Aula 01 - Controle e Automação de Sistemas

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Aula 01 – Conceitos Básicos da 
Automação
Controle e Automação de Sistemas
Prof.ª Andressa Corrente Martins
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Definição de Automação
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Automação, Automatização
latim Automatus ou “mover-se por si”;
Um sistema de controle de um processo, contendo mecanismos 
responsáveis por verificar seu próprio funcionamento, efetuando 
medições e introduzindo correções, com mínima ou nenhuma 
interferência do homem.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Garrafas e latas
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Produção, processo, insumos, energia beneficiadora e produtos
Ex: Processo de emissão de diplomas em uma Universidade.
Processo de fabricação de rodas de liga leve para carros.
Porque e como pode-se automatizar um processo?
Processo
Processo Produtivo
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ProdutoInsumo
Energia
Produção
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Objetivos principais da automação → Aumentar na produção:
Velocidade
Qualidade
Repetitividade
Eficiência (menor consumo energético, menor emissão de
resíduos)
Segurança e continuidade (de operação, por exemplo)
Automação de Processos
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Requisito básico: conhecimento sobre o processo
Das características
• Dos tipos de insumos e matérias primas.
• Da forma de beneficiamento.
• Do produto final desejado (qualidade, custo, especificações
metrológicas, etc.).
Da dinâmica de produção
• Com detalhes de tempo e comportamento em cada etapas do
processo.
• Com a forma de emprego da energia transformadora.
Automação de Processos
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Processo não automatizado:
Controle de nível local por meio de válvula com volante
Processo semi automatizado:
Controle de nível através de válvula com atuador para acionamento
remoto
Processo totalmente automatizado:
Controle de nível através de válvula com atuador e controlador
automático
Níveis de Automação Industrial - Exemplos
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Elementos de um Processo Automatizado
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Elementos para a tomada de decisão
Processo ProdutoInsumo
Energia
Sensores Atuadores A
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Componentes 
chave para 
automação
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Podemos automatizar vários processos?
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Vários processos interligados
Automatizados individualmente
Interligados e automatizados em conjunto
Sistema automatizado
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Elementos da Automação de Vários 
Processos
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Elementos para a tomada de decisão
Sensores dos 
processos
Atuadores dos 
processos
A
u
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S
is
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Os diversos sistemas de um empreendimento podem ser automatizados para torná-lo
também automáticos
Diz-se que pode haver escalonamento da automação.
Arquitetura em níveis ou camadas de uma pirâmide.
Requisitos para o escalonamento:
Conhecimento dos diversos sistemas envolvidos.
Disponibilização das informações dos níveis inferiores aos níveis superiores para a
análise.
Elementos capazes, com a “inteligência” para a tomada de decisão automática nos
níveis superiores.
Recebimento das decisões nos níveis inferiores para atuação.
Automação de Sistemas Maiores
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Sistemas modernos de automação industrial → diversos níveis
Desde o sensoriamento e a atuação na planta ou processo, até o
controle e supervisão
Organização em camadas → pirâmide de automação industrial
Automação Moderna
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna – Nível 1 - Operacional
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Nível 1 – Sensores, atuadores e controles manuais (base da pirâmide)
Contexto das máquinas, dispositivos e componentes (chão de fábrica, nos equipamentos dos
processos)
Diversos tipos de sensores
Mecânicos (velocidade, pressão, ...)
Elétricos (tensão, corrente, potência, ...)
Eletrônicos (transdutores analógicos e digitais).
Diversos tipos de atuadores
Mecânicos (hidráulicos, pneumáticos, ...)
Elétricos (motores, relés, solenóides, lâmpadas, ...)
Eletrônicos (acionamentos, conversores, ...).
Controle manual do processo é possível pelos operadores, e possui precedência sobre os controles
automatizados.
Supervisão por meio de medições diretas das grandezas dos sensores e atuadores.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna – Nível 2 - Operacional
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Nível 2 – Automação dos processos
Contexto dos equipamentos que implementam os algoritmos de tomada de decisão para
controle de cada processo.
Realiza o controle automático dos processos individuais por meio das informações e
mecanismos de atuação disponibilizados pelo nível 5.
Equipamentos:
Artefatos mecânicos (hastes, alavancas, molas, ...)
Relés, contatores e artefatos eletromecânicos
Dispositivos eletrônicos
Dispositivos digitais (controladores lógico-programáveis).
Supervisão e operação por meio do monitoramento das grandezas e das decisões do controle
automatizado por meio de interfaces sinópticas próximas, locais, do processo (IHM`s ,
registradores, sinalizadores, sistemas SCADA e SDSC).
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna – Nível 3 – Supervisão 
Operacional
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Nível 3 – Automação dos sistemas
Contexto dos equipamentos que supervisionam as operações dos níveis 2 e 1.
Interconexão dos diversos sistemas de controle de nível 2.
Interface com os níveis superiores administrativos.
Visualização dos dados de produção por meio de índices, alertas, alarmes e
tendências.
Gerenciamento dos diversos processos, enviando novos parâmetros produtivos e
instruções.
Equipamentos:
Unidades de aquisição de dados e remotas
Computadores, Workstations, IHM’s
Servidores de bancos de dados.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna – Nível 4 –
Gerenciamento e Administração
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Nível 4 – Gerenciamento da planta
Contexto dos sistemas de planejamento e programação da produção da
planta.
Fornece diretivas (metas) para os níveis inferiores de supervisão e
operação.
Monitora o uso dos meios de produção.
Gerencia os insumos (Material Requirement Planning).
Estabelece a logística de suprimentos (Manufacturing Resource Planning).
Controle dos custos de produção.
Equipamentos:
Computadores, Workstations e bancos de dados.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Automação Moderna – Nível 5 -
Administração
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Nível 5 – Administração do empreendimento (topo)
Gestão fabril completa, desde a administração contábil e financeira, até o
planejamento estratégico e gerenciamento de vendas.
Controle de produção vs. demanda e margem de lucro → definição de
preços.
Gestão de recursos corporativos e ERP (Enterprise Resource Planning).
Equipamentos:
Workstations
Mainframes
Grandes servidores de bancosde dados.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Importante para integração dos diversos 
níveis
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Fluxo de informações (bidirecional)
Requisito básico para integração dos diversos níveis
Próximo dos processos, há coleta de informações:
• Com baixo tempo de resposta, baixa latência (rápidas).
• Enviadas com grande frequência.
• Dados atômicas (pequeno tamanho: três leituras de temperatura, uma de velocidade, etc.).
Próximo da administração, existem informações:
• Com maior tempo de resposta (lentas)
• Enviadas com baixa frequência
• Em grandes blocos de dados, compilados e sumarizados a partir das informações dos
níveis inferiores (um relatório semanal de produção com 20 folhas de gráficos, com
tendências, metas, etc.).
Viabilizado por diversos meios de comunicação e protocolos
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Meios de comunicação até 1980
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Meios de comunicação até 1980
Comunicação serial EIA RS-232 (V.29), Modem (V.21)
Principalmente entre os níveis N2 e N3
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Meios de comunicação até 1995
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Meios de comunicação até 1995
Serial EIA RS-232, EIA RS-422, EIA RS-485, Fibra óptica, Ethernet, Modem (V.9x).
Presentes em N2-N3, N3-N4, N4-N5. Poucas redes em N1-N2.
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Meios de comunicação até 2005
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Meios de comunicação até 2005
Seriais RS`s, CAN, Ethernet, Fibra óptica, Modem, ADSL, ...
Presentes em N2-N3, N3-N4, N4-N5. Várias redes em N1-N2.
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Topologia de um sistema de rede de 
automação industrial
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Exemplo de topologia de rede (níveis 1, 2 e 3 e link para níveis 4 e 5)
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Meios de comunicação depois 2005
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Amplo emprego de Ethernet em par-trançado e fibra
Algumas utilizações de redes Ethernet sem fio (Wi-Fi, WiMAX, GSM/HSPA/LTE)
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Visão Geral da Automação Industrial com 
Protocolos
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Desafio de integração
de informação
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Evolução da Estrutura de Automação
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Controle de set-point
Controle Direto
Controle Ponto-a-Ponto
SDCD (Sistemas Digitais de Controle Distribuídos)
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Controle Direto
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
SDCD - Sistemas Digitais de Controle 
Distribuídos
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A filosofia do sistema de controle digital distribuído (SDCD) é a
de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente
distintos:
processo,
controle,
operação,
gerenciamento e
comunicação.
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SDCD - Sistemas Digitais de Controle 
Distribuídos
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SDCD – Visão Técnica
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
SDCD - Sistemas Digitais de Controle 
Distribuídos
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Evolução da instrumentação.
Funções dos instrumentos (condicionamento de sinal,
controle e display) foram distribuídas geograficamente.
Substitui instrumentos analógicos, para aplicações de
controle contínuo PID.
Poderosa interface homem máquina.
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CLP X SDCD
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CLP é usado para aplicações com muita lógica,
intertravamento e sequencial.
SDCD é usado para o controle PID do processo contínuo.
SDCD faz o controle regulatório do processo e o CLP faz o
controle de alarme e intertravamento do processo.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Sistemas Supervisórios
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Os sistemas supervisórios permitem que sejam
monitoradas e rastreadas informações de um processo
produtivo ou instalação física.
Tais informações são coletadas por meio de equipamentos de
aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados,
armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário.
Estes sistemas também são chamados de SCADA
(Supervisory Control and Data Aquisition).
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Sistemas Supervisórios
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Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam
informar periodicamente o estado corrente do processo industrial,
monitorando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos,
por meio de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse
qualquer interface aplicacional com o operador.
Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de
computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos
processos industriais, efetuando coleta de dados em ambientes complexos,
eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva apresentação de
modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados
(interfaces homem-máquina) e conteúdo multimídia.
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Sistemas Supervisórios
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Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas
as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo
executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com
vetores ou strings, etc.) ou representar pontos de entrada/saída de dados
do processo que está sendo controlado.
Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex.: temperatura,
nível, vazão etc.), se comportando como a ligação entre o controlador e o
sistema.
É com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados
ao usuário.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Sistemas Supervisórios
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Os sistemas SCADA podem também verificar condições de
alarmes, identificadas quando o valor da tag ultrapassa uma
faixa ou condição pré-estabelecida, sendo possível programar a
gravação de registros em Bancos de Dados, ativação de som,
mensagem, mudança de cores, envio de mensagens por e-mail,
celular, etc.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Componentes físicos de um sistema de 
supervisão
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Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser
resumidos, de forma simplificada, em: sensores e atuadores, rede de
comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e de monitoração
central (sistema computacional SCADA).
Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos
controlados e monitorados pelos sistemas SCADA, que convertem
parâmetros físicos tais como velocidade, nível de água e temperatura,
para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota.
Os atuadores são utilizados para atuar sobre o sistema, ligando e
desligando determinados equipamentos.
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Componentes físicos de um sistema de 
supervisão
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O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, PLCs
(Programmable Logic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos
valores atuais dos dispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle.Os PLCs e RTUs são unidades computacionais específicas, utilizadas nas
instalações fabris (ou qualquer outro tipo de instalação que se deseje monitorar) para
a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar saídas.
A diferença entre os PLCs e as RTUs é que os primeiros possuem mais flexibilidade
na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUs
possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento
central e os cartões de entradas e saídas, com maior precisão e sequenciamento de
eventos.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Componentes físicos de um sistema de 
supervisão
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A rede de comunicação é a plataforma por onde as informação fluem dos
PLCs/RTUs para o sistema SCADA e, levando em consideração os
requisitos do sistema e a distância a cobrir, pode ser implementada por meio
de cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio
modems, etc.
As estações de monitoração central são as unidades principais dos
sistemas SCADA, sendo responsáveis por recolher a informação gerada
pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos
detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou
distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o
compartilhamento das informações coletadas.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Componentes físicos de um sistema de 
supervisão
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AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Componentes lógicos de um sistema de 
supervisão
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Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos ou
módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução
desejada.
Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em:
Núcleo de processamento;
Comunicação com PLCs/RTUs;
Gerenciamento de Alarmes;
Históricos e Banco de Dados;
Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle;
Interface gráfica;
Relatórios;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos;
Outros.
AULA 01 – CONCEITOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO
Componentes lógicos de um sistema de 
supervisão
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A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos
processos de comunicação com os equipamentos de campo, cujas
informações são enviadas para o núcleo principal do software.
O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações
para os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do
sistema, na interface gráfica ou console de operação com o processo,
geralmente acompanhadas de gráficos, animações, relatórios, etc., de modo a
exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado,
permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou reagir
automaticamente.
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Modos de Comunicação
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A principal funcionalidade de qualquer sistema SCADA está ligada à troca
de informações, que podem ser, basicamente:
Comunicação com os PLCs/RTUs;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com outros sistemas.
A comunicação com os equipamentos de campo, realizada por meio de
um protocolo em comum, cuja metodologia pode ser tanto de domínio
público ou de acesso restrito, geralmente pode ocorrer por polling ou por
interrupção, normalmente designada por Report by Exception.