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ENGG55 – REDES INDUSTRIAISIntrodução à Automação Industrial

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Prof. Eduardo Simas

Essa apresentação foi adaptada do material elaborado pelo Prof. Bernardo Ordoñez em 2013.2

DEE – Departamento de Engenharia ElétricaEscola Politécnica - UFBA

Redes industriais

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PARTE IIntrodução à Automação Industrial

Redes industriais

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Visão geral de uma planta automatizada

Redes industriais

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Redes industriais

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E nosso dia-a-dia?

Em casa

Na rua

No trabalho...

Redes industriais

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Automação Industrial

Uso de dispositivo mecânico ou eletro-eletrônico paracontrolar máquinas e processos computadores,CLP, CNC...

Substituição de tarefas da mão-de-obra humana.

Realização de outras que o ser-humano não consegue realizar.

Passo além da mecanização, em que os operadores humanos são

providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos.

Quantidade com qualidade e economia competitividade!

Automação x Desemprego

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Automação Industrial Exemplo clássico:

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Automação Industrial

LC

LCV

SP

LE ligado

desligado

cheia

vazia

ligado

desligado

presente

ausente

ligado

desligado

motor da

esteira

garrafa

válvula

vazão saída

vazão entrada

Exemplo clássico:

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Objetivos da Automação Industrial

Qualidade: controle de qualidade eficiente,compensação automática sobre as deficiências doprocesso, processos de fabricação sofisticados.

Viabilidade técnica: processamento imediato de grandevolume de informações complexas, limitações dohomem, condições desumanas de trabalho.

Flexibilidade: inovações frequentes no produto,atendimento a especificidades do cliente, produção depequenos lotes.

Produtividade: produção de refugo zero, redução dosestoques.

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Objetivos da Automação Industrial

Aumento da segurança.

Diminuição dos custos operacionais.

Melhoria das condições de operação.

Simplificação das instalações.

Aumento dos níveis de controle.

Aumento dos níveis de acompanhamento.

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Níveis de automatização Industrial Exemplo clássico:

Processo não automatizadoControle de nível local mediante atuação na válvulavolante.

Processo semi-automatizadoControle de nível mediante atuação na válvula comatuador para acionamento remoto.

Processo automatizadoControle de nível mediante atuação na válvula comatuador e controlador automático.

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Áreas de atuação

Projetos de novas unidades de operação.

Modernização da planta industrial.

Integração de procedimentos e equipamentos emunidades de produção já existentes, e em operação.

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Disciplinas envolvidas

Sistemas de controle.

Instrumentação.

Informática.

Processos dinâmicos.

Comunicações.

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Motores, robôs, caldeiras, etc.

Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc

Algoritmos de controle

Tecnologias e protocolos de comunicação

Visualização, configuração e armazenamento e variáveis

Geração de informação estratégica

Níveis de abstração do problema

Nível de Gerência

Nível de Supervisão

Nível de rede de comunicação

Nível de controle direto: PC, CLP,...

Nível de sensores e atuadores

Nível de processos físicos

Redes industriais Automação Industrial + Gerencial

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VENDAS

PLANEJAMENTO

BANCO DE DADOS CORPORATIVOS

INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO

INTEGRAÇÃO DE CAMPO

OPERAÇÃO E SUPERVISÃO(OTIMIZAÇÃO)

CONTROLE E SEGURANÇA

CAMPO

Sistema Gerencial

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Elementos Sensores e Atuadores

PLC’s Controladores

Estações de Trabalho

Servidores

Estações de

Trabalho

Redes industriais Estrutura da automação industrial

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Rede de Comunicação de Dados Local

Processo Físico 1

Sensores Atuadores

Condicionamentode sinais

Controlador Local 1

Processo Físico n

Sensores Atuadores

Condicionamentode sinais

Controlador Local n

. . .

Supervisor Base de Dados

Gerência de Informação

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Condicionamento de sinais

Estratégias de supervisão.

Atuadores Calibração Segurança Economia de energia

Sensores

Processos

Hardware computacional

Conversão de sinais

Sistemas operacionais

Estratégias de controle e segurança (inter travamento)

Linguagem de programação

Elementos básicos:

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Processos ContínuosAs variáveis manipuladas têm natureza contínua

Processos químicos e robótica

Processos Discretos As variáveis manipuladas têm natureza discreta

Políticas de inter-travamento e manufatura

Sistemas HíbridosVariáveis contínuas + Variáveis discretas

Processos “Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados, gerenciados”

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Componentes transdutores de sinais

Condicionamento de sinais

Calibração de sensores

Sistemas de proteção

Valor verdadeiro

Sistema de

mediçãoProcesso

medido

SaídaEntrada

Valor medido

Observador

Sistemas de medição: sensores

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Termopares (sensores de temperatura)

Encoderes (sensores de velocidade e deslocamento)

Barômetros (medidor de pressão atmosférica)

Potenciômetros

Fibras ópticas

Ultra-som (medição indireta da distância / nível)

Exemplos de sensores

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Termopares: simples, robusto e baixo custo

Encoderes

Barômetros

Potenciômetros

Fibras ópticas

Ultra-som


• Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir dacontagem de pulsos digitais.

Estrutura interna: Sinais produzidos:

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Tipos de Encoder:

• Encoder Incremental – a posição é obtida em a partir da contagem de pulsos apartir do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informaçãoda posição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para oreinício da contagem

• Encoder Absoluto – há uma

codificação mais sofisticada na

estrutura do sinal gerado

(existem mais pulsos, não apenas

o A e B do encoder incremental),

que permitem a localização a

partir de qualquer posição inicial.

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• Tipos de Encoder:

• Encoder Linear

• Encoder Angular

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Redes industriais

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Termopares

Encoderes

Barômetros

Pote\nciômetros

Fibras ópticas

Ultra-som


• Aplicações de sensores ultrassônicos:a) Medidas de diâmetro;b) Detecção de objetos;c) Presença de pessoas;d) Medição de densidade.

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Redes industriais

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Conforme o tipo de energia podem ser:

Transmissão pneumática (3-15PSI).

Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc).

Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus,RS-232 protocolo HART, RS-422, “FoundationTM

Fieldbus”.

Transmissão hidráulica;

Transmissão eletromagnética (sem fios);

Transmissão óptica (fibra-óptica).

Telemetria (modo como a informação étransmitida):

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Amplificadores de energia

Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em

outras formas de energia

SaídaSistema de comando

Sinal de comando

Processo

Atuador

Sistemas de comando: atuadores

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Válvulas

Pistões

Inversores de frequência

Resistências

Relés (eletromecânicos ou de estado sólido)

Exemplos de atuadores

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Válvulas

Pistões

Inversores de frequência

Resistências

Exemplos de atuadores

Válvula de controle (Fisher) Transmissor eletrônico

Relé eletromecânico

• Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivosauxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensãoalternada.

• Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico:

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Nos terminais da bobina são

conectados o sinal de comando dos

sensores ou controladores.

Nos terminais dos contatos e no

terminal comum são conectados a

fonte de tensão AC.

A existência de tensão nos terminais

da bobina gera um campo magnético

que movimenta a armadura mudando

a posição dos contatos mecânicos.

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Inversores de Frequência

• Circuitos eletrônicos utilizados para controlar a velocidade de máquinas AC.

• Permitem a operação suave de máquinas AC e a economia de energia elétrica por evitaresforço elétrico na partida das máquinas.

• Utilizado atualmente também em ambientes residenciais e comerciais (elevadores,geladeiras, ar-condicionados)

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Redes industriais

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Sensores

Atuadores

A/DD/D

D/AD/D

Relógio Externo

ControleDireto

RegistroDe Dados

Gerência deInformação

InterfaceHomem/Máquina

Base de Dados

. . .

Terminais, impressoras, etc.

Processo Físico

O problema do controle automático

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Processo

Sistema de controle com computador

produto

Esquema de controle automático

Redes industriais

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Alarmes e guias para operador

Processo

Sistema de controle com computador

material

energia

produto

Informação do produtoSinais de

controle

Informação do processo

Registros e relatórios

Informação de entrada

Objetivos e informação de gerenciamento

Esquema de controle automático

Redes industriais Controladores industriais

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Trocador de calor a vapor

O tanque armazena e fornece um determinado produto em um ponto desejado detemperatura; O vapor utilizado na serpentina advém de uma caldeira e pode ser controlado poruma válvula; Não há controle sobre a entrada de produto para o tanque; Perturbações: Variações no fluxo e temperatura do fluido de entrada.


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Fluxo constante do produto frio o controle da válvula é função datemperatura do produto quente e do fluxo de vapor na entrada;Objetivo: manter a temperatura do produto quente.

Estratégia por relação:


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Problema: variação da pressão do vapor altera seu fluxo troca decalor; Malha de controle para o fluxo de vapor malha rápida evitandooscilação no sistema; O controle fica mais rápido utilização na indústria.

Estratégia por cascata:


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Mudança de carga pode demorar para ser percebida tamanho daserpentina; Sistema pode tornar-se instável devido à variação no fluxo atraso detransporte; Solução: tomar uma ação antecipativa conhecimento da planta.

Estratégia por controle antecipativo:

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PARTE IIIntrodução à Automação Industrial

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Arquitetura de Automação Industrial

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Sala de controle

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Comunicação

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Hardware e software que permitem ao operadorter acesso a informações do processo

Sistema de supervisão

Estado operacional do equipamento

Valores das variáveis de processo

Alarmes!

Relatórios

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Coletar dados dos dispositivos de campo. Apresentá-los em formato padronizado e amigável(gráficos!).

Função:

Interação eficiente entre processo e sistemasupervisório!

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Exemplo: ITAIPU Binacional

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Redes industriais

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Redes industriais

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Redes industriais

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Hardware do Sistema de Supervisão

Estações de supervisão (central e local)

Redes de comunicação

Impressoras

Controladores (CLPs)

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Telecomunicações

???

Hardware do Sistema de Supervisão

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Sistema Supervisório Um sistema estruturado através

de uma série de telas e janelas

Exibem os diversos dados disponibilizados pelo sistema,

ocupando todo o espaço disponíveldo monitor.

Idem à tela, porém ocupando apenas umaparte do espaço disponível do monitor.

TELA

JANELA

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Classificação das telas e janelas

Instrumentação

Alarmes

Segurança

Processo/

Utilidades

Conforme o tipode informa-

ção apresentada

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Principais funçõesSistema Supervisório:

Apresentação das variáveis do processo em tempo real

Gráficos de tendência de variáveis de processo

Anunciação e Reconhecimento de alarmes

Sinalização do estado operacional de equipamentos

Registro de eventos

Emissão de relatórios

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Principais funçõesSistema Supervisório:

Ligar e Desligar equipamentos

Registro histórico de variáveis de processo

Armazenamento, recuperação de dados de equipamentos

Alteração de parâmetros de operação

Referência de operação

Seleção da saída

Parametrização de instrumentos

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Evolução da Estrutura de Automação

Controle Direto

Controle Ponto-a-ponto

SCDC (Sistemas Digitais

de Controle Distribuído)

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Estratégia de Controle Direto

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Estratégia de controle ponto-a-ponto

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Sistemas Digitas de Controle Distribuído - SDCD

Sistema introduzido para substituir painéis de controleconvencionais, centralizando tarefas e distribuindofunções (1974).

Sistema configurável.

A filosofia do sistema digitais de controle distribuído é a de dividir os equipamentos em

vários módulos funcionalmente distintos.

Comunicação

Gerenciamento

OperaçãoControle

Processo

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Visão Geral:

Interface IHM poderosa e amigável.

Evolução da instrumentação comfunções distribuídas geograficamente.

Substituição deequipamentos analógicos.

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Os sistemas SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition) começaram a seridealizados desde a primeira metade do séculoXX, com a necessidade de obtenção de dadosmeteorológicos em grande volume.

Atualmente eles estão sendo largamenteutilizados na indústria, principalmente quandoo chão de fábrica é geograficamente bastantedistribuído.

SCADA

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Centro de Operações (CO) com uma Unidade Mestre (UM), que interage com as URs e uma Interface Homem-Máquina (IHM)

Uma ou mais Unidades Remotas

(URs) que interagem diretamente

com os processos

Sistema de comunicação que permite a troca de informações entre o CO e as URs

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Computador(es) principais (host computers)

Rede(s) de Área Local

Estação Mestre

Modem(s) Mestre(s)

Rede(s) de Telemetria

Modem(s) Remoto(s)

Estações Remota(s)

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Desafios da Automação Industrial

Interoperabilidade e padronização

Algoritmos de controle eficientes

Algoritmos de detecção e previsão de

falhas

Diminuição de custo

Sistemas de gerência de informação

Escalabilidade

Redes determinísticas e tolerante a falha

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Desafios da Automação Industrial

Solução integrada de automação quepermita disponibilizar informação dequalidade, em tempo real, em nível gerencial.

Para uma integração simples, é necessáriointeroperabilidade de diferentes sistemas, ouseja, sistemas abertos a produtos de terceiros.

O processo de automação não deve serconsiderado algo isolado na indústria. Essaárea precisa estar aberta para as novastecnologias já disponíveis.

Interoperabilidade e padronização

Algoritmos de controle eficientes

Algoritmos de detecção e

previsão de falhas

Diminuição de custo

Sistemas de gerência de informação

Escalabilidade

Redes deterministicas e tolerante a falha

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O termo "sustentabilidade" passou a ter uma conotação mais ampla,difundindo- se rapidamente, e agora incorporado ao vocabuláriopoliticamente correto das empresas, dos meios de comunicação demassa, das organizações da sociedade civil.

No entanto, a solução das causas da insustentabilidade pareceavançar em ritmo muito mais lento.

Sustentabilidade

Desde a colheita até a comunidade, 20% de todoalimento produz ido no país é desperdiçado(IBGE).

Desperdício de 50% da água tratada em todo país. Damesma forma, desperdiçamos 9,5% de toda a produçãoanual de energia.

A Associação Brasileira de Manutenção indica que os custos com manutenção noPaís atingem a marca de 4,2% do PIB, além de 4% do faturamento bruto dasempresas ser gasto em ações de manutenção.

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Efetivamente existe um cenário complicado, cheio de desafios, noqual a engenharia de automação pode dar o suporte necessário embusca do ponto "ótimo" de equilíbrio para requisitos ecológicos,sociais e econômicos.

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O apoio tecnológico de organizações mundiais na padronização de recursos de equipamentosfazem com que soluções inteiras de automação saiam de fábrica com o selo verde desustentabilidade, não só por consumirem menos, mas também por terem sido concebidos emum perfil de aplicação padronizado, que permite por exemplo, que a própria planta possadesligar-se em áreas ociosas.

Outros aspectos para melhoria de processos, como os sistemas de gerenciamento de ativos, ossistemas de controle de execução (MES) e de Inteligência de Negócios (Business Intelligence,BI), cujos objetivos são claramente traçados: aumentar a capacidade produtiva seminvestimentos em expansões e/ou plantas novas, trazendo a disponibilidade operacional ao seuponto máximo, evitando paradas não programadas, desperdícios com a variabilidade noproduto final e falhas no controlede produção (devidas à falta deinformações em tempo real paraos tomadores de decisão).

Com as redes industrias e equipa-mentos inteligentes, a base da au-tomação industrial passou a contarcom dados que até então não eramacessados.

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Comparação entre sistemas fieldbus e sistemas analógicosconvencionais mostra como se pode manter a lucratividade alta sem sepreocupar com as paradas não-programadas.

A estabilidade operacional da planta proporciona uma vida útil maislonga e lucrativa para os equipamentos, instrumentação e sistemas decontrole.

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A variação de foco em cada nível promove a execução de tarefas eanálises de informação com muito mais precisão e rapidez.

Os mesmos dados extraídos do campo passam por tratamentosdiferentes em cada nível de forma a mostrar somente o que éextremamente útil para aquela posição.

Operador estaria preocupado com a vazão de determinado produto Gerente de planta preocupado com o desempenho de determinado setor Gerente de produto acompanha a disponibilidade e qualidade dedeterminado produto final Diretoria avalia os índices produtivos de cada unidade.

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A Sustentabilidade vai muito além de Publicidade ePropaganda. É um conceito simples de se entender,mas que traz consigo todo um conteúdo históricode brigas de interesses, e a busca de entendimentoentre as partes envolvidas.

A velocidade de adoção de soluções sustentáveis estábem aquém do que é desejado:

É preciso vontade política para forçar mudanças. Vontade empresarial para criar melhorias significativas em seus meiosde produção. Cobranças enérgicas de toda a sociedade. E ainda, adotar umaconsciência sustentável, evitando o consumo desenfreado.

Através de novas pesquisas e da adoção de métodos e ferramentasde produção mais inteligentes, esse quadro pode melhorar.

Fim de Aula.

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