sislem;J.s Numéricos ................................................................................ 35
2.2..1 Decimal .......................................................................................... .36
2.2.2 Ginário ........................................................................................... 36
2.2.3 Oc.tal ............................................................................................... 39
2.2.4 Hex;idecimal ................................................................................. 40
2.2.5 Códigos Especiais ........................................................................... 41
2.2.6 Conversões Complementares .......................................................... 46
2.3 Métodos Científicos .............................................................................. 48
Método Indutivo .................................................................................. 43
Método Dedutivo .................................................................................... .49
Outros Métodos ....................................................................................... 51
2.4 Estados Lógicos ......................................................................................... 52
2.4.1 Operações Lógicas ......................................................................... 53
Tabela Verdade ............................................................................... 53
!'unções Lógicas .............................................................................. 54
função "Sirn ou Identidade" ............................................................ 55
Função "OU" .................................................................................. 55
!'unção "E" ..................................................................................... 56
Fun\ão "Não" ................................................................................. 56
2.4.2 Álgebra de Boole .. : ................................................................... 59
Postulados .........................................................................................
60
Teoremas ................ , ........................................................................ 60
2 .4.3 Funçôes Booleanas ......................................................................... 62
Tabela de Combinações ................................................................. 63
Método da Soma dos Produtos ............................................ ,. ......... 64
MC::·todo do Produto das Sornas ......................................................... 66
Minimização de Funções Booleanas ............................................... 67
2.4.4 Mapas de Karnaugh ......................................................................... 67
Representação da Função ................................................................ 70
2.5 Exercícios Propostos ................................................................................. 75
Problemas de Lógica Combinacional ...................................................... 77
Capítulo 3 - Controlador Lógico Programável ................................................ .79
3.1 Introdução ................................................................................................ 79
Definições Importantes ............................................................................. 81
3.2 Princípio de Funcionamento ..................................................................... 82
3.3 Elementos do Harrlware .................................. : ....................................... 84
3.3.1 A CPU ............................................................................................. 84
3.3.2 Interfaces de Entra<fa/Saída .............................................................. 89
3.4 Linguagens de Programação ..................................................................... 92
3.5 O PLC Educa_l ......................................................................................... 94
3.6 Instruções de Entrada e Saída .................................................................. 95
3.7 Circuitos com Lógica Negativa ................................................................. 96
3.8 Instruções Booleanas ................................................................................ 97
3.9 Elaboração de Circuitos .......................................................................... 99
3.10 Circuitos de lntertravarnento .................................................................. 101
3.11 Circuito de Dctecção de Borda .............................................................. 1 04
3.12 Temporizador ....................................................................................... 106
3.13 Contador ................................................................................................. 11 3
3.14 Exercícios Propostos .............................................................................. 114
Capítulo 4 - Lógica Seqüencial .. .... ........... .. . ............................................... 11 7
4. 1 Introdução ................................................................................................ 1 1 7
4.2 O Grafcet .................................................................................................. 119
4.2.1 Etapas .............................................................................................. 119
4.2.2 Transição., ....................................................................................... 119
4.2.3 Arcos Orientados ............................................................................. 120
4.2.4 Ac,:ão . ., ............................................................................................. 120
4.2.5 Receptividade ................................................................................. 124
4.3 Comportamento Dinâmico ............................ ., ......................................... 126
4.3.1 Situação Inicial ............................................................................... 126
4.3.2 Evolução entre Situações ................................................................. 128
4.3.3 Estrulura Seqücncial ....................................................................... 130
4.3.4 Seleção entre Seqüéncias ........................................... ., .................. 1 32
4.3.5 Paralelismo ...................................................................................... 138
4.3.6 Exercícios Propostos ........................................................................ 141
Capítulo 5 - Do Grafcet à Linguagem de Relês ............................................. 147
5.1 Introdução ................................................................................................ 147
5.2 Metodologia ............................................................................................. 148
5.3 Exemplo com Seleção entre Seqüéncias .................................................... 152
5.4 Exemplo com Paralelismo ......................................................................... 156
5. 5 Exercícios Propostos ................................................................................. 160
Capítulo 6 - Tecnologias Associadas à Automação ...................................... 1 69
6.1 Introdução ................................................................................................. 169
6.2 Sistemas Integrados de Produção .............................................................. 171
6.2. l Manufatura Integrada por Computador .................................................. 172
6.3 Sistemas Flexíveis .............................................. ., .................................... 179
6.4 Redes de Computadores .......................................................................... 181
6.4. l Protocolos de Comunicação ........................................................... 183
6.4.2 Modelo de Referência 051 ............................................................. 185
6.4.3 Estrutura das Redes de Comunicação .............................................. 189
6.4.4 Topqlogias de Rede ........................................................................ 1 91
6.4.5 Métodos de Acesso ao Meio ..... ,. .................................................... 194
6.4.6 Componentes de urna Rede ............................................................. 196
o.::> unenac.es 1·1omem-Maquma ..................................................................... 197
6.5.1 Interfaces Gráficas de Usuário (GUI) .............................................. 199
6.5.2 Armazenamento de Receitas ........................................................... 200
6.5.3 Alarmes e Eventos ............................................................................ 200
6.5.4 Comunicação ................................................................................ 201
6.6 Outros Equipamentos para Controle Discreto ........................................... 201
6.6.1 Relés Lógicos lnteligen\es .............................................................. 202
6.6.2 Computadores lnduslriais ................................................................. 202
6.6.3 Softlogic .......................................................................................... 203
6.7 Teoria Geral de Sistemas ........................................................................... 203
6.7. 1 Os Sistemas Abertos ...................................................................... 205
6.8 Exercícios Propostos ................................. , ................................................ 209
Apêndice 1 -Anunciadores de Alarmcs ............................................................. 21 ·1
AI .1 Introdução ................... ,. .......................................................................... 211
A 1.2 Retenção ..................................................................................................
21.3
A 1.3 Seqüência com Rearme Automático ........................................................... 214
A 1.4 Seqüênc.ia com Rearme Manual ............................................................. 214
A 1.5 SeqLiência com Rechamada ................................................................... 215
/\ 1.6 Seqüência com Indicação de Primeira Ocorrência ............................... 21 5
Apêndice 2 - O Padrão Internacional IEC 1131-3 ........................................... 217
/\2.1 Introdução ............................................................................................... 217
A2.2 Características IEC 1 1 .31-3 ...................................................................... 218
A2.3 Configuração de Enrlereçamento cm Rede ................... ., ......................... 219
A2.4 Exemplos de Rlocos de Funções .............................................................. 224
Apêndice 3 - Protocolo de Comunicação Profibus .... ~ ................... .................. 225
A.3.1 Introdução ................................................................................................ 225
A.3 2 Ciracterísticas do Protocolo ................................................................... 225
AL3 A í'amília Profibus ................................................................................... 227
1 .1 lntroduç5o
1.2 A importância de um Invento
1.3 A Revolução lnJu,lrial
L.l .1 Na Inglaterra
1.3.2 A Contribuição Norte-Americana
1.1 1 NTRODUÇÃO
1.4 A [volução cio Controle Industrial
1.5 A Tecnologia da lnforrn.1<;ão
1.6 A Automação Industrial
1.7 A Maldii,cão do Emprego d<i Máquina
1 .8 Ex"rcicios l'ropostos
A palavra controle, de origem francesa (contrôler), denota o J!o ou poder de
exercer domínio, fisc<Jlizar, supervisisonar, manter o equilíbrio. Esta compreensão
é milenar e sempre foi alvo da consecuc;.5o de objetivos comuns de uma naç:ío,
região ou comunidilde como um todo .. Variavelmente encontrada como um trunfo
na mcnle do indivíduo: controlar para não ser controlado
O con1role, na escala tecnológica, assume papel primordial e decisivo
dentre os modelos e processos existentes, sejam eles simples, modestos, robuslos
ou de extrema complexidade no plano das aç.ôes. O controle discreto que se está
preconizando, é finito, de valores absolutos, coerentes com tecnologias citadas
neste livro, entretanto, vale estender este conceito buscando as origens e as
necessidades de seu emprego, caracterizando assim sua real importância.
A necessidade de controlar processos dá origem :Js técnicas de controle, que
também não se constituem novidades nos tempos modernos. Observe a figura 1. 1
na qual o controle ele nível de uma barragem era feito de forma ainda rudimentar.
Figura 1.1 - Histórico
A arte de controlar é tão antiga
quanto as ner.essidades humanas de
desenvolver seus próprios sentidos.
Mesmo não dispondo de grandes
tecnologias, o homem mantinha a
qualidade em seus artcfatos e
desenvolvia projetos c(icaxes
direcionados ao controle de suas
exigências.
Automação lndustra/: Uma Retrospcr:tiva Histórico-Social
Para que se possa entender a evolução desse processo, é preciso compreender
seu contexto histórico e económico. F;:iz-se necessário citar quais for~un ;:is principais
transformações que modificaram brutalmete a divisão social do trabalho,
decorrentes de inventos que marcaram profundamente os dois últimos séculos, bem
como o estabelecimento de paradigmas que se construíram cm torno do "emprego",
principalmente após a primeira grande revolução industrial.
A fim de que se possam tirar conclusões factuais da verdildeira revolução
industrial a qual se pass;:i nesta virada de sérnlo, e se consiga definir um novo
perfil para o trabalho e emprego de sua mão-de-obra, diante das opções de
controle de um sistema automático que evoluiu para o conceito do que se
conhece hoje como automa,;ão, urn breve histórico de corno o mundo resistiu
a tais lransformações tecnológicas lorna-se fundamental.
1.2 A IMPORTÂNCIA DE UM INVENTO
Os inventos produzidos pela humanidade sempre trouxeram, além da grande
dúvida de suas conseqüências e impacto social, um estilo de vida decorrente de
novos hábitos assumidos diante de novos desafios e necessidades. O homem
sempre buscou simplificar seu trabalho de forma a substituir o esforço brac;;il por
outros meios e mecanismos, sendo que o seu tempo disponível para outros ;ifazeres
seja mais bem-empregado e valorizado nas atividades do intelecto, das artes, lazer,
pesquisa ou simplesmente no gozo de novas formas de entretenimento.
Desde a primeira utilização da roda de que há conhecimento, ocorrida na
Ásia entre 3.500 e 3.200 a.C., o mundo vem procurando "controlar e otimizar"
o tempo. Aprendeu, com o decorrer da história, que criar novos modelos ou
mesmo novas máquinas dar-lhe-i<i a chave para o sucesso, a consecução de
objetivos de forma muito mais rápida. Porém, su;:is descobertas também
puderam significar urn certo atraso quando suas. c;onquistas na ciência foram
usadas de forma incorreta e inconseqtiente, corno é o caso do emprego da
tecnologia no advento dos dispositivos de estado sólido' forlalecendo a
parafernália elelrônic;:i utilizada para fins bélicos.
Com a promessa pautada na esperanç·;i da melhoria da qualidade de vida
de seus descendentes, outro tipo de retrocesso que pode trazer conseqiiências
sociais desastrosas é verificado por meio do desemprego imediato, mesmo
sendo este um efeito gerado de form;i temporária.
2
Cristai.' reguladores de fluxo de corrente pur meio da técnica de dopagcm de matctiais
scn1icondutorcs.
Aulomação e Controle DiscrelU
As gr;mdes descobertas trouxeram riquezas e marcaram época, como por
exemplo: os moinhos de água cm 1086, na Inglaterra ao sul do rio Trent que
somavam um lotai de Sf,24 postos para produzir energia de forma
revolucionária e barata. Sendo urna época em que a porulação era de
aproximadamente um quinto da <Jlual, seu crescimento demogrMico só pode
ser verificado, entre outros fatores, JJela geração de empregos decorrentes do
desenvolvimento de novJs tecnologias.
Os moinhos foram criados, inicialmente, para moer ce1 eais, contudo
conduziram à mecanização de muitos outros processos, tais como: trabalho
com metais, elevação de 5gua para irrigar os campos e abastecer grandes
povoados, serrarias e britagern de minério.
A invenção do estribo, criado na China, veio para fortalecer a montaria de
um guerreiro na busca de suas conquistas. Ofereceu ao sistema feudal a
importância de uma cJv?laria no domínio do poder político.
O arado foi, sem dúvida, <J maior invenção para as atividades primar1<Js
desenvolvidas no século VIL Permitia uma economia de tempo no corte do solo
para a fixação de raízes mais fortes, além de ser responsável pela formação de
sociedades entre famílias para o melhor aproveitamento dos animais (que sempre
foram utilizados, desde a Grécia antiga, para mover máquinas simples, permitindo
ao homem executar tarefas rnais especializadas e difíceis), que puxavam o arado,
de forma a sustentarem um novo sistema senhorial b<Jseado em conselhos de
aldeias necessárias para gerenciar a ação de distribuiç.ão de terras. Lembrando que
a cultura agrícola mediterrânica era do tipo individualista ..
A descoberta da agulha magnética tornou víavel a nevegação de longo
curso, sendo possível viagens de exploração que iriam ampliar novos horizontes
e trazer outras fontes de riqueza em terras desconhecidas.
A agricultura é a responsável pelo crescimento de pequenos povoados e
oficinas de atividades artesanais. Bens industriais são fabricados em pequenas
oficinas comandados por artesãos e seus familiares. A estrutura agrícola, com a
utilização da enxada, da gadanha e do mangual2, caracteriza-se como uma
atividade
artesanal.
Gadanha é uma espécie de ancinho, de cabo longo e dotado de uma g1andc t1avessa dentada
de feno utilizado pa1a airasta1 estrume e outros serviços ag1icolas Mangual é um instrumento
que serve para malhar cercais, composto de dois paus (o mango e o pcrtigo) ligados por uma
correia.
Automação lnduslral: Uma Retrospecliva Histórico-Social 3
Já a invenção da máquina a vapor, pelo físico e engenheiro escocês James
Watt, em 1781, foi sem dúvida a principal responsável pelo êxodo rural, dando
origem a grandes aglomerações urbanas, as quais são conhecidas, hoje, como
grandes metrópoles. Lembrando que em meados do século XVIII a sociedade
ainda era essencialmente agrícola~
Até se chegar ao nível de automação1 que se verifica hoje na indústria
moderna, com seus diferentes níveis hierárquicos e diferentes técnicas de
controle, preconizando a terceira revolução industrial do fim do século, tem-se
que entender um pouco das implicações que as outras duas revoluções
industriais tiveram no impacto social produzido a partir de inúmeros inventos e
descobertas que a humanidade fez ou produziu em sua existência. A cada
invenção o homem desencadeava um processo de desenvolvimento, descobria
novos papéis na sociedade e redefinia suas novas necessidades, e é por este
motivo que a maior dessas necessidades talvez tenha sido: a primeira Revolução
Industrial, também conhecida como a "revolução das máquinas".
1.3 A REVOLUÇÃO INDUSTRIAL
A Revolução Industrial estabeleceu um marco transitório de uma sociedade,
predominantemente, agrícola e organizada na produção de bens de consumo de
forma artesanal, para uma sociedade, industrialmente, mais produtiva, voltada ao
consumo e organizada dentro de um novo modelo econômico de sucesso
financeiro, associados às novas técnicas contábeis e ao mercado de capitais. Uma
sociedade comprometida com os avanços tecnológicos, pautados no aumento de
qualidade de vida e o surgimento de novas frentes de trabalho juntamente com as
diferenças sociais cada vez mais acentuadas.
A Revolução Industrial teve início na Inglaterra, em meados do século XVIII.
Caracterizou-se, basicamente, pela introdução de máquinas simples que surgiram
para a substituição da força muscular pela mecânica e tarefas repetitivas executadas
pelo homem. Com efeito, essas atividades produtiva's passaram por urna evolução
mais rápida, dando origem, na Inglaterra, à era industrial.
Segundo Jean Fourastié os setores de atividades podem ser classificados
em três grandes categorias: primárias.. - atividades do tipo agrícola; s.ccundáriél.'i_-
atividades industriais; teu:iári.as_ - prestação de serviços, como o ensino, as artes,
consultorias, corte e costura, entre outros. A distribuição da ocupação de mão-
Conceito introduzido nos Estados Unidos em 1946
4 Automação e Controle Discreto
-de-obra antes da revolução era basicamente centrada nas atividades pr imanas
ver figura 1.2), sendo que a atividade produtiva ainda era lenta sem muita
técnica e, conseqüenlemente, o controle na produção era feito de forma
singular, não havia a preocupação com a produtividarle, termo que iria surgir
posteriormente, com a era industrial em franca expansão.
Ocupação de Mão-de-Obra
90 1700 1800 Ano 1900 2000
80
~
;;: 70
·liso
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---- --
--. -
L Atividade Pnmária - - - • Atividade s~_::j
- - -- Atividade Terciária
···-- . . . .... ________
Figura 1.2 - Gráfico de Tendência de ocupação de mtío-de-obra.
Importante observar que a ativirlade terciária passou a crescer a partir de
1800 efetivamente, juntamente com a queda na agricultura, sendo que a
tendência atual é o constante crescimento para as atividades relacionadas às
prestações de serviço. O gráfico da figura 1.2 pode servir como ponto de análise
para confirmar a influência dessa revolução industrial diante das novas
necessidades de competitividade da sociedade aluai. Com a separação dos
fatores de produção em "capital" e "trabalho", as novas técnicas contábeis e o
novo conceito de mercado de capitais originaram as bases da teoria económica,
que moldaram o mundo no século XX. É importante ressaltar que no final deste
século, uma nova relação sócio-econômica de trabalho é estabelecida por meio
da tecnologia da informação4 , explorada no item 1 .5 deste capítulo.
Existem, basicamente, dois tipos de indústria: a extrativista, quando o
agente se limita a extrair da natureza substâncias úteis, sem alterar sua estrutura;
A sociedade vivencia um momento de mudança de paradigma tecnológico e histórico,
período caracterizado pela ocorrência de mudanças capazes de afetar as técnicas e os
processos de produção, como também, alterar as relações de mercado, além de modificar
radicalmente as formas de organizaç,'io social e de provocar uma descontinuidade no .statu5
quo político, económico e cultural de parte significativa da humanidade,
AutomaçfüJ lndustral: 1 lma Retrospectiva Histórico-Social 5
e aquela compreendida corno um conjunto de operações ralizadas pelo homem
para transformar matérias-primas em bens de produção e consumo, conhecida
como a indústria de transformação, que nasceu e se desenvolveu graças à
divisão social do trabalho como consequência dessa primeira revolução das
máquinas, que separou as atividades industriais das agrícolas. O termo "mão-de-
-obra" se constitui um marco histórico na denominação do elemento humano
como força de trabalho dentro do modelo industrial vigente.
1.3.1 NA INGLATERRA
A condição sócio-econômica na Inglaterra nos anos que antecederam a
grande revolução, era de uma popula\·ão distribuída em aldeias, fazendas e
pequenas propriedades rurais. Dedicados à lavoura, as técnicas de cultivo eram
rudimentares, as técnicas de produção de alimentos eram desconhecidas, o
ciclo produtivo ainda era pequeno e o padrão de vida era baixo.
Com urna agricultura típica de subsistência, o grande alicerce da
prosperidade inglesa era a manufatura da lã, na produção de fios e tecidos.
Todo o processo de beneficiamento da lã era feito artesanalmente, em pequenas
oficinas, na própria casa do artesão, o qual era chamado de "mestre tecelão".
Os grandes tecelões habitavam em aldeias ou no campo, cultivavam para
subsistir, manufaturavam os tecidos de lã, que os vestiam, e satisfaziam suas
demais necessidades com a venda dos produtos por eles manufaturados.
Realizavam seus negócios com recursos próprios, mantinham a família como
centro e fornecedora de mão-de-obra, e possuíam empregados que eram
denominados artesãos e aprendizes.
Aprendizes e artesãos se alimentavam e dormiam na casa de seu mestre;
desenvolviam, portanto, com o passar dos tempos, um laço afetivo. As
condições sócio-econômicas da época determinavam que os trabalhadores
tivessem um único emprego. Era comum um artesão morrer no mesmo lugar
onde nascera, pois passava a trabalhar numa mesma casa para uma única
família durante toda a sua vida, ganhavam muito pouco e não tinham direitos a
urna reivindicação salarial mais justa pela greve. Viviam como servo-cidadãos.
Com a chegada das máquinas, aldeias transformaram-se em vilas, vilas em
cidades e a manufatura foi transferida das tranqüilas propriedades rurais para as
fábricas. O rompimento com o velho mundo para um salto histórico sem
precedentes para o desconhecido.
6 Automação e Controle Discreto
Costuma-se dizer que a invenç·ão de três tipos de máquinas marcou esse
período de transição da revolução industrial, destruindo o velho mundo e
ajudando a construir o novo mundo. São elas:
1. Máquina de fiação,
2. Tear mecânico e
3. Motor
a vapor.
Foi na Idade Média que passou-se a utilizar a roda de fiar, uma roca e um
fuso. Uma roda de fiar mais aperfeiçoada surge na Saxônia, atual região ao leste
da Alemanha, no século XV. Depois veio a lançadeira volante, inventada em
1733, pelo tecelão inglês John Day, e por volta de 1767, James Hargrcaves,
tecelão inglês do Lancashire, construiu uma máquina que fiava o fio
simultaneamente em oito fusos, denominada máquina de fiar rotativa. Essa
máquina possuía a manivela e fiava oito fios simultaneamente, porém, após ler
sido destruída por seus colegas fiandeiros, que temiam perder o trabalho por
causa da máquina, construiu posteriormente uma com 16 fusos, que substituía o
trabalho que era executado por 100 homens, com roda que até uma criança
poderia operar. Esse evento deu início aos primeiros passos de uma produc:,ão
, • .5
em sene.
Em 1769, Richard Arkwright, , um inventor inglês considerado como um
dos precursores das técnicas de produção em série, acelerou o processo de
industrialização utilizando a força da água corrente para a movimentação de
uma máquina de tecer. Com uma máquina movida por urna correia acionada
por uma roda hidráulica, estava criado o tear mecânico. Dentro de urna
evolução histórica, o tear mecânico foi aperfeiçoado por Samuel Crompton em
1779, podendo contar com 48 fusos e em 1828, com o surgimento da fiadoura
de anéis, a quantidade de fusos chega ao número fantástico de 1000.
A máquina criada por Arkwright era robusta e cara para o tecelão comum.
Os mestres tecelões passaram a fomentar grandes sociedades e juntaram vários
teares num único local de trabalho, havendo uma grande concentração de
máquinas, dando origem às Indústrias, e aos poucos foram mudando os hábitos
do trabalho. Foram instituídas as jornadas de trabalho e o trabalhador passou a
morar num local e a trabalhar em outro.
Método revolucionário empregado por Henry Ford, conhecido como pai da indústria
automobilíslica norte-americana, que originou-se das linhas de produção e permitia maior
rapidez nas montagens de automóveis. Em 1909, produziam-se 2000 carros por mês nas
linhas de montagem da fábrica em Detroit.
Automação lndustral: Uma Retrospectiva Histórico-Social 7
A mecanização foi, principalmente entre 1811 e ·1816, duramente
combatida pelos operários têxteis, que se mostravam indignados com a
ocupação da máquina pelo homem. Além de perderem seus negócios nas
fábricas, uma vez que alguns gozavam de trabalho próprio, eram obrigados a
dividir o campo de trabalho com homens não especializados, e como o trabalho
na indústria não era tão pesado, o ingresso de mulheres e crianças tornava-se
mais freqüente.
Nos tempos atuais, a indústria têxtil se modernizou, possibilitando um
maior nível de controle durante todas as etapas do processo de beneficiamento
de fibras de um modo geral. O fluxo de materiais durante as etapas do
beneficiamento é regulado e ajustado ele modo integrado. O transporte de
material é supervisionado; toda a limpeza é feita com um controle rígido dentro
dos padrões de qualidade exigidos. As instalações misturadoras de flocos, nas
quais se misturam fibras sintéticas, como o algodão, fibras minerais e residuais,
são feitas de modo a obterem misturas exatas e mais homogêneas para a fiação.
O pentear das fibras, necessário no século XVIII para dispô-las paralelamente e
providenciar uma limpeza contínua, processo conhecido como cardação,
modernizou-se e passou a incorporar soluções inovadoras como ajustagem
servo-automática da quantidade de resíduos durante a produção, baixo índice
de manutenção, alto rendimento e conseqüente maior disponibilidade da
máquina, sistema de comunicação de dados da produção integrada, comando
automático, flexibilidade de projetos quanto ao layout de instalação, operações
simplificadas, visualização e supervisão do processo, entre outras.
O primeiro motor a vapor foi criado em 1712, pelo ferreiro Thomas
Newcomen. Era de baixa potência e utilizado para tirar água das minas de
carvão. Um dos motores de Newcomen fora parar na oficina do escocês e
fabricante de instrumentos James Watt para conserto, e foi então que Watt
constatou que tal máquina poderia ser muito mais eficiente. A partir de então, a
verdadeira máquina a vapor tinha sido inventada.
A máquina a vapor foi a principal responsável pela transformação social
dessa época tecnológica, contribuindo para qu€ a Inglaterra se solidificasse
como um país industrializado. Com os motores de Watt e o aperfeiçoamento
das técnicas do beneficiamento do ferro e aço, a Revolução Industrial era um
fato consumado e a Inglaterra se torna a fábrica do mundo no século XIX. Um
aumento demográfico torna-se constante ao redor das cidades que se formaram
perto das fábricas. A própria agricultura adquire novas técnicas de produção e
controle. Depois das máquinas a vapor, são os motores de explosão e
combustão interna e a energia elétrica que dão origem a novos
desenvolvimentos industriais.
8 Automaç;lo e Controle Oiscrelo
Mesmo que não tivesse esse intuito, a civilização prometida pela
maquinaria foi sustentada pela exploração de mão-de-obra, miséria do
proletariado e moradias sub-humanas. Com a maior parte da população vivendo
na indigência e miséria absoluta, a classe proletariada sendo escravizada em
seus trabalhos, mulheres e crianças sendo exploradas, os problemas decorrentes
do capitalismo tornaram-se insuportáveis e foi assim que a supremacia inglesa
surgia no cenário mundial.
Com a utilização de mão-de-obra infantil e feminina nas fábricas,
explodiu, na Inglaterra, um sentimento de revolta popular o qual culminou em
importantes leis estabelecidas para regulamentação dos direitos do trabalho.
Esse pacote de medidas adotadas pelo governo da época caracterizou a
"reforma", evitando-se assim uma revolução civil sangrenta como a que se
verificou na França anos mais tarde. Tais medidas vieram a somar com outras,
que também representaram ganhos conquistados ao longo de todo o processo
de mecanização, tais como: proibição de empregar menores de nove anos;
redução da jornada de trabalho para as crianças maiores de idade, estimulando
e providenciando sua escolaridade; proibido o trabalho da mulher em minas de
carvão; entre outras. Surgem, no século XIX, as primeiras organizações sindicais.
1.3.2 A CONTRIBUIÇÃO NORTE·AMERICANA
O contexto sócio-econômico norte-americano não se diferencia muito
daquele apresentado pela sociedade inglesa do século XVIII; o artesão
especializado trabalhava em sua oficina. Quem possuia posses importava
roupas da Inglaterra e quem não possuía dinheiro, tecia seu próprio fio de
algodão e fazia suas próprias roupas. O objetivo do trabalho era a satisfação das
modestas necessidades de uma Nação essencialmente agrícola.
Os navios americanos transportavam algodão, linho, madeira, fumo e lã
para a Europa e retornavam com produtos industrializados. Até que, no início
do século XIX, França e Inglaterra entram em guerra ameaçando a frota
mercante americana. Thomas Jeferson1', que outrora acreditava que a América
eslava destinada a permanecer uma terra de fazendeiros e negociantes élluando
na importação exportação por via marítima, rapidamente fortalece a idéia da
industrialização norte--amcricana. Em retaliação, os Estados Unidos decretaram
embargo às importações de produtos vindos da Europa.
Estadista norte-americano que se tornou o principal redator da declaração de independência
(/ 776) dos EUA. Constituiu-se o terceiro presidente americano (1801-1 {J()'))
Automação lndustral: Uma Retrospectiva Histórico-Social 9
Acontecimentos que alavancaram a industrialização
norte-americana
.! 179 f, Samuel 5/ater aos 20 anos de idade embarca para Nova York e
reproduz uma máquina para fiação de algod,'io .
.! 1798, o conceito de fabricar peças de reposição
de forma permut/1vel
e intercambiável para promover uma manutenção rápida e adequada,
torna-se uma realidade por meio de peças de reposição de um
mosquete apresentado ao secretário do tesouro norte-americano por
Eli Whitney .
.! 7 8 7 3, a família Louro de Muschuster cumpre um papel importante
dando o primeiro passo para a industrialização daquele país q~tando
da inaugiiraç,fo de sua fábrica têxtil .
.! 7 8 7 41 etapas de produ~·ão são realizados num mesmo local de
trabalho, possibilitando a confecção do produto acabado em uma
única fábrica, além de empreendimentos grandiosos. Grandes
investimentos são direcionados neste sentido, poi5 a América não
tinha tradição em promover "quebra" financeira; a capacidade fluvial
para movimentar v,irios teares era imensa; na Inglaterra, a força
hidr,íulica ficou dividida em pequenas quotas e as empresas eram
fadadas a continuar pequenas .
.! As cidades começ-am a crescer e o êxodo rural se intensifica .
.! !?evolução na área dos transportes se verifica pata que o produto
industrializado possa chegar até o consumidor mais afastado .
.! 7 8601 consolida1,,1o da indústria americana. Processo que durou
aproximadamente .50 anos.
Enquanto isto, . • . no Brasil
Quando da descoberta do Brasil, o rn'undo respirava o apogeu
Mercantilista, isto é, dos grandes negócios, das iniciativas arrojadas. E o Brasil
participou desse momento histórico por meio da expl.or:açãD_~_.suas_riquezas
natur..a.is, despindo-se do que ele possuía, para o comércio no "mundo
civilizado".
Na época colonial, o progresso da técnica e da indústria foi muito
reduzido, não indo além de realizações indispensáveis e corno que
natwalmente obrigatórias, tais corno: aquelas encontradas na produção do
Automação e Controle Discreto
açúcar; em alguma fundiç:ão de ferro; na fabricação de tecidos de algodão e no
aproveitamento da madeira.
As fábricas, insuficientes para o mercado luso-brasileiro, haviam sido
proibidas por alvará régio de 1785, que visava proteger as manufaturas
portuguesas. Tal alvará foi revogado no início do século XIX, por D. João VI,
visando ao desenvolvimento industrial, quando de sua vinda ao Brasil.
Tentou-se desenvolver, inicialmente, a indústria siderúrgica, mas apesar
do início promissor, não prosperou por falta de mercado suficiente, como
conseqüência do declínio da mineração.
As exportações da indústria têxtil nacional foram atingidas pelas fortes
quedas dos preços dos tecidos ingleses, beneficiados pelas fracas tarifas de
importação impostas pela Inglaterra. A indústria têxtil só foi se estabelecer, ao
norte do país, por volta de 1844, quando do momento econômico ascendente
do café, e mesmo assim, foi abatida pela crise inflacionária que atingiu o mundo
em 1850.
O país continuava essencialmente agrícola, inteiramente entregue às leis
inflexíveis das estações, sendo que o aumento de produção também não se
verificaria pelo emprego de novas técnicas de cultivo, oriundas de avanços
tecnológicos para o setor, pois tal desenvolvimento é lento.
Com a crise na lavoma em 1880, com a diminuição das safras de açúcar e
de algodão, baixando o preço do café, observa-se um surto industrial e, em
1882, é formada uma associação em prol da industrialização no Brasil.
Para que se possa verificar o atraso do nível de industrialização na
América Latina em relação ao resto do mundo, basta observar urna das
conseqüências sociais e econômicas provocadas pela mecanização e evolução
técnica do século XVIII, no que diz respeito à distribuição da atividade agrícola
da população ativa de alguns países.
1750
J820
1950
1965
EúA •, Jür'opa Ç~nfr~1 · ·::AinêriêaÜtina ··
Tabela 1.1. Distribuição da população ativa segundo a atividade primáría.
Automação lndustral: Uma R.elrospectiva Histórico-Social 11
Observa-se na América Latina que, em quase dois séculos (1750-1965),
ocorreu um êxodo rural de apenas 10% na população ativa, provando que
naqueles países a atividade agrícola foi predominante nesse período, observando
um desenvolvimento industrial praticamente inexistente. É importante frisar que,
por fontes históricas, o Brasil durante a última fase do reinado de O. Pedro 11, em
1872, contava com um percentual de analfabetos estimado em quase 70°/.,, num
país com 1 O milhões de habitantes aproximadamente.
Certas datas tornaram-se importantes na caminhadél para o despertar da
industrialização. Observe algumas delas:
.1 1888, libertação da escravatura. O Brasil conhecia seu segundo grilo
de independência e se estabelecia aqui, uma nova relaçc'ío entre
empregado e empregador .
.1 1889, proclamada a República, iniciam-se os investimentos externo.s,
empréstimos e facilidades de obtenção de crédito. A reforma da
educação tão prometida pelo estado provisório foi frustada pelo descaso
com que seus dirigentes desenvolveram seu plano de governo .
.1 1914- 18, com a / Guerra Mundial acentuou-se o desenvolvimento
industrial no sul do País .
.1 J 939-4S, depois da li Guerra Mundial é que se toma impulso decisivo
para a industrialização favorecida pelo controle relativo às importações
ocorridas por meio de grandes inversões de capitais e mão-de-obra,
juntamente com a consolidação do modo de produç,fo capitalista,
favorecido pela nova restruturação ocorrida na estrutura social vigente.
À medida que o processo produtivo passou a exigir urna maior
qualificação e diversificação da força de trabalho, foi proposto pela constituição
de 1937 em seu artigo 129, como "dever das indústrias e dos -sindicatos
económicos uiar, na esfera de sua especialidade, escolas de aprendizes
destinadas aos filhos de oprerários e de seus associados". Desta forma, foi
assumida pelos empresários a formação do trabalhador industrial por meio da
criação do Senai - Serviço Nacional de Aprendi;".agem em 1942, e do Senac -
Serviço Nacional de Aprendizagem_ Comercial em 1946.
A industrialização brasileira decolou de maneira concreta no governo de
Juscelino Kubitschek ( 1955-60) que tornava o sonho brasileiro em realidade.
Uma política protecionista foi essencial para que o Brasil pudesse
definitivamente, industrializar-se. Foram contidas as importações estimulando as
exportações, representando um acréscimo na balança comercial que gerava
empregos e mantinha a moeda estável. Pode-se dizer que a industrialização do ·
Brasil se desenvolveu somente nas últimas cinco décadas do século XX.
12 Automação e Controle Discreto
1.4 A EVOLUÇÃO DO CONTROLE INDUSTRIAL
Aos primeiros reguladores mecânicos do tipo desenvolvido por James
Watt, 1788, seguiram-se a instrumentação e reguladores do tipo pneumático7 e
hidráulicoº e, após as guerras mundiais, do tipo eletrônico com tecnologia
analógica.
Desde a construção de máquinas simples e da consequente mecanização,
a partir de 1770, somente no século XIX é que surgiram os mecanismos
automáticos fixos e as linhas de montagem para a produção em massa.
Com o decorrer das necessidades da própria evolução, foram
desenvolvidas máquinas-ferramentas9 com controle automático simples para
executarem uma seqüência simples de operação. Em 1950, tais máquinas são
comandadas por circuitos transistorizados e, em 1960, por computadores,
passando a trabalhar segundo instruções codificadas que lhes são transmitidas
por fita perfurada ou fitas magnéticas.
Uma das primeiras mc'lquinas-fe1 ramentas que se tem notícia é o Torno de
abrir roscas, inventado cm 1 568, pelo engenheiro francês Jacques Besson.
Mesmo sendo primitivo, o torno abria mscas de parafusos com razoável
precisão.
O motor a vapor não teria tido tanto sucesso em sua época, se não fosse o
projeto do técnico de siderurgia inglês, John Wilkinson, em 1775, para
aperfeiçoar uma máquina de mandrilar cilindros, de tal modo que os cilindms
mandrilados e furados
com precisão faziam com que as máquinas a vapor
desenvolvessem maior potência associada a uma economia de combustível.
O desenvolvimento de todos os equipamentos dos quais depende a
civilização moderna não aconteceria caso as mc'lquinas-ferramentas de precisão
1 ipo de acionamento que se uciliza da energia do ar comprimido. /\ partir de 1950, foi
utilizado pela primeira vez industrialmente, e hoje é largamente empregado. Po.ssui haixa
controlabilidade de eventos, uma vez que possui elevado tempo ele resposta. Não siio
po/11entes.
Tipo ele acionamento q11e se utiliza da energia do escoamento de {/uidos. Sua principal
característica é a de posSL1ir elevado torquc de saída, porém possui baixa velocidade e baixa
controlabilidade.
Máquinas-ferramentas, ou máquinas opcratrizes, constituem-se artcfatos que dão forma ao5
materiais por corte, esmerilamento, martelagem, furação, torneamento, polimento, fresagem,
soldagem, entre outros.
------------
Automaçiío lndustral: Uma Rctrospectiva 1-Iislórico--Social 13
não fossem empregadas nas inúmeras fábricas dos mais diferentes ramos de
atividades que se conhece atualmente. A aplicação de tais ferramentas na
indústria m1uou-se nos Estados Unidos pelo inventor Eli Whitney,
desenvolvendo o conceito e a necessidade de produzir peças de reposição para
a fabricação de mosquetes. Peças permutáveis e intercambiáveis eram geradas
de forma idêntica por meio de uma máquina-ferramenta, possibilitando um
aumento na produção de mosquetes, uma vez que tais espingardas poderiam ser
fabricadas sem a necessidade de um artesão, além de sua fácil manutenção
dada a possibilidade de troca rápida da peça defeituosa.
O Controle Numérico
A máquina-ferramenta foi aprimorada até a concepção do comando
numérico - CN. Tais máquinas são comandadas numericamente e viabilizam a
fabricação, em pequenos e variados lotes, de peças com geometrias muito
complexas por meio do recurso de programaç·ão eletrônica das seqüências de
usinagem. O controle numérico ocorreu no início da década de 50,
propiciando o desenvolvimento na indústria manufatureira e foi a partir de
1952, por meio de importantes pesquisas desenvolvidas pelos institutos de
tecnologia no mundo, como por exemplo: projeto desenvolvido pelo Instituto de
Tecnologia de Massachusetts - MIT que usava uma fresadora de três eixos para
demonstrar o protótipo de um comando numérico. Uma nova era abre-se para a
automação industrial.
Constituindo-se um sistema em que as ações são controladas pela
aplicação direta de dados numéricos em algum ponto, segundo o EIA (Eletronic
Industries Association - Associação de Indústrias Eletrônicas dos EUA), na
indústria moderna, as máquinas-ferramentas automáticas estão presentes sempre
que um sistema autômato (ou sistemas automáticos) se faz presente no processo
de produção. No Brasil, o primeiro torno fabricado por controle numérico data
de 1971 pela ROMI.
O princípio de funcionamento de um co~ando nurnerico consiste no
recebimento de um programa pela unidade de entrada, na leitura, interpretação,
armazenamento e sua execução. A extensão lógica do controle numérico, com
o advento dos microprocessadores10, foi o controle numérico computadorizado -
CNC, voltado para máquinas-ferramentas e máquinas operatrizes. Tal comando
propicia uma maior uniformidade e usinagem de maior complexidade,
reduzindo os tempos improdutivos utilizando todos os recursos das máquinas.
10 Os primeiros microprocessadores foram produzidos pela American Intel Corporation e a
Iexas lnstrnments em 1971.
14 Automação e Controle Discreto
O processo de geração de movimentos coordenados nos eixos das
máquinas é conduzido de tal forma, que a ferramenta desenvolve uma
determinada trajetória por interpolação via hardware (a m<'iquina recebe um
circuito dedicado, acoplado externamente ao CNC), ou via software (realizado
por meio de rotinas de programação com algoritmos complexos).
Os Robôs
Simultaneamente às máquinas ele controle numérico, foram desenvolvidos
os robôs, palavra esta, aportuguesada do Inglês Robot, que possui sua origem na
palavra lcheca robota, que significa "servidão ao trabalhador forçado". Parte
integrante da automação, a robótica se tornou urna das suas áreas mais
fascinantes. Historicamente, sempre se imprimiu aos robôs uma aparência
humana, inspirada dentro da ficç·ão científica pelas novelas, filmes, livros e
peças teatrais. Tão logo os robôs adentraram as portas industriais, substituiu-se
essa visão popular por uma máquina de um só braço, operando, muitas vezes,
em locais fixos e de aparência robusta.
A robótica pertence ao tipo de automação __ prngramávd que possui
características de adaptabilidade ao produto, ou seja, torna o processo capaz de
ser reprograrnado quando as especificações técnicas de fabricação de um artefato
sofrem qualquer tipo de alteração. Tal característica de sistemas autômatos se
verifica quando o volume de produção é relativamente baixo e há uma variedade
de produtos a serem fabricados. Como exemplo de dispositivo de controle
utilizado cm processos com essa característica, também conhecido corno
processo por batel ada, encontra-se o controlador programável. A saber, existem,
basicamente, outros dois tipos característicos de sistemas de automação: a
automação fixa e a automação flexível, ambas definidas no item 1.6.
Por meio da Associação Industrial de Robótica, a Robotíc Industrial
Assocíatíon - RIA, a definição estabelecida para um robô é a de um
"manipulador reprogramável, rnultifuncional, projetado para mover materiais,
peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis
programados para a realização de urna variedade de tarefas", tais corno:
carregamento, descarregamento de máquinas e peças, soldagem por pontos e
pintura à pistola ou por jateamento.
Dentro de urna pequena contextualização histórica, em 1959, a Planet
Corporatíon norte-americana, introduz o primeiro robô comercial controlado
por chaves fins-de-curso e carnes. Na indústria, em 1960, a Ford Motor
Company incorpora ao seu processo de produção o robô Unimate, produzido
para atender a urna máquina de fundição sob pressão. O SRI (Stanfor Research
Automação lndustral: Uma Retrospectíva /-fístórico-Socíal 15
/nstitule), em 1968, desenvolve seu primeiro robô móvel, desenvolvendo, em
197.3, a primeira linguagem de programação em computador para robôs,
denominada Wave, seguida da linguagem AL, em 197 4. Uma das primeiras
aplicações de um robô em uma operação de montagem aconteceu na Olivetti,
pelo projeto Sigma. É exatamente durante a década de 70 que os robôs se
tornam uma realidade concreta na indústria e se multiplicam em todas as áreas
do conhecimento e do trabalho.
Os robôs são considerados como uma evolução da máquina de controle
numérico. São constituídos, basicamente, por uma unidadc__de__i:runando, que é a
parte constituinte do sistema de controle, geralmente programada por meio de um
computador industrial (computadores mais robustos e imunes às adversidades do
ambiente industrial), um controlador programável (visto no capítulo 03), ou por
uma máquina CN; atuadores, que são dispositivos que transformam sinais elétricos
em ações efetivas a serem executadas, geralmente representados por motores,
acionadores hidráulicos e pneumáticos; est111tur:<:L_t:11ecâoica, conferindo-lhes
robustez e suporte p<ira os seus movimentos, de um modo gemi é esta a parle que
define o grau de liberdade de um robô, estabelecendo o número de movimentos
efetuados; sens.ores, de um modo geral são elementos responsáveis pela precisão de
seus movimentos, determinando sua posição espacial e relativa, além da
monitoração de variáveis ambientais, Lais como: pressão e umidade, também
monitoram o nível de temperatura interna e externa.
Existem quatro grandes grupos de classificação
em que os robôs são
customizados, ou seja, construídos de acordo com a aplicação específica:
1. Manipuladores - possuem articulação de encaixe em seus pontos
terminais para manipulação. Atuam como integradores, posiciona-
dores ou até transportadores de objetos.
2. Transporte . possuem sistemas de locomoção para sua movimentação.
Atuam como veículos teleguiados (Automatic Guided Vehicle -AGV).
3. Medição - destinados a aferições finas, são dotados de sensores de alta
precisão em seus terminais.
4. Interventores - indicados para operarem em lugares de difícil acesso. São
utilizados para substituírem o homem e~ tarefas que ofereçam riscos.
O Processo Industrial
Existem, basicamente, dois tipos de processos industriais, segundo a
manipulação das variáveis a serem controladas. Quando tais variáveis são, em
sua grande maioria, do tipo analógicas, ou de tempo contínuo, tem-se um
processo do tipo contínuo; caso as variáveis sejam do tipo discreta, ou digital,
tem-se um processo do tipo discreto.
16 Automação e Controle Discreto
Genericamente, rode-se definir um processo como sendo:
.! Processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho e do capital
para transformar a matéria-prima cm bens de produção e consumo,
por meios e lécnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto,
atingindo o objetivo de negócio.
lncll'1strias que se caracterizam pelo controle de processo do tipo discreto, são
as indLístrias manufatureiras, de fabricação por lote, cujo maior expoente é a
indL'1slria automobilística. lndtístrias que se caracterizam pelo controle de processo
do tipo contínuo, são as indt.'1strias de processos, de manipulação, cujo maior
expoente é a indústria química, além da farmacêutica, petroquímica, entre outras .
.! O controle do tipo discreto, voltado aos processos digitais, teve seu
início marcado pela utilização de dispositivos elelromecânicos do tipo
a relês. Contactares, temporizadores e dispositivos de proteção se
constituem a base de projetos de intertravamentos elaborados cm
diagrama a relés capazes de efetuar o controle discreto. Chaves e
conta/os simulam os níveis lógicos baseados na lógica bin,íria e
promovem um controle utizado na ind!Ístria até os dias de hoje.
Ao serem acionados eletricamente por meio ele sua bobina, abrem e
fecham seus contatos principais e auxiliares mecanicamente, o que os tornam
lentos e susceptíveis ao desgaste. Quando utilizados em grandes números para
efetuar intertravamentos e temporizações, são agrupados dentro de "quadros
metálicos", em que a temperatura, umiclade, poeira, exigem um projeto com um
grau de proteção associado. Além de serem robustos, ocuparem espaço, não
devem ser instalados em locais onde coexistam gases inflamáveis pelo fato de
proporcionarem faíscas em seus acionamentos.
Até o início ela década de 60, a utilização de relês eletromecânicos era
praticamente a linica opção possível. Com o advento dos dispositivos
rnicroprocessados, vieram os controladores lógico programáveis, onde a forma
básica de programação é oriunda da lógica de programação dos diagramas
elétricos a relês. Próprio para ambientes industriais, os controladores realizam
uma rotina cíclica de operação, o que lhes caracteriza seu princípio de
funcionamento, e operam apenas variáveis digitais, efetuando controle discreto
portanto. Quando tais equipamentos manipulam variáveis analógicas, são
chamados de controladores programáveis .
./ Já o controle do tipo analógico desenvolveu-se, inicialmente, com o
surgimento dos amplificadores operacionais, por meio das malhas
específicas de ação de controle. Controladores de processos contínuos
evoluíram juntamente com a microeletrônica e passaram a utilizar
Automação lndustral: Uma f~elmspectiva /-listórico-Social 17
circuitos mais complexos, microprocessados de forma a poderem
utilizar poderosos recursos e efetuar técnicas de ação de controle dos
mais diversos tipos, tais quais: Proporcional-Integral-Derivativo - PIO,
PIO adaptativo (não linear), lógica Fuzzi (lógica nebulosa), entre outras.
Surgiram os controladores de processos contínuos de uma única malha de
controle em loop, os single loop. Muito utilizados para o controle de temperatura de
ambientes ou de processos, pressão em líquidos, e de vazão em tubulações de
gases. Os controladores do tipo single loop evoluíram e passaram a controlar várias
malhas do processo, originando assim os sistemas multi loops. Além de poderem
implementar e executar todos os tipos de ações de controles possíveis existentes
tecnologicamente, de forma simultânea, controlam inúmeros pontos do processo
por meio de grandes concentradores de dados chamados de mainframes.
Mainframes, ou quadros principais, eram conhecidos como os
computadores de grande porte na década de 60. Eles eram dedicados ao
armazenamento e concentração de dados para posteriori distribuição,
auxiliavam todas as malhas de controle e podiam controlar dezenas de
máquinas ao mesmo tempo.
De uma forma esquemática, a figura 1.3 procura mostrar a evolução do
controle discreto e analógico quanto ao tipo de equipamento utilizado.
SINGLE-LOOP 1----1
.... SISTEMAS .•
CENTRALIZADOS
BASEADOS EM
.• .. MAINFRAMES
SISTEMAS
DIGITAIS DE
CONTROLE
DISTRIBU(Dó
SDCD
CONTROLADORES
. LÓGICOS
PRüGRi\MA\/EIS CLP .....
CONTROLADORES
PRÓGRAMAVEIS
. CP
Figura 1.3 - Evolução e Enlàcetecnológico.
Do Controle Centralizado ao Distribuído
Na indústria química ou de processos, foi introduzida a instrumentação
eletrônica a qual possibilitou a instalação de salas de controle a grandes
distâncias do núcleo operacional, ou chão de fábrica. Essas salas serviam para
centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Mas, com o
avanço das novas técnicas de transmissão, no lugar de urna única sala de
18 Automação e Controle Discreto
controle central, diversas outras salas de controle distribuídos geograficamente
foram interligadas entre si e conectadas a uma sala central de supervisão.
Surgem as idéias básicas do controle hierárquico, evoluindo para o que hoje se
conhece como controle distribuído.
Juntamente com o aparecimento das técnicas digitais oriundas da
revolução eletrônica em meados deste século XX, a técnica de controle
distribuída propicia o aparecimento de uma filosofia_de_amtrole: o Sistema
Digital de Controle Distribuído - SOCO. Caracterizada pelos diferentes níveis
hierárquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma máquina de estado
(processo propriamente dito) e outra(s).
Tais processos com suas unidades de controle se constituem verdadeiros
"nós", que além de integrar todo sistema de supervisão com interfaces homem-
máquina, o sistema distribuído abre caminho para a intercornunicabilidade e
futura padronização de todos os equipamentos de sensoriarnento, controle e
atuadores nos mais diferentes níveis.
Um SDCD pode ser representado por uma sala central, gerenciadora de
controle e supervisão global, microprocessada em rede com vários outros
controladores de responsabilidade local, caracterizando-se pela transformação
de processos automatizados em verdadeiros sistemas de automação
supervisionados com a capacidade e rastreamento de todas as etapas do
processo produtivo, bem corno a flexibilização e aumento da capacidade de
integração de seus componentes, prevendo, p9rtanto, um aumento do processo
e do nível de automação de forma natural e continuada.
A figura 1.4 ilustra um sistema de controle de processos utilizando o
conceito de sistema de produção por módulo - MPS (Modular Produclion
Systcm), comercializado pela Festa Automação Uda., e aplicado ao
treinamento de processos contínuos. O processo consiste em controlar o fluxo,
temperatura e nível de um determinado líquido por meio de reservatórios
distintos. Cada
reservatório possui uma ação de controle PIO dedicado
comunicando-se por urna rede profibus (protocolo padrão de comunicação
lnduslrial de campo, desenvolvido e administrado pela Profibus User
Organization) - FMS (Ficldbus Mcssage Spccification) com o sistema de
supervisão. Urna vez que todos os dados de sensoriamento estão disponíveis em
rede, intercornunicando cada estação de processo juntamente com um
computador, por meio de seu software de supervisão, pode-se classificar a
ilustração abaixo como um exemplo de sistema digital de controle distribuído.
Automação lndustral: Uma Retmspectiva Hislórico-Social 19
fig111-.1 1.4 - Controle de um Processo Contín110 i/11stra11do um SDCD.
· 1.5 A TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO
A tecnologia da informação é composta de computação associada à
telecomunicação. Aquela formalizou-se com os avanços tecnológicos oriundos
da microelctrônica, dando origem à Segunda Revolução Industrial em meados
do século XX, enquanto estas formaram a segunda onda dessa revolução com a
qual está sendo apreciada no final deste século.
Quando dispositivos de estado sólido puderam ser integrados em larga
escala e deram origem às pastilhas de silício, mais conhecidas como chips, que
apareceram por volta de 1965 e à necessidade de redução de espaço associado
a cálculos matemáticos mais rápidos e processamento em tempo real, iniciou-se
a primeira onda dessa inovação tecnológica que possibilitou o aparecimento cio
computador.
Em 1971, aparecia o primeiro microprocessador da história da humanidade.
Muito antes, porém, em 1834, Charles Babbage, cientista e inventor inglês,
idealizou pela primeira vez um computador no sentido moderno da palavra. Era
uma máquina analítica de calcular de utilização geral composta de um
mecanismo de milhares de engrenagens, chamada de moinho e que corresponde
ao processador moderno, capaz de operar qualquer cálculo que lhe era
especificado de forma precisa. A máquina era programada por cartões perfurados
contendo os dados e instruções que passavam por dispositivos de leitura.
20 Automação e Controle Discreto
O computador passa a ser utilizado em grande escala na indC1slria como
um todo e colabora em atividades das mais diversas á1eas. Para seu pronto
estabelecimento, em 1962, a ICI (Imperial Chemica/ Industries) estabeleceu um
marco histórico nessa tendência, pois toda a instrumentação analógica para o
controle de processos foi substituída por um computador, o Ferranti Argus. O
computador fazia a aquisição de dados sobre 224 variáveis e controlava 129
válvulas.
Com o desenvolvimento dos microprocessadores em larga escala em
1972, o equipamento (hardware) analógico vem sendo substituído pelo digital.
Todos os tipos de controladores vêm sendo substituídos pela tecnologia digital.
Já o trabalho do computador, aluando como supervisor de um processo, fornece
informações para o operador e executa funções para a determinação de
referências operacionais para a instrumentação analógica. No final dos anos 60
chegam os microcomputadores, máquinas mais baratas e mais adequadas às
indLístrias de pequeno e médio portes. O aumento da produção é caracterizado
pelo aumento da confiabilidade e pela flexibilização introduzida com a
progressiva padronização de linguagens de programação desenvolvidas para os
computadores, conhecidas como softwares de programação.
Com a precisão pretendida em cálculos de engenharia juntamente com o
tempo cm que tais operações devem ser realizadas, não fica difícil de entender
seu sucesso meteórico. O computador passou a trabalhar com processamento
de imagens; controle de estoque; controle de variáveis industriais, uma vez que
ele tem a possibilidade de aquisitar dados de um determinado processo, seja ele
analógico ou digital; processamento de texto; banco ele dados; planilhas de
dados; simulação e instrumentação de eventos; pmgramação IC1dica; supe1visão
de processos; cálculos matemáticos e estatísticos.
Enfim, sua funcionabilidade atingiu todas as áreas cientificamente
conhecidas. Com ele pode-se operar um paciente a distância, comunicar-se
com pessoas no mundo todo pela rede mundial ele computadores, efetuar
compras em lojas de todos os segmentos, pagamentos, transferências de contas,
extratos bancários, viagens ao espaço, tudo o que se possa imaginar.
Seria um desperdício continuar a numerar as "infinitas" possibilidades
alcançadas com seu advento. O importante é salientar que, sem o computador,
não seria possível o nível ele automação em que se vive atualmente. Debates são
freqüentes no que se refere ao impacto dos avanços da automação
informatizada na aceleraç.ão dos processos decisórios, na eliminação de
distâncias veriíicaclas pelas telecomunicações e do comportamento humano no
trabalho, decorrente das inovaçôes tecnológicas.
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Automação lndustral: Uma Retrospectiv;1 /-list!Í1 ico-'iocial 21
Pode-se resumir toda esta euforia dentro de uma rnudanç·a profunda no
comportamento das pessoas pela adequação ao uso que essa "maquininha"
ofereceu, entendendo a chegada do computador ao mundo empresarial,
colocando-o a serviço de todos, executando suas tarefas com o seu auxílio, para
que mais tarde, pudesse colocá-lo a serviço dele próprio, ou seja, fazendo com
que ele faça sozinho, controlando tudo sobre o seu comando. Deste modo, o
homem é liberado para executar suas funções mais nobres e potencialmente
mais humanas e gratificantes, fugindo de tarefas repetitivas e menos talentosas.
O papel da tecnologia da informação não está pautado cm responder a
velhas perguntas do tipo: o que você deseja? como pode melhorar? Tais
indagações levam a respostas tradicionais; e sim: onde se pode usar? o que falta
ser inventado para ? e como se pode utilizar a tecnologia para melhorar o que
está se fazendo?
O tráfego de informações entre computadores no rnundo todo, por meio
de urna rede de comunicação de dados, faz com que a informação seja
conhecida rapidamente por meio de um gráfico, texto, relatório, ou de urna
simples instrução de caracteres que modifica e alua cm um parque industrial
inteiro, manipulando variáveis de controle nos mais diferentes níveis. Com os
avanç·os da tecnologia da informação, é possível monitorar, supervisionar, tomar
decisões em função da análise crítica de dados obtidos graficamente, e atuar
sobre o futuro de urna indústria de maneira eficiente, rápida e segura,
permitindo assim, uma maior coerência estratégica de seu gerenciamento. A
informação torna-se o insumo da nova indústria. Dada a importância dentro
deste contexto, um pouco da teoria de redes e µrotocolos de comunicação é
abordado no capítulo 6.
Os sistemas de informações têm origem na coleta e armazenamento nos
bancos de dados dos sistemas contábeis das empresas e adquirem maior
impulso para se transformarem em "transmissoras do conhecimento", a partir do
desenvolvimento de técnicas e ferramentas para a sua aquisição e tratamento,
na década de 80.
1.6 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle
são introduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, corno
fator preponderante do aumento da qualidade de vida por meio do poder de
compra adquirido pela sociedade, torna-se o maior poder gerador de riquezas
que jamais existiu. Segundo alguns autores, "as técnicas de produção e a
produtividade do trabalho são o fator preponderante do poder de compra".
22 Automação e Cont10fe Discreto
Pode-se dizer que automação industrial é oferecer e gerenciar soluções,
pois ela sai do nível de chão de fábrica para voltar seu foco para o
gerenciamento da informação. Apesar da diferença sulil entre os termos, é
importante salientar a existência de dois lermos muito difundidos popularmente:
automatização e automaç·ão 11 •
O termo automatização