AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

1. Introdução2. Desenvolvimento2.1 Histórico e definições2.2 A automação no meio produtivo2.3 CLP – Controlador Lógico Programável2.4 SCADA – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados2.5 Integração de Sistemas de Automação3. ConclusõesReferências

1. INTRODUÇÃO

Atualmente as empresas buscam diferenciais para ocuparem um lugar de destaque no Mercado em que atuam, mantendo-se fortes e competitivas. Diante disso, diversas são as ferramentas e metodologias que vem sendo testadas e aplicadas para a melhoria dos processos de fabricação. A automação vem como uma base sólida para a aplicação de novas tecnologias, e tem se tornado objeto de estudos para diversas soluções que envolvem todas as áreas de um sistema de produção.

Contudo, os benefícios que os sistemas de automação industrial proporcionam também já são bastante conhecidos, como o aumento da eficiência do processo e da produtividade, redução de erros operacionais, melhoria nas condições de segurança e qualidade do produto, redução de custos e de mão-de-obra, dentre outros (EGREJA, 1999).

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 HISTÓRICO

Desde o início dos tempos, o Homem tem procurado facilitar as suas tarefas do cotidiano através da automatização das mesmas. O emprego de dispositivos automáticos remonta aos tempos antigos. Entre os primeiros exemplos, pode-se citar controles de vazão e nível nos reservatórios de água da Roma Antiga, o relógio mecânico inventado no Séc. XII e a máquina aritmética de Pascal (1642). No Séc. XVIII, a automação teve papel preponderante na Revolução Industrial. O "regulador centrífugo" de James Watt (Figura 1), desenvolvido em 1769, foi o primeiro controlador industrial. Ele era aplicado no controle de velocidade de máquinas a vapor.

Figura 1: Regulador centrífugo de James Watt (1769)

Contudo, o grande avanço da Automação deu-se no final da década de 60, quando surgiu o primeiro CLP (Controlador Lógico Programável). Tal feito foi realizado na indústria automobilistica americana, que até então era potencial usuária dos relés eletromagnéticos, utilizados para controlar operações sequenciadas e repetitivas numa linha de montagem. Especificamente, a invenção do CLP aconteceu na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade existente para alterar-se a lógica de controle de painéis de

comando a cada mudanca na linha de montagem. Estas mudanças implicavam altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística, mas de toda a indústria manufatureira. Ao longo dos anos, características de hardware e de software tem sido incorporadas à idéia original, fazendo do CLP uma das principais soluções à Automação Industrial (GEORGINI, 2000).

2.2 A AUTOMAÇÃO NO MEIO PRODUTIVO

Em processos automatizados tem se tornado necessario classificar os sistemas em função de suas ocorrências mais comuns e de maior importância. Além dos sistemas dinâmicos acionados pelo tempo, exemplo típico dos fenômenos químicos, físicos, térmicos, regidos por equações diferenciais, também aparecem em grande quantidade os sistemas de chaveamento manual, automático, as manufaturas, etc, que são acionados por eventos, e não são regidos por equações diferenciais. Estes últimos são conhecidos como sistemas dinâmicos a eventos discretos (SED’s) e são sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. Pode-se classificar o controle em dois grandes grupos: controle dinâmico e controle lógico ou de eventos.

O controle dinâmico procura estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-os mais obedientes aos operadores e mais imunes às perturbações dentro de certos limites. Utiliza as medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação. Possui um incalculável poder tecnológico, permitindo o aperfeiçoamento de processos, aumento de velocidade e precisão. É característico da automação industrial de controle de processos (automação contínua), sendo tradicionalmente empregado o controle do tipo P + I + D (proporcional + integral + derivativo), entre outras escolhas.

O controle lógico complementa os sistemas discretos permitindo que eles respondam à eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um pontode vista utilitário. Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações não lineares e se apresenta na forma de circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos, etc) de redes lógicas combinatórias (sem memórias ou temporizações) cujos projetos são construídos com álgebra booleana (descreve, analisa e simplifica as redes com auxílio de Tabelas Verdade e Diagramas de relés) ou em redes sequenciais (com memória, temporizadores e entrada de sinais em instantes aleatórios) cujo projeto utiliza a teoria dos autômatos finitos, redes de Petri, cadeias de Markov ou em simulações por computador. É característico da automação industrial de manufatura (automação discreta).

Os dois tipos de controle (dinâmico e lógico) sao empregados em proporções extremamente variáveis, conforme o processo, e misturam-se nos controladores lógico programaveis (CLP’s) e PC’s. No entanto, as teorias do controle dinâmico e do controle lógico desenvolvem-se independentes uma da outra. O controle dinâmico busca evitar a instabilidade do sistema, enquanto o controle lógico procura evitar o conflito ou a parada total da evolução dos sinais.

Conceitualmente designa-se os sensores de entradas e os atuadores de saídas, sendo que ambas podem ser representadas matematicamente por variáveis. Na automação industrial, estas podem ser divididas em analógicas e digitais. As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 2 (a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 2 (b).

Figura 2: Variáveis analógicas e digitais

As entradas analógicas advindas de sensores ligados diretamente as saídas do processo serão comparadas a uma referência que consiste no valor estável desejado para o controle (ver figura 3). Essa referência também é conhecida como “set-point”. Neste tipo de controle, onde as saídas são medidas para cálculo da estratégia de controle dizemos que há uma “realimentação”. Esse sistema é conhecido como sistema em “malha fechada”. Se não há a medição das saídas dizemos que o sistema tem “malha aberta”.

Figura 3 – Estratégia de controle analógico com realimentação

2.3 CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

Para o papel do controlador em um sistema de controle, o mais utilizado em processos automatizados é o CLP. Trata-se de um computador de pequeno porte e robusto projetado para controlar processos no ambiente industrial. Cada CLP contém um microprocessador programado para dirigir os terminais de saída de uma maneira especificada, com base dos valores dos terminais de entrada. Os CLPs podem ser definidos, segundo a norma ABNT, como um equipamento eletrônico-digital compatível com aplicações industriais. À medida que o CLP foi incorporado nas indústrias, evoluiu e adquiriu novas funções e é hoje capaz de executar sequenciamento, temporização, contagem, energização/desenergização e manipulação de dados, regulação PID, lógica fuzzy, entre outras funções. Os CLP’s podem ser programados por meio de computadores, são adequados para os ambientes industriais – muitas vezes agressivos – e possuem linguagem amigável.

Como pode ser visto na Figura 4, o CLP funciona de forma seqüencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas. É importante observar que quando cada etapa do ciclo é executada, as outras etapas ficam inativas. O tempo total para realizar o ciclo é denominado clock. A não simultaneidade das operações justifica a exigência de processadores com velocidades cada vez mais altas. Em cada etapa o CLP realiza as tarefas abaixo:Início: Verifica o funcionamento da C.P.U, memórias, circuitos auxiliares, estado das chaves, existência de um programa de usuário, emite aviso de erro em caso de falha. Desativa todas as as saídas.Verifica o estado das entradas: Lê cada uma das entradas, verificando se houve acionamento. O processo é chamado de ciclo de varredura.Compara com o programa do usuário: Através das instruções do usuário sobre qual ação tomar em caso de acionamento das entradas o CLP atualiza a memória imagem das saídas.

Atualiza as saídas: As saídas são acionadas ou desativadas conforme a determinação da CPU. Então um novo ciclo é iniciado.

Figura 4: Ciclo de Varredura de um CLP

A norma IEC 61131-3 é o único padrão global para programação de controle industrial. Uma interface de programação padrão permite a pessoas com diferentes habilidades e formações, criar elementos diferentes de um programa durante estágios diferentes do ciclo de vida de um software: especificação, projeto, implementação, teste, instalação e manutenção. O padrão inclui a definição de cinco linguagens de programação: Sequential Function Chart (SFC), usada para estruturar a organização interna do programa, Lista de Instrução (IL), Diagrama Ladder (LD), Diagrama de blocos de funções (FBD) e Texto Estruturado (ST). Dente as cinco a mais utilizada é a linguagem Ladder, por ser a primeira a ser criada (os primeiros CLP’s só suportavam este tipo de linguagem) por ser baseada em símbolos e esquemas elétricos como relés, bobinas e contatos, o que a torna mais fácil de ser compreendida. A figura 5 mostra um exemplo de um programa utilizando linguagem Ladder.

Figura 5: Exemplo de um programa de CLP utilizando linguagem Ladder

2.4 SCADA - SISTEMAS DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS

Para visualizar todas as informações do sistema de automação, são utilizados supervisórios, em geral com os conceitos SCADA (supervisory control and data acquisition). Historicamente, os primeiros sistemas “SCADA” faziam suas aquisições através de painéis de medidores, sinalizadores e registradores. O operador realizava todo o controle

através de manoplas localizadas em púlpitos de operação exercitando um controle supervisório. Estes dispositivos foram e ainda são utilizados para fazer controle supervisório e aquisição de informações em plantas e indústrias, porém encontram-se em desuso por apresentar desvantagem como grande quantidade de cabos elétricos para interligação, pouca quantidade de informações que podem ser extraídas destes sistemas e não há a possibilidade de armazenamento de histórico de informações sem falar que a realização de simulações e reconfigurações tornam-se extremamente difíceis ou impossíveis.

Atualmente, um sistema supervisório SCADA consiste de um software que se comunica com CLPs ou unidades terminais remotas (RTUs) responsáveis por coletar e aquisitar as informações de campo oriundas de sensores e transdutores, transferindo estas para o sistema que as ordena e faz o tratamento para serem exibidas em telas de forma a proporcionar a visualização dos dados aos operadores. As ações de controle são então realizadas pelos operadores e convertidas de volta ao processo, passando pelo CLP e atingindo os dispositivos de campo. A Figura abaixo mostra um esquemático simples exemplificando o um sistema de automação.

Figura 6 - Esquemático de uma arquitetura de automação

Os sistemas de automação industrial são de fundamental importância em qualquer processo produtivo. Além de melhorar significativamente a produção, fornecem um maior entendimento do negócio e do ambiente fabril, possibilitando a empresa analisar, monitorar e controlar suas etapas produtivas. Como os sistemas SCADA coletam os dados importantes de produção e estes são armazenados em banco de dados, a integração das informações aos sistemas de ERPs responsáveis pela gestão (SAP e Microssiga) vem sendo uma realidade amplamente difundida nas indústrias. A integração facilita a programação e o trabalho do PCP (Planejamento e Controle da Produção), tornando automático os cálculos de OEE (Overall Equipment Effectiveness), com a geração de indicadores importantes para o negócio e aumentando a rapidez e agilidade na tomada de decisões.

2.5 INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

A competitividade exige cada vez mais agilidade na tomada de decisões de uma empresa, quer para fazer frente às oportunidades de negócios, quer para atuar na solução de problemas internos. O uso de informação incorreta, desatualizada ou não confiável impacta diretamente na qualidade da tomada de decisões. Martins e Laugeni (2005) afirmam que a fábrica do futuro caracteriza-se por um elevado grau de automação, e está devidamente organizada em torno da tecnologia, do computador, que integra, por softwares especialmente desenvolvidos, praticamente todas as atividades.

Como ferramenta para gerenciamento de informações está a CIM (Computer Integrated Manufacturing), que é uma ferramenta, ou uma abordagem para a integração da organização e gerenciamento do sistema de manufatura, visando alcançar um fluxo de

informações contínuo, eficiência, aumento de qualidade, rápido desenvolvimento de produtos e flexibilidade.

A estrutura organizacional da integração de sistemas de automação pode ser representada por uma pirâmide, onde trafegam informações importantes para o processo produtivo. Antes do surgimento do MES, esta possuía apenas 2 níveis distintos: o SCADA (Supervisory and Control Data Aquisition) e o nível de controle (representado na figura pelo CLP – Controlador Lógico Programável), que é o nível de chão de fábrica, com os sensores, atuadores, controladores, etc. Com o avanço tecnológico e o surgimento de novas soluções, temos a nova pirâmide, com a integração entre os 2 níveis em apenas um (controle) e o surgimento do MES (Sistema de Execução da Manufatura) e do ERP (Planejamento dos Recursos Empresariais), conforme observado na figura a seguir (FILHO, 1998):

Figura 7: Pirâmide do sistema de Automação

No nível mais alto da pirâmide temos o ERP, que é uma ferramenta importante para assegurar a competitividade das empresas.

3. CONCLUSÕES

Os vários ramos de automação têm em comum os mesmos princípios de controle, utilizando softwares e hardwares, controladores lógicos e linguagens de programação, além dos mais diversos tipos de dispositivos sensores e atuadores. Sob esse aspecto, o conceito de automação deve estabelecer condições para que todos os subsistemas envolvidos (controles de iluminação, segurança, ar condicionado, controle de energia, incêndio, etc) possam trabalhar em conjunto e de forma otimizada.

Dessa forma, para que sistemas de automação possam ser implantados de forma a atender aos requisitos do processo de fabricação em questão, é imprescindível um planejamento detalhado, a elaboração do projeto por pessoal especializado e o emprego de mão-de-obra qualificada para a instalação e testes dos diversos subsistemas.

REFERÊNCIAS

EGREJA, L. R. Integrando sistemas de negócios e de automação, revista InTech, setembro/1999.

FILHO, C. S. A automação nos anos 2000: Uma análise das novas fronteiras da automação. ATAN Sistemas de Automação, 1998.

GIORGINI, Marcelo. Automação Aplicada. São Paulo: Érica, 2000.

MARTINS P. G.; LAUGENI F. P. Administração da Produção. 2. ed. São Paulo: Saraiva, 2005