Noções de automação. Noções de automação. O que é automação? Por que automatizar?

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1 Noções de automação Noções de automação O que é automação? Conjunto de dispositivos mecânicos, eletrônicos e de sistemas de computação com o objetivo de tornar automática uma ação. Por que automatizar? Aumento de produtividade; Redução de custo; Aumento da segurança; Melhoria da qualidade; Redução de tempo de produção (lead time); 1

2 Noções de automação Noções de automação Criatividade Abstração Adaptação Aprendizagem Homem Raciocínio Fuzzy sob dados incompletos Flexibilidade Máquina Armazenagem de dados Tarefas múltiplas Força Processamento numérico Decisões rápidas Ambientes insalubres O que é processo? Qualquer operação, ou série de operações, que produz um resultado final 2

3 Noções de automação Tipos de indústrias: Tipos de industrias: Processo continuo. Normalmente produzem matérias primas e produtos intermediários de natureza normalmente fluida e processados de forma contínua. Processo discreto ou manufatura. Normalmente produzem produtos finais, normalmente contados por unidade produzida. Caracteristicas Continuos Discretos Produção Toneladas, metros cúbicos,etc No. de produtos Qualidade Concentração, etc Dimensões, defeitos, aparência Variáveis típicas Sensores e atuadores Temperatura, vazão, pressão,etc Termopares, válvulas, bombas Constantes de tempo Segundos, minutos e horas Posicão, velocidade, força,etc Sensores fotoelétricos, motores, pistões, etc Menos de um segundo 3

4 variedade Tipos de automação: Automacao Fixa Automação Programável Oficina Automação Flexível Produção em batelada Automação Fixa Produção em massa Custo nos equipamentos customizados ao produto; Inflexível; Produção em massa; Custo diluído no volume de produção. Exs: Linhas de transferência quantidade 4

5 Automação Flexivel Automação Programável Custo nos equipamentos de propósito geral; Flexibilidade; Reprogramação a cada novo produto; Troca de ferramentas e setups a cada novo produto; Usado em processos em batelada. Exs: Maquinas CN e robos Sistemas engenheirados ; Sem perda de tempo na troca de produtos; Produtos com variedades simples de projetos; Taxas médias de produção 5

6 Níveis de automação Produção, compras, custo, estoques Discreto Nível de Gestão Nível de Planta Nível de Célula Nível de Máquina Nível de Dispositivos Contínuo Nível de Gestão Nível de Otimização Nível de Supervisão Nível de Controle Sensores e atuadores 6

7 Níveis de automação Níveis de automação Nível de Dispositivo: Sensores e Atuadores (transmissores, encoders, válvulas, junta de um robô, motor de passo, inversor de freqüência etc) Nível de Controle ou de Máquina: CLPs, controladores, Máquinas CNC, Robôs, Conveyors, AGVs (Auto Guided Veichle) Nível de Supervisão ou de célula: Supervisórios, IHMs Nível de Otimização ou de planta: Otimizadores de processo, controle avançado. Nível de gestão ERP (Enterprise Resource Planning) 7

8 Volts Telemetria Variáveis Contínuas x Digitais São denominadas telemetria as técnicas de obtenção, processamento e transmissão de dados à distância. 4 Analógica convertida para digital ou quantizada ( ) Tecnologia pneumática Tecnologia Eletrônica 3 2 Digital nivel 1 contínuas Tecnologia Digital 1 Digital nível 0 DT tempo 8

9 Tipos de instrumentos: Sensores Sensores Transmissores Indicadores Registradores Controladores Transdutores Atuadores Instrumento utilizado para determinar uma grandeza ou estado. Principais variáveis medidas: Pressão. Nível. Vazão. Temperatura. Posição. Velocidade. 9

10 Pressão Pressão É a mais importante das variáveis pois diversas outras variáveis são medidas utilizando-se indiretamente da pressão: Ex. de unidades de medida: bar, PSI, Kgf/cm². Temperaturas (a bulbo de pressão); Vazões; Níveis Pressão é a relação entre uma força e a superfície sobre a qual ela atua P = F S F 90 10

11 Tipos de Pressão Princípios de Medição 0 P relativa P absoluta P atmosférica 760 mm Hg Por equilíbrio de uma pressão desconhecida contra uma pressão conhecida Por meio de deformação de um material elástico Por meio de variação de uma propriedade física (base dos transmissores eletrônicos de pressão) 0 Vácuo total 11

12 Pressão: Equilíbrio de pressão Pressão:Deformação Colunas de líquido Bourdon Coluna Vertical Coluna Inclinada Em U 12

13 MANÔMETRO DE BOURDON TIPO C MANÔMETRO DE BOURDON TIPO C 13

14 Strain Gauge Pressão A deformação do material sob pressão altera sua resistência. A medição da resistência fornece a indicação da pressão. São aplicados para medir pressões muito elevadas. Outros são usados como células de carga em balanças eletrônicas. 14

15 Nível Nível MEDIÇÃO DIRETA: Efetuada sob a superfície do líquido geralmente com o emprego de flutuadores, ou através de visores de nível. RÉGUA OU GABARITO MEDIÇÃO INDIRETA: Neste tipo de medição são usadas propriedades físicas ao nível, como: pressão, empuxo e radiação Unidades de medida: m,cm, ft, pol, % 15

16 Nível: visor de nível Nível LG Medição direta por bóia 16

17 Nível: Boia Nível empuxo Voltar 17

18 Nível medição indireta Nível: ultra-som, Radar e Microondas Pressão da coluna d agua 100% 0% Indicadas para aplicações corrosivas e sujas,bem como para líquidos,lamas e sólidos a granel. Não confiáveis na presença de espuma na superfície. Sólidos a granel diminuem a precisão dos transmissores 18

19 Medição de Nível por Radar Medição de Nível por Radar 19

20 Medição de Nível por Radar Vazão : Conceitos Q = V T 20

21 Vazão : Principais tipos Vazão: Pressão diferencial Pressão diferencial. Turbina fluidos limpos Medidor magnético de vazão - fluidos corrosivos e sujos. Deslocamento positivo - totalização direta da vazão. Área variável - para a indicação local e barata da vazão com baixa precisão de fluido sob baixa pressão. 21

22 Vazão: Pressão diferencial Placa de Orifício Placa de Orifício 22

23 Placa Instalada na Linha Vazão: Pressão diferencial Tubo de venturi Cone de Entrada Garganta Cone de Saída Flange Taps 23

24 Vazão: Pressão diferencial Tubo de Venturi Tubo de Venturi P1 P2 24

25 Vazão: Pressão diferencial Vazão: Pressão diferencial Bocal de Vazão Bocal de Vazão 25

26 Vazão: Pressão diferencial Vazão: Turbina Tubo de Pitot 26

27 Medidor de Velocidade Vazão: Medidor magnético Turbina 27

28 Vazão: Medidor magnético Vazão: Medidor magnético 28

29 Vazão: Deslocamento positivo Medidor de Deslocamento Positivo Engrenagens ovais 29

30 Medidor de Deslocamento Positivo Vazão: Área Variável (rotâmetro) Engrenagens ovais 30

31 Rotâmetro Temperatura Princípios e medição: Variação da resistência elétrica Dilatação térmica dos materiais Tensão gerada no condutor Radiação emitida Unidades de medida: K, F, ºC 31

32 Variação da resistência elétrica Medição de temperatura por variação da resistência elétrica Os materiais tem sua resistência elétrica modificada em função da temperatura. Neste princípio enquadram-se as: Metais Termômetros de resistência Semicondutores - Termistores Variação da resistência elétrica em função da temperatura Metal Coeficiente de variação / o C Platina 0,00392 Níquel 0,00672 Cobre 0,0038 Tungstênio 0,0045 Ouro 0,0040 Prata 0,

33 Medição de temperatura por variação da resistência elétrica Termistores Tampa Cabeçote Unidade da mola de carga Bloco de ligação Mola Conexão do cabeçote Poço Extensão Tampa do cabeçote Conexão do cabeçote Extensão Poço Grande variação da resistência em função da temperatura, mas com coeficiente de temperatura (K), não constante. Usados, em sua maioria, como proteção de circuitos eletrônicos, como compensadores de temperatura ambiente, e muito poucas vezes usado no ambiente industrial como elemento primário. Ponta sensora 33

34 Termistores Dilatação térmica Tipos: NTC Coeficiente negativo de temperatura PTC Coeficiente positivo de temperatura Utilizam a expansão volumétrica dos materiais, que é proporcional à temperatura. 34

35 Dilatação térmica (termômetros bimetálicos) Tensão gerada no condutor Baseia-se principalmente no efeito Seebeck : Quando as extremidades de um material encontram-se em temperaturas diferentes. A diferença de energia térmica dos átomos faz com que os localizados no lado mais quente tendam a se dirigir para o lado mais frio (criação de força eletromotriz) 35

36 Tensão gerada no condutor Tensão gerada no condutor Esquema de um termopar. Ponto de medição Conexão Instrumento Tipo Materiais Faixa ( o C) J Ferro-constantan -190 a 760 T Cobre-constantan -200 a 371 K Cromel-alumel -190 a 1260 E Cromel-constantan -100 a 1260 S Pt-90% Pt +10% Rh 0 a 1482 R Pt-87% Pt +13% Rh 0 a

37 Radiação emitida Sensores de posição Monitoração da posição de peças, contagem de produtos, ou verificar a posição de um dado equipamento. Os sensores se dividem em: Posição linear ou angular Detectores de passagem ou de fim-de-curso 37

38 Sensores de posição Sensores Potenciométricos Sensores Potenciométricos Sensores Magnéticos Sensores Indutivos Sensores Capacitivos Sensores Óticos Sensores Mecânicos Obtida através da leitura de tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) de um (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo). Ponto Móvel 38

39 Sensores Indutivos Sensores capacitivos Comutam eletronicamente de estado lógico quando um objeto metálico entra em sua área de detecção. Comutam eletronicamente de estado lógico quando qualqer objeto entra em sua área de detecção. 39

40 Sensores Óticos Sensores Óticos Barreira Reflexão Difusão 40

41 Sensores Mecânicos Sensores Mecânicos: tipo rolete São comutadores elétricos, acionados mecanicamente. São, geralmente posicionadas no decorrer de percursos de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos, hastes de cilindros hidráulicos ou pneumáticos 41

42 Tipo rolete escamuteável ou gatilho Sensores magnéticos São atuados quando entram em um campo magnético 42

43 Encoders Encoders Usados em robôs, máquinas-ferramenta, CNC entre outros, determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. Se dividem em: Relativos ou incrementais Absolutos Incremental Envia pulsos em série correspondendo ao ângulo de rotação do eixo. É conectado a um dispositivo capaz de contar os pulsos e convertê-los em uma medida do movimento do eixo. O número de fendas determina o número de pulsos por revolução do encoder, ou seja, a sua resolução 43

44 Encoders Encoders Absoluto Envia um código exclusivo para cada posição do eixo. O disco interno possui várias trilhas concêntricas. Cada trilha tem uma fonte de luz independente. As saídas de cada uma das trilhas formam um sinal binário exclusivo para cada posição do eixo 44

45 Encoders Resolvers 45

46 Tipos de instrumentos: Tipos de instrumentos: Transmissores: elemento responsável em transmitir o valores medidos pelos sensores em um sinal entendível pelos demais instrumentos. Indicadores: elementos responsáveis em mostrar o valor de uma variável. Transmissão de Temperatura Foxboro Indicador Analógico Indicador Digital 46

47 Tipos de instrumentos: Tipos de instrumentos: Registrador: Instrumentos que registram informações históricas do processo Transdutores: instrumentos que transformam um tipo de energia em outro. Transdutores 47

48 Tipos de instrumentos: Atuadores exemplos Atuadores: elemento responsável em intervir na variável controlada, modificando-a se necessário. Válvulas Cilindros hidráulicos e pneumáticos Resistências Elétricas Motores 48

49 Válvulas Válvulas - classificação Dispositivo com finalidade de provocar obstrução na tubulação para permitir maior ou menor passagem de fluido. Segundo a operação a) Manual - A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feita pelo homem. b) Auto-reguladora - A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a energia contida no fluido. c) Controle - Utiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamento é feito de acordo com os sinais provenientes dos controladores. 49

50 Válvulas - classificação Válvula Gaveta Segundo a relação entre a posição da haste e a abertura a) ON- OFF: Válvulas de abertura e fechamento rápido. Trabalham apenas nas posições totalmente aberta ou totalmente fechadas. b) Proporcionais: Válvulas onde a abertura e proporcional ao sinal vindo do controlador. 50

51 Válvula Borboleta Cilindros hidráulicos e pneumáticos Dispositivo utilizado para transmitir energia contida em um fluido. 51

52 Resistências Elétricas Motores elétricos Dispositivo utilizado para transformar energia elétrica em energia térmica. O motor elétrico é uma máquina elétrica que transforma energia elétrica em mecânica. 52

53 Motores elétricos - tipos Motores acionamentos Motores de corrente continua. CC Excitação em serie. Excitação independente Excitação mista Passo Motores de corrente alternada. CA Síncronos Asincronos Inversor de Freqüência: Equipamento utilizado para promover a variação de velocidade em um motor AC. Isso e feito através da variação da freqüência da tensão de alimentação do motor. 53

54 Diagrama de Blocos Diagrama 54

55 Tipos de instrumentos: CONTROLADOR DE PRESSÃO PNEUMÁTICO - FOXBORO (CAMPO) Controladores: instrumentos destinado a realizar gerencia todas as ações corretoras e pré-determinadas em um processo. 55

56 Tipos de controladores Single Loop e Multi Loop Single loops. Multi-loops. Modelo CD600 Smar Até 4 malhas de controle; Até 8 blocos PID; Mais de 120 blocos de controle avançado CLP (controlador lógico programável). Modelo CD600 Plus Smar 56

57 Single Loop e Multi Loop Single Loop e Multi Loop Modelo UP 750 Yokogawa Operação em até 3000 segmentos 11 tipos de funções de controle Alarmes Filtro Display gráfico de tendência Controladores Honeywell 57

58 Tipos de controladores CLP - Introdução CLP. Histórico Características Evolução Aplicações 58

59 Evolução dos CLPs HARD LOGIC Evolução dos CLPs SOFT LOGIC Uma Composição de SOFTWARE + HARDWARE 59

60 Estrutura de Hardware de um PLC Porte do PLCs 60

61 CLP Estrutura de um Cartão de Entrada CLP Estrutura de um Cartão de Saída 61

62 Linguagens Ladder Ladder Blocos Lógicos E1 E2 S1 Lista de Instruções ( ) E3 E4 62

63 Blocos Lógicos Lista de Instruções E1 & : A E1 E2 : A E2 E3 & >=1 S1 : O : A E3 E4 : A E4 : = S1 63

64 CLP - Funcionamento Nomenclatura de Instrumentação Lê as Entradas e Atualiza a Tabela Imagem House-Keeping Executa Comunicação com CLPs e PCs No ambiente industrial cada instrumento recebe um TAG, ou seja, um nome que o identifica de forma única no ambiente industrial (norma S. 5.l da ISA) INDENTIFICAÇÃO DO INSTRUMENTO F IC B Executa o Programa e Atualiza a Tabela Imagem das Saídas Aciona as Saídas VARIÁVEL FUNÇÃO ÁREA DE ATIVIDADE IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL N DE SEG. DA MALHA IDENTIFICAÇÃO DA MALHA SUFIXO 64

65 Representação dos intrumentos 65

66 Padrões de Sinais Conversão entre sinais Para transmitir sinais de forma analógica no ambiente industrial utilizam-se padrões, paulatinamente caindo em desuso: 4 a 20 ma 3 a 15 PSI 1 a 5V (curtas distâncias) Ao longo do sistema de controle, um sinal pode trocar de forma várias vezes, por exemplo: 20 ma 12 ma 4 ma 15PSI 3PSI X = 12-4 X 3 16.(X-3) = X = X = 144 X = 9 PSI 66

67 Padrões de Sinais Malhas de controle Malha aberta: 67

68 Malhas de controle Conceitos importantes Malha fechada: Variavel controlada: variavavel de um processo que se deseja controlar. PV (present value ou valor presente): valor atual da variável controlada. SP (set point ou valor setado): valor no qual se deseja em que esteja o PV. 68

69 Conceitos importantes Conceitos importantes MV (manipulated variable ou variável manipulada): Variável que o controlador manipula para causar uma variação na variavel controlada. Tempo de estabilização: tempo necessário para que o PV seja igual ao SP. Ganho do processo: é a relação entre o erro e a variação da variável controlada. Erro de regime: é a diferença entre o SP e o PV (SP PV). Distúrbio: variáveis que interfere no processo mas não são medidas nem controladas. 69

70 Conceitos importantes Tipos de controle Resposta ao degrau: resposta do controlador a uma variaçãob súita na entrada Variação de carga: variação do produto controlado. On off. Proporcional Integral Derivativo PI (proporcional integral) PD (proporcional derivativo) PID (proporcional integral derivativo). 70

71 Controlador ON-OFF Ação ON-OFF O elemento atuante tem duas posições Exemplo de um Sistema 71

72 Ação Proporcional (P) Comportamento do Sistema O controlador Proporcional a relação entre a saída do controlador u(t) e o sinal de erro é: Exemplo da ação proporcional Kp=100 Onde: K p è denominado ganho proporcional. 72

73 Comportamento do Sistema Comportamento do Sistema Exemplo de aumento do ganho proporcional Kp=300 Exemplo de aumento do ganho proporcional Kp=600 73

74 Comportamento do Sistema Resultados Exemplo de aumento do ganho proporcional Kp=1500 Ação proporcional nunca o erro é zero porque se o erro for zero é retirada a energia do sistema. Aumento do ganho proporcional o erro diminui chegando próximo de nulo. Crescimento do ganho proporcional em excesso gera instabilidade no sistema 74

75 Ação Integral (I) Resultado É aplicada um sinal de controle proporcional a integral do erro, ou seja a área sobre curva que corresponde ao erro. Tem função de armazenadora de energia ou memória de erro Permite o erro zero, pois garante a aplicação ao processo um sinal de controle constante a manter o erro nulo. Parâmetro que esta ligado diretamente a precisão do sistema. Piora a instabilidade do sistema. 75

76 Ação Derivativa (D) Resultados Corresponde a aplicação de um sinal de controle proporcional a derivada do sinal de erro, ou seja a taxa de variação no tempo. Sensível em processo de resposta rápida. Não utilizado pela puramente pela dificuldade de implementação física. È uma ação antecipatória ou preditiva a ação é baseada a tendência do erro. O Ganho é crescente com a velocidade de variação do erro. 76

77 Ação Proporcional-Integral(P+I) Ação Proporcional- Derivativa(P+D) A ação integral tende a anular o erro. A ação proporcional a melhora a estabilidade do sistema. Mais tem problema com variações em um curto espaço de tempo. Diminui o regime transitório através da ação Derivativa ou seja a resposta ao processo se torna mais rápida. O sinal de controle é proporcional a estimativa do erro. 77

78 Ação PID Considerações Importantes Faz a combinação das vantagens de todas as outras ações. Teoricamente o controlador perfeito. Existe um limite máximo e mínimo para o ajuste do controlador PID que esta ligado a banda proporcional ou por Kp. Saturação os limites de ajustes estão fora da faixa estabelecida, então o controlador não toma mais nenhuma ação sobre a variação do erro. Sintonia melhor ajuste aos parâmetros do controlador para obter a melhor resposta transitória e regime 78

79 Robótica Robótica Robô definição: manipulador multifuncional reprogramável projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou aparelhos especializados através de movimento programados variável para a realização de diversas tarefas. Arquitetura: 79

80 Robótica Sistema digital de controle distribuído Aplicações: Manipulação Montagem Soldagem Aplicação de fluidos Sistema de controle que utiliza o conceito de processamento distribuído É composto de unidades remotas autônomas para aquisição e controle de variáveis de processo 80

81 Controle integrado X Controle distribuído Controle integrado X Controle distribuído 81

82 Controle integrado X Controle distribuído Esquema de um SDCD 82

83 Sistema digital de controle distribuído Estrutura hierárquica Os SDCD s possuem 5 níveis de atividades: Nível 0: - aquisição de dados e atuação Nível 1: - regulação de malha única e funções de intertravamento Nível 2: - regulação de malhas múltiplas e funções de controle de seqüência de eventos Nível 3: - Otimização Nível 4: - Sistema de gerenciamento de informações 83

84 Modelo de referência SDCD de pequeno porte 84

85 ESTAÇÃO DE OPERAÇÃO Vista geral 85

86 Integração com Fieldbus Topologia de redes Denomina-se topologia a forma como os diversos componentes de uma rede influencia diretamente no desempenho, flexibilidade, segurança e confiabilidade da rede 86

87 Topologia em Barramento Topologia em Anel Biderecional Meio físico por difusão Broadcasting Difícil isolamento de problemas Estações distribuidas em um anel Comunicação unidirecional Anel duplo para comunicação bidirecional Estações podem realizar o papel de repetidores Difícil isolamento de problemas Baixas velocidades 87

88 Topologia em estrela Topologia em árvore Também conhecida como radial Ligações ponto a ponto Monitoramento centralizado Fácil implantação Estação central é ponto crítico Geralmente existe um barramento central derivando para os ramos 88

89 Topologia em Grafos Sistemas de supervisão Topologia ponto a ponto Permite a criação de muitas rotas alternativas (redundante) Altamente complexa e cara! IHM (Interface Homem maquina) 89

90 Sistemas de supervisão Sistemas de supervisão Softwares supervisórios: Ex: Elipse SCADA Elipse E3 Indusoft Vunic 90

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