AUTOMAÇÃO DE UM FORNO PARA TRATAMENTO DE CHAPAS COM CONTROLE VIA CLP E SISTEMA SUPERVISÓRIO

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO (Bacharelado) AUTOMAÇÃO DE UM FORNO PARA TRATAMENTO DE CHAPAS COM CONTROLE VIA CLP E SISTEMA SUPERVISÓRIO TRABALHO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO SUBMETIDO À UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU PARA A OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA COM NOME EQUIVALENTE NO CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO BACHARELADO WANDER SAMUEL MAASS BLUMENAU, DEZEMBRO /2-57

2 AUTOMAÇÃO DE UM FORNO PARA TRATAMENTO DE CHAPAS COM CONTROLE VIA CLP E SISTEMA SUPERVISÓRIO WANDER SAMUEL MAASS ESTE TRABALHO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE: BACHAREL EM CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO Prof. Antônio Carlos Tavares Supervisor na FURB Edson Basquiroto Orientador na Empresa Prof. José Roque Voltolini da Silva Coordenador na FURB do Estágio Supervisionado BANCA EXAMINADORA Prof. Antônio Carlos Tavares Prof. Miguel A. Wisintainer Prof. Dalton Solano dos Reis ii

3 Penso 99 vezes e nada descubro. Deixo de pensar, mergulho no silêncio, e eis que a verdade se revela! Albert Einstein iii

4 AGRADECIMENTOS Para minha família. Alido, meu pai, pelo incentivo que sempre recebi. Günter, meu irmão, pelo exemplo de vida a ser seguido. E em especial para minha mãe, Eronides, pelos anos de convivência. A todos os meus colegas de trabalho e de estudo. Para meu amigo João, que muito contribuiu para o desenvolvimento deste trabalho. Ao orientador Edson Basquiroto pela oportunidade de crescimento profissional. Ao supervisor Antônio Carlos Tavares pela atenção e dedicação. E a todos que acreditaram, obrigado. iv

5 SUMÁRIO SUMÁRIO...v LISTA DE FIGURAS...viii LISTA DE TABELAS...xi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...xii RESUMO...xiii ABSTRACT...xiv 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO OBJETIVOS ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DEFINIÇÃO E CONCEITOS EMPREGOS X AUTOMAÇÃO CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ELEMENTOS DO HARDWARE A UCP E A MEMÓRIA DO CLP INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS CONTROLADOR PROPORCIONAL, INTEGRAL E DERIVATIVO...29 v

6 3.3 A NORMA IEC CARACTERÍSTICAS DA NORMA IEC O CLP MODELO BOSCH CL SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO WINSPS SISTEMAS SUPERVISÓRIOS SOFTWARE SUPERVISÓRIO INDUSOFT STUDIO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DESCRIÇÃO DO PROBLEMA EQUIPAMENTO UTILIZADO NO PROJETO ESPECIFICAÇÃO IMPLEMENTAÇÃO IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE DO CLP O CONTROLE PID NO CLP CL INTERTRAVAMENTOS DO SISTEMA MANUAL E AUTOMÁTICO SEGURANÇA DO SISTEMA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO TELAS DE SINÓTICO ALARMES ONLINE E HISTÓRICOS GRÁFICOS ONLINE E HISTÓRICOS COMUNICAÇÃO SUPERVISÓRIO/CLP RESULTADOS CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS TRABALHOS FUTUROS...69 vi

7 6 ANEXO 1 MODELAGEM DO SISTEMA SISTEMA DA MESA DE CARREGAMENTO SISTEMA DE CARREGAMENTO CONTROLE DA COMPORTA C CONTROLE DA COMPORTA C CONTROLE DA COMPORTA C SISTEMA DE DESCARREGAMENTO SISTEMA DA MESA DE ESPERA CONTROLE DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA CONTROLE DO SERVOMOTOR DO RESFRIAMENTO LENTO ANEXO 2 CÓDIGO FONTE ANEXO 3 TELAS DO SUPERVISÓRIO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...84 vii

8 LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 ARQUITETURA BÁSICA DE UM CLP...2 FIGURA 02 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM SISTEMA CONTROLADO POR COMPUTADOR...3 FIGURA 03 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO...7 FIGURA 04 FATURAMENTO BRUTO DAS EMPRESAS DO SETOR DE AUTOMAÇÃO (DADOS ESTIMADOS)...10 FIGURA 05 EXEMPLO BÁSICO DE UM PROCESSO AUTOMÁTICO...12 FIGURA 06 RELAÇÃO DAS QUATRO FUNÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE E DOS ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO...15 FIGURA 07 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CLP...19 FIGURA 08 CICLO DE VARREDURA DE UM CLP...20 FIGURA 09 UNIDADE DE MEMÓRIA...24 FIGURA 10 MAPA DE MEMÓRIA GENÉRICO DE UM CLP...24 FIGURA 11 MAPA DE MEMÓRIA DA ÁREA DE ENTRADA/SAÍDA...25 FIGURA 12 PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA...26 FIGURA 13 INTERFACE PARA ENTRADA DE SINAIS CA / CC...27 FIGURA 14 INTERFACE DE SAÍDA DE SINAL VIA CONTATO DE RELÉ...27 FIGURA 15 PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS...28 FIGURA 16 INTERFACE DE ENTRADA ANALÓGICA POR CORRENTE...29 FIGURA 17 INTERFACE DE SAÍDA ANALÓGICA POR TENSÃO...29 FIGURA 19 CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL...30 FIGURA 20 CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL...31 viii

9 FIGURA 21 CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + DERIVATIVO...32 FIGURA 22 CURVA DE RESPOSTA DOS CONTROLADORES PID...33 FIGURA 23 RESULTADO DE CADA TIPO DE CONTROLE...33 FIGURA 24 MÓDULOS DE UCP DO CL FIGURA 25 MÓDULOS DE ENTRADA DIGITAL DO CL FIGURA 26 MÓDULOS DE SAÍDA DIGITAL DO CL FIGURA 27 MÓDULOS DE ENTRADA ANALÓGICA DO CL FIGURA 28 MÓDULOS DE SAÍDA ANALÓGICA DO CL FIGURA 29 MODELOS DE RACK DO CL FIGURA 30 PROGRAMAÇÃO EM LISTA DE INSTRUÇÕES...40 FIGURA 31 PROGRAMAÇÃO EM DIAGRAMA DE CONTATOS...40 FIGURA 32 PROGRAMAÇÃO EM BLOCOS LÓGICOS...40 FIGURA 33 AMBIENTE DE EDIÇÃO WINSPS...41 FIGURA 34 AMBIENTE DE EDIÇÃO INDUSOFT STUDIO...44 FIGURA 35 O FORNO DE TRATAMENTO DE CHAPAS...47 FIGURA 36 MESA DE COMANDO PRINCIPAL...48 FIGURA 37 INSTALAÇÃO DO CLP CL200 NO PAINEL ELÉTRICO...49 FIGURA 38 EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LADDER...51 FIGURA 39 EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM BLOCO DE FUNÇÕES...51 FIGURA 40 EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LISTA DE INSTRUÇÕES...51 FIGURA 41 MÓDULO DE CONTROLE PID PARA O CLP CL FIGURA 42 MÓDULO DE TIRISTORES DE POTÊNCIA...54 FIGURA 43 JANELA DE CONFIGURAÇÃO DOS CONTROLADORES PID NO SUPERVISÓRIO...55 FIGURA 44 JANELA DE CONFIGURAÇÃO DE SETPOINT NO SUPERVISÓRIO...55 ix

10 FIGURA 45 MODOS DE OPERAÇÃO DO FORNO...56 FIGURA 46 ACIONAMENTO MANUAL VIA SUPERVISÓRIO...57 FIGURA 47 SISTEMA DE UMA COMPORTA INTERNA DO FORNO...58 FIGURA 48 BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO...60 FIGURA 49 BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO...61 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO...62 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO...63 FIGURA 50 BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO...63 FIGURA 51 TELA DE GRÁFICO DAS TEMPERATURAS...64 FIGURA 52 TABELA DE CONFIGURAÇÃO DA COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP...65 FIGURA 53 TABELA DE CONFIGURAÇÃO DAS VARIÁVEIS DE COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP...66 x

11 LISTA DE TABELAS TABELA 01 DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS...26 TABELA 02 DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS...28 TABELA 03 ALARMES GERADOS NO SUPERVISÓRIO...61 xi

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CLP Controlador Lógico Programável UCP Unidade Central de Processamento P Ganho Proporcional I Tempo de Integral D Tempo de Derivativo PID Proporcional, Integral e Derivativo CC Corrente Contínua CA Corrente Alternada NEMA National Eletrical Manufactures Association ABNT Associação Brasileira de Normas e Técnicas RISC - Reduced Instruction Set Computer xii

13 RESUMO Neste trabalho são abordadas técnicas e métodos para a utilização de ferramentas dedicadas a área de programação de controladores lógicos programáveis e a elaboração de um sistema supervisório. Para demonstrar sua aplicação foi realizada a automação de um forno para o tratamento de chapas de motores elétricos industriais. xiii

14 ABSTRACT In this work are broached techniques and methods to make use of tools dedicaded to the area of programmable logic controllers programmation and the elaboration of a supervisory system. To demonstrate your application was realized a automation of a oven to the treatment of industrial eletric motors plates. xiv

15 1 1 INTRODUÇÃO A especificação de sistemas automatizados busca nos dias atuais uma maior sintonia entre software e hardware e também a constante atualização de tecnologias. Para tal é necessário a aplicação de normas comuns e eficazes destinadas aos sistemas de automação industrial ([BON1997]). Com o advento de controladores lógicos programáveis (CLP) logo se fez necessário a criação de uma estrutura de programação que seja consistente e padronizada. Da mesma forma, os sistemas supervisórios também evoluíram para um estágio onde a interação entre homem-máquina está mais avançada e automatizada. Agregando todas essas tecnologias da informática industrial foi desenvolvido um trabalho prático e real, a automação de um forno de tratamento de chapas para motores elétricos. Neste sistema as chapas receberão um tratamento térmico, o qual é chamada de azulamento que evita a oxidação das mesmas depois de montadas em pacotes dentro dos motores. Para tal as chapas são colocadas em pallets, com uma capacidade aproximada de 300 Kg cada, que passam por um forno de tratamento horizontal (com 50m de comprimento, aproximadamente), com temperatura entre 500 e 760ºC. Todos os movimentos mecânicos e hidráulicos e o controle de temperatura serão gerenciados pelo controlador lógico programável, que recebe e envia sinais ao supervisório por meio de uma interface de comunicação serial RS-232C. O CLP é um equipamento utilizado em aplicações diversas de automação, a sua estrutura assemelha-se ao de um computador, possuindo UCP, memória e barramento de dados. Seu diferencial está nos dispositivos que se comunicam com o meio externo, chamados de módulos de entrada / saída ([BON1997]). A sua arquitetura é demonstrada na figura 01.

16 2 FIGURA 01 ARQUITETURA BÁSICA DE UM CLP Fonte: [BON1997] Todos os intertravamentos utilizados no forno foram desenvolvidos com base nas especificações do fabricante e do cliente final (WEG INDÚSTRIAS LTDA. DIVISÃO MOTORES), e seguiram os padrões estabelecidos pela norma IEC para sistemas industriais automatizados ([BON1997]). A técnica de programação adotada para o desenvolvimento do projeto foi a lista de instruções (instruction list). Para realizar o controle de temperatura das zonas do forno será implementada a programação de controladores PID (Proporcional, Integral e Derivativo), sendo que neste caso foram utilizados métodos pré-estabelecidos pela seção de software aplicativo, local de realização deste estágio supervisionado. Serão enfatizados alguns aspectos importantes como: leitura de sinais digitais e analógicos, conversão analógico-digital e vice-versa, conversão de escalas de grandeza e lógicas de segurança, conforme figura 02.

17 3 FIGURA 02 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM SISTEMA CONTROLADO POR COMPUTADOR Fonte: [AST1997] O sistema supervisório, que está instalado em um microcomputador padrão PC, deve trazer informações, comandos e serviços aos operadores do sistema como: a) telas de sinótico, as quais informam a posição das cargas dentro do forno através da leitura de fotocélulas; b) leitura e comandos e todos os movimentos mecânicos eletricamente comandados pelo CLP; c) leitura das temperaturas das diversas zonas do forno; d) visualização de todos os alarmes do sistema, assim como gráficos de todas as temperaturas. A metodologia para a especificação será realizada utilizando fluxograma, o qual demonstrará as lógicas de intertravamento desenvolvidas no software aplicativo do CLP. As telas gráficas do supervisório foram construídas utilizando o software Indusoft Studio e seguiram as especificações do fabricante da máquina e do cliente final, porém também foram adotados padrões básicos elaborados pela WEG INDÚSTRIAS LTDA (DIVISÃO AUTOMAÇÃO).

18 4 1.1 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO O mercado de trabalho na área de informática industrial vem evoluindo de forma considerável nos últimos anos devido a constante evolução e aprimoramento das tecnologias adotadas. O desenvolvimento deste trabalho é um bom exemplo dos benefícios obtidos com a automação, atribuindo ao homem tarefas nobres como a supervisão e controle, substituindo o esforço humano. A execução de tarefas utilizando o controle informatizado se mostra mais eficiente e de garantida qualidade, tal controle não seria possível se realizado apenas por mãos humanas. Tendo em vista todos estes fatores, econômicos e sociais, é onde se encontrou a grande motivação para a realização deste estágio supervisionado e seu conseqüente projeto, a automação do forno de tratamento de chapas. 1.2 OBJETIVOS O objetivo principal do trabalho é desenvolver um sistema completo de automação para a linha de tratamento de chapas para motores elétricos industriais por meio de um forno de tratamento térmico. Para tal será realizado o projeto e elaboração do programa do CLP e das telas do sistema supervisório. Os objetivos específicos do trabalho são: a) elaborar a lógica de intertravamento do sistema, conforme especificações do fabricante do forno; b) desenvolver e aplicar controladores PID para o controle de temperatura do forno; c) criação das telas do supervisório, consistindo em sinóticos, alarmes, gráficos das temperaturas, comandos e leitura de todos os sinais aplicáveis ao sistema; d) desenvolver as tabelas de comunicação necessárias entre CLP e supervisório; e) acompanhamento de todo sistema após a conclusão do mesmo.

19 5 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Este trabalho organiza-se da seguinte forma: a) no capítulo 1 é descrita a introdução do projeto, sua justificativa e motivação e seus objetivos; b) no capítulo 2 são ressaltadas definições e conceitos sobre a automação industrial, uma reflexão sobre automação e empregos, o controle automático de processos e seus componentes; c) no capítulo 3 é apresentada a fundamentação teórica do trabalho. São apresentadas as características e o princípio de funcionamento dos controladores lógicos programáveis; a teoria sobre os controladores PID (proporcional, integral e derivativo); é também descrita a norma IEC ; o CLP modelo CL200 da Bosch e sua ferramenta de programação WINSPS, os quais foram utilizados para o desenvolvimento deste projeto; também aborda os sistemas supervisórios, suas características e benefícios, apresentando o software supervisório Unisoft Studio, o qual foi utilizado neste trabalho; d) o capítulo 4 se refere ao desenvolvimento do projeto em si, a descrição do problema; a apresentação da especificação do sistema; a implementação do software do CLP, demonstrando técnicas adotadas, intertravamentos e segurança do sistema; a implementação do software do sistema supervisório, as funções das telas de sinótico, gráficos, alarmes e comunicação com o CLP; os resultados obtidos; e) e por fim, o capítulo 5 apresenta as conclusões deste projeto, e sugestões para trabalhos futuros.

20 6 2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle são introduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, como fator preponderante do aumento da qualidade de vida por meio de 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 os fatores preponderantes do poder de compra ([NAT1995]). 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 sutil entre os termos, é importante salientar a existência de dois termos muitos difundidos popularmente: automatização e automação ([NAT1995]). Segundo [NAT1995] o termo automatização se difundiu desde a construção das primeiras máquinas e se consolidou com a revolução industrial e, portanto, automatização indissoluvelmente ligada à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é sinônimo de mecanização, portanto, ação cega, sem correção, tem-se um sistema no qual a saída independe da entrada, ou seja, não existe uma relação entre o valor desejado para um sistema e o valor recebido por este, por meio da variável responsável por sua atuação. Diz-se que esse tipo de controle se dá por malha aberta. Neste caso, o sistema terá sempre o mesmo comportamento esperado, pois ele, é determinado por leis físicas associadas ao hardware utilizado. Hardware que pode ser de natureza mecânica, elétrica, térmica, hidráulica, eletrônica ou outra. 2.1 DEFINIÇÃO E CONCEITOS De acordo com [SIL1999] a automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da tarefa e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja: aquele que mantém uma relação expressa entre o valor da saída em relação ao da entrada de referência do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores na

21 7 saída que estejam fora dos valores desejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando o cálculo para ajuste e correção. O valor desejado também é conhecido da literatura inglesa como set-point ([OGA1993]). Na automação, prevê-se o uso extensivo dos mesmos conceitos associados à automatização. Entretanto, o nível de flexibilidade imputado ao sistema é bem mais elevado pelo fato de estar associado ao conceito de software. Tal recurso provê, a um sistema dotado de automação, a possibilidade de ser alterado radicalmente todo o comportamento automatizado a fim de, intencionalmente, produzir-se uma gama diferenciada de resultados. Embora se esteja associando o conceito de um controle de malha aberta ao de malha fechada por meio dos termos automatização e automação, respectivamente, o termo automatização também é empregado para situações em que a saída depende da entrada por meio de uma realimentação em sua malha de controle, uma vez que máquinas mais antigas apresentavam, mesmo de forma primária, um controle em malha fechada, revelando ser possuidoras de um sistema de controle inteligente ([KUO1985]). Apesar da sutil diferença entre os termos, confundidos até por importantes autores na área, em ambos os casos o sistema deverá seguir as leis básicas da cibernética (ciência que estuda e estabelece a teoria geral de sistemas). De acordo com [JOV1986] uma delas é que todo sistema dotado de retroação e controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal característica é a realimentação das informações requeridas para seu controle, conforme ilustra a malha de realimentação da figura 03. FIGURA 03 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO Fonte: [JOV1986]

22 8 Sensor é definido como sendo um dispositivo sensível a uma grandeza física, tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle. Ou, caso exista a necessidade de medir uma grandeza elétrica (como por exemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico qualquer envolvendo grandezas que não sejam de natureza elétrica tem-se, conceitualmente, a necessidade de utilizar um transdutor, que se caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ou estímulo, de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional á amplitude desse estímulo. Os transdutores também são conhecidos como conversores de sinais ([KUO1985]). Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle (maneira pela qual o controlador produz o sinal de controle). Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto. Como exemplo, temos: válvulas e cilindros pneumáticos, válvulas proporcionais, motores, aquecedores, entre outros ([KUO1995]). Num sistema automatizado, para que se possa calcular e implementar um tipo de controlador dedicado, é preciso modelar matematicamente o processo, conhecendo-se, portanto, toda sua planta. Por meio de critérios de estabilidade conhecida da teoria clássica de controle, obtêm-se os parâmetros necessários para o correto projeto desse controlador que se está preconizando é o controlador lógico programável. Muitas das aplicações existentes destinadas ao controle de processos se mostram insatisfatórias, pois dentro de um curto período de tempo, existe a necessidade de amostrar o sinal a ser controlado e de obter uma alta velocidade de resposta. Basta um atraso na realimentação do sistema e os novos dados irão gerar uma solução e controle baseado em valores passado. O problema será tão maior quanto maior for seu atraso. Seus estudos de determinação são feitos pela análise dinâmica do processo. Tais problemas existem e são geralmente encontrados em sistemas de controle em tempo real. Segundo [SIL1999] além da automação programada, existem basicamente outras duas maneiras características de fazer automação. Ela pode ser dada por meio da automação fixa, que se constitui em estações de trabalhos especialistas que processam o produto de forma a se

23 9 especializarem em uma determinada tarefa, específica para um determinado tipo de produto. Tal processo é utilizado quando o volume de produção é muito elevado, porém, quando a vida útil de um produto é comprometida, a máquina especializada torna-se rapidamente ultrapassada. Outro tipo é o da automação flexível, que combina características da automação programada e da fixa, constituindo-se em um tipo intermediário, em que a flexibilidade se constitui no fato de vários tipos de produtos poderem ser fabricados ao mesmo tempo dentro do mesmo sistema de fabricação. É utilizada para uma quantidade média de produção. Numa automação programável, quando um lote é completado, o equipamento é reprogramado para o processo do próximo lote EMPREGOS X AUTOMAÇÃO A grande questão que deve ser abordada, com muito cuidado, é a velha falácia de que a automação é sinônimo de desemprego. Neste avanço tecnológico alguns inventos apenas aperfeiçoam seus materiais, tornando sua aplicabilidade mais confiável e de maior qualidade, como é o caso do plástico, vidro, madeira e do aço. Outros, como o avião, realizam operações que a mão-de-obra direta não poderia realizar, e são possíveis graças ao nível de automação que se tem atualmente. E a grande maioria delas acabam criando novas profissões, gerando diversas ocupações decorrentes de seu impacto social e tecnológico, como é o caso dos televisores, computadores e telefone ([NAT1995]). As novas profissões surgem também do hibridismo de duas ou mais ocupações como, por exemplo, as oriundas da mecatrônica, biotecnologia, bioengenharia, entre outras. E algumas profissões encontram-se em extinção como é o caso do datilógrafo, sapateiro, torneiro mecânico, linotipista (compositor manual de textos para jornais, livros e revistas). Algumas passam por transformações bem acentuadas como é o caso do agrônomo, do médico, do engenheiro e do costureiro. Como não poderia deixar de ser diferente, no Brasil, o setor de automação se constitui um mercado emergente. O setor conta com fornecedores nacionais e internacionais de todas as linhas de produtos para o controle de processos nos mais diferentes níveis. Como a informação se constitui de um processo rápido de atualização e o acesso disponível pela rede mundial de computadores, a Internet, o Brasil conta com o que há de mais moderno nessa

24 10 área, apresentando soluções sofisticadas e de última geração, estando representado pelas principais empresas do setor mundial. Estima-se que a taxa de faturamento e crescimento desse mercado gira em torno de 15%, caso persista o crescimento econômico dado pela estabilização da economia brasileira. O mercado potencial brasileiro para este setor, em 1998, segundo [ABI2000], vai ser de US$ 1,6 bilhões, devendo ultrapassar o milênio com um mercado aberto, seguindo a taxa estimada, no valor de US$ 1,8 bilhões. Observa-se no gráfico da figura 04 o faturamento bruto das principais empresas do setor até 1998, dados coletados no 8º Congresso e Exposição Internacional de Automação. Segundo dados do Ministério do Trabalho, no Brasil, entre 1990 e 1997, houve uma redução de mais de 2 milhões de empregos formais, dentre os quais, os empregos de atividades relacionadas à automação contribuíram de maneira substancial. É claro que esta situação dever ser analisada juntamente com o contexto sócio-econômico global, em que fortes crises internacionais também contribuíram para que esses números fossem expressivos. FIGURA 04 FATURAMENTO BRUTO DAS EMPRESAS DO SETOR DE AUTOMAÇÃO (DADOS ESTIMADOS) Fonte: [ABI2000]

25 11 Por que automatizar ([ABI2000]): a) Trata-se de um processo de evolução tecnológica irreversível; b) Valorização do ser humano em sua liberação na execução de tarefas entediantes e repetitivas, ou mesmo situações de trabalho insalubres e de riscos; c) Aumento da qualidade de vida de toda uma sociedade, promovendo seu conforto e maior integração; d) Maior enriquecimento pelo menor custo do produto (pela baixa manutenção, ou pela rapidez e precisão na execução de tarefas) ou pelo aumento de produtividade (num curto período de tempo); e) Uma questão de sobrevivência e forte apelo de marketing, dentro de um mercado altamente competitivo; f) Criação de empregos diretos e indiretos, além de novos empregos relacionados com a manutenção, desenvolvimento e supervisão de sistemas; g) Busca pela qualidade do produto e satisfação do cliente. 2.2 CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS O rápido desenvolvimento do controle automático industrial requer um pessoal de operação, manutenção e projeto, que tenham uma firme compreensão das teorias de controle. O uso de controladores microprocessados e computadores aplicados ao controle automático, aumentam a necessidade do conhecimento prático em relação ao comportamento do sistema controlado e aos métodos para alcançar o funcionamento perfeito do sistema ([SEN1997]). Para ilustrar esta apresentação claramente, consideremos um processo simples, como o trocador de calor mostrado na figura 05. O termo processo, aqui usado, significam operações usadas no tratamento de um material ou matéria-prima, portanto, a operação de adicionar energia calorífica à água é um processo. As serpentinas de vapor, o tanque, os tubos e as válvulas constituem o circuito no qual o processo de aquecimento é realizado. A temperatura de água quente e a vazão de vapor são as principais variáveis do processo.

26 12 FIGURA 05 EXEMPLO BÁSICO DE UM PROCESSO AUTOMÁTICO Fonte: [SEN1997] O termo atual controle automático de processo foi definido quando os procedimentos do controle automático foram aplicados para tornar mais eficiente e seguro a manufatura dos produtos. O controle automático de processo é em grande parte responsável pelo progresso que vem acontecendo nas últimas décadas. O principal objetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico ([KUO1995]). Assim é necessário que exista uma malha de controle fechada, que opere sem intervenção do elemento humano, medindo continuamente o valor atual da variável, comparando-o com o valor desejado e utilizando a possível diferença para corrigir ou eliminar o erro existente. A variável controlada ou a variável do processo é aquela que mais diretamente indica a forma ou estado desejado do produto. Consideremos por exemplo, o sistema de aquecimento de água mostrado na figura 05. A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada ([SEN1997]).

27 13 Assim, é realizado um controle direto sobre a qualidade do produto, que é a maneira mais eficaz de garantir que essa qualidade se mantenha dentro dos padrões desejados. Um controle indireto sobre uma variável secundária do processo pode ser necessário quando o controle direto for difícil de se implementar. Por exemplo, no forno de reaquecimento de chapas, que é projetado para recozer convenientemente peças metálicas, a variável controlada deveria ser a condição de recozimento do material. Entretanto, é muito difícil de se obter esta medida com simples instrumentos, e normalmente a temperatura do trocador de calor exemplificado na figura 05 ou do forno de tratamento térmico é tomada como variável controlada. Assume-se que existe uma relação entre a temperatura do forno e a qualidade do recozimento das chapas metálicas. Geralmente o controle indireto é menos eficaz que o controle direto, porque nem sempre existe uma relação definida e invariável entre a variável secundária e a qualidade do produto que se deseja controlar ([OGA1993]). Também segundo [OGA1993] a variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada que seja fácil de se manipular. Para o trocador de calor da figura 05, a variável manipulada pelo controlador deverá ser a vazão de vapor. É possível, mas não prático, manipular a vazão da água de entrada ou sua temperatura. As variáveis de carga ou secundárias do processo são todas as outras variáveis independentes, com exceção das variáveis manipulada e controlada. Para o trocador da figura 05, a temperatura da água de entrada é uma variável de carga. O controlador automático deverá absorver as flutuações das variáveis de carga para manter controlada no seu valor desejado. Comenta-se em [SEN1997] que na análise de um processo do ponto de vista do controle automático é bom dar-se particular consideração a três dos vários tipos de distúrbios de processo que podem ocorrer. Distúrbios de alimentação: É uma mudança de energia ou material na entrada do processo. No trocador de calor, da figura 05, as mudanças na temperatura do vapor, na entrada de água fria ou na abertura da