ESTUDO TECNOLÓGICO PARA O SETOR DE AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS

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2 ESTUDO TECNOLÓGICO PARA O SETOR DE AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS Prospecção Tecnológica Coordenadora Geral Prof a Suzana Borschiver, DSc Pesquisadora Prof a Flávia Chaves Alves, DSc Estagiários Andrezza Lemos Rangel da Silva Genecy Rezende Neto Juliana Ferreira de Freitas Patrícia Silva Guimarães Syssa de Carvalho Felix Pereira Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro, 29/07/2009 2

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Camadas utilizadas para organizar o controle de processos pág. 14 Figura 2 Formatos dos tubos de Bourdon pág. 18 Figura 3 Manômetro de Bourdon tipo C. pág. 19 Figura 4 Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em pág. 20 forma de U Figura 5 Sensor Capacitivo pág. 21 Figura 6 Sensor Piezoelétrico pág. 22 Figura 7 Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro pág. 24 Figura 8 Termômetro à dilatação de líquido em recipiente fechado pág. 24 Figura 9 Termômetro à pressão de gás pág. 26 Figura 10 Termômetro bi-metálico pág. 26 Figura 11 Termopar pág. 27 Figura 12 Bulbo de resistência pág. 28 Figura 13 Régua pág. 30 Figura 14 Taques para medição pág. 31 Figura 15 Bóia ou flutuador pág. 32 Figura 16 Medição de nível indireta pág. 32 Figura 17 Sistema borbulhador pág. 33 Figura 18 Nível descontínuo por condutividade pág. 34 Figura 19 Nível descontínuo por bóia pág. 34 Figura 20 Rotâmetro pág. 36 Figura 21 Placa de orifício pág. 36 Figura 22 Tubo Venturi pág. 37 Figura 23 (a) Válvula de gaveta e (b) Válvula macho pág. 38 Figura 24 (a) Válvula borboleta e (b) Válvula globo pág. 39 Figura 25 Atuador pneumático pág. 40 3

4 Figura 26 Hierarquia das redes industriais pág. 52 Figura 27 Tipos de equipamentos usados em cada Rede pág. 53 Figura 28 Tipologia de rede DeviceNet - Barramento pág. 59 Figura 29 Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus pág. 65 Figura 30 Comprimento máximo de segmento pág. 68 Figura 31 Arquitetura de uma rede Wireless pág. 74 Figura 32 Self Routing pág. 79 Figura 33 Interferência destrutiva por reflexões de sinal pág. 79 Figura 34 Automação Wireless em mineração pág. 85 Figura 35 Mercado mundial de automação pág. 88 Figura 36 Figura 37 Figura 38 Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por indústrias Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por regiões Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por produtos e serviços pág. 89 pág. 90 pág. 91 Figura 39 Representação da cadeia produtiva de automação industrial pág. 94 Figura 40 Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América Latina pág. 96 Figura 41 Faturamento anual do setor de Automação no Brasil pág. 97 Figura 42 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Figura 43 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Ethernet Figura 44 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Wireless Figura 45 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Figura 46 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Ethernet pág. 133 pág. 133 pág. 134 pág. 135 pág

5 Figura 47 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 137 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Análise d e fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Análise d e fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Ethernet Análise d e fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Wireless Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Ethernet Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 138 pág. 139 pág. 140 pág. 141 pág. 142 pág. 142 Figura 54 Subgrupos de Tecnologias pág. 149 Figura 55 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Figura 56 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Ethernet Figura 57 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Wireless Figura 58 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Figura 59 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Ethernet Figura 60 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 151 pág. 151 pág. 151 pág. 152 pág. 153 pág. 153 Figura 61 Figura 62 Figura 63 Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Ethernet Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 156 pág. 158 pág

6 Figura 64 Figura 65 Figura 66 Figura 67 Figura 68 Figura 69 Análise de assuntos do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Análise de assuntos do cruzamento industrial process automation x Ethernet Análise de assuntos do cruzamento industrial process automation x Wireless Análise dos principais setores do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Análise dos principais setores do cruzamento industrial process automation x Ethernet Análise dos principais setores do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 161 pág. 162 pág. 163 pág. 165 pág. 166 pág. 167 Figura 70 Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM) pág. 171 Figura 71 Exemplo de Distributed real-time system pág. 175 Figura 72 Exemplo de Embedded System pág. 176 Figura 73 Exemplo de Conector elétrico Profibus pág. 179 Figura 74 Exemplo de LAN pág. 183 Figura 75 Exemplo de Neuro Fuzzy Controller pág. 184 Figura 76 Exemplo de PDA pág. 186 Figura 77 Exemplo de RMS pág. 188 Figura 78 Exemplo de STEP-NC pág. 190 Figura 79 Exemplo de WSN pág

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Principais fabricantes internacionais ligados à automação industrial pág. 92 Tabela 2 Faturamento total por Área pág. 100 Tabela 3 Exportação de Produtos por Setor pág. 100 Tabela 4 Metodologia de busca de artigos pág. 132 Tabela 5 Fontes de informação com menor destaque com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Tabela 6 Fontes de informação com menor destaque com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Ethernet Tabela 7 Fontes de informação com menor destaque com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 138 pág. 139 pág. 140 Tabela 8 Distribuição dos artigos por assunto pág. 144 Tabela 9 Tabela 10 Tabela 11 Divisão de artigos por setor de atuação para palavra-chave Fieldbus Divisão de artigos por setor de atuação para palavra-chave Ethernet Divisão de artigos por setor de atuação para palavra-chave Wireless pág. 146 pág. 147 pág. 148 Tabela 12 Metodologia de busca de patentes pág. 150 Tabela 13 Análise de depositantes do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Tabela 14 Análise de depositantes do cruzamento industrial process automation x Ethernet Tabela 15 Análise de depositantes do cruzamento industrial process automation x Wireless pág. 155 pág. 157 pág. 159 Tabela 16 Instrumentação pág

8 Tabela 17 Protocolos pág. 200 Tabela 18 Redes pág. 200 Tabela 19 Software pág. 201 Tabela 20 Sistema pág

9 Sumário 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO TENDÊNCIAS MUNDIAIS PRINCIPAIS FAMÍLIAS DE EQUIPAMENTOS E SISTEMAS UTILIZADOS SENSORES OU MEDIDORES INSTRUMENTOS DE ATUAÇÃO TRANSMISSORES SISTEMAS DE CONTROLE SDCD CLP TIPOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO PNEUMÁTICA CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO ELETRÔNICA CONTROLE AUTOMÁTICO EM REDES REDES FIELDBUS REDES ETHERNET WIRELESS - REDES DE CAMPO SEM FIO MOTIVAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DA TECNOLOGIA WIRELESS CONCEITOS LIMITAÇÕES DA REDE WIRELESS CAPACIDADE DA REDE EXTENSÃO DOS CANAIS TRANSMISSÃO DE DADOS INSTALAÇÃO E EVOLUÇÃO DA COMUNICAÇÃO VANTAGENS SOBRE AS REDES COM FIO APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ATUAIS ESTRUTURA DA CADEIA PRODUTIVA MERCADO MUNDIAL EVOLUÇÃO DO MERCADO DE AUTOMAÇÃO PARA INDÚSTRIAS DE PROCESSOS EMPRESAS INTERNACIONAIS CARACTERIZAÇÃO DA CADEIA PRODUTIVA O MERCADO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NO BRASIL A DIVISÃO NACIONAL DO SETOR DE AUTOMAÇÃO TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE MAIS UTILIZADOS NAS EMPRESAS DESAFIOS MODERNOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 114 9

10 4. A PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA COMO FERRAMENTA DE COMPETITIVIDADE METODOLOGIA ANÁLISE DE ARTIGOS ANÁLISE TEMPORAL DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR PAÍS DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR FONTE DE INFORMAÇÃO (PERIÓDICOS, CONGRESSOS, CONFERÊNCIAS, TESES) DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ORIGEM DO AUTOR OBJETIVO DOS ARTIGOS DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ASSUNTO SETORES DE ATUAÇÃO SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS ANÁLISE DE PATENTES ANÁLISE TEMPORAL PAÍSES DEPOSITANTES DE PATENTES DEPOSITANTES DAS PATENTES CLASSIFICAÇÃO E ANÁLISE DOS ASSUNTOS DAS PATENTES OBJETIVO DAS INOVAÇÕES PRINCIPAIS SETORES SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS DESTACADAS NA PROSPECÇÃO DE ARTIGOS E PATENTES CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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12 1. Introdução Segundo Gomes (2004) automação é o conjunto das técnicas baseadas em máquinas e programas com o objetivo de executar tarefas previamente programadas pelo homem e de controlar seqüências de operações sem a intervenção humana. Se esta definição for aplicada no âmbito da indústria, chega-se ao conceito de sistema de automação industrial, que vem a ser um conjunto de equipamentos e tecnologias capazes de fazer com que uma máquina ou processo industrial trabalhem automaticamente, ou seja, com a mínima intervenção humana, cabendo a este o papel de programar, parametrizar ou supervisionar o sistema para que trabalhe de acordo com os padrões desejados. O presente estudo destina-se à investigação de diferentes aspectos relativos à automação na indústria de processos. Logo, faz-se necessário, inicialmente, entender quais segmentos industriais são englobados dentro da indústria de processo e quais são as especificidades da automação direcionada a estes. As indústrias e suas operações podem ser classificadas em duas categorias gerais: indústria de processo e indústria de manufatura discreta. Na primeira, o sistema de produção é contínuo, ou seja, os bens produzidos não podem ser identificados individualmente 1. No caso da indústria de manufatura, o sistema de produção é discreto, o que significa dizer que os bens produzidos podem ser isolados em lotes ou unidades, particularizando-os uns dos outros. No que se refere à automação, as principais diferenças se encontram no nível dos dispositivos, pois as variáveis a serem monitoradas são de natureza diversa. Na indústria de processo, as variáveis a serem monitoradas e controladas para que mantenham valores constantes e definidos são diversas, 1 Em alguns casos, os processos ocorrem em batelada, ou seja, é intermitente, mas têm natureza contínua durante o período de atividade. 12

13 como: pressão, vazão, temperatura, condutividade, ph, velocidade, nível, umidade, dentre outros (BEGA, 2006), ao passo que na indústria de manufatura os dispositivos controlam ações mecânicas das máquinas. Em um nível superior, é possível dizer que na indústria de processo o controle se dá nas operações, enquanto na de manufatura este se dá nas máquinas. Outra forma de analisar esta diferença consiste em analisar a natureza das variáveis sob controle: na indústria de processo os parâmetros e variáveis são contínuos e na de manufatura estes são discretos. Nos processos contínuos, que são foco deste trabalho, a automação do processo propriamente dita tem a finalidade de medir uma variável de interesse, compará-la com o valor desejado e previamente definido como ideal e atuar no processo de forma a diminuir a diferença entre o valor medido e o valor desejado. No caso dos processos discretos, o princípio da automação é diferente. O objetivo é monitorar a variável de interesse, processar de acordo com a lógica pré-programada e atuar no processo. No entanto, nos últimos anos, o papel da automação vem sendo modificado fortemente na medida em que novos problemas surgem cada vez mais complexos. (Petro & Química, 2006). Os componentes de um sistema de automação evoluíram constantemente com os anos, desde os primeiros sistemas baseados em controle automático, mecanizado (como as primeiras linhas de montagem do século XX) até os sistemas baseados nas tecnologias atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação foi expandido, e hoje se nota aplicações da automação em sistemas desde gerência de informação e negócios em tempo real até sistemas críticos no campo médico, por exemplo. Com o crescente avanço da tecnologia, e a atual necessidade de informação em todos os campos, sistemas de automação modernos passam de simples automações de processos e equipamentos para automação de negócios, lidando com grandes quantidades de informação relevante. A Figura 1 apresenta esta tendência, mostrando a pirâmide de automação desde a camada regulatória, voltada ao controle do processo propriamente dito até o planejamento da produção, ou gerenciamento de 13

14 ativos, ligado diretamente ao mercado. Esta integração entre as diferentes camadas de controle tornou-se uma questão central da automação industrial de processos. Figura 1: Camadas utilizadas para organizar o controle de processos. Fonte: Trierweiler e Farenzena, 2009 Atualmente, aponta-se que o principal motor da automação é a busca por maior qualidade dos processos, com redução de perdas e, conseqüentemente, de custos e a possibilidade de produzir bens que até então não podiam ser fabricados. Outros pontos relevantes dizem respeito ao aumento de flexibilidade e segurança a qual pode ser aumentada á medida que a automação pode minimizar a falha humana. A evolução do setor de automação industrial depende do crescimento e/ou da modernização do parque industrial, uma vez que é classificado como um setor de bens de capital. Ao mesmo tempo, os equipamentos de automação induzem a modernização da indústria, elevando patamares de eficiência e flexibilidade. Neste contexto, torna-se fundamental o estudo do comportamento das 14

15 inovações tecnológicas em automação na indústria de processo, de forma a entender as tendências futuras e os impactos que a implementação destas novas tecnologias terá tanto na competitividade das empresas quanto no crescimento e desenvolvimento da economia. 1.1 Objetivo e Organização do Trabalho Devido ao aumento da demanda por sistemas automatizados, é crescente a necessidade de atualização e formação de mão-de-obra qualificada. Em vista disso, o PROJETO SENAI EQ - UFRJ tem como objetivo realizar um estudo sobre análise de mercado, difusão e prospecção tecnológica no setor de automação industrial de processos, ficando sob a responsabilidade do NEITEC (Núcleo de Estudos Industriais e Tecnológicos) a parte de Estudo Tecnológico para o Setor de Automação de Processos. Devido à complexidade desse estudo, a metodologia dessa pesquisa contemplou as tecnologias, protocolos e redes da primeira camada da Pirâmide de Automação, ou seja, a planta industrial, o chão de fábrica. O trabalho está dividido em cinco capítulos, além desta introdução. O capítulo 2 apresenta as tendências mundiais em automação de processos, descrevendo as principais famílias de equipamentos, sistemas de controle, tipos de controle e redes de comunicação. O capítulo 3 aborda as questões relacionadas com a cadeia produtiva de automação industrial, levantando aspectos do mercado mundial e brasileiro, características da cadeia produtiva e também os desafios modernos da automação industrial. No capítulo 4, são apresentados e discutidos os resultados da prospecção tecnológica em artigos e patentes realizada neste estudo. Em seguida, no capítulo 5, são apresentadas as conclusões do trabalho e as referências bibliográficas. 15

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17 2. Tendências Mundiais 2.1. Principais famílias de equipamentos e sistemas utilizados A instrumentação em indústrias de processo apresenta hoje uma vasta gama de produtos, especificados de acordo com a necessidade de cada processo onde são aplicados. Pode-se verificar que o desenvolvimento das tecnologias atuais favoreceu a diversificação das formas de controle, a fim de atender com maior precisão todas as medições que se fazem necessárias, com sensores apropriados para cada uma das aplicações específicas. De uma maneira geral, um sistema de automação é composto de diferentes dispositivos os quais, devem ser capazes de, em conjunto abranger as funções de aquisição de dados, adaptação dos dispositivos ao sistema, comunicação intra-sistema, visualização, supervisão, operação e, finalmente, definição de parâmetros e algoritmos de otimização. Um ponto importante para o bom funcionamento do sistema é que cada um dos dispositivos tenha seu desempenho satisfatório, permitindo que o sistema atue de forma integrada e coordenada, com precisão, velocidade de processamento e resposta adequados ao projeto de automação. Neste sentido as principais famílias de instrumentos que compõem uma malha de controle serão detalhadas a seguir Sensores ou medidores Sensores ou medidores são instrumentos de medição com os quais é possível detectar alterações na variável de processo. O objetivo dos sensores, juntamente com os controladores, é manter constantes as variáveis de um processo, alcançando assim a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança do processo. As principais variáveis a serem medidas são pressão, temperatura, nível e vazão. 17

18 a. Sensores de Pressão O instrumento de medição de pressão é uma das mais importantes ferramentas em um processo, pois a partir dos dados de pressão é possível estimar valores de nível e vazão. O instrumento mais simples para medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis. Alguns desses elementos são mostrados a seguir: Tubo de Bourdon Consiste geralmente em um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular, resultando num movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Quanto ao formato, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal, conforme a figura 2. Com o avanço da tecnologia, os manômetros de Bourdon helicoidal e espiral caíram em desuso. Figura 2: Formatos dos tubos de Bourdon Fonte: Gonçalves,

19 Devido ao baixo custo e à boa precisão, os manômetros de Bourdon tipo C, apresentados na figura 3, são os mais utilizados até hoje nas indústrias. Figura 3: Manômetro de Bourdon tipo C. Fonte: Gonçalves, 2003 Ao se aplicar uma pressão superior à atmosférica, o tubo muda seu formato para uma seção transversal mais circular. Nos manômetros que utilizam o Bourdon tipo C, devido ao pequeno movimento realizado por sua extremidade livre quando submetida à pressão em medição, é necessária a utilização de um mecanismo para amplificação deste movimento. Este mecanismo de amplificação empregado nos manômetros é chamado de máquina. Os materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são recomendados pelo fabricante. A faixa de aplicação varia de 1kgf/cm2 de vácuo até 2.000kgf/cm 2 de sobre pressão. Por recomendação do fabricante, a faixa da escala que possui maior precisão de medição é a faixa compreendida entre 1/3 e 2/3 da escala. Coluna de Líquido Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U, como mostrados na figura 4. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na 19

20 coluna, o líquido é deslocado de uma altura h, sendo este deslocamento proporcional à pressão aplicada. Figura 4: Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U. Fonte: Gonçalves, 2003 Capacitivo A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total, que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se, de um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, de outro, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente à temperatura do processo. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos compensatórios de temperatura, montados junto ao sensor. Na figura 5 é mostrado um sensor capacitivo. 20

21 Figura 5: Sensor capacitivo Fonte: Gonçalves, 2003 O sensor é formado pelos seguintes componentes: Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido; Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube); Armadura móvel (diafragma sensor). A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pressão (low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva. Piezoelétrico Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta, e seu sinal de resposta é linear, 21

22 com a variação de pressão, sendo capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências. O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, sendo por isso utilizado em relógios de precisão. A carga devido à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador e indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior. Um sensor piezoelétrico é mostrado na figura 6. Figura 6: Sensor piezoelétrico Fonte: Gonçalves, 2003 Como vantagem, esse efeito apresenta uma relação linear Pressão x Voltagem produzida e é ideal para locais de freqüentes variações de pressão. Sua principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar redução gradativa de potencial, além de ser sensível à variação de temperatura. b. Sensores de Temperatura Nos diversos segmentos de mercado, seja químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre outros, a monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final específico. 22

23 Existem duas formas de medir a temperatura de um processo: medida por dilatação/expansão e medida por termo-resistência. Medidores de temperatura por dilatação/expansão Termômetro à dilatação de líquido Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado. Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico. Variam conforme sua construção: Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidro É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso de a temperatura ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico, e o tubo capilar, por um invólucro metálico. Por ser frágil, é impossível registrar sua indicação ou transmiti-la à distância. O uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica. A figura 7 mostra alguns desses termômetros. 23

24 Figura 7: Termômetros à dilatação de liquido em recipiente de vidro. Fonte: Gonçalves, 2003 Termômetros à dilatação de liquido em recipiente metálico Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um aumento de temperatura, se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico), como pode ser observado na figura 8. Figura 8: Termômetro à dilatação de liquido em recipiente fechado. Fonte: Gonçalves,

25 As características dos elementos básicos deste termômetro são: Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada. Os líquidos mais utilizados são mercúrio, xileno, tolueno e álcool; Capilar: Suas dimensões são variáveis, devendo o diâmetro interno ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, e não oferecer resistência à passagem do líquido em expansão; Elemento de medição: O elemento usado é o tubo de Bourdon. Normalmente são aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registro, pois permitem leituras remotas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Termômetros à pressão de gás Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos. O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Uma representação deste termômetro pode ser vista na figura 9. 25

26 Figura 9: Termômetro à pressão de gás. Fonte: Gonçalves, 2003 Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bi-metálicos) Este tipo de termômetro baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. O termômetro bi-metálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Na prática a lâmina bi-metálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, como mostra a figura 10, o que aumenta bastante a sensibilidade. Figura 10: Termômetro bi-metálico. Fonte: Gonçalves, 2003 O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, que consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo. Este eixo, por sua vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. 26

27 A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de 50 C a 800 C, sendo sua escala bastante linear. Possui precisão na ordem de ± 1%. Medição de temperatura com termopar Um termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas, conforme mostra a figura 11. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de FEM (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. Figura 11: Termopar. Fonte: Gonçalves, 2003 O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma FEM. Este princípio, conhecido por efeito Seebeck 2, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Medição de temperatura por termorresistência Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura iniciaram-se por volta de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se 2 O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura T entre as suas junções. 27

28 elaborarem as mesmas para utilização em processos industriais a partir de Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso. Devido a estas características, tal sensor é padrão internacional para a medição de temperaturas na faixa de 270 C a 660 C em seu modelo de laboratório. Os bulbos de resistência, mostrados na figura 12, são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Figura 12: Bulbo de resistência. Fonte: Gonçalves, 2003 Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou o níquel, metais com características de: Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor; Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura; Rigidez e ductilidade para serem transformados em fios finos. 28

29 Vantagens e desvantagens dessa medição Vantagens: Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação; Dispensa utilização de fiação especial para ligação; Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente; Tem boas características de reprodutibilidade; Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens: É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa; Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização; Temperatura máxima de utilização de 630 C; É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente. c. Sensores de Nível O nível é a altura do conteúdo, que pode ser sólido ou líquido, no interior de um reservatório. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através da medição de nível torna-se possível: Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento; 29

30 Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc; Manter segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. Existem três métodos de medição de nível: direto, indireto e descontínuo. Medição de nível direta É a medição para a qual toma-se como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição é possível utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para ser introduzida no reservatório a ser medido. A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido, como mostrado na figura 13. Figura 13: Régua. Fonte: Gonçalves,

31 Visores de nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta. Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados, como os da figura 14. Figura 14: Tanques para medição. Fonte: Gonçalves, 2003 Nessa medição pode-se usar vidro reflex, para produtos escuros sem interfaces, ou vidro transparente, para produtos claros e sua interface. Bóia ou Flutuador Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Este sistema está mostrado na figura 15. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos. 31

32 Figura 15: Bóia ou flutuador. Fonte: Gonçalves, 2003 Medição de nível indireta Neste tipo de medição, o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas, tais como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas. Medição de nível por pressão hidrostática Neste tipo de medição utiliza-se a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para estimar indiretamente o nível. Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja pressurizado. A figura 16 exemplifica este método. Figura 16: Medição de nível indireta. Fonte: Gonçalves,

33 Medição de nível com borbulhador Com o sistema de borbulhador (figura 17) pode-se detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Figura 17: Sistema borbulhador. Fonte: Gonçalves, 2003 Neste sistema necessita-se de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor em geral é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido, no qual o ar ou gás passará, e um indicador de pressão. Um tubo levará a vazão de ar ou gás até o fundo do vaso. Ocorrerá então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido que terá seu nível medido. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, fica instalado um indicador de pressão que mostra um valor equivalente à pressão, devido ao peso da coluna líquida. Medição de nível descontínua Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados, como, por exemplo, em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo. 33

34 Medição de nível descontínua por condutividade Nos líquidos que conduzem eletricidade, pode-se mergulhar eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos, existirá a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido (figura 18). Figura 18: Nível descontínuo por condutividade. Fonte: Gonçalves, 2003 Medição de nível descontinua por bóia Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma simples bóia acoplada a contatos elétricos, até sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, que se diferenciam pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais de instalação e custo (figura 19). Figura 19: Nível descontínuo por bóia. Fonte: Gonçalves,

35 d. Sensores de Vazão A medição de vazão inclui, no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um local específico na unidade de tempo. Existem dois tipos de medidores de vazão: medidores de quantidades e medidores volumétricos. Medidores de quantidade São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber a quantidade de fluxo que passou, mas não a vazão do fluxo que está passando, como por exemplo, as bombas de gasolina, os hidrômetros, as balanças industriais e etc. Medidores de quantidade por pesagem São as balanças industriais, utilizadas para medição de sólidos. Medidores de quantidade volumétrica São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição, aciona o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo: tipo pistão rotativo, tipo pás giratórias, tipo engrenagem etc. Medidores volumétricos São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Alguns exemplos seguem abaixo: 35

36 Rotâmetros São medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Na Figura 20 pode-se observar um rotâmetro. Figura 20: Rotâmetro. Fonte: Gonçalves, 2003 Placa de Orifício Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comumente empregado é o da placa de orifício, conforme mostra a figura 21. Figura 21: Placa de Orifício Fonte: Gonçalves,

37 Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se forem imprecisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente, essas bordas são fabricadas com aço inox, latão etc., dependendo do fluido a ser medido. Tubo Venturi A figura 22 apresenta o tubo Venturi, que combina, dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas. É usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. Figura 22: Tubo Venturi. Fonte: Gonçalves, 2003 A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente. Seu uso é recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. 37

38 Instrumentos de atuação Define-se por atuador todo instrumento capaz de atuar no sistema provocando alteração em alguma condição de operação ou variável de processo. Os atuadores podem ser elétricos, eletromecânicos, pneumáticos e hidráulicos. As principais aplicações de válvulas no processo industrial são serviço de liga e desliga, serviço de controle proporcional, prevenção de vazão reversa, controle e alívio de pressão e algumas aplicações especiais. De todas estas aplicações, a mais importante se relaciona com controle automático e contínuo do processo. As válvulas podem ser divididas nas seguintes categorias: Bloqueio destinam-se apenas a estabelecer ou interromper o fluxo, ou seja, só devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas, são elas: válvula de gaveta, válvulas macho, válvulas de esfera, válvulas de comporta. (a) (b) Figura23: (a) Válvula de gaveta e (b)válvula macho Fonte: Regulagem São destinadas especificamente para controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial, são elas: 38

39 válvulas de globo, válvulas de agulha, válvulas de controle, válvulas de borboleta, válvulas de diafragma. (a) (b) Figura 24: (a)válvula borboleta e (b)válvula globo Fontes: (a) / (b) As operações das válvulas podem ser divididas em: Operação manual: por meio de volante, alavancas, engrenagens e parafusos. Operação motorizada: pneumática, hidráulica e elétrica. Operação automática: pelo próprio fluido ou por meio de molas e contrapesos. Em uma malha de controle, a válvula é o elemento final de controle que pode ser manual ou automático. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador tem-se o controle automático da válvula enquanto o controle manual pode ser remoto ou local. O atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da válvula, o atuador pneumático à diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte em uma força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado ou obturado que irá abrir continuamente a válvula de controle. 39

40 Figura 25: Atuador pneumático Fonte: Os principais problemas para os atuadores são: abrasividade, acúmulo de material, agarramento e entupimentos Transmissores Os transmissores são os instrumentos responsáveis pelo envio da informação da variável de processo medida pelo sensor correspondente até um receptor, que pode ser um registrador ou um controlador, ou simplesmente indicador. Os primeiros transmissores criados foram desenvolvidos com envio de sinal pneumático. Os transmissores eletrônicos possuem sinal de saída em 4 a 20 ma, 10 a 50 ma e 1 a 5 V, mais comumente. Há transmissores a 2 fios e a 4 fios. Os transmissores a 2 fios possuem um cabo com 2 condutores e uma malha de terra, que servem tanto para transmitir o sinal de corrente de 4 a 20 ma quanto para alimentar o instrumento em 24 V CC. Para instrumentos que requerem uma alimentação em 110 Vac ou 220 Vac, utiliza-se transmissores a 4 fios, com um cabo de alimentação independente. (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008) Esses instrumentos são denominados convencionais, em cujas funcionalidades são limitadas. As informações enviadas se resumem às variáveis de processo medidas e o instrumento não tem capacidade de processar as informações e executar funções de controle. Normalmente, esses instrumentos convencionais utilizam envio de valores das variáveis de processo medidas padronizadas em 40

41 4-20 ma, como valores de temperatura, pressão, nível, que possuem ranges de valores que correspondem a um sinal de corrente entre 4 e 20 ma. Para o envio ou comando de valores binários, do tipo aberto/fechado ou liga/desliga, como botoeiras locais, chaves de fim de curso para informar se a válvula está aberta ou fechada e acionamento/bloqueio de válvulas, utiliza-se sinais entre 0 e 24 V CC Sistemas de Controle Os sistemas de controle na indústria operam em paralelo à linha de produção e são utilizados para coordenar, monitorar, alterar e registrar as condições de máquinas, produtos e processos. Têm como principais requisitos, que devem ser atendidos simultaneamente, a minimização da intervenção humana, a manutenção de condições de segurança operacional e a garantia de respostas em tempo real. Na automação de um processo produtivo, é necessário empregar dispositivos mecânicos, elétricos e eletrônicos que desempenhem funções equivalentes às humanas nas atividades de supervisão e controle, tais como coleta e análise de dados e correção de rumos. Conforme citado anteriormente, para o atributo dos sentidos humanos, foram desenvolvidos os sensores ou instrumentos de medição, que medem e informam os dados sobre o andamento do processo. Para as funções executadas pelo cérebro humano, foram criados dispositivos denominados controladores, que recebem e processam as informações fornecidas pelos sensores, calculando as medidas a adotar e emitindo instruções para os atuadores. Esses são os dispositivos que executam as ações que seriam realizadas pelos membros humanos para corrigir variações detectadas pelos outros dispositivos ou alterar as respostas do processo. O controlador é um dispositivo que monitora e pode alterar as variáveis de saída de um sistema dinâmico por meio do ajuste das variáveis de entrada do sistema. Por essa razão, as variáveis de saída recebem o nome de controladas e as variáveis de entrada são chamadas de manipuladas. Podem ser variáveis, seja de entrada ou de saída, temperatura, pressão, nível, vazão, densidade, tempo, velocidade, potência, tensão (elétrica), corrente, freqüência, estado (ligado ou desligado), peso, dimensão e posição.(bndes,2009) 41

42 Pode-se imaginar um tanque de água alimentado por uma bomba simples, no qual o líquido deve manter-se entre os níveis mínimo e máximo. Tem-se, então, como variável controlada a altura do líquido e como variável manipulada o estado da bomba (ligada desligada). Sempre que a água atinge o nível mínimo, um sensor detecta essa condição e informa ao controlador, o qual aciona a bomba. Quando a água atinge o nível máximo, outro sensor envia essa informação ao controlador, que desliga a bomba. Esse exemplo ilustra um sistema de controle simples, no qual apenas uma variável é manipulada e pode assumir somente dois estados discretos. Denomina-se malha de controle ao circuito composto pelos sensores, controladores e atuadores, que realiza o ciclo de ações básicas necessárias ao controle automático de um processo produtivo. Uma máquina ou uma planta industrial completa pode ser composta por apenas uma ou por centenas de malhas de controle que, em conjunto, executam a automação total da máquina ou unidade produtiva. Um conceito básico na teoria de controle é o de malha fechada, com realimentação (feedback), na qual a variável de saída é realimentada ao controlador. Este compara o nível da saída como valor de referência definido (set point) e, em função da diferença (erro), aumenta ou diminui o valor da entrada, até que o valor da saída alcance o valor ideal. Casos imprevistos são detectados e tratados pelo controlador, porém, caso haja um desvio muito grande do valor de referência, pode ser necessário certo tempo para que seja recobrado o equilíbrio do sistema. (BNDES,2009) Outro conceito importante é o de malha aberta, ou seja, que não possui realimentação, caso em que o controle é conhecido como antecipativo (feedforward). Tal controle é adequado aos processos em que seria muito longo o período de tempo necessário para que as variáveis de saída apresentassem mudanças em função da realimentação. Contudo, é 42

43 fundamental que o comportamento do processo controlado seja perfeitamente conhecido para que as respostas possam ser adequadamente antecipadas. Ao ser detectado qualquer distúrbio que afete a variável de entrada, imediatamente é tomada uma ação corretora. O inconveniente da malha aberta é que, caso ocorram variações imprevistas, não há como o sistema corrigir sua atuação. Os sistemas de controle de processos podem ser classificados da seguinte forma: Discretos. Referentes à fabricação de produtos ou peças que podem ser contados como unidades individuais e na qual predominam as atividades discretas. São exemplos desse tipo de processo a produção de placas de metal estampadas, de automóveis, aviões, bens de capital, brinquedos, eletroeletrônicos, computadores, vestuário, tijolos, pneus e calçados. Bateladas. Relativos a bens cuja produção requer que determinadas quantidades de matérias-primas sejam combinadas de forma apropriada durante um dado período de tempo. Apesar de intermitentes (descontínuos), tais processos têm natureza contínua durante o período de atividade. São exemplos a fabricação de colas ou de alimentos, em que a mistura de insumos, em proporções calculadas, precisa ser mantida aquecida durante um tempo preestabelecido. Também podem ser classificadas nessa categoria as indústrias farmacêuticas, de bebidas, de produtos de limpeza, de alimentos, cerâmica, fundição e de embalagens. Contínuos. Referentes a sistemas em que as variáveis precisam ser monitoradas e controladas ininterruptamente. É o caso, por exemplo, de siderúrgicas, da produção de combustíveis, gás natural, produtos químicos, plásticos, papel e celulose, cimento e açúcar e álcool.(bndes, 2008) Em síntese, os sistemas de controle mantêm a variável controlada no valor especificado, comparando o valor da variável medida, ou a condição de 43

44 controlar, com o valor desejado (ponto de ajuste, ou set point), e fazendo as correções em função do desvio existente entre estes dois valores (erro ou offset), sem a necessidade de intervenção do operador. (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008). Os mais empregados na indústria são os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) e o Computador Lógico Programável (CLP), que serão detalhados a seguir SDCD O SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) é um sistema de controle industrial micro processado, criado em 1970 pela Honeywell 3, inicialmente para efetuar especificamente o controle das variáveis analógicas, e foi sendo expandido em suas aplicações até abranger praticamente todas as aplicações de controle usuais, incluindo variáveis discretas, controle de bateladas, controle estatístico de processo, geração de relatórios, etc. O SCDC utiliza as informações de forma automática, fazendo com que os controles se adaptem a qualidade instantânea do processo, das medições e dos elementos finais do controle, tomando inclusive ações de segurança, como abertura ou fechamento de válvulas ou mudança no controle de automático para manual. 4 O SDCD se compõe de três elementos básicos: a interface com o processo, que integra os controladores e as unidades de aquisição de dados, a Interface Homem- Máquina (IHM) e a via de dados que interliga as primeiras. Sua grande vantagem é permitir aos operadores uma melhor visualização da operação da unidade, permitindo também melhor operá-la (BEGA, 2006). 3 Honeywell é uma empresa fundada em 1906, inicialmente chamada Honeywell Heating Specialty Co. Hoje é uma das líderes do mercado de automação e está presente em diversos setores da indústria e tecnologia. 4 Dois exemplos recentes de planta digital ligadas a Petroquímica podem ser citados, em São Paulo: A refinaria da Petrobras e a planta de polipropileno da Braskem. (Petro& Química, 2009) 44

45 CLP O CLP é um equipamento de controle industrial micro processado, criado inicialmente para efetuar especificamente o controle lógico de variáveis discretas e atualmente é usado em diversos tipos de controle. Foi criado para substituir os relés de um circuito lógico seqüencial ou combinatório para controle industrial. O CLP funciona seqüencialmente, olhando o estado dos dispositivos ligados às suas entradas, operando a lógica de seu programa interno e determinando o estado dos dispositivos ligados às suas saídas. O usuário carrega o programa, geralmente via software, que produz os resultados desejados. (BEGA, 2006) A origem do CLP data de 1968, criado por Richard Morley, em uma especificação da divisão de hidramáticos da General Motors Co., com o nome de MOdular DIgital CONtroler, de onde derivou o nome MODICON (BEGA, 2006). A sua função original era de simplesmente substituir os grandes gabinetes de lógica a relés em algo menor, mais confiável e, principalmente, mais flexível à programação, robusto. Os antecessores, os relés, eram muito complexos e inviabilizavam a modificação das suas lógicas e a pronta detecção de erros cometidos durante a execução das mesmas. (BEGA, 2006) Muitos avanços tecnológicos ocorreram nos CLPs. Melhorias de interface com o operador, inserção de algoritmos e medidas corretivas automáticas, memória, melhorias de desempenho, dentre tantas outras, tornaram ampla a aplicação desses equipamentos nas indústrias. Os CLPs recebem as entradas e saídas dos instrumentos de campo em módulos, comunicam-se com as Unidade Centrais de Processamento (UCPs), que executam as lógicas armazenadas em sua memória. Os CLPs também se comunicam em outra camada com equipamentos micro processados, como outros CLPs, SDCDs e microcomputadores de interface homem-máquina (IHMs). 45

46 Em algumas das aplicações menos críticas, o CLP pode ser substituído por um microcomputador (PC), usando as mesmas linguagens de programação e, freqüentemente, os mesmos módulos de entrada e saída fabricados pelos fornecedores de CLP mais tradicionais (BEGA, 2006). O uso dos CLPs ainda é muito comum, e inclusive exigido, em sistemas críticos como os intertravamentos lógicos de segurança. É importante estar ciente que a automação tem associação direta com a instrumentação industrial. A escolha do tipo de comunicação entre os instrumentos de campo e a camada de automação depende de diversos fatores, como o custo de instalação, de manutenção, segurança e confiabilidade da informação enviada por cada uma das tecnologias. Além disso, vale ressaltar que a evolução destes dispositivos levou a redução de seus tamanhos e preços, devido ao aumento de suas escalas de produção e avanços científicos em pesquisa. Hoje os processos são bem mais complexos, devido as transformações tecnológicas ocorridas ao longo dos anos. Paralelamente, a necessidade de controle também foi sendo alterada, passando de manual para mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico, controle digital e atualmente, controle em redes Tipos de Controle Automático Controle Automático por Transmissão Pneumática As necessidades de se obter um controle automático das variáveis de processo são um tanto óbvias. As ações executadas pelo sistema de controle automático são as mesmas executadas pelo operador quando fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir). Entretanto, muitas vantagens são adquiridas. As falhas diminuem, pois o controlador automático é totalmente programado para executar estas tarefas, diferentemente da mente humana. 46

47 Processos onde o contato humano é impedido como, por exemplo, controle de temperaturas muito altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se tornam possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de velocidade de controle e diminuição de riscos de acidentes. Por todas essas necessidades, foi iniciado o controle automático, onde a medição é feita pelo sensor de temperatura, que é conectado a um transmissor de temperatura (TT), a comparação do valor medido pelo TT com o set point dado pelo operador para obtenção do valor do erro e a computação (ação que considera os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas pelo controlador de temperatura (TRC) e a correção é efetivada pela válvula de controle (TV), com base no sinal recebido do TRC. Em 1788, James Watt criou o primeiro dispositivo de feedback mecânico com funções de controle proporcional. Mas somente em 1933, a Taylor Instrument Company, agora parte da ABB 5, desenvolveu o primeiro controlador pneumático com todas as capacidades de controle proporcional (VANDOREN, 2003). Os transmissores pneumáticos geram sinal variável, linear, de 3 a 5 psi, que são calibrados de acordo com um range de 0 a 100% da variável. Essa faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), a Associação de Fabricantes de Instrumentos, composta pela grande maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. (ONOFRE, 2009) Vale ressaltar que, com o advento da instrumentação pneumática, surgiram não apenas os transmissores, mas também válvulas de controle automáticas, válvulas de bloqueio, e muitos outros instrumentos foram completamente modificados para se adequarem a esta tecnologia. 5 A ABB foi formada em 1988, quando a sueca Asea e a suíça Brown Boveri BBC uniram-se adotando o nome ABB. É a empresa líder em faturamento no setor de automação industrial 47

48 Para concentrar todos os controladores em um só ambiente, obtendo assim uma visão geral da planta, criou-se a Sala de Controle Central. Isto representou um avanço da automação, já que os sinais de campo de todas as variáveis de processo podem ser facilmente acessados, detectando assim os problemas e desvios operacionais da planta e possibilitando ao operador visualizar possíveis focos de acidentes e locais onde se necessita manutenção, tudo isso em tempo real Controle Automático por Transmissão Eletrônica A instrumentação pneumática demandava um abastecimento enorme de ar de instrumento, o que ao longo dos tempos se tornou um pouco inviável operacionalmente. Além do fato de ter perda de pressão ao longo do trajeto Controlador Instrumento, influindo em alguns casos no valor da variável medida. Com o advento dos circuitos eletrônicos, essa tecnologia foi substituída, até a transmissão pneumática ser praticamente extinta. Algumas malhas pneumáticas ainda se encontram em operação, e o sinal pneumático continua sendo empregado na atuação de válvulas de controle (BEGA, 2006). O advento da instrumentação eletrônica formou uma geração de instrumentação e automação bem mais próxima à existente nos dias de hoje. Na década de 50 datam os primeiros controladores eletrônicos. (VANDOREN, 2003). Os instrumentos eletrônicos analógicos chegaram ao mercado no mesmo período e até hoje são muito utilizados. O surgimento dos transmissores eletrônicos permitiu que os sinais de campo fossem enviados para Controladores Lógicos Programáveis (CLPs). 48

49 Controle Automático em Redes O caminho para criação das tecnologias de redes iniciou-se na década de 70 com a primeira atenção dada à funcionalidade do controle distribuído na camada de campo. Com a introdução do SDCD, tornou-se possível distribuir controle inteligente nos instrumentos das plantas de processo. Antes da criação das redes, dispositivos de campo não se comunicavam entre si e enviavam uma quantidade mínima de dados ao SDCD. A maioria dos dispositivos comunicavam aos controladores usando sinais pneumáticos ou analógicos 4-20 ma. Informações reais do processo eram limitadas e freqüentemente obtidas por interpolação, inferência ou por CLPs que eram muito caros e utilizavam aquisição de dados proprietária, isto é, comunicavamse com protocolos próprios de cada fabricante. Os custos e a complexidade para obtenção de dados eram enormes (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008). Nos anos 80, um avanço considerável aconteceu com o desenvolvimento da comunicação digital para instrumentos de campo. Nesta década, foi criado o comitê de membros da ISA-SP50. A The Instrumentation, Systems, and Automation Society, ISA, é uma organização sem fins lucrativos, que foi criada com o intuito de desenvolver padronizações para automação, dar suporte para solucionar dificuldades técnicas e promover capacitações técnicas, como treinamentos, publicações de livros e artigos técnicos e conferências técnicas das mais respeitadas por todos os profissionais de automação. O ISA-SP50 é um comitê de membros da ISA, que foi criado com o intuito de desenvolver as normas e padronizações para sinais analógicos e digitais usados nos processos de medição e controle (ISA Home). Esse comitê foi responsável inclusive pela especificação 4-20 ma como range de sinal da transmissão de dados analógica, e gastou anos definindo requisições técnicas e construindo um consenso para a rede de campo digital. 49

50 Nesse momento, vários fornecedores de instrumentos de controle de processo começaram a criar seus protocolos de comunicação próprios. Iniciou-se a criação de vários protocolos competidores, que não operavam juntos. É imprescindível nas indústrias atuais que se tenha um controle eficiente da produção, da qualidade do produto, e de todos os parâmetros de processo, em tempo real. A velocidade do trânsito das informações é requisito fundamental. A evolução da informática permitiu a implantação do conceito de inteligência distribuída em ambientes industriais, que ainda hoje envolve diversas inovações. Para que haja uma completa automação, é preciso que os instrumentos convencionais sejam trocados por instrumentos inteligentes para controle ou simples aquisição de dados, além da conseqüente interligação destes dispositivos, construindo um sistema de aquisição de informações para acompanhamento da produção ou estado do processo em tempo real. A instalação e manutenção dos sistemas de controle convencionais trazem consigo custos muito altos, principalmente quando se deseja fazer expansões de sistemas. Isto se deve, além dos custos de projeto, aos custos com cabeamento dos instrumentos de campo à sala de controle. O conceito de rede trouxe como principais vantagens a redução de custos e o aumento na operacionalidade, devido à grande melhoria na tecnologia aplicada. Por conta disso, desde 1972 não ocorrem inovações técnicas na área, e a tendência é que os sistemas convencionais sejam movidos gradualmente para a transmissão digital Fieldbus. A rede de comunicação para sistemas de automação é um conjunto de sistemas independentes, autônomos e conectados de forma a permitir a troca de informações entre si. A rede possui meios físicos e lógicos que integram o sistema através da troca de informações. As Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela 50

51 conexão de diferentes tipos de instrumentos com suas próprias características de informação, conforme ilustra a figura 26. O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) é o mais comumente utilizado neste nível. As redes desse nível são chamadas Redes de Gerenciamento. O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando CLPs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. As redes desse nível são chamadas Redes de Controle. O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os instrumentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O. As redes desse nível são chamadas Redes de Campo. 51

52 Figura 26: Hierarquia das redes industriais Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008 As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser em bits, bytes ou blocos. As redes Sensorbus, com dados em formato de bits, normalmente transmitem sinais discretos contendo condições ON/OFF. As redes Devicebus, com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas ou analógicas. As redes Fieldbus, com dados em formato de blocos, ou pacotes de mensagens, transmitem pacotes de informação com tamanhos variáveis. Alguns exemplos de Redes Sensorbus são ASI, LonWorks e Seriplex. Algumas Redes Devicebus existentes são CAN, DeviceNet, LonWorks, Profibus DP e Interbus. No que diz respeito às Redes Fieldbus existentes, Foundation Fieldbus, Profibus PA, HART e Modbus são as mais utilizadas. As redes citadas possuem suas particularidades, e as principais serão descritas ao longo deste trabalho. A rede Sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Utiliza-se este tipo de rede quando são necessárias comunicação rápida em níveis discretos e instalação de conexões de baixo custo. Utiliza sensores e atuadores normalmente baratos. 52

53 As redes Devicebus podem cobrir distâncias de até 500m, valor intermediário entre os Sensorbus e Fieldbus. Instrumentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou ambos. Algumas redes até permitem transferência de blocos. Possuem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados das redes Sensorbus, porém é possível gerenciar mais instrumentos e dados. As redes Fieldbus utilizam instrumentos inteligentes e fazem a interconexão destes com os sistemas de controle, responsáveis pelo comportamento das variáveis de processo industriais. Fisicamente, essas redes ligam os instrumentos de campo ao sistema de controle. Cobre distâncias maiores que as outras redes. A figura 27 mostra os principais equipamentos utilizados por cada um dos tipos de rede, sendo os principais previamente descritos na seção 2.1. Figura 27: Tipos de Equipamentos usados em cada Rede Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008 Devido à grande importância e maior aplicabilidade das redes Fieldbus na automação de processos industriais, maiores informações acerca destas redes serão descritas abaixo. 53

54 Redes Fieldbus Como anteriormente fora citado, a tecnologia Fieldbus na automação industrial é muito complexa, em função da variedade de aplicações. As opções de arquitetura também são numerosas e as padronizações internacionais são fixas, pois os sistemas sempre envolvem sensores, atuadores e controladores conectados em rede. A partir de concepções históricas, pode-se entender a origem das redes Fieldbus. Na década de 80 iniciou-se a pesquisa dessas redes de campo. Havia necessidades dos usuários finais para a otimização dos processos industriais e obtenção de maior controlabilidade e segurança para a Planta. Além disso, eram necessárias mais informações acerca dos dispositivos de medição. Por outra vertente, também havia capacidades tecnológicas para que esse desenvolvimento pudesse suceder. Uma das necessidades dos usuários finais era a Padronização. As redes mais utilizadas na época eram Modbus, da Modicon Bus, e Westinghouse Distributed Processing Family (WDPF), da Westinghouse. Eram redes sólidas, maduras e garantidas pelas suas funcionalidades e aceitação mundial. Outras redes também existiam, mas sem muita notoriedade eram aplicadas em situações específicas como, por exemplo, a Alliance Research Centre Network (ARCNET), criada em 1977 e utilizada a princípio em escritórios e depois usada para aquisição de dados. Outra rede específica era a Military Standard 1553, usada para aviões e aplicações do espaço aéreo. Na instrumentação nuclear, a rede CAMAC, criada na década de 60, foi considerada a primeira rede de instrumentação. Muitas redes proprietárias conviviam e eram usadas no final da década de 70 para conectar controladores lógicos programáveis (CLPs), tanto quanto nos processos industriais (THOMESSE, 2005). A integração desses diferentes sistemas era dificultada por conta das diferenças de padronizações, e pelos custos com gateways, adaptadores e 54

55 conversores de protocolo. A partir de então se iniciou o processo de criação de um perfil de padronização da comunicação. Duas companhias iniciaram dois projetos. A Boeing Company lançou o Technical and Office Protocol (TOP) e a General Motors o Manufacturing Automation Protocol (MAP). O primeiro deles tinha aplicação em projetos de escritórios e indústrias e de máquinas e robótica e o segundo tinha aplicação em manufatura, com o objetivo de ligar todos os instrumentos sem o desenvolvimento de hardware ou software específico (THOMESSE, 2005). Esses sistemas foram então integrados e surgiu o conceito de Arquitetura Hierárquica. As tecnologias de computação foram aproveitadas em todos os níveis, tanto na automação do processo quanto no transporte de peças e materiais no caso das indústrias de manufatura, aumentando o controle da qualidade do produto gerado. Cada rede gerencia as funções relativas à sua camada, e serve como interface para a camada acima. Em processos industriais, a primeira camada é a automação, a segunda a supervisão e a terceira a otimização. Outra grande necessidade era a redução dos cabos. Anteriormente, cada sinal digital ou analógico em 4-20 ma era enviado individualmente, ponto a ponto, do campo até os controladores. Os custos com cabeamento, tanto na compra quanto no detalhamento de instalação, bem como a manutenção, eram altíssimos. No começo dos anos 80, diversos projetos iniciaram na Europa depois do projeto MAP ter inicio nos Estados Unidos. Na França, o projeto Fieldbus FIP iniciou em 1982 sob o apoio do Ministro da França para Pesquisa e Indústria. Um processo similar a esse aconteceu com o projeto Fieldbus chamado Process Field bus (PROFIBUS) na Alemanha, em 1984 e com o P-Net na Dinamarca em Neste mesmo ano a Bosch desenvolveu as especificações do Controller Area Network (CAN) (THOMESSE, 2005). 55

56 O processo de padronização iniciou neste momento em diversos países e em nível internacional, com a IEC TC 65/SC65C/WG6 e simultaneamente com a ISA SP50, pertencente à The Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA), nos Estados Unidos. Atualmente é possível encontrar diversas especificações técnicas que dão informações específicas e importantes para o projeto de automação em rede, pois o sistema está bem consolidado. Podemos observar algumas características das redes Fieldbus nas indústrias atuais: Redução dos custos de cabeamento e facilitação da engenharia de detalhamento. Essa é a principal vantagem. Todos os instrumentos são inteligentes, facilitando a calibração, manutenção e acompanhamento da qualidade da informação enviada. Os instrumentos desempenham funções específicas de controle, como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Interoperabilidade. Possibilidade de conexão com vários dispositivos. Tempos de transferência longos, mas a rede tem capacidade de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário) Velocidade pode atingir até 1 Mbps. A opção pela implantação das redes é feita analisando quais os tipos de rede disponíveis no mercado, as vantagens principais de cada uma delas e a compatibilidade da maioria dos dispositivos nesta plataforma (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008). Além disso, deve-se atentar para o desenvolvimento tecnológico de recursos, permitindo que as necessidades das plantas sejam atendidas de maneira simples e eficiente, tanto as tarefas básicas como as complexas. Tratando-se de tecnologias de ponta, é extremamente necessário que haja, além do desenvolvimento tecnológico, o desenvolvimento humano, afim de que todos 56

57 os recursos existentes sejam bem utilizados, executando projetos de maneira natural e de alta qualidade. Uma parte importante no desenvolvimento das tecnologias de rede é a compatibilidade das diversas versões de instrumentos, garantindo a interoperabilidade dos instrumentos existentes em campo com as novas aquisições. Para tanto, havia uma necessidade grande de arquiteturas de sistemas abertos, permitindo ao usuário encontrar em mais de um fabricante a solução procurada e colocando em comunicação, dispositivos de vários fabricantes distintos. A substituição dos sistemas proprietários pelos sistemas abertos possibilitou um crescimento tecnológico bem maior, ocasionado pelo aumento da concorrência e do compartilhamento de informações necessárias às correções de sistema e updates. Essa substituição dos sistemas proprietários ocorreu na maior parte dos instrumentos de controle. Entretanto, existem certos equipamentos críticos das plantas que são fornecidos por empresas detentoras da tecnologia, que possuem operação controlada em unidades específicas, mas sempre conectadas ao SDCD da planta. Seus painéis de controle são locados em campo. Isso ocorre para que os fornecedores desses pacotes se responsabilizem pelo bom funcionamento do equipamento. Como essas unidades pacote possuem sua automação em um controlador separado do restante da planta, mas que se comunica com o sistema de controle da unidade. Muitas vezes esses pacotes operam com redes proprietárias diferentes da filosofia do restante da planta, a exemplo do sistema de controle e monitoração de máquinas críticas como bombas e compressores. 57

58 a. Protocolo HART O protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) é um sistema a 2 fios, mestre escravo, com taxa de comunicação de 1200 BTS e modulação FSK (Frequency Shift Key). Foi uma das primeiras implementações de barramento de campo. Embora digital, aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA, o que o torna compatível com a enorme base instalada analógica existente no mundo. Desenvolvido pela empresa Rosemount 6 (EUA) em meados da década de 1980 como um protocolo proprietário, o HART tornou-se pouco depois um padrão aberto e tem evoluído desde então. (GUTIERREZ & PAN, 2008) Esse sistema digital aumenta a confiabilidade sobre o sinal de corrente em ma enviado pelo transmissor, além de permitir que outras informações do instrumentos sejam enviadas. Usa o mesmo par de cabos para o sinal de corrente e para a comunicação digital. Este cabo é o mesmo usado na instrumentação analógica. Esse protocolo de comunicação tem sido muito utilizado, por isso todos os instrumentos podem ser encontrados em diversos fabricantes. Os principais motivos de ainda ser muito utilizado nas indústrias em geral são o baixo custo dos instrumentos em relação aos instrumentos de outras tecnologias e a alta velocidade de tráfego da informação medida. Além disso, a tecnologia HART encontra-se bem consolidada nas indústrias, o que facilita a busca de instrumentos nesta tecnologia relacionados a medições de todos os tipos de processo, inclusive as não tão usuais, bem como existência de mão-de-obra qualificada para manutenção e detecção de problemas encontrados na instalação. 6 Rosemount é uma das maiores empresas fabricantes de instrumentos de medição para indústrias de processo, associada a Emerson Process Management. 58

59 Por ser mais maduro, esse protocolo de comunicação se apresenta mais confiável que os demais que ainda precisam ser adaptados aos sistemas das indústrias já existentes. b. Rede DeviceNet DeviceNet é uma rede de dispositivos, comumente usada para interligar instrumentos de campo tais como sensores, partidas de motor, atuadores, drives e CLPs a uma rede com maior capacidade, reduzindo o número de cabos. Industrialmente, normalmente é usado em dispositivos não muito críticos. A figura 28 apresenta um esquema representativo de uma rede DeviceNet. Figura 28: Topologia da rede DeviceNet Barramento Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008 A transferência de dados se dá pelo modelo produtor-consumidor, em velocidades ajustáveis em 125, 250 e 500 Kbps. Nesse modelo, o dado é identificado pelo seu conteúdo. Não necessariamente necessita explicitar o endereço da fonte e destino dos dados. Também não existe um mestre na rede. Qualquer nó pode iniciar a transmissão. 59

60 No caso particular do DeviceNet, o protocolo de comunicação é o chamado Controller Area Network, CAN. Este identificador da rede define graus de prioridade dos nós no processo de arbitragem, mantendo a ordem da transmissão, e é usado pelos nós que recebem a mensagem, filtrando as mensagens de interesse. Há também a designação de mensagens de entrada/saída e mensagens explícitas. As mensagens de entrada e saída são dados de tempo crítico orientados ao controle. Por isso, são mensagens de alta prioridade. As mensagens explícitas são referentes aos dados de configuração e diagnóstico ponto a ponto. São mensagens de baixa prioridade. No nível físico, tem como características uma topologia básica do tipo linha principal com derivações, barramentos separados para sinal e alimentação 24 Vcc no mesmo cabo (4 fios), inserção e retirada de nós à quente, em uma ligação de troncos e droplines. O CAN foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóveis europeus, substituindo os chicotes de cabo por um cabo em rede, diminuindo o custo do sistema, além de ter uma alta confiabilidade para aplicações como controle de freios ABS e Air bags. Nas indústrias tem maior aplicação em sensores específicos de equipamentos como motores, além de interligação entre CLPs, dentre outros. c. Redes Profibus O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto, i.e., independente de fornecedor. Foi criado em 1989 na Alemanha por um consórcio de companhias e indústrias, a PROFIBUS User Organization. Hoje é uma tecnologia sólida e apresenta-se com grande peso nas plantas de produção em todo o mundo. 60

61 Esse padrão é regido pelas normas EN e EN Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, nas divisões DP e PA, ao lado de mais sete outras redes de campo. Mundialmente, os usuários podem se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento tem como objetivos a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. Atualmente é considerado o protocolo mundial líder em número de nós instalados (jan/fev de 2008). Estima-se que haja mundialmente 20 milhões de nós PROFIBUS, e mais de 1000 plantas com a tecnologia PROFIBUS PA, com uma projeção de atingir 30 milhões de nós em (PADOVAN, s.d.) Hoje são mais de 2800 produtos e 2000 fornecedores, presentes em toda a área da indústria, nos mais diversos segmentos e em variadas aplicações nas indústrias de processo e manufatura, nas variações descritas a seguir. Profibus DP (Descentralized Peripheria) É um protocolo otimizado para alta velocidade em conexões de baixo custo. Essa versão de Profibus foi criada especialmente para sistemas de controle e automação e dispositivos de campo que necessitam de respostas rápidas do sistema. Muito aplicado em módulos de I/O digitais e analógicos, drivers para motores, IHMs e dispositivos críticos como válvulas de bloqueio motorizadas para isolamento de unidades de processo. Esta rede possui as seguintes características: Utiliza o meio físico de transmissão rápida RS-485 ou fibra ótica com velocidade de até 12 MBps; Comunicação mestre-escravo; Capacidade de até 128 dispositivos divididos em 4 segmentos; 61

62 Distância de 100 a 120 m de acordo com o número de instrumentos; Possui 3 versões V0, V1 e V2. A versão V0 corresponde à comunicação cíclica, a versão V1, comunicação acíclica e V2 comunicação direta de escravo para escravo. É imprescindível para a interoperabilidade, que todos os componentes da malha possuam uma mesma versão; Profibus PA (Process Automation) Foi criado com o intuito de substituir os tradicionais sinais analógicos (4-20 ma), sendo muito aplicado em transmissores (de pressão, vazão, temperatura e nível) e analisadores industriais. Atendendo às normas FISCO, podem ser aplicados em áreas classificadas com categoria de proteção IS (Segurança Intrínseca). Essa substituição alcança uma economia de custo de aproximadamente 40% nas etapas de engenharia de detalhamento, cabeamento, partida e manutenção, além das vantagens de aumentar a praticidade e a segurança (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008). Tudo isto se deve ao fato de o Profibus PA utilizar apenas um par de fios para transmitir tanto as informações do dispositivo de campo quanto à alimentação. A alimentação pode ser feita utilizando fontes intrinsecamente seguras, ou utilizando-se barreiras e isoladores de rede. Além de poupar custos e aumentar a segurança nas áreas classificadas, esse tipo de alimentação da rede permite que o operador faça manutenção, conexão e desconexão dos instrumentos durante a operação normal da planta, mesmo em áreas potencialmente explosivas. 62

63 Esta rede possui as seguintes características: Utiliza o meio físico de transmissão IEC H1, com velocidade de 31,25 KBps; Capacidade de até 32 dispositivos sem alimentação e 12 com alimentação por rede; Distância de até 1900 metros por segmento, de acordo com o número de instrumentos; Necessita de aterramento, afim de que haja proteção contra ruídos e interferências eletromagnéticas. Um projeto feito sem aterramento compromete a transmissão do sinal e o conseqüente controle da planta. Profidrive: Perfil do Profibus para controle de movimentos (controle de motores), utilizando o meio de transmissão RS-485, na versão do Profibus DP-V2; Profisafe: É o perfil do Profibus utilizado para aplicações com segurança, como por exemplo, botoeiras manuais de alarme de incêndio em campo. Pode ser utilizado no meio físico RS-485 ou IEC H1, nas 3 versões (V0, V1 e V2). Com toda essa diversificação, observa-se que esta tecnologia é preparada para ser aplicada em diversas áreas da indústria, desde a automação de pequenas máquinas até o controle total da planta. Essa é uma grande vantagem, visto que o controle total da planta feito no mesmo sistema atinge alto nível de integração entre as diversas partes da planta, já que toda a configuração e manutenção da planta são feitas no mesmo ambiente, diminuindo assim tempo de configuração, ajustes e manutenção da automação. Obviamente esta não é uma conquista fácil, já que na grande maioria dos casos o que é feito é uma expansão ou adaptação do sistema de uma indústria às novas tecnologias. Sendo assim, apenas parte do sistema de automação sofre modificações. Além disso, para o projeto de uma planta nova, ou nova 63

64 unidade de uma planta, normalmente são utilizados sistemas já em operação de outras plantas/unidades semelhantes. Dificilmente todo o controle é dado em uma única tecnologia, mas são usadas as tecnologias já aplicadas a fim de evitar que no momento da implantação, ou ao longo da operação da planta, sejam encontradas dificuldades desconhecidas. Prefere-se confiar no que já foi implantado e testado em campo, tendo assim maior garantia de funcionalidade. d. Redes Foundation Fieldbus No final de 94, dois consórcios de fornecedores paralelos, o InterOperable Systems Project (ISP) e o WorldFIP North America, uniram-se para criar Fieldbus Foundation. A nova organização organizou programas de desenvolvimento, treinamentos de condutores de campo, e estabeleceu o mais rigoroso programa para teste e registro de instrumentos de campo (Fieldbus Foundation, 2009). Assim, muitos fornecedores se interessaram pela tecnologia e se tornaram membros da Fieldbus Foundation e desenvolveram as especificações desse protocolo aberto e não-proprietário. Essa solução de comunicação digital avançada foi designada pelo grupo para ser aplicável a aplicações de controle críticas, tomando o mercado de redes incompatíveis, operando com arquitetura aberta completamente integrada para distribuir e agrupar as informações em tempo real. A tecnologia garante ganhos de potência, velocidade e qualidade da informação. Atualmente tem sido fortemente aplicada em Sistemas de Controle de Processos nas Refinarias e Plantas em geral. Por esse motivo, o trabalho contém informações mais detalhadas desta tecnologia, a fim de que sejam conhecidas as principais características e vantagens que motivaram a sua aplicação. 64

65 A arquitetura Foundation, aberta, não-proprietária, disponibiliza um protocolo de comunicação para sistemas de controle que operam em uma rede de múltiplos instrumentos inteligentes que são conectados por um sistema de comunicação digital e bidirecional, pelo modelo mestre-escravo, conforme mostrado na figura 29. Figura 29: Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus Fonte: Alguns conceitos são importantes para o conhecimento da arquitetura desta rede: Ramal (spur): Cabo que interliga um instrumento de campo à caixa de junção. O comprimento máximo do ramal em cabo tipo A é de 30 m para áreas classificadas ou de 120 m para áreas não-classificadas. Tronco (trunk): Cabo principal de comunicação Fieldbus, que faz o suprimento dos ramais. Interliga a gateway às caixas de junção. Os cabos dos ramais e troncos são diferenciados apenas pelo nível de potência, já que o tronco possui segurança aumentada (Ex e) e o ramal possui segurança intrínseca (Ex i). 65

66 Segmentos: Uma seção Fieldbus que compreende um cabo e dispositivos instalados entre um par de terminadores. O comprimento do segmento corresponde ao comprimento total do tronco e dos ramais. As topologias aplicáveis ao Fieldbus podem ser: Topologia tronco e ramais: Um barramento tronco único é usado e ramais são conectados diretamente ao tronco, conectando assim os instrumentos aos segmentos. Topologia ponto a ponto: Ligação em série dos instrumentos de um segmento. O cabo é ligado de instrumento em instrumentos em um mesmo segmento, e interconectado nos terminais de cada instrumento. Topologia em árvore: Utiliza caixas de junção em campo para a ligação de vários instrumentos. Topologia fim para fim: Faz a conexão de apenas dois equipamentos. Pode ligar instrumento de campo ao Host, bem como conectar dois Hosts. Topologia mista: É possível encontrar as três topologias mais comuns juntas: ramos, ponto a ponto e árvore. Quanto ao meio físico, IEC , para que seja feita a análise dos tipos de ligações possíveis com cabos, conexões, terminadores, características elétricas e outras informações, é necessário conhecer a especificação técnica 66

67 internacional que padroniza a linguagem, a Norma ANSI/ISA-S Algumas características são relevantes: Transmissão de dados somente digital Self-clocking Comunicação bidirecional Código Manchester Modulação de voltagem Velocidades de transmissão de 31,25 kbit/s e 100 Mbit/s Barramentos com ou sem energia, intrinsecamente seguro ou não Para instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade usada é de 31,25 kbps e as outras velocidades são comumente usadas para interligação de gateways em alta velocidade. A norma possui informações detalhadas, e informa o número de instrumentos conectados para cada tipo de aplicação: com ou sem segurança intrínseca, com alimentação separada ou não. Cada valor é estimado levando em conta o consumo de cada dispositivo, a tensão de alimentação dos mesmos, a existência de barreiras de segurança intrínseca e sua corrente máxima de saída. Seguem algumas imposições da norma: Quanto ao número de dispositivos por segmento Entre 2 e 32 instrumentos em ligação sem segurança instrínseca e alimentação a 4 fios (alimentados em voltagem superior a 20V CC ); Entre 2 e 6 instrumentos alimentados em um mesmo fio com segurança instrínseca; Entre 1 e 12 instrumentos alimentados em um mesmo fio sem segurança instrínseca; 67

68 Quanto à distância máxima por cabo Um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31,25 Kbps não deve ter a soma dos trechos do tronco e todos os ramais maiores que 1900m, conforme figura 30. Figura 30: Comprimento máximo do segmento Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008 Quanto aos Sistemas com meio físico redundante Cada canal deve atender as regras de configuração de redes; Não existir um segmento não redundante entre dois redundantes; Números dos canais mantidos no Foundation Fieldbus Quanto ao Aterramento O shield dos cabos não deve ser usados como condutores de energia. Essas e outras especificações contidas nessa norma visam a segurança da aplicação, e a padronização para os projetos nesta tecnologia, fazendo com que as instalações sejam feitas de forma que problemas de instalação, de ruído, má operação, dentre outros, sejam minimizados. 68

69 Nos sistemas tradicionais, o volume de informações é reduzido à praticamente apenas informações de controle. Já no Sistema Foundation Fieldbus o volume de informações é bem maior, devido à facilidade de comunicação entre os instrumentos da rede. Isto ocorre pelo seguinte fato: o tempo de ciclo em um barramento é dividido em Período Cíclico e Acíclico. No Período Cíclico são publicadas as informações de controle e no Período Acíclico são publicadas as informações que não são de controle. O Período Acíclico compõe 70% do Tempo de Macrociclo, que é o tempo gasto para que todos os instrumentos dos barramentos publiquem seus dados de controle e monitoração do processo. Devido ao sistema ser mestre-escravo, o sistema é programado para que os instrumentos críticos informem suas informações de controle com maior prioridade e em ciclos determinados, e nos intervalos essas informações extras dos instrumentos inteligentes podem ser enviadas. Temos informações extras muito importantes, como o diagnóstico do instrumento, o envio da confiabilidade do valor da variável de processo informado pelo instrumento, dentre diversas outras. Outra grande vantagem do Foundation Fieldbus é que, sendo os instrumentos inteligentes, eles podem exercer as funções de controle dentro do próprio instrumento sem depender do controlador situado no SDCD. E como a alimentação dos instrumentos é distinta, caso haja uma falha de alimentação no SDCD o controle da planta continua funcionando em operação normal. A inclusão de novas malhas de controle ou de instrumentos de monitoração a esta rede também é facilitada, pois o cabo não precisa percorrer toda a distância do campo até a Sala de Controle, mas pode ser incluída na forma de ramais a segmentos já anteriormente instalados. 69

70 Devido às grandes vantagens da tecnologia Foundation Fieldbus, o SDCD tradicional não é recomendado em novos projetos. E nos sistemas já existentes a substituição dos instrumentos representa altos custos. Além disso, como o sistema de controle fica obsoleto, a vida útil do SDCD é abreviada e a tecnologia Foundation Fieldbus pode ser introduzida através da introdução de gateways 7 com cartões com portas convencionais para os pontos já existentes e Foundation Fieldbus para os novos pontos Redes Ethernet Um sensor pode ter interface com o protocolo Ethernet facilmente e com baixo custo, através da utilização de um micro controlador que adapta o sinal recebido à comunicação internet. Essa vantagem possibilitou a utilização de sensores internet para automação industrial. A proposta do sensor internet requer cerca de 15 kbytes de C-code e 1 kbyte de Memória RAM, suporta fragmentação IP, gerencia simultaneamente duas conexões TCP (com velocidades distintas) e troca informação com browsers comerciais em web Page. Algumas vantagens desse sistema podem ser estabelecidas: Velocidade superior aos sistemas de baixa velocidade como o protocolo Modbus RTU via RS-485; Quantidade de ferramentas capazes para detecção de problemas e otimização da rede; Ampla base de suporte e produtos competitivos; Grande número de pessoas treinadas e familiarizadas com a tecnologia. 7 Gateways, ou hosts, são equipamentos responsáveis pela transposição de camadas de rede, que traduzem o protocolo FF H1 das redes de campo para o protocolo HSE das redes de controle. 70

71 Embora não tenha sido projetada para redes de automação industrial, a tecnologia Ethernet apresenta-se viável devido ao desempenho elevado, interoperabilidade e baixo custo. É uma das mais recentes redes de campo com fio. A facilidade de configuração e a variedade de equipamentos disponíveis contribuíram para a sua popularização. Entretanto, as redes Ethernet ainda compartilham um mesmo problema das outras redes industriais: cabeamento e mobilidade. O alto custo do cabeamento em alguns cenários e as interrupções na rede para a realocação de instrumentos ou ampliação da rede e necessidade de dispositivos móveis são os pontos fracos para o uso da mesma, visto a tendência mundial da aplicação de redes sem fio. (DRAGO, 2008) Wireless - Redes de campo sem fio Motivações para implantação da tecnologia A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral, pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanecem, tais como ruído, má instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a sala de controle, altos custos, dentre outros. Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo, onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de petróleo. Outro exemplo é a presença de sensores em regiões muito distantes. No passado, apenas era resolvido cavando trincheiras ou correndo conduítes e puxando fios para adquirir os sinais. Por essas e outras limitações tornou-se interessante o estudo de redes sem fio na automação industrial. 71

72 Como resultado, agora as indústrias podem usufruir do verdadeiro potencial dos seus ativos de produção, com a ascensão dessa infra-estrutura Wireless de campo, tendo acesso seguro a informações oportunas para obter e manter um excelente retorno das informações de produção em virtude das melhorias dramáticas em freqüência e confiabilidade, também gerando economias de custo substanciais e mensuráveis tanto em engenharia como instalação e logística. Mas qualquer nova tecnologia passa por um período de sedimentação, quando seus princípios, limites e contornos ficam obscuros para o mercado. A tecnologia Wireless passa por esse momento e iremos entender o motivo conhecendo suas características Wireless Conceitos O Wireless é uma camada física pela qual sinais analógicos (4-20mA, 1-5V CC e similares), sinais discretos e sinais brutos fazem transmissões via rádio a partir do dispositivo de uma central de processamento, como o SDCD, um CLP ou uma UTR (Unidade Terminal Remota) (SAVELLS & ADAMS, 2008). O Wireless imita a comunicação com fio numa aplicação já existente. Não é exigida mudança na arquitetura do sistema. Os links Wireless transmitem os mesmos dados que os fios físicos um dia transportaram. Além da monitoração remota, a funcionalidade de controle remoto também pode ser usada através do Wireless. É uma tecnologia livre de licença no espectro de rádio 2.4 GHz, 5.4 GHz ou 900 MHz, projetada, especificamente, para integração de ativos remotos e sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). A maioria dos sistemas é oferecida na faixa de 2.4 GHz, e é nessa faixa que os padrões SP100 e Wireless Hart se concentram. Essa tecnologia tem sido muito usada 72

73 na automação de óleo e gás por cerca de 20 anos, aumentando sua confiabilidade ao longo desses anos (ALIPERTI, 2008). No mercado, é possível encontrar vários tipos de implementações Wireless, não existindo ainda um padrão. Usualmente, encontram-se dois protocolos: um baseado no IEEE (normalmente a/b/g) e outro baseado em protocolos proprietários desenhados especificamente para ambientes industriais. As redes Wireless em ambientes industriais são padronizadas pela norma ISA SP100, que considera suporte para as seguintes aplicações (ALIPERTI, 2008): Operador Móvel: a possibilidade de dar suporte a um operador de campo munido de um palmtop que se comunica com o sistema central através da rede Wi-Fi; Rede de Sensores: transmissores de campo que se comunicam de volta para um sistema central, atualmente através de sistemas proprietários; Monitores de Equipamentos: CLPs locais que executam lógicas de sistemas específicos, como por exemplo, monitores de vibração de máquinas rotativas críticas, que podem se comunicar ou pela rede Wi-Fi ou pela rede proprietária dos sensores, servindo como uma extensão dessa rede. A arquitetura de uma rede Wireless é composta normalmente por vários dispositivos que distribuem sinal, conforme representado na figura 31. Cada dispositivo possui no mínimo um rádio e uma interface Ethernet. Sistemas mais modernos contam com dois rádios, um para a interligação de equipamentos e outro para a cobertura de determinada área. 8 A norma IEEE (ISO/IEC ) é um padrão internacional que descreve as características de uma rede local sem fios (WLAN). As redes sem fio IEEE , que também são conhecidas como redes Wi-Fi (Wireless Fidelity) ou wireless, foram instauradas por membros do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 73

74 Figura 31: Arquitetura de uma rede Wireless Fonte: Aliperti, 2008 Os dispositivos de campo se comunicam de volta com um sistema central, o SDCD. Este sistema recebe as informações dos dispositivos de campo pela sua gateway. Em função das grandes distâncias a serem percorridas entre os dispositivos e a central, é criada uma malha de cobertura sem fio, através da qual os sinais de campo transitam. Isto é denominado backbone, a espinha dorsal. Este backbone, diferentemente dos instrumentos que não possuem fios, possui diferentes graus de fiação para se comunicar, variando de conexões opcionais para alimentação ou conexões de comunicação (por fibra ótica ou cabo coaxial), ou pode não ter fio algum, nos casos de não serem alimentados e das transmissões de comunicação via rádio (ALIPERTI, 2008). Em todos os sistemas disponíveis no mercado, apesar das diferentes filosofias de comunicação dos sensores com a central, podem-se encontrar os mesmos problemas de contorno para definir sua eficácia, como o tempo de resposta e o número de dispositivos que a rede consegue comportar. Como todas as tecnologias, o Wireless também possui limitações. A escolha da solução de rede sem fio requer a análise da transmissão de dados e das características operacionais dos equipamentos. A seguir, algumas limitações e 74

75 características da rede serão descritas, para um melhor entendimento dessa tecnologia Limitações da Rede Wireless A faixa de operação de 2.4 GHz é uma faixa em que não é necessária uma licença para operar. Essa faixa se estende de 2.4 GHz até GHz, com 83 MHz de largura. É a faixa liberada pela Anatel no Brasil e pela FCC nos EUA. Com isso, vários outros tipos de comunicação a utilizam, como a Wi-Fi, por exemplo. Isso pode trazer congestionamentos, dependendo dos canais utilizados (ALIPERTI, 2008). Os dispositivos possuem acesso a todos os canais, livremente. Para minimizar as interferências e bloqueios, o transmissor e o receptor alternam freqüências em uma seqüência, tornando a rede mais resistente, já que os bloqueios não costumam ocorrer em todo o espectro, mas em canais isolados. Também aumenta a segurança, pois a seqüência é pré-determinada e somente o transmissor e o receptor a detém. Esse é o chamado Frequency Hoping. Essa técnica impede que um intruso na rede interrompa, capte ou falseie as comunicações (ALIPERTI, 2008). Os dispositivos que se comunicam nessa faixa competem pela transmissão, através do CSMA-CD (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection). Carrier Sense, pela escuta e detecção. Multiple Access, pelos diversos dispositivos que podem acessar a rede. O rádio do dispositivo opera na escuta e liga o portador de transmissão, anunciando que a informação será enviada, sempre que não há tráfego. Se dois dispositivos tentam acessar a rede simultaneamente, ocorre a colisão. O Colision Detection surge porque esses dispositivos descansam em tempos randômicos e depois voltam a tentar transmitir (ALIPERTI, 2008). 75

76 No ambiente industrial, vários são os fatores que interferem na propagação de sinal de RF (RadioFrequência) gerando atenuação no sinal, como a reflexão de sinal de RF face à movimentação de pontes rolantes e indução eletromagnética. Em áreas abertas, ainda há o problema do Efeito Chuva, que é um fenômeno de interferência na propagação dos sinais de RF por reflexão, gerado pela chuva, afetando o desempenho do sistema e chegando até a travá-lo (DRAGO, 2008). Esse problema ocorre para os padrões g ou a (10 ou 54 Mbps). Não existe solução técnica para esse problema, pois a solução seria o aumento de potência dos rádios nos terminais móveis (coletores) e APs (Acess Points), mas há uma limitação na EIRP (potência irradiada) pela Anatel. Infelizmente, esses problemas na propagação do sinal de RF diminuem velocidade e a confiabilidade desse sistema Capacidade da rede O tempo de resposta e a quantidade de dispositivos na rede são determinados pelas freqüências usadas. Em geral, e de acordo com a necessidade de atualização das informações, os tempos de transmissão são programados, geralmente entre 1 segundo e 1 minuto. Dependendo dos tempos de atualização, a carga da rede varia, e pode-se compor uma rede de poucos instrumentos em tempos mais rápidos ou de mais instrumentos em tempos mais lentos. Mas a capacidade da rede só pode ser determinada a partir de uma análise estatística. Em primeiro lugar, é avaliado o desempenho. Costuma-se obter 95% de sucesso nas transmissões na primeira tentativa. Chega-se a estimar estatisticamente, baseado neste valor, a capacidade da rede em números muito altos, como 30 mil dispositivos a cada meio minuto ou 1 mil a cada segundo. Entretanto, esses valores absolutos não levam em consideração os dispositivos fora da rede analisada, que também competem à rede. É muito comum que um rádio receba interferência de outra rede de dispositivos que 76

77 esteja ao seu alcance. Quando essas interferências ocorrem, a malha não consegue comportar mais que algumas centenas de dispositivos (ALIPERTI, 2008). O conjunto de fatores como freqüência de operação, localização geográfica em relação a outros sistemas que competem pela mesma faixa de transmissão e tempo de atualização desejada são denominados air space, e definem os contornos do sistema Extensão dos canais A SP100.11A da ISA comporta a extensão dos canais em 4 MHz. Essa é a maneira mais convencional de usar o air space, e é empregada inclusive por tecnologias do tipo Wireless Hart. Os rádios que praticam o Frequency Hopping nessa faixa são chamados de fat hoppers, pois a largura dos canais é bem grande. Mas hoje existem rádios que fazem divisão dos 83 MHz em 80 canais. E cada canal é subdividido em 4 bandas de 20 canais, e são chamados narrow hoppers. A vantagem dos sistemas que utilizam narrow hoppers é que possuem mais de quatro vezes a capacidade de sistemas com fat hoppers, com desempenho de 20 a 30 % maior (ALIPERTI, 2008). Enxerga-se nitidamente que o Wireless ainda caminha em seus primeiros passos, visto que esses sistemas ainda não estão padronizados na SP100, bem como muitas outras otimizações da tecnologia, que ainda não foram ratificadas em padronização, dificultando assim o desenvolvimento da tecnologia Transmissão de dados A transmissão dos dados é feita de maneira automática (self routing), sem a necessidade de intervenção do usuário. Na medida em que é formada uma 77

78 malha, os próprios dispositivos automaticamente destinam seus dados pelo encaminhamento que for mais conveniente. Caso um instrumento não consiga se comunicar diretamente com o sistema central, o sinal é enviado para outro instrumento da malha, e se este também não conseguir efetuar comunicação, ele se comunica com outro instrumento, e segue até que o sinal seja transmitido para a central. No self routing, se houver um bloqueio, caminhos alternativos são traçados (self healing) e o ajuste é feito automaticamente (self configuring), conforme mostrado na figura 32. Embora esta seja uma vantagem em relação à facilidade operacional, em alguns casos pode ser uma desvantagem, já que os sinais possuem tempos determinados para serem atualizados. Sinais que passam por muitos instrumentos, além de consumir energia da bateria de vários dispositivos, podem chegar ao sistema central com defasagem grande. Uma alternativa para isso é que um dispositivo seja usado como concentrador dos sinais que não conseguem alcançar a rede de imediato. Este terá desempenho afetado, mas diminui o problema da defasagem de sinal. O ideal é que o estudo da localização dos nós (ou portais) seja feito corretamente, para que todos os sinais cheguem à central na primeira tentativa. Os nós são efetivamente projetados para receber esses sinais e comunicarem entre si até enviar os dados para a central, pois na maioria das vezes são alimentados por fontes convencionais e trafegam dados em velocidades superiores às dos dispositivos. É imprescindível que a locação deles seja bem prevista. 78

79 Figura 32: Self Routing Fonte: Aliperti, 2008 Outro problema é o efeito Multi Path Fade, que acontece quando várias cópias de um mesmo sinal chegam ao receptor através da reflexão por diversos caminhos, o que pode resultar em uma interferência destrutiva, reduzindo a força do sinal, a cobertura efetiva e a taxa de transferência, conforme representado na figura 33. Uma solução para isso é o uso de duas antenas de recepção no mesmo cartão Wireless, para que o equipamento decida qual deles possui melhor recepção. Figura 33: Interferência destrutiva por reflexões de sinal. Fonte: Drago, 2008 Desafios ainda maiores são impostos para a rede Wireless no ambiente industrial, haja vista o ambiente em que trabalham os equipamentos, sujeitos a 79

80 pó, poeira, calor, umidade, etc. Os índices MTBF (tempo médio entre falhas) devem ser altos e o MTRR (tempo médio entre reparo) deve ser o menor possível. Além disso, equipamentos que operam na mesma freqüência também são fontes de interferência, como fornos microondas, aquecedores industriais e equipamentos de solda. Além destes, praticamente todos os equipamentos que produzem interferência eletromagnética e de rádio freqüência contribuem negativamente para o fluxo da rede Wireless Instalação e evolução da comunicação Para a concepção de um projeto de rede Wireless, é realizado o Site Survey, que é uma simulação da situação próxima a real. Nessa fase é definida a topologia da rede: quantidade de Acess Points (AP), tipo de antena, tipo e comprimento dos cabos e configuração do sistema. Atualmente, a indústria de equipamentos Wireless tem evoluído bastante, minimizando os problemas em ambientes industriais. Alguns mecanismos foram criados de forma a contornar problemas como interferência e falha repentina de um equipamento. No início da tecnologia, toda a inteligência e processos eram realizados nos APs. Surgiu a necessidade do gerenciamento centralizado. Com isso, introduziram-se os controladores, que recebem informações dos APs, monitoram e gerenciam a rede. Foram implementados os mecanismos de Auto-RF, que consistem na identificação por parte do Controlador de interferência em algum canal usado por um AP, e a conseqüente troca automática por outro canal com ruído menor, mantendo a qualidade das informações (DRAGO, 2008). Os Controladores também possuem a capacidade de identificar queda de sinal em algum AP da rede, causando um buraco na cobertura. O Controlador envia 80

81 um aviso ao administrador, que aumenta a potência dos outros APs vizinhos para compensar e cobrir as regiões afetadas. A segurança das redes Wireless também evoluiu. O primeiro mecanismo estudado foi implantado em 1999, o chamado WEP (Wired Equivalent Privacy). Os instrumentos atuais utilizam o WPA2 (Wi-Fi Protected Access), que substituiu o WEP, tornando o sistema menos vulnerável. Este sistema possui autenticação usando um servidor 802.1X. Ainda que este servidor opcional não seja utilizado o sistema tem segurança pessoal com uma chave de acesso. Enquanto uma chave WPA com 21 caracteres leva em torno de 4 x 1020 anos para ser quebrada, uma chave WEP pode ser quebrada em menos de 10 minutos. Além disso, existe o IPSec, que identifica ameaças por rádio freqüência ou pela rede cabeada, e as bloqueia automaticamente(drago, 2008). Também existem Controladores que possuem o Sistema de detecção de intrusos (IDS), que busca na rede alguns padrões pré-definidos de ataques, tanto os simples quanto os mais complexos, como seqüências de operações em múltiplos Hosts. Evoluções ocorreram também no tráfico de voz sobre IP (VoIP). As chamadas de voz podem ser feitas através da rede Wireless sem interrupções na ligação, pois os Controladores fazem balanceamento de carga entre APs, negando a conexão a um AP que esteja em seu limite de carga, redirecionando automaticamente a ligação (DRAGO, 2008). Todos esses avanços na tecnologia permitem que hoje o sistema esteja bem mais seguro, confiável e imune a ataques e interferências externas. Pode-se observar que o Wireless hoje apresenta maior robustez e pode ser aplicado nas indústrias com confiabilidade, mantendo a qualidade do controle e monitoração das variáveis de processo. 81

82 Vantagens sobre as redes com fio Economias na instalação: Essa é a vantagem mais clara, há redução de custos de materiais relativos a instalação dos cabos e da mão-de-obra empregada. Os custos do cabeamento são ainda mais elevados nas regiões de área classificada, com riscos de explosão e conseqüente necessidade de blindagem dos cabos e de isolamento para proteção contra agentes químicos. Em projetos com cronogramas apertados, esta tecnologia apresenta a vantagem do tempo de montagem, que é bem menor que em sistemas com fio. Economia de escala: As ampliações em uma indústria são situações comuns, que devem ser analisadas desde as instalações iniciais. Nas redes com fio, cada ponto individual deve ser encaminhado ao SDCD, passando por toda planta. As redes Fieldbus facilitaram muito o encaminhamento, levando os cabos do instrumento até o tronco do barramento apenas. Entretanto, não eliminaram o problema do cabeamento. Nas redes sem fio, a instalação dos novos instrumentos é facilitada, pois só é necessária a adição de um escravo compartilhando o mestre comum da rede. Não é necessária a previsão de reserva instalada como acontece nos projetos das redes com fio, o que diminui ainda mais os custos com instalação. Segurança contra falhas: A instalação dos cabos de instrumentação necessita de muitos cuidados para que a transmissão dos dados seja feita sem interferências. É muito 82

83 comum problemas como fios cortados durante instalações ou manutenções de rotina. Ações do tempo como ferrugem, corrosão, dentre outras, podem danificar os cabos, e a causa da ausência de sinal não consegue ser detectada pelo Controlador. Sabe-se que qualquer sistema está sujeito a perda de sinal, porém os links Wireless possuem alarmes que permitem a identificação da perda de sinal em algum instrumento. Além disso, na condição de falha na comunicação o escravo controla suas saídas com base na condição de segurança contra falhas préprogramada, isto é, aberta, fechada, ou permanecendo na última posição. Flexibilidade: Wireless pode ser implantado lentamente e integrado a sistemas já existentes, sem que seja preciso substituir a infra-estrutura. Qualquer dispositivo que anteriormente enviava sinais através de protocolos via cabos pode ser adicionado à rede sem fio pela adição de um link. A ausência dos cabos também facilita a realocação dos instrumentos. Confiabilidade: Três fatores determinam a confiabilidade do sinal: perda de rumo, interferência RF e energia transmitida. Visando identificar e potencializar ao máximo e a confiabilidade do sinal, é necessário um levantamento do site do RF ou um estudo de rumo. Para este estudo, a mão-de-obra deve ser altamente qualificada, o que encarece a instalação. Monitoração de diagnóstico: Outra vantagem é a monitoração do diagnóstico da confiabilidade do sinal dentro do sistema de rádio. Essa atividade de diagnóstico pode ser 83

84 alimentada em um pacote de software segregado, que permite ao usuário conhecimento de qualquer anormalidade de operação, como barulho, temperatura, voltagem, energia refletida, etc. (SAVELLS & ADAMS, 2008). Conclui-se acerca das redes Wireless que a tecnologia ainda precisa evoluir muito para que sua confiabilidade seja comprovada em ambientes industriais. Toda tecnologia tem um período de sedimentação, que normalmente dura cerca de 30 anos. Nesse período são feitas as melhorias na tecnologia, aumento na segurança e correção das falhas. Outro ponto importante desse período transiente é a tomada de conhecimento a fundo da tecnologia, para que seja bem projetada, operada e aproveitadas todas as suas funcionalidades. Sabe-se seguramente que mais de 90% de falhas da aplicação de protocolos digitais ocorrem devido ao maudimensionamento ou instalação e, na grande maioria das vezes, devido ao desconhecimento dos profissionais envolvidos no projeto. Essas falhas acarretam danos enormes, gerando atrasos na partida da planta, degradação do sinal da rede, fazendo com que a mesma trabalhe abaixo da faixa ideal de velocidade e estabilidade (PADOVAN, s.d.). Isso ocorre muito nas redes cabeadas, e nas redes Wireless isto não está isento de ocorrer, já que a má projeção dos APs pode acarretar falhas na transmissão. Portanto, enquanto os profissionais não estiverem habituados à tecnologia não adianta implantá-la Aplicações industriais atuais Atualmente verifica-se larga aplicação em mineração e Produção de Petróleo. Nas mineradoras, é usado em Stacker rotativo e Reclaimers, aplicados na África do Sul. Sua grande vantagem nessa aplicação é devido às grandes distâncias da Sala de Controle. Um esquema da automação é representado na Figura

85 Figura 34: Automação Wireless em Mineração Fonte: Drago, 2008 A Produção de Petróleo é o setor pioneiro no uso das redes Wireless, sendo o grande responsável pelo sucesso da implementação da tecnologia. Sua aplicação se deve à impossibilidade de lançar cabos em instrumentos localizados em poços. 85

86 86

87 3. Estrutura da cadeia produtiva 3.1. Mercado Mundial A importância da automação na indústria de processos cresceu muito nos últimos anos. Ela tomou força nas indústrias químicas de óleo & gás e biotecnologia. Sistemas de instrumentação inovadores foram introduzidos, garantindo segurança e confiabilidade dos processos e fornecendo uma base para estratégias avançadas de gerenciamento. Controles de processos garantem que os ativos da planta operem continuamente com os mais lucrativos ranges esperados guiando às melhores saídas de produtos, rendimento e qualidade usando pouca energia. (BENSON, 1997) Apesar do desaquecimento da economia americana, os negócios passaram por um bom período em 2007 para os fornecedores e para os usuários de tecnologias de automação. A demanda por automação permanecia forte. A construção de novas plantas acelerada na Ásia e os preços ascendentes do óleo e gás viabilizaram a exploração, a produção, e novos projetos de refinarias em todo o mundo, o que torna o momento atual também propício ao desenvolvimento mediante o andamento dos projetos já fechados. A modernização necessária da infra-estrutura industrial norte-americana, o crescimento do setor dos hidrocarbonetos, e a expansão em outras indústrias como as de ciências da vida e de metais básicos alavancaram o crescimento total na América do Norte no ano de Estudos mais elaborados do ano de 2003 feitos pela ARC 9, com previsões até 2011, mostram que se espera uma continuação desse crescimento, conforme podemos observar na figura 35. Entretanto, com a crise mundial que se iniciou no ano passado, as previsões tendem a ser um pouco menos otimistas. 9 ARC Advisory Group é uma empresa fundada em 1986, e presta serviços de consultoria na análise de estratégias mercado e de tecnologias industriais. 87

88 Figura 35: Mercado mundial de automação Fonte: ARC, 2009 Mesmo com a retração da economia, o desenvolvimento das tecnologias de automação tende a continuar. Há espaço para a coexistência das diversas tecnologias, mas nesta fase os usuários tendem a se retrair à inserção de novos sistemas, o que deve atrasar um pouco a implantação efetiva de tecnologias como Wireless. Também se pode sugerir que neste momento a escolha de soluções mais econômicas e com menor custo de mão-de-obra também ganhe preferência Evolução do Mercado de Automação para Indústrias de Processos Análise por Indústria A empresa de consultoria Intechno Consulting realizou um estudo de projeção de mercado em 2003 (SCHRODER, 2003). Segundo este estudo, o setor de automação de processos iria crescer em uma taxa anual de 5,1% entre 2005 e 2010, alcançando US$ 94,2 bilhões em Estes valores se referem à indústria de processo em sua definição mais ampla, que engloba o setor de extração de materiais primários (carvão, urânio, petróleo e gás), indústrias básicas (produção de vidro, cerâmica, metais e papel e celulose), geração de energia e tratamento de resíduos, além da indústria de processo em seu sentido mais restrito (química, farmacêutica, petroquímica, alimentos e bebidas). Através da figura 36 é possível observar que a indústria de processos predomina frente as demais no que concerne a automação. 88

89 US$ Bilhões Extração de materiais primários Indústrias básicas Processos Industriais Geração de energia Tratamento de resíduos Figura 36: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por indústrias Fonte: Schroder, 2003 Análise por regiões Em termos geográficos, a América do Norte lidera o mercado de automação de processos. A Ásia e a Europa Oriental estão ganhando mercado da Europa Ocidental e América do Norte, principalmente devido ao potencial de crescimento para automação na China, que apresenta baixos níveis de automação de suas indústrias. A Índia também está ganhando mercado mundialmente. A figura 37 mostra o desenvolvimento do mercado mundial por regiões. 89

90 25,2% 2000 US $ 61,3 bilhões 3,2% 27,5% 27,6% 2010 US $ 94,2 bilhões 3,7% 25,9% E uropa Ocidental E uropa Oriental Améric a do norte 4,4% 35,3% 4,5% 4,9% 33,0% Améric a do S ul 4,9% Ás ia - P ac ífic o R es to do mundo Figura 37: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por regiões Fonte: Schroder, 2003 Análise por produtos e serviços Cerca de 40% dos hardwares de automação adquiridos em 2000 foram para controles de processos, e 61% para instrumentação de campo, incluindo os sensores, equipamentos de medidas e atuadores integrados. A previsão para 2010 é que a participação dos hardwares no nível de controle caia para 35,8%. A inteligência está sendo movida para os níveis de campo e a camada dos controladores e sistemas está se tornando mais barata, caminhando para produtos com características de commodities. A previsão de crescimento nos componentes de comunicação Fieldbus e Ethernet é de 8,2% e 17% ao ano, respectivamente. As expectativas em relação à participação dos gastos em engenharia também são de crescimento, de 13,9% em 2000 para 15,5% em As tendências de racionalização e otimização das plantas, acompanhadas pela adoção da integração dos sistemas de automação com os sistemas de informação do site de produção e da camada de operação adicionarão para a engenharia parte dos custos totais do projeto. A figura 38 retrata o cenário descrito. 90

91 2000 US$ 61,3 bilhões 2000 US$ 94,2 bilhões 9,6% 11,1% 23,8% 10,8% 11,0% Hardware - nível de 20,5% controle Hardware - nível de campo Software padrão Engenharia 13,9% 15,5% Instalação e partida 4,7% 36,9% 5,4% 36,7% Manutenção Figura 38: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 segmentação por produtos e serviços externos Fonte: Intechno, Empresas Internacionais Apesar dos efeitos da crise financeira internacional, os fornecedores de automação continuaram obtendo forte crescimento nos resultados no final do ano de 2008, impulsionados pela robusta construção de novas plantas em regiões em desenvolvimento e pela forte atividade de projetos no setor de óleo & gás. Os fornecedores reportaram a entrada de grandes pedidos nos setores de óleo & gás, refino, petroquímica e de mineração. A demanda por produtos de automação tende a permanecer forte graças à modernização da infraestrutura industrial necessária para que os fabricantes melhorem a produtividade e aumentem a segurança de suas fábricas. Neste sentido, é importante ressaltar que a motivação para a adoção de automação industrial varia entre países com graus de desenvolvimento diferentes. Em países altamente industrializados, a automação de processos é incorporada com o objetivo de melhora da qualidade do produto, aumento da segurança do processo redução de emissões de gases poluentes e uso eficiente dos recursos. Por outro lado, empresas de países em desenvolvimento são motivadas pela possibilidade de aumento no volume de produção, apesar de aspectos relacionados à qualidade e ao meio ambiente estarem ganhando importância (JAMSA-JOUNELA, 2007). 91

92 A Tabela 1 apresenta as principais empresas de automação no mundo, mostrando seu faturamento e gastos com P&D, que são bastante elevados neste setor. Empresa Faturamento em 2007 (US$ Bilhões) % do faturamento em automação industrial Dispêndios em P&D (% do total do faturamento) ABB 29,2 27,0 3,9 Emerson 22,0 45,0 1,8 GE Fanuc n.d. n.d. n.d. Honeywell 34,1 36,6 4,2 Invensys 5,1 45,2 2,8 Rockwell 5,0 100,0 2,4 Schneider 25,5 28,5 2,4 Siemens 102,0 22,9 4,9 Yokogawa 5,0 100,0 7,0 Tabela 1: Principais Fabricantes Internacionais Ligados à Automação Industrial Fonte: Gutierrez & Pan, 2008 Vale à pena ressaltar que a dinâmica competitiva deste setor é bastante característica. Nos mercados de cada tipo de sistema de controle, existe o predomínio de um grupo ou outro de empresas, certamente por causa da origem e do histórico de atuação. Assim, o mercado de SDCDs é liderado pelas empresas Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Já o mercado de CLPs é liderado pela Siemens e pela Rockwell (GUTIERREZ E KOO PAN, 2008) Observa-se um crescimento generalizado na grande maioria das empresas de automação mundiais. Isso comprova a grande demanda mundial no setor e o conseqüente aquecimento nas vendas de produtos para suprir a necessidade das indústrias operantes de otimizarem sua produção e das novas indústrias em implantarem sistemas modernos de controle e aquisição de dados. 92

93 3.2. Caracterização da cadeia produtiva 10 Por ter uma natureza multidisciplinar, a automação industrial incorpora conhecimentos de diferentes áreas, como mecânica, eletrônica, elétrica, física, química e informática. Atualmente, é um setor com grande dinamismo tecnológico, onde o aparecimento de novas tecnologias e produtos acontece com freqüência e a incorporação dessas tecnologias pelas indústrias de processo tem forte efeito sobre o aumento de sua competitividade. Segundo a Abinee (2009) este é um setor com uma dinâmica de inovação peculiar, mais voltado para inovações de aplicação do que inovação de produtos propriamente ditos, sendo estes fortemente influenciados por desenvolvimentos em elos da cadeia a montante. A Figura 39 apresenta um esquema da cadeia produtiva de automação industrial. Alguns padrões dominantes deste setor são: ciclo de vida curto dos produtos do tipo commodity; progressiva segmentação para soluções específicas e importância da marca, associada à confiabilidade. Esta última característica configura-se como uma importante barreira à entrada de novos concorrentes, fortalecendo os produtores já atuantes no mercado. 10 Para maior detalhamento e profundidade deste item será necessário que seja realizado uma continuação dessa pesquisa, com uma etapa denominada pesquisa de campo, onde poderão ser elaborados questionários e visitas aos diversos atores do setor. 93

94 Figura 39: Representação da cadeia produtiva de automação industrial Fonte: Elaboração própria É possível identificar basicamente duas modalidades de contrato em automação industrial: o formato tradicional e o chamado Main Automation Contractor (MAC) ou Contrato Global de Automação (CGA) (BOSCO, 2009). No primeiro, empresas diferentes ficam responsáveis pelo fornecimento dos instrumentos dos sistemas de controle, e da configuração do sistema, sendo que esta etapa pode ficar a cargo da equipe da própria contratante caso haja expertise para tal. No segundo caso, a empresa responsável pela solução em automação responde pela gestão e fornecimento de hardware, licenças de software do sistema de controle e de segurança de processo e instrumentação de campo. Além disso, fica responsável pela interface do sistema de controle da planta com os fornecedores de equipamentos e unidades que tenham solução de automação separadas, e por prestar assistência técnica em todas as fases da obra. Ou seja, um único fabricante responde pelas diferentes etapas da cadeia produtiva até a implantação do sistema no processo industrial. A relação entre os diferentes elos da cadeia, desde o produtor dos dispositivos até o usuário final, a indústria de processo, é bastante estreita. Todas as atividades de assistência técnica e treinamento ficam a cargo do fornecedor do 94

95 dispositivo, ou seja, existe uma relação direta entre o elo final e os fornecedores de hardware, que passam pelos elos de projeto e construção. No caso dos fornecedores de software, em caso de desenvolvimento sob encomenda, a relação também se dá de maneira direta, sendo a firma de engenharia uma ponte para esta relação. Existe uma tendência de adaptar produtos de uso geral aos requisitos de automação das diversas plantas industriais, numa tentativa de conciliar o universal com o específico. Empresas menores têm conseguido sucesso em nichos do mercado internacional, integrando produtos de terceiros através do fornecimento de soluções de automação e de processo. Os equipamentos de automação podem ser utilizados de forma autônoma ou interligados em sistemas. Para as atividades de integração, o hardware é considerado commodity e a diferenciação acontece no software e na sistemática de integração. O conceito de computer integrated manufacturing (CIM) prevê a integração dos sistemas de automação e de informática com o uso de redes de comunicação de dados com protocolos padronizados. No que diz respeito aos dispositivos e protocolos de comunicação, há uma tendência de padronização, o que leva a redução dos custos de implantação de sistemas de automação e aumento da competitividade entre os fabricantes. Há de se ressaltar também que a convergência tecnológica, ocorrida a partir da utilização da eletrônica digital, vem permitindo uma integração entre os sistemas de controle de processos e as ferramentas de gestão corporativa O mercado de automação industrial no Brasil Segundo estudo recentemente publicado pela Arc (2009), são crescentes as oportunidades em automação de processos na América Latina e, conseqüentemente, no Brasil. Desenvolvimento em infraestrutura, industrialização, forte investimento nos setores de petroquímico, mineração e 95

96 Milhões de dólares outros mercados estão combinados com uma visão de valorização da automação industrial. Ao mesmo tempo, existe uma forte demanda global por engenheiros qualificados e profissionais de automação de processos cuja ausência representa um obstáculo a ser superado. Considerando o mercado latino americano como um todo, o mercado de automação de processo vem oferecendo ótimas oportunidades de crescimento para as empresas fornecedoras desse segmento. Após muitos períodos de economia e política instáveis, muitos países latinos americanos estão novamente em um caminho para a estabilidade e crescimento a longo prazo. Um exemplo de como a demanda latino-americana por produtos e soluções em automação tem crescido é o aumento de importação de produtos voltados para comunicação Fieldbus, mostrado na figura ,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Figura 40: Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América Latina. Fonte: ARC, 2009 Ano O mercado de automação de processo da América Latina é em grande parte guiado pelas práticas das companhias líderes. Em muitos casos, essas companhias determinam os padrões das melhores práticas em automação de processo para toda a América Latina. No Brasil, por exemplo, a Petrobras controla uma porção significativa do setor de petroquímico e é uma das líderes mundiais em tecnologia de águas profundas e ultra profundas. Os avanços na abordagem da Petrobras em automação influenciam o resto do Brasil e certamente toda a América Latina. 96

97 Bilhões de reais No Brasil, mercado de automação industrial tem crescido nos últimos anos. São vários os fatores que vêm influenciando o desempenho positivo desse setor. Entre eles, está a necessidade de atualização tecnológica dos instrumentos de controle, tendo possibilitado a inserção de novos sensores, transmissores, meios de comunicação entre equipamentos, sistemas de supervisão e controle, além de muitos softwares aplicativos que vão do setor de produção ao planejamento e gerenciamento global da empresa. (ABINEE, 2009) Segundo a ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica), o faturamento de 2006 foi de pouco acima de R$ 2,7 bilhões. Segundo a mesma entidade, o faturamento em 2007 aumentou em 14% e em 2008, o aumento foi de 11%, tendo alcançado R$ 3,45 bilhões, como mostrados na figura 41. Isso prova que o setor cresceu em volume de negócios, impulsionado pelo aumento da atividade industrial nos últimos anos no país e aos investimentos em setores específicos como petróleo, açúcar e álcool, mineração e siderurgia, indústria automobilística e papel e celulose. (ABINEE, 2009) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, (previsão) Ano Figura 41 Faturamento Anual do Setor de Automação no Brasil. Fonte: ABINEE, 2009 O bom resultado alcançado em 2007 e 2008 está relacionado aos investimentos em modernização e ampliação de fábricas já existentes. Com isso, o parque instalado de sistemas de automação e controle tornou-se grande 97

98 o suficiente para gerar uma demanda estável e significativa para manutenção, renovação e melhoria. Os setores que mais contribuíram para este resultado foram os de petróleo, álcool e energia. (ABINEE, 2009) Mesmo com a gravidade da crise econômica, a perspectiva de crescimento do setor ainda é otimista, prevendo um lucro de R$ 3,55 bilhões para 2009, representando um aumento de 3% em relação a Esta previsão otimista se deve principalmente ao setor de Petróleo e Gás, que vem ampliando os investimentos, gerando importantes negócios, o que vem garantindo um nível razoável de atividade para parcela apreciável das empresas do setor. Também vêm sendo mantidos novos investimentos nos setores cujos equipamentos são destinados à infra-estrutura de Telecomunicações e de Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. (ABINEE, 2009) Devem ser consideradas as diferenças entre projetos de automação e controle na instalação de uma fábrica totalmente nova e na atualização de indústrias já existentes. No Brasil, por exemplo, ainda existem muitas empresas químicas de médio porte que não utilizam sistemas de controle, onde a operação depende da intervenção direta dos operadores. Portanto existe um mercado amplo a ser explorado (FAIRBANKS, 2008). Os investimentos em atualização de plantas costumam ser feitos por etapas, tanto para diluição de custos de investimentos quanto para evitar paradas longas no processo. O primeiro passo se dá, na maioria das vezes, pela instalação da sala de controle e de alguns instrumentos de campo, aproveitando-se ao máximo os recursos existentes. Posteriormente, implantase a instrumentação e a malhas digitais de campo. Em seguida já podem ser feitas as primeiras incursões em controle avançado, gerenciamento de ativos e até modelos de simulação e treinamento virtual. Durante as etapas de substituição de sistemas, é comum a convivência entre diferentes concepções de produtos e de protocolos de comunicação, exigindo a colocação de conversores para estabelecer uma comunicação mínima. A utilização desses 98

99 conversores não é necessária quando se trata do sistema de uma fábrica nova. (FAIRBANKS, 2008). O setor petroquímico e as refinarias de petróleo sempre se destacaram por manter atualizados os sistemas de controle. As grandes empresas de celulose e papel e as siderúrgicas nacionais, também operam com sistemas modernos de última geração. Até mesmo setores considerados conservadores, como açúcar e álcool, estão adotando sistemas digitais. (FAIRBANKS, 2008) A divisão nacional do setor de automação O setor de automação industrial é pequeno na economia brasileira, mas é uma área estratégica que contribui ativamente para todas as empresas. Segundo a ABINEE, em 2008 o faturamento total da indústria eletroeletrônica foi de R$ 123,1 bilhões, conforme pode ser observado na tabela 2. Desse total, cerca de 3% são referentes ao setor de automação. No entanto, a representatividade do setor de Automação se torna mais perceptível quando se analisa a taxa de crescimento anual, pois apesar de baixa representatividade em termos de faturamento anual, a sua taxa de crescimento é bastante relevante, quando comparada com outros setores com maior faturamento anual. Entre 2007 e 2008, o setor cresceu 11% frente à 12% de Informática e 23% de Telecomunicações, que são os setores que mais lucraram em Isso demonstra que, no Brasil, o setor de Automação se apresenta em forte expansão, oferecendo boas oportunidades de negócios. 99

100 Faturamento total por área (R$ milhões) Crescimento 2007/2008 Automação Industrial % Componentes Elétricos e Eletrônicos % Equipamentos Industriais % GTD* % Informática % Material Elétrico de Instalação % Telecomunicações % Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas % Total % *Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica Tabela 2: Faturamento Total por Área Fonte: ABINEE, 2009 A mesma observação pode ser feita em relação à exportação, pois conforme pode ser observado na tabela 3, a taxa de exportação do setor de Automação (12%) para o período , também é relevante se comparada com outros setores. Exportação de produtos por setor (US$ milhões) Crescimento 2007/2008 Automação Industrial % Componentes Elétricos e Eletrônicos % Equipamentos Industriais % GTD % Informática % Material Elétrico de Instalação % Telecomunicações % Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas % Total % Tabela 3: Exportação de Produtos por Setor Fonte: Abinee, 2009 Até setembro de 2008, o setor de Automação apresentava uma taxa de crescimento de importação de 15%, e a partir de outubro esta taxa caiu para 5%. Esta queda se deve ao agravamento da crise econômica mundial. 100

101 De acordo com a ISA, cerca de 1,5 mil empresas de variados portes atuam em automação de controle de processos industriais no Brasil. (GUTIERREZ & PAN, 2008). No Brasil, as empresas que participam do segmento de automação industrial podem ser divididas nos seguintes perfis: grandes empresas internacionais, equivalentes a aproximadamente 30% das empresas brasileiras, que oferecem amplo espectro de produtos e soluções completas de automação; micro e pequenas empresas integradoras, formadas em muitos casos por ex-funcionários de empresas internacionais, que atuam de forma independente ou associadas a fabricantes de equipamentos; pequenas e médias empresas, formadas com capitais internos, que oferecem um espectro limitado de produtos hardware e/ou software, desenvolvidos com tecnologia própria, e raramente oferecem sistemas completos de automação. O mercado brasileiro é fortemente competitivo e dominado por gigantes internacionais líderes em automação industrial. Este grupo é formado pelas empresas ABB, Emerson, GE Fanuc, Honeywell, Invensys, Rockwell, Schneider, Siemens e Yokogawa. Todas estão presentes no país e oferecem soluções completos, fornecendo hardware, software e serviços. As estratégias das empresas internacionais não contemplam o desenvolvimento nem a fabricação local de dispositivos, os quais são por elas importados. As atividades que realizam no país restringem-se ao desenvolvimento e à integração das soluções finais (aplicações) para as plantas industriais. A utilização de mão-de-obra local limita-se às etapas de comercialização e implantação dos sistemas e produtos nos clientes. Abaixo estão alguns exemplos de como estas empresas estão investindo para acompanhar a expansão do mercado: (FAIRBANKS, 2008) 101

102 A empresa japonesa Yokogawa tem mantido expansão de negócios na média de 20% ao ano. A empresa investe para aumentar sua capacidade de produção e atendimento. As equipes também foram reforçadas para acompanhar a expansão dos negócios. A americana Emerson Process Management, outra gigante da área de automação e controle, obteve forte crescimento em 2008, tendo sua filial brasileira ultrapassado o volume de vendas da filial mexicana, onde existem mais fábricas do grupo. Este fato pode ser justificado pela proximidade com o mercado americano. Entre seus projetos, estão a implementação do sistema SDCD em uma refinaria da Petrobrás e uma planta de polipropileno da Braskem, ambas em Paulínia, São Paulo (BOSCO, 2009). A suíça ABB foi reestruturada e reforça sua participação no segmento, especialmente nas refinarias de petróleo. Em 2008, firmou um contrato com a Petrobrás no valor de US$ 61 milhões para fornecer sistemas de automação e controle de processos em oito refinarias. O contrato também prevê o gerenciamento do projeto e a parte de engenharia. Um exemplo é a implementação de controladores e Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED) na Refinaria de Duque de Caxias (BOSCO, 2009). A empresa alemã Siemens aumentou sua participação no mercado de controle de processos industriais desde que unificou as linhas de SDCS e CLP em O maior destaque da empresa sempre foi ligado ao gerenciamento de energia nas fábricas. A partir de 2000, a companhia ampliou o leque de segmentos atendidos, oferecendo o controle integrado do processo e dos sistemas de energia, além de apresentar a linha completa de instrumentos de campo. Por outro lado, existe um grupo de empresas nacionais, na maioria de pequeno e médio portes, que vem conseguindo manter-se há anos nesse mercado ofertando produtos inteiramente desenvolvidos no país com capacitação própria. 102

103 De forma geral, as empresas nacionais possuem um portfólio de produtos limitado. Poucas são as empresas que fornecem um leque amplo de soluções completas, competindo diretamente com as grandes marcas internacionais. Isso leva a uma atuação predominante no mercado de reposição e de fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos particulares, como o das usinas de açúcar e de álcool. Contudo, essas empresas têm conseguido não apenas se manter no mercado interno como também se internacionalizar, criando bases próprias de comercialização e assistência técnica em vários países. A empresa mais dinâmica e avançada em termos de desenvolvimento de tecnologia é, sem dúvida a SMAR. Dessa forma, o estudo dessa empresa se torna bem interessante para avaliar os mais altos níveis de desenvolvimento tecnológico em que se encontra o Brasil. O conhecimento mais profundo da SMAR, devido a sua grande importância no mercado brasileiro como indústria nacional, nos leva a crer que o patamar tecnológico em que se encontra o país está ao nível das redes Fieldbus, e que as redes sem fio estão tomando força neste momento. Até o ano passado, nenhum produto associado a redes Ethernet ou mesmo Wireless era produzido por essa empresa, pois as soluções Wireless foram apresentadas no evento ISA Show Nesse mesmo evento, muitas empresas ampliaram seu portfólio Wireless. A National Instruments 11 apresentou os recém lançados dispositivos de dados sem fio NI Wi-Fi DAQ, aptos para receber sinais de variáveis como temperatura, vibração, deformação, tensão, correntes, entre outros. Possuem taxa de aquisição de dados de até 50 mil amostras por segundo por canal. São ideais para aplicações de condicionamento de máquinas, monitoração 11 A National Instruments foi criada em 1976, e fornece softwares e hardwares de automação e controle. 103

104 estrutural, ambiental e remota. Atuam na banda padrão IEEE g e possuem segurança WPA2 de nível corporativo. Tais fatos nos permitem as seguintes conclusões. Primeiramente, os produtos fornecidos pela empresa são tecnologicamente atualizados e comercialmente competitivos, em função dos seus investimentos constantes em P&D. Caso contrário, a inserção dos seus produtos no mercado internacional não seria possível. Posteriormente, os principais produtos da SMAR têm enfoque no mercado nacional, visto que aproximadamente dois terços da sua produção são para eles destinados. As empresas mais conhecidas deste mercado são Altus, ATAN, Atos, BCM, Coester, Ecil, Elipse, Presys, Sense, SMAR, Trisolutions e WEG. (Gutierrez e Koo Pan,2008). Abaixo está uma breve descrição destas empresas: Altus A Altus Sistemas de Informática S/A, é líder no Brasil dentre as empresas que utilizam tecnologia própria no setor de automação e controle de processos industriais. Em 2008 foi recebeu o Prêmio FINEP de Inovação na região sul. Seus serviços incluem a avaliação técnica de propostas de grandes sistemas e do projeto ao serviço de pós-venda, software; projetos elétricos, instrumentação e civil; fabricação de painéis elétricos; elaboração de propostas e soluções técnicas de grandes sistemas; execução de montagens e instalações em campo; posta-em-marcha dos sistemas desenvolvidos; revenda de produtos e equipamentos de terceiros; assistência técnica e suporte aos sistemas desenvolvidos. Dentre os produtos oferecidos, pode-se citar: Ampla variedade de controladores e SDCDs com interface dos instrumentos de campo nas redes ALNET, Profibus DP, Modbus-RTU e 104

105 Modbus-TCP, além de entradas analógicas em 4-20 ma, 0-20 ma e digitais em 0-20Vcc; Unidades Terminais Remotas (UTRs) como objetivo a automação de subestações de energia e centrais elétricas, permitindo a execução de funções de supervisão, telecomando e intertravamento. Entradas e Saídas analógicas e digitais; Interface Homem-Máquina (IHMs); Softwares de configuração de controladores. A empresa oferece ainda cursos de introdução à automação e programação e treinamento no uso de equipamentos. Suas áreas de atuação incluem: siderurgia, petroquímica, geração de energia, distribuição de energia, saneamento, máquinas especiais e operatrizes, plásticos, alimentos, embalagens, transportes e comunicações. Dentre seus principais clientes, estão: Petrobras, CHESF, STEMAC, ALSTOM, SABESP, CESP, Gerdau, Ipiranga, COSIPA, COPESUL, Metrô SP, CTMP, Tramontina, INFRAERO, SANEPAR, entre outros. ATAN Fornecedora de soluções de engenharia, projeto, montagem e manutenção, além de software e soluções para monitoramento de sistemas. Realiza serviços de engenharia de instrumentação e controle, desenvolvimento de sistema SCADA, implantação e manutenção. Entre seus produtos, pode-se citar: Aplicação de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) de fabricantes high-techs: Siemens, Ge-Fanuc, Allen Bradley, Schneider, Reliance, Altus entre outros; 105

106 Softwares Supervisórios (SCADA) para controle de processos, tais como: ifix e Cimplicity da GE-Fanuc, Rockwell Scada, FactoryLink da USData, Wizcon da PC Soft, InTouch da Wonderware, RealFlex, entre outros; Sistemas baseados em computadores nas plataformas Pentium, PC-AT, VAX, RISC, etc; Ambiente de comunicação com uma grande variedade de redes Ethernet, R/Net, Arcnet, Token Ring e protocolos TCP/IP, DECnet, IBM Lan Server, Netware, etc.; e VMS. Ambientes de softwares, tais como: Microsoft Windows, IBM OS/2, QNX A empresa oferece também treinamentos básicos e avançados na área de automação. Possui parceria com as empresas ABB, GE Fanuc, GE Supply, Siemens, e Rockwell Automation. Em abril de 2008 foi incorporada pela Accenture. Entre seus clientes estão: Chocolates Garoto, CRVD, Unilever, Votorantim Metais, Votorantim Cimentos, Souza Cruz, Petrobrás, Holcim e Rhodia. Atos Fornece serviços em engenharia, projeto, implantação e assistência técnica. Entre seus produtos, estão: Interface Homem-Máquina (IHM); Controladores Lógicos com entradas digitais e analógicas e possibilidade de inserção de módulos de entradas e saídas em comunicação Modbus RTU; Fontes de alimentação; Ferramentas de programação. A Atos, através da Schneider, oferece cursos regulares e operacionais para a utilização dos produtos. Os cursos são nas áreas de CLP s, redes, 106

107 programação e configuração de interface homem maquina e softwares de supervisão. Entre seus clientes, destacam-se: Sabesp, Petrobrás, Tractebel Energia, Arno, Mercedez Benz, Lorenzetti, TV Globo, e Centro Tecnológico da Aeronáutica. Esta empresa foi incorporada pela Schneider em BCM Desde a sua fundação em 1980, a BCM trabalha desenvolvendo produtos e soluções em automação em diversas áreas, como processos industriais, petroquímica, álcool e açúcar, energia elétrica, coureiro calçadista e metalurgia e siderurgia. Utiliza tecnologia 100% nacional e soluções tecnológicas próprias. Alguns dos produtos que a empresa oferece são: Interface Homem-Máquina (IHM); CLPs de pequeno, médio e grande portes, com entradas digitais e analógicas; Software de programação. Entre seus clientes, estão: Cemig, CESP, CVRD, Eletrobrás, Gerdau, Sadia, Sabesp, AGCO, Grendene, Embrasul, Areva, Grupo Avipal e Casan. Coester Essa empresa possui um nicho de mercado menos abrangente, atuando no ramo de fornecimento de atuadores elétricos para acionamento de válvulas e dampers. Como atua em um ramo especifico, tende a explorar melhor as tecnologias mais usadas no mercado. Por isso possui como top de sua linha os atuadores inteligentes. Os atuadores inteligentes disponibilizam os mais avançados recursos para controle de processos. Além da motorização precisa e segura, o equipamento traz informações extremamente úteis ao usuário e potencializa a 107

108 redução de perdas na manutenção da planta. O controle e informação são disponibilizados através de interfaces abertas de comunicação com os barramentos de campo Fieldbus. Classificada como Empresa de Base Tecnológica pela FINEP -Financiadora de Estudos e Projetos- ligada ao Ministério da Ciência e Tecnologia, passou a contar com o apoio integral a Agência, para seu Plano de Negócios 2003/2009, que tinha entre outros objetivos, o de acelerar a internacionalização da empresa. É uma das empresas nacionais inovadoras que tem recebido incentivos governamentais. E, visto que seu plano de negócios que visa a internacionalização da empresa ainda está em andamento, pode-se concluir que grande parte das vendas da empresa se dão em âmbito nacional. Com isso, verifica-se que há uma forte demanda pelos barramentos Fieldbus em controle de processos no mercado brasileiro. Além de seus serviços e produtos, oferece cursos básicos e avançados focados na automação de válvulas com a utilização de atuadores elétricos. Ecil A Ecil Informática nasceu em 1992, e fornecia sistemas de automação industrial para grandes empresas, das áreas petroquímica, química e siderurgia. Em 1994 iniciou o desenvolvimento de plataformas para automação de subestações e redes públicas de distribuição de energia. A empresa desenvolve simultaneamente soluções para 3 segmentos distintos, mas que possuem sinergia tecnológica. Esses segmentos são: Energia e Utilidades, Telecomunicações e Automação Industrial. 108

109 Produtos: Computadores industriais; Cartões de entradas e saídas digitais e analógicas. Elipse A Elipse Software atua há mais de 20 anos no mercado de automação, desenvolvendo soluções HMI/SCADA e interfaces para os mais variados sistemas. Líder no mercado nacional de software para supervisão e controle, a Elipse oferece soluções de fácil configuração e rápida implementação para criação de aplicações HMI/SCADA. Os aplicativos E3 e Elipse SCADA são utilizados por importantes empresas, nos mais diversos ramos de atividades. Oferece cursos básicos e avançados em E3 e Elipse SCADA, além de certificação em E3. Entre seus principais clientes podemos citar: Banco Itaú, Elektro, Brasil Telecom, Michelin, General Motors, Mercedes Benz, Fiat, Vokswagen, Ford, Dana Albarus, Petrobrás, Stihl, Sadia, Ceval, Perdigão, Nestlé, Batavo, Gerdau, CSN, CVRD, Usiminas, Sabesp e Copel. Presys A Presys produz instrumentos e sistemas que abrangem duas linhas: Controle de Processos e Calibração. Os produtos feitos pela Presys são totalmente desenvolvidos por engenheiros e técnicos brasileiros. A empresa possui o certificado ISO 9001, além de dispor de laboratórios totalmente equipados, com profissionais treinados e padrões comparáveis ao INMETRO. A empresa também possui uma estrutura de desenvolvimento, produção, vendas, assistência técnica, laboratório de calibração, treinamento e suporte. 109

110 Entre seus produtos, estão: Software para monitoração e registro de variáveis de processo; Indicadores digitais, módulos de aquisição de dados e módulos de controle; Calibradores de pressão, temperatura e malha; Software para calibração. Sense Fundada em 1976, a SENSE conquistou, ao longo de mais de três décadas o título de umas das mais renomadas empresas brasileiras do mercado de automação industrial. Com profissionais qualificados e equipamentos especializados, a empresa gera soluções por meio de tecnologia de ponta, processos automatizados e serviços. Produtos: Sensores Industriais; Produtos para Atmosferas potencialmente explosivas; Redes Industriais nos padrões DeviceNet, AS-Interface e Profibus DP Sinalizadores de Válvulas. SMAR A SMAR foi fundada em 1974 com objetivo de prestar serviços de campo para turbinas à vapor da indústria açucareira brasileira. A empresa cresceu rapidamente, impulsionada por uma iniciativa bem sucedida do governo federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como combustível de veículos automotores. Em 1988 a SMAR tornou-se o maior fabricante de instrumentos para controle de processos no Brasil, sendo que sua atuação nesta área só começou em Atualmente, mais de um terço da produção da empresa são vendidos no mercado internacional. 110

111 Alguns produtos de sua linha são: Instrumentação de campo como transmissores, medidores de vazão, atuadores e analisadores nas tecnologias Foundation Fieldbus, 4-20mA, 4-20mA+HART, Modbus e Profibus; Todos os equipamentos necessários para a implantação das redes Fieldbus, tais como fontes de alimentação, terminadores, acopladores, barreiras de segurança intrínseca, dentre outros; Fornece SDCD com possibilidade de interligação de dispositivos em redes Fieldbus; Softwares de configuração, integração e gerenciamneto; Soluções completas e Planos de Automação. Oferece cursos em sistemas de controle Smar SYSTEM302, sistemas para medição de tanques e em 4-20mA Hart. As principais áreas de atuação da empresa são nos setores de Açúcar e Álcool, Alimentos e Bebidas, Papel e Celulose, Petróleo e Gás, entre outros. Sua lista de clientes inclui: Klabin, COPEL, COSIPA, Cervejarias Kaiser, Tetra Pak, Sadia, Petrobrás, Continental Produtos Automotivos, entre outros. TriSolutions A TriSolutions é uma empresa que alia a prestação de serviços com o desenvolvimento de software nas áreas de modelagem, otimização e controle avançado para a indústria de processos. Dentre seus projetos, estão a instalação de controladores preditivos não-lineares em reatores da Braskem e Quattor, ambos realizados em

112 Seus principais produtos são: TriCLPM: monitoramento e auditoria de desempenho de malhas de controle em tempo real; TriNMPC: Controlador preditivo não- linear. Este software foi desenvolvido em parceria com a Petrobras, Braskem e UFRGS; Control Performance Monitor (CPM): Ferramenta para monitorar, identificar, diagnosticar e corrigir os problemas relacionados a todos os ativos de controle, desde a instrumentação até aplicações de controle avançado de processos; Alarm Manager (AM): gerenciamento de alarmes e eventos. Oferece cursos para turmas fechadas e abertas em controle básico e avançado. Entre seus clientes, encontram-se: Ipiranga, Braskem, Refap, Revap, Petrobrás e Quattor. WEG A WEG fornece serviços de engenharia de aplicação, projetos de automação, supervisão de montagem, manutenção e treinamento. Produtos: Inversores de freqüência; CLPs de pequeno, médio e grande portes; Relés programáveis compactos para pequenos empreendimentos; Soluções completas em automação. Oferece cursos na área de automação industrial, visando capacitar os profissionais da área a especificar e aplicar conceitos básicos de hardware e software para controladores lógicos programáveis de pequeno porte. Estas empresas possuem uma linha de produtos limitada, em função do pequeno porte ou de origem em outros setores, como é o caso da WEG, 112

113 fabricante de máquinas elétricas, motores e geradores. Devido ao limitado leque de soluções completas, essas empresas atuam predominantemente no mercado de reposição e de fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos particulares, como o setor de açúcar e álcool (Gutierrez e Koo Pan, 2008) Tipos de sistemas de controle mais utilizados nas empresas Com relação aos tipos de sistemas de controle utilizados, pode-se citar o SDCD e CLP. O mercado de SDCDs no Brasil é dominado pelas internacionais Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Vale citar que nenhuma empresa brasileira fornece SDCDs. (Gutierrez e Koo Pan,2008) Quando se trata de CLPs, as líderes de mercado são a Rockwell, Siemens, Altus e Schneider. Neste setor, as empresas brasileiras tem uma participação de cerca de 25% do mercado nacional. Dentre as nacionais, destacam-se a Atos, SMAR, BCM e Novus. (Gutierrez e Koo Pan,2008) 113

114 3.4. Desafios Modernos da Automação Industrial A área de automação industrial está sendo repensada em função do grande desenvolvimento experimentado pelas técnicas digitais. No contexto industrial, há algumas décadas os problemas de automação são cada vez mais importantes. A sociedade depara-se com o avanço da tecnologia e com os seus desafios, que não são poucos. No entanto, observa-se que algumas perguntas precisam ser respondidas para melhor encaminhar esta importante área do conhecimento: como as instituições podem formar profissionais capazes de ter uma capacitação técnica suficiente para contornar suas próprias dificuldades? E garantir uma relação técnica com a sociedade sem assustá-la? O assunto é diversificado, pois abrange desde tópicos relativos à arquitetura de hardware e software, programação de controladores lógicos programáveis, controle de malhas contínuas até o gerenciamento estratégico de uma empresa, passando pela supervisão dos processos industriais e pela logística da produção. (NEVES et al, 2007) As técnicas desenvolvidas para o tratamento desses problemas atingiram hoje um relativo grau de sofisticação tecnológica e formal, exigindo pessoal técnico com formação específica para sua aplicação adequada. Os cursos de engenharia elétrica, engenharia mecânica, engenharia de produção, engenharia de controle e automação vêm se colocando na contingência de munir seus estudantes de ferramentas que os possibilitem de, no menor tempo possível, se adequarem ao cotidiano técnico de uma empresa e, pelo maior tempo possível, estarem preparados para se atualizar tecnicamente. Estes objetivos, em parte conflitantes, conduzem para a seguinte questão: qual o compromisso ideal entre profundidade e abrangência quando se leciona uma disciplina de automação industrial? De fato, as limitações de tempo num curso de engenharia obrigam que se opte ou por aprofundar certos tópicos da matéria, deixando o aluno sem visão de conjunto, ou por dar uma idéia geral do problema, deixando lacunas na formação do estudante que 114

115 tornarão mais lento o acompanhamento dos avanços de seu campo de trabalho. E assim, a formação de engenheiros qualificados para o futuro é necessária equilibrando estas decisões sobre profundidade e abrangência. O atual desenvolvimento da tecnologia e, em termos mais específicos, da automação, levou ao surgimento de novas técnicas de implementação de funcionalidades de forma a aperfeiçoar a produção industrial, a operação de equipamentos, construção de dispositivos simples e baratos em larga escala e, em último caso, fornecer um benefício ao usuário final. O aumento da capacidade computacional dos dispositivos de processamento, o surgimento de novas formas de comunicação industrial, com protocolos bem definidos e de desempenho eficiente, o desenvolvimento de sistemas embarcados e implementação em hardware, as novas formas de gerenciamento de informações de produção, através de sistemas especializados, enfim, a tecnologia evoluiu bastante e, a serviço da automação dispõe uma variedade de alternativas para a implementação de formas mais eficazes na resolução de problemas. A seguir, serão discutidos alguns itens primordiais para a automação moderna: 1) Segurança e Confiabilidade em Sistemas Críticos Ao avaliar este tema, identifica-se um sistema crítico em automação quando está intimamente ligado ao risco de vida humana, desastres ambientais e perdas econômicas. Para isso, há necessidade de o sistema de automação ser avaliado até para situações que poderiam ser consideradas impossíveis de acontecer. Nestas condições, estão os serviços de emergências hospitalares, aviões, fábricas (do ponto de vista da economia), etc. (CABRAL,1999) A segurança e confiabilidade decorrem da exaustiva execução das tarefas. Porém, a segurança e a confiança ainda perpassam pela boa qualificação do profissional que responde pela área específica do sistema. Em sistemas críticos é essencial a busca por falhas que podem ocorrer e suas devidas 115

116 soluções no momento da ocorrência ou em tempo real. Não obstante disso está a realização de redundância para todas as tarefas que o sistema irá realizar. Isto caracteriza um Sistema de Tempo Real que pode ser classificado em função das conseqüências oriundas de uma falha no cumprimento dos limites de tempo especificados. Tal classificação está diretamente relacionada com a natureza do elemento (objeto ou sistema) a ser controlado. Segundo este ponto de vista, tem-se a seguinte classificação: Soft Real Time e Hard Real Time (ou Sistema de Tempo Real Crítico) (CABRAL, 1999). Soft RealTime são os sistemas em cuja falha no cumprimento dos limites de tempo não acarreta em danos e/ou prejuízos significativos, tais como: sistemas que envolvem compartilhamento de voz e de imagem, transações bancárias on-line, dentre outros. Por outro lado, os sistemas ditos Hard RealTime (Tempo Real Crítico) são aqueles cujas conseqüências de uma falha no cumprimento dos limites de tempo podem ser catastróficas, ou melhor, o custo de tais falhas é de uma ordem de grandeza que é superior à da própria utilidade do sistema, tais como: controle de processos industriais, controladores de vôo, dentre outros. É importante ressaltar que apesar da velocidade de execução freqüentemente ajudar na construção de um eficiente Sistema de Tempo Real Crítico, este tipo de sistema não deve necessariamente ser associado à velocidade (tempos de resposta reduzidos). A ordem de grandeza do tempo de resposta necessário para o sistema está diretamente relacionada com o tipo de equipamento, processo ou sistema a ser controlado. Além do escalonamento de tarefas, outro campo de interesse, a fim de se garantir a confiabilidade de um Sistema de Tempo Real Crítico, é a tolerância a falhas. Uma alta confiabilidade somente pode ser atingida com um alto grau de tolerância a falhas. O sistema deve ser capaz de tolerar determinados tipos de falhas e ainda concluir uma operação com sucesso. Isto pode ser atingido usando redundância de hardware e/ou software, escalonamento tolerante a falhas e estratégias de recuperação. 116

117 2) Otimização de Informações, no Sentido de Fornecer uma Interface Homem Máquina Apropriada O tempo de realização de uma determinada tarefa com rapidez e confiabilidade é característica da sociedade moderna. Neste sentido a otimização de informação, através de estudo da otimização, passa a ser um ponto de destaque entre os desafios da automação. Ainda hoje existe ainda compatibilidade de interface causando transtornos para os usuários que dispõem de pouco conhecimento na área tecnológica, além de outros tipos de conseqüências de um mal projeto de interface como perdas industriais, econômicas, ecológicas e até de vidas humanas. A pesquisa na busca de otimizar a automatização entre as interfaces é percebida no momento da utilidade do equipamento de automação. As empresas de grande reconhecimento no mercado de Hardware atuam na compatibilidade de interfaces. Isso facilita para o mercado, pois o usuário pode escolher com segurança e confiabilidade de interfaces compatíveis. Porém, neste artigo, busca-se uma maneira de otimizar as informações sem a interferência de hardware ou software. Neste sentido, há necessidade de estabelecer um critério de detectar como estabelecer a otimização das informações. 3) A questão do desemprego e a Qualificação de mão de obra A complexidade crescente dos sistemas de automação, associada à necessidade constante de novos desenvolvimentos, faz com que os seus efeitos sobre o emprego tenham sido objeto de diversos debates. Desde o início do século XIX, quando do surgimento dos primeiros teares automáticos, muito se tem falado sobre a ameaça da substituição da mão-de-obra por sistemas automáticos. Segundo tal ponto de vista, níveis crescentes de automação conduzem a níveis também crescentes de desemprego. Sob outra ótica, pode-se argumentar que a implantação e a manutenção de um processo 117

118 automatizado geram grandes necessidades de emprego, embora com um grau de qualificação superior ao do trabalho substituído. O efeito líquido é de difícil quantificação, pelo menos no curto prazo. Entretanto, há que se perguntar qual a possibilidade de um trabalhador substituído pela automação vir a ser empregado no novo processo, uma vez que isso pode significar uma mudança completa em sua atividade original. (DEITOS, 2006). Inicialmente, a implantação de processos automatizados na indústria tinha o objetivo de alcançar maior produtividade e redução de custos. Contudo, a experiência revelou que isso nem sempre é verdadeiro. O investimento para implantação de sistemas automáticos é elevado e, além disso, a nova instalação requer recursos, inclusive humanos, dispendiosos para sua manutenção. Atualmente, o principal motor da automação é a busca de maior qualidade dos processos, para reduzir perdas (com reflexo em custos) e possibilitar a fabricação de bens que de outra forma não poderiam ser produzidos, bem como do aumento da sua flexibilidade. Outra justificativa para os pesados investimentos em automação que têm sido feitos é a segurança de processos industriais e de infra-estrutura críticos, pois a automação tem sido vista como uma forma de minimizar o erro humano. Entretanto, alguns acidentes graves em plantas químicas e nucleares têm chamado a atenção para a possibilidade de ocorrência de eventos não previstos pelos projetistas dos sistemas de controle. Nesses casos, a farta disponibilidade de informações não-relevantes, ocupando tanto os sistemas quanto seus operadores, fez com que irregularidades rapidamente evoluíssem para catástrofes. Verificou-se também que nem sempre os operadores possuem um conhecimento sobre o processo coerente com quem o projetou. No antigo caso do tear, houve uma migração da inteligência do operador, que, por meio de várias operações, produzia desenhos no tecido, para dentro da máquina. É um caso semelhante ao dos tornos mecânicos, em que o 118

119 conhecimento do operador é internalizado na máquina-ferramenta por meio de um programa, gerado autonomamente ou na atividade de projeto da peça. A montagem de placas eletrônicas, necessariamente automática por causa das minúsculas dimensões manuseadas, obedece a programas gerados durante o projeto dessas placas. A multiplicação dos exemplos leva sempre ao fato de que, independentemente da natureza do processo ou do produto, o conhecimento está embutido no sistema de controle automático e seus dispositivos. Isso é particularmente importante na elaboração de políticas de atração de investimentos produtivos, pois o fomento também às atividades de engenharia de produtos ou processos associadas a esses investimentos é o primeiro passo no sentido do seu enraizamento. Por outro lado, as indústrias e atividades associadas à automação do controle de processos podem representar um importante papel na geração de empregos altamente qualificados em física, química, engenharia, software e eletrônica e microeletrônica. Mais, a automação industrial pode contribuir para canalizar atividades científicas para a criação de produtos com elevado conteúdo tecnológico e alto valor agregado. Contudo, para que estes efeitos benéficos se tornem realidade, é fundamental incrementar o valor agregado no país aos produtos e serviços de automação que aqui são consumidos. 4) Os desafios das variáveis Um dos grandes desafios da automação consiste em determinar com precisão quais são as variáveis que devem ser manipuladas e em que magnitude, para que as variáveis controladas se mantenham nos valores desejados. Os cálculos efetuados com esse objetivo são incorporados aos algoritmos executados pelos controladores, para emissão das ordens enviadas aos atuadores. O procedimento mais adotado para esses cálculos e também o mais tradicional é o denominado controle PID (Proporcional Integral Derivativo), que se baseia nos desvios já ocorridos. Contudo, a pesquisa nesse campo é 119

120 intensa e outros procedimentos vêm sendo testados e implementados, como sistemas especialistas e os baseados em lógica fuzzy, que incorporam a experiência humana nos modelos de determinação das respostas de controle. 5) Desempenho de cada componente crítico Como o sistema de automação precisa atuar de forma interativa, coordenada e integrada, o desempenho de cada componente é crítico para a eficiência do conjunto, o que, por sua vez, pode afetar o desempenho de toda a planta. Entre os vários fatores que podem afetar o desempenho do sistema de controle automático, podem ser citados os seguintes: a qualidade dos dispositivos sensores, controladores e atuadores, pois deles dependem diretamente a precisão e a velocidade de resposta do sistema; as estratégias de controle adotadas, inseridas nos algoritmos executados pelo controlador, as quais determinam as ações a serem executadas; as velocidades de processamento e de resposta do controlador; a qualidade da rede de comunicação de dados intra-sistema. As novas redes, denominadas redes de campo, ou redes industriais (Fieldbuses), trouxeram vários benefícios para a automação, tais como: redução de custos de instalação da rede, pois técnicas como a multiplexação fazem com que a mesma infra-estrutura seja capaz de transportar uma quantidade de dados centenas de vezes superior; acesso remoto a dispositivos para configuração, diagnóstico e detecção precoce de falhas, fornecendo elementos para manutenção preditiva; distribuição de tarefas de controle a dispositivos de campo sob supervisão central; e troca de informações entre dispositivos como sensores, controladores e atuadores, todos conectados ao mesmo barramento de controle, em tempo real. (PEREIRA, 2001). Como desvantagens, podem ser citadas a necessidade de maior qualificação dos usuários e das equipes de manutenção e o preço mais elevado dos 120

121 componentes individuais, que precisam incorporar elementos de comunicação mais poderosos. As redes industriais distinguem-se das redes de comunicação corporativas por precisarem atender a requisitos mais rigorosos de resistência mecânica, por serem compatíveis com ambientes agressivos e corrosivos, com operação em temperaturas elevadas, e por possuírem maior imunidade a interferências eletromagnéticas. 6) A questão da Concepção e projeto de dispositivos É a etapa com maior conteúdo de trabalho criativo, que requer a participação de equipe multidisciplinar constituída por pessoal especializado das áreas de ciências dos materiais, ciências da computação, engenharia mecânica, eletrônica e elétrica. Suas atividades incluem: Elaboração de normas e protocolos de automação; Desenvolvimento de software produto; Elaboração de estratégias de automação e controle. As estratégias são determinadas por atuação conjunta da engenharia de controle e da engenharia de processo, que conhecem as variáveis relevantes e suas relações de causa e efeito; Especificação e dimensionamento dos sistemas de Instrumentação; Projeto de detalhamento do sistema de automação; Desenvolvimento e implantação de novas técnicas de controle avançado. Envolve a utilização de sistemas especialistas, programação de MPC (controlador preditivo multivariável) etc; Fabricação de dispositivos de automação; Desenvolvimento da aplicação de software; Projeto da rede industrial. Projeto da rede de comunicação de dados entre os instrumentos de campo e os equipamentos de controle e supervisão, com definição da forma de transmissão de dados, de protocolos de comunicação e dimensionamento e especificação do 121

122 cabeamento e dos dispositivos e/ou equipamentos de transmissão e recepção; Implantação e operação do sistema de automação. Envolve seleção, aquisição, instalação, adaptação, ajuste,configuração e teste dos instrumentos, dispositivos, equipamentos e software que constituem a plataforma de automação, bem como da rede de comunicação de campo, e a sua integração. 7) As redes Fieldbus A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral, pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanece, tais como ruído, má instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a sala de controle, altos custos, dentre outros. Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo, onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de petróleo. Da ultima década até os dias atuais, os sistemas de automação de processos das plataformas de petróleo e gás do Brasil incorporaram muitas novas tecnologias. Uma das mais importantes foram os sistemas de controle de processo baseados na tecnologia Foundation Fieldbus FF. As exigências, cada vez maiores, de dados precisos de produção de segurança obrigam as unidades offshore de prospecção de petróleo e gás a seguir normas cada vez mais rígidas. Nesse cenário, a busca por novas tecnologias que possam agregar confiabilidade, eficiência, otimização, redução de custo e menor tempo de manutenção, é um caminho sempre seguido por esse segmento de mercado. 122

123 VANTAGENS: O menor tempo para implantação, a grande flexibilidade, o grande numero de fornecedores para a tecnologia, a possibilidade de controle distribuído no campo e a rapidez para diagnostico e resolução de problema são algumas características que podem fazer da FF um padrão para os sistemas de controle de plataforma no Brasil. 123

124 124

125 4. A Prospecção Tecnológica Como Ferramenta de Competitividade A necessidade de aumento da competitividade por parte de organizações e países pode ser explicada, em parte, pelo grande desenvolvimento das tecnologias da informação. Isso tem levado o mundo ao que se denomina aldeia global, fazendo com que os países e as organizações se encontrem frente a um mercado global altamente competitivo. Esse aumento nos níveis competitivos faz com que a antecipação das mudanças tecnológicas se torne um fator importante, levando a que a capacidade de uma empresa, indústria ou país em identificar novas tecnologias e tomar ações apropriadas seja de vital importância. O comportamento dinâmico e as inter-relações entre os componentes de uma sociedade provocam modificações nas demandas por tecnologia, sendo esta considerada um importante componente para a sobrevivência das organizações e, de certa forma, para o crescimento da sociedade como um todo, trazendo a possibilidade de se criar novas oportunidades. Neste contexto, fazem-se mais do que necessário os estudos de prospecção tecnológica, fundamentados principalmente por quatro fatores: o crescimento dos mercados, e o conseqüente aumento da produção necessitam cada vez mais de sistemas estruturados de inovação e organizações e serviços baseados no conhecimento. Isto tem aumentado a relevância dos investimentos em ciência e tecnologia. Como tais investimentos são, a princípio, elevados e de certa forma arriscados, a utilização de ferramentas que possam auxiliar no direcionamento desses investimentos tem se tornado cada vez mais freqüente entre países e organizações; 125

126 a restrição e a justificativa aos gastos públicos têm se tornado comum em vários países, independente de seu grau de desenvolvimento. Assim, todo investimento público, além de justificado, deve mostrar seu grau de relevância ao país ou setor; as modificações sofridas pela gestão da produção, no que se refere ao aumento de flexibilidade nas tomadas de decisões, trabalho em equipe e maior enfoque nas relações empresa-cliente, bem como maior ênfase nos processos de aprendizagem e conhecimento suscitam a maior necessidade de se desenvolverem visões compartilhadas sobre o futuro da organização e os fatores sociais que afetam sua criação ; as mudanças sofridas no processo de geração do conhecimento, que se caracteriza por uma maior interdisciplinaridade e heterogeneidade de áreas. Sua construção se dá através da contextualização de aplicação, onde se espera que ocorram parcerias e da criação de redes de informações entre pesquisadores e usuários, que de alguma forma se beneficiam com a pesquisa. A análise prospectiva é uma importante ferramenta de gestão que se apóia na premissa da complexidade e na necessidade de explorar e entender uma teia de relações complexas, para se estabelecer possíveis alternativas de futuro. Entre muitos possíveis usos, a prospecção tecnológica pode indicar oportunidades e ameaças ao desenvolvimento tecnológico, setorial e regional, apontando gargalos, limitações, oportunidades e demandas por tecnologias. Entre várias definições de prospecção tecnológica, pode-se citar que é um meio sistemático de mapear desenvolvimentos científicos e tecnológicos futuros capazes de influenciar de forma significativa uma indústria, a economia ou a sociedade como um todo. Diferentemente das atividades de previsão clássica, que se dedicam a antecipar um futuro suposto como único, os exercícios de prospecção são 126

127 construídos a partir da premissa de que são vários os futuros possíveis e são conduzidos de modo a construir conhecimento, ou seja, buscam agregar valor às informações do presente, de modo a transformá-las em conhecimento e subsidiar os tomadores de decisão e os formuladores de políticas destacando rumos e oportunidades para os diversos atores sociais. Fazer prospecção significa identificar quais são as oportunidades e necessidades mais importantes para a pesquisa no futuro, sem perder de vista que os desenvolvimentos científicos e tecnológicos são resultantes de complexa interação entre diferentes fatores, da existência e ação de atores sociais diversos, de trajetórias tecnológicas em evolução e competição, de visões de futuro conflitantes, de urgentes necessidades sociais, de oportunidades e restrições econômicas e da crescente consciência ambiental. Os processos sistemáticos de analisar e produzir julgamentos sobre características de tecnologias emergentes, rotas de desenvolvimento e impactos potenciais no futuro estão inseridos no conceito de Technology Future Analysis, que incorpora uma grande variedade de métodos de prospecção tecnológica. Neste sentido, TFA busca integrar conceitos de technology foresight e assessment studies, predominantes no setor público, e de technology forecasting e intelligence, mais ligados à demandas do setor privado. Um estudo prospectivo envolve o uso de múltiplos métodos ou técnicas, quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade. Uma vez que não faz sentido definir uma fórmula pronta para uma metodologia de prospecção, a escolha dos métodos e técnicas e seu uso dependem intrinsecamente de cada situação. São considerados aspectos tais como especificidades da área de conhecimento, aplicação das tecnologias no contexto regional ou local, governamental ou empresarial, abrangência do exercício, horizonte temporal, custo e objetivos. Mesmo que nenhuma técnica, em específico, possa eliminar as incertezas sobre o futuro, um processo 127

128 estruturado que permita se previr o futuro tecnológico e avaliar as tecnologias emergentes pode ser de grande ajuda para a tomada de decisão tecnológica. Dentro do contexto da inovação, a prospecção tecnológica auxilia no sentido de 1) promover canais e linguagens comuns para a circulação de informação e conhecimento de caráter estratégico para a inovação; 2) Fornecer mais inteligência antecipativa inserida no processo de tomada de decisão em ciência, tecnologia e inovação; 3) Incorporar visões de futuro no pensamento dos atores sociais envolvidos no processo de tomada de decisão e de criação de redes; e 4) Apoiar as decisões relativas ao estabelecimento de prioridades para P&D, gestão dos riscos das inovações tecnológicas, melhoria da competitividade tecnológica de produtos, processos e serviços. Quanto às estratégias de execução, de modo geral, consideram-se dois grandes pontos de partida simultaneamente, uma vez que são essencialmente complementares: Evolução Tecnológica: busca-se, a partir do referencial tecnológico, estudar as características das trajetórias tecnológicas consolidadas e identificar possíveis desdobramentos e principais condicionantes, além de identificar trajetórias emergentes e/ou alternativas. Neste caso, por meio da gestão da informação se pode visualizar o estado-da-arte e as tendências de determinado setor ou tema, com o objetivo de gerar informações sobre a sua trajetória passada e sobre as perspectivas futuras, bem como emitir a percepção sobre tendências inovadoras não consensuais. Evolução Sócio-Institucional: busca-se examinar as maneiras pelas quais a ciência e a tecnologia se relacionam com a evolução da sociedade em distintos cenários. Para isso busca-se avaliar os possíveis impactos de diferentes estratégias de C&T no desenvolvimento, identificar incentivos e restrições sociais, políticas, econômicas e institucionais para as diferentes trajetórias de C&T, além de identificar e analisar a opinião pública e seu conjunto de valores. 128

129 As principais variáveis que compõem o escopo dos estudos de prospectiva tecnológica podem ser assim consideradas: comunicação entre diferentes grupos: pesquisadores de diferentes campos científicos, tecnológicos, mercadológicos e etc, usuários e financiadores. concentração em um futuro de longo prazo, o que de certa forma não é um processo rotineiro comum. coordenação entre pesquisadores e usuários, das atividades científicas e tecnológicas futuras. consenso sobre os futuros mais prováveis, desejáveis e tendências e as prioridades para a pesquisa e desenvolvimento. compromisso dos participantes com os resultados obtidos e na tentativa de converter em ação as informações obtidas no estudo prospectivo. Métodos e Técnicas: As diferentes abordagens, métodos e técnicas podem ser consideradas como um meio para aperfeiçoar a atividade prospectiva e seus resultados. A lista de campos de estudo relacionados com a temática de explorar o futuro é grande e tende a crescer ainda mais. Uma simples revisão dos termos na literatura identifica diferentes denominações para grupos e estruturas conceituais, tais como: technology forecast, technology foresight, social foresight, technology assessment, monitoring (environmental scanning, veille technologique, vigilância tecnológica), prospective studies, roadmapping, scenarios studies, multicriteria decision analysis, competitive intelligence, etc. Métodos e técnicas tendem a diferir em abordagens e em habilidades requeridas. Podem ser classificados como "hard" (quantitativos, empíricos, numéricos) ou "soft" (qualitativos, baseados em julgamentos ou refletindo 129

130 conhecimentos tácitos). Muitos métodos e técnicas atualmente em uso se originam de outros campos do conhecimento, tais como modelagens e simulações e se valem das facilidades aportadas pela tecnologia da informação coletando e tratando grandes quantidades de dados disponíveis de forma eletrônica para identificar tendências através de processos de "mineração de dados". 130

131 4.1. Metodologia A metodologia adotada nesse projeto, baseada na demanda especificada pelo SENAI foi organizada em duas partes, análise de artigos e de patentes organizada da seguinte forma: Foi realizada uma análise de artigos e patentes na base de dados SCIRUS, que é uma máquina de procura especializada em ciência (http://www.scirus.com). Foram determinados os critérios de busca e a metodologia de acordo com a demanda especificada pelo SENAI. Inicialmente, realizou-se uma pesquisa na literatura e uma busca preliminar de artigos e patentes, visando identificar possíveis palavras-chaves relevantes para o projeto. Norteados pelo artigo Future Trends in Process Automation, de Sirkka-Liisa Jamsa-Jounela, da Helsinki University of Technology, Laboratory of Process Control and Automation de 2007, as palavras-chave específicas escolhidas foram os grupos de tecnologias: Fieldbus, Ethernet e Wireless, que, posteriormente, foram individualmente cruzadas com a expressão Industrial process automation. Em relação ao intervalo temporal, utilizaram-se os limites que a base de dados oferece, ou seja, de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para artigos quanto para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a Em relação às áreas relacionadas, com o intuito de filtrar os documentos que possivelmente fugiriam do assunto, restringimos em: Chemistry and Chemical Engineering; Computer Science; Economics, Business and Management; Engineering, Energy and Technology; e Material Science. E, para os artigos, foi dada ênfase na fonte da Science Direct. Todos os artigos e patentes identificados foram organizados e analisados de acordo com o assunto predominante, como por exemplo: Equipamentos, quando o foco do material é algum equipamento, como sensores e 131

132 controladores; Sistemas, quando se trata de algum método ou sistema específico de controle ou transmissão de dados. Os outros grupos podem ser conferidos a seguir, nas análises de assuntos dos artigos e patentes Análise de Artigos Seguindo a metodologia acima descrita, no tocante a artigos, foram encontrados 56 para tecnologia Fieldbus, 183 para tecnologia Ethernet e 344 para tecnologia Wireless. Após análise preliminar, excluindo-se os artigos irrelevantes, os repetidos ou aqueles sem informações (apenas o título), foram analisados respectivamente 42, 72 e 80 para cada palavra-chave, cruzando ainda com o termo industrial process automation. Cruzamentos de palavras-chave utilizadas na busca N de Artigos encontrados Tabela 4 Metodologia de busca de artigos Fonte: Elaboração Própria N de Artigos relevantes industrial process automation x Fieldbus industrial process automation x Ethernet industrial process automation x Wireless TOTAL Análise Temporal Através dos resultados obtidos, foi realizada uma análise temporal dos artigos, que é capaz de mostrar a evolução e o estado-da-arte das tecnologias. Inicialmente, temos que, para a tecnologia Fieldbus, o primeiro pico em número de publicações foi atingido em 2001 e, após um leve decréscimo nos anos posteriores, voltou a ser atingido em 2007, em níveis maiores. Esse comportamento pode ser observado na figura

133 Número de Artigos abr/09 Figura 42 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Ano Observando-se a figura 43, nota-se que para a tecnologia Ethernet, a quantidade de publicações seguiu em níveis crescentes desde o primeiro ano, 1995, tendo os ápices em 2002, 2005 e 2007 e um decréscimo a partir de Figura 43 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria 133

134 Em Wireless, na figura 44, percebe-se que o comportamento é mais oscilatório, intercalando, anualmente, entre quedas e aumentos na quantidade de publicações, tendo o máximo sido atingido em 2007, tal qual o ocorrido para Fieldbus. Figura 44 Análise temporal do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Distribuição dos artigos por país Com relação à distribuição do número de artigos por país do autor, tem-se que, para Fieldbus e Ethernet, a parceria entre pesquisadores de países diferentes obteve maior destaque e, em Wireless, o maior número de publicações advém dos Estados Unidos, que também merece menção nas outras duas tecnologias, onde obteve o 2 o lugar no ranking. Para o Brasil, o maior número de artigos publicados foi em Fieldbus, onde está logo abaixo dos Estados Unidos; nas demais tecnologias, há uma grande lacuna entre o número de publicações brasileiras e a quantidade das nações que estão nas 134

135 primeiras posições do ranking. Todo este comportamento pode ser observado nas figuras 45, 46 e 47 a seguir. Figura 45 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria 135

136 Figura 46 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria 136

137 Figura 47 Análise de países do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria 137

138 Distribuição dos artigos por fonte de informação (periódicos, congressos, conferências, teses) Quando se está delineando o estado-da-arte de uma tecnologia, um fator relevante a ser estudado é onde as informações estão sendo divulgadas, ou seja, quais são os periódicos que abordam determinado assunto. Neste sentido, para Fieldbus e Wireless observa-se que os principais periódicos são Annual Reviews in Control, seguida da Computers in Industry. Os mesmos periódicos merecem destaque para Ethernet, todavia com posicionamento invertido, Computers in Industry, seguida de Annual Reviews in Control. Nas figuras 48, 49 e 50 a seguir, podem-se observar outras fontes de informação que merecem destaque. Figura 48 Análise de fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Tabela 5 Fontes de informação com menor destaque e com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria 138

139 Figura 49 Análise de fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Tabela 6 Fontes de informação com menor destaque e com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria 139

140 Figura 50 Análise de fontes de informação do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Tabela 7 Fontes de informação com menor destaque e com apenas 1 artigo do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria 140

141 Distribuição dos artigos por origem do autor Além das fontes de publicações, é importante delinear onde estão as fontes de conhecimento, ou seja, universidades, empresas, centro de pesquisas ou associações entre estas partes. Para todas as tecnologias, o conhecimento advém, em grande parte, das universidades. Para Fieldbus são 76%, para Ethernet, 83% e, para Wireless, 75%. Para Fieldbus e Ethernet, o segundo destaque são parcerias entre empresas e universidades e, para Wireless, as pesquisas são oriundas das empresas. Este comportamento pode ser observado nas figuras 51, 52 e 53 a seguir. Figura 51 Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria 141

142 Figura 52 Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Figura 53 Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria 142

143 Objetivo dos artigos Quanto aos objetivos dos artigos, de uma maneira geral, estão o Diagnóstico de falhas, Descrição de sistemas e estabelecimento de novas arquiteturas, Otimização, Interoperabilidade de redes, Estabelecimento de redes híbridas, Aumento de escala de sistemas, Teste de algoritmos, Simulação de modelos matemáticos, Redução de custos de redes e Estabelecimento do estado-da-arte da automação industrial Distribuição dos artigos por assunto Visando aprofundar nossa análise, todos os artigos de cada grupo (Fieldbus, Ethernet e Wireless) foram classificados de acordo com o assunto predominante: Sistema, quando o foco principal do artigo é o aprimoramento, o teste, a descrição ou diagnóstico de falhas de sistemas, ou redes de automação; Software quando o foco principal do artigo é o desenvolvimento ou estudo de softwares de automação; Equipamento, quando o foco principal do artigo é a utilização, o aprimoramento, o teste ou o diagnóstico de falhas de sensores e/ou outros equipamentos de automação; Algoritmo quando o foco principal do artigo é um algoritmo alternativo ao tradicional binário; Aplicação quando o foco principal do artigo é a aplicação específica de um sistema ou equipamento em automação; Análise de tendências quando o foco principal do artigo é delinear o panorama atual da automação industrial e, portanto, tange todos os demais assuntos; Simulação quando o foco principal do artigo é a simulação de modelos matemáticos que descrevem determinado sistema ou algoritmo. A tabela 8 sintetiza a classificação dos artigos para cada grupo de tecnologias estudadas. 143

144 Assunto Fieldbus Ethernet Wireless Sistema 70,7% 61,8% 44,0% Análise de tendências 9,8% 7,4% 24,0% Equipamento 7,3% 8,8% 12,0% Software 0,0% 5,9% 8,0% Algorítmo 4,9% 4,4% 2,7% Aplicação 2,4% 5,9% 6,7% Sistema/Equipamento 4,9% 1,5% 0,0% Simulação 0,0% 4,3% 2,6% Tabela 8 Distribuição dos artigos por assunto Fonte: Elaboração própria Observa-se na tabela 8 que, para todas as tecnologias, o destaque na classificação de assuntos é para Sistema. Em segundo lugar tem-se, para Ethernet, o estudo de Equipamento e, para Fieldbus e Wireless, a Análise de Tendências. A categoria Sistema, onde está se destacando os subgrupos de tecnologias, será melhor detalhada no item 4.4 do presente trabalho. Dentre a categoria Equipamento estudada nos artigos, pode-se destacar, na tecnologia Fieldbus, aqueles para registro de imagens médicas. No caso de Ethernet, temos a concepção de narizes eletrônicos compostos de sistemas multi-sensores para detecção de gases poluentes e estudo de sensores de gás, de maneira geral. Já para Wireless, tem-se o estudo de sensores, protótipos e fibra ótica. Na categoria Software, em Ethernet tem-se os seguintes estudos: desenvolvimento de sistemas de software, seguido de testes destes por simulação para componentes object-oriented ; design e desenvolvimento de interface para sistemas real-time distribuídos; pontos críticos do sistema 144

145 DataMining Grid (flexibilidade, extensibilidade, escala, eficiência, simplicidade conceitual e facilidade de uso); estudo evolutivo de métodos computacionais em engenharia de software de teste; e, mudança de plataforma que podem afetar o comportamento do software determinístico e portátil do sistema realtime ; já em Wireless, destaca-se a descrição de um software de tomada de decisão. Na categoria Algoritmo, pode-se destacar tanto em Fieldbus quanto em Ethernet, aquele que se baseia na lógica fuzzy que se trata de uma lógica multi-valores derivada da teoria fuzzy set. Por fim, para tecnologia Fieldbus, na categoria Aplicação o monitoramento de corrosão geral ou localizada em canos e vasos Setores de atuação Ao se analisar todo o conteúdo dos 195 artigos, encontrou-se uma diversidade de setores de atuação que foram analisados e organizados de acordo com sua maior relevância. Foi possível detalhar, para todas as tecnologias estudadas ( Fieldbus, Ethernet e Wireless), os principais setores de atuação de seus respectivos artigos. De uma maneira geral o principal setor de atuação são as indústrias automatizadas. Pode-se observar que nas três tecnologias estudadas, a maior parte dos artigos analisados apontou para Aplicações industriais em geral, não sendo específico para um segmento industrial propriamente dito. Além disso, cabe destacar que apareceram, ao longo das pesquisas, diferentes setores de atuação para as tecnologias estudadas, que não se enquadram no 145

146 escopo do presente trabalho, como por exemplo, setores Comércio e Financeiro, Construção Civil, e Aplicações Militares. Quando o estudo foi feito para o cruzamento Industrial process automation x Fieldbus, observa-se um ranking em relação aos setores de automação, de acordo com a tabela 9. Setor Número de artigos Aplicações Industriais em Geral 40,0% Indústria Química e Petroquímica 15,0% Sistemas mecatrônicos e Robótica 10,0% Medicina 5,0% Comunicação 5,0% Manufatura 5,0% Metalurgia 5,0% Aplicações Militares 5,0% Indústria de Energia 5,0% Indústria Biotecnológica 5,0% Tabela 9 Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Fieldbus O maior número de artigos específicos foi para Aplicações industriais em geral, onde os principais assuntos são Arquitetura de controles metamórficos para sistemas de fábrica e Sistemas de controle. Em segundo lugar temos a Indústria Química e Petroquímica que teve o total de 15%, dentre os principais assuntos tratados neste setor estão As futuras tendências na automação de processos, Arquitetura de hardwares de sistemas operacionais e Controle de plantas químicas e petroquímicas. Em terceiro lugar estão os Sistemas Mecatrônicos e Robótica onde os artigos citam a apresentação da estrutura de comunicação necessária para desenhar e implementar a arquitetura de robôs e apresentação de um layout de estrutura padrão, estruturados através do modelo de sistema de operação multiuso, de forma a desenvolver um bom entendimento e mecanismo genérico. 146

147 Já quando o estudo foi feito para o cruzamento Industrial process automation x Ethernet, observa-se a seguinte tabela 10. Tabela 10 Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra -chave Ethernet Quando a palavra-chave é Ethernet, observa-se que grande parte dos artigos focou em Sistemas Mecatrônicos e Robótica, no entanto muitos ainda apresentaram características genéricas e foram alocados em Aplicações industriais em geral. Essa generalização se deve ao fato de Ethernet ser uma arquitetura de interconexão de computadores em rede de alta velocidade, que define tipos de cabos, conectores, sinais elétricos, ópticos e protocolos de comunicação que são conceitos fundamentais nesses setores. Em terceiro lugar observa-se Sistemas de Automação, onde os principais assuntos são a construção de sistemas no complexo de automação baseado na simulação de componentes básicos e diagnósticos de falhas no sistema de controle. Quando o estudo foi feito para o cruzamento Industrial process automation x Wireless, pode-se observar a seguinte tabela

148 Tabela 11 Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Wireless Para a análise dos artigos do cruzamento Industrial process automation x Wireless, é possível observar que o maior número de artigos foi para Aplicações Industriais em geral, corroborando com o fato que as redes locais sem fio constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível de fácil configuração e com boa conectividade e dessa forma se encaixam bem na maioria dos setores. Além disso, é possível observar que a maior diversidade de setores específicos foi obtida através da palavra-chave Wireless. Comércio e Financeiro foi o que obteve maior freqüência com 12,3% dos artigos Subgrupos de tecnologias Alguns dos artigos analisados continham subgrupos de tecnologias, isto é, derivações das tecnologias estudadas. Estas derivações tanto podem ter sido desenvolvidas pelo próprio autor, como podem ser citações de subgrupos de domínio público. A figura 54 mostra a alocação destes subgrupos nas 148

149 tecnologias estudadas que, conforme citado anteriormente, serão melhor detalhados no item 4.4 deste trabalho. Fieldbus NCS Fieldbus Foundation Profibus DCS LonWorks CAN CSMA/CD WATM FMS-Profibus Foundation TM Protocol MCS OPNET TIPPtool Simplebus CORBA ATM s QoS Control CAN Wireless DCS SCM WLANs WPANs Profibus Neuro fuzzy controller NCS DRES WiMax CBM CIM Wireless sensor networks Embedded system Wireless LAN WMANs ERP PDA Wireless mesh networks Ethernet PLC DCS OPNET TCP/IP CNC CAN LAN CIDER TDL CSMA/CD CAN-bus STEP-NC LAN-TCP WATM Distributed Real-time system PCDS CAD SCM ERP PDA NCS Distributed Embedded System FMS Wireless LAN Profibus FLEXICON CIM IMS LonWorks CORBA Wireless mesh networks Wireless sensor networks MMS DOC ATM s QoS Control Rtnet WiMax WATM CAP AEM FMS FMFNNs Real-time system PLM LonWorks Figura 54 Subgrupos de Tecnologias Fonte: Elaboração própria 149

150 4.3. Análise de Patentes Com relação à análise das patentes, foram realizadas as buscas de acordo com a metodologia descrita anteriormente. No total, foram encontradas 388 patentes, sendo que, retirando as repetidas e as que não eram pertinentes, fica-se com um total de 305 patentes. A tabela 12 apresenta os resultados das buscas para cada cruzamento. Cruzamentos de palavras-chave utilizadas na busca N de Patentes encontradas Tabela 12 Metodologia de busca de patentes Fonte: Elaboração Própria N de Patentes relevantes industrial process automation x Fieldbus industrial process automation x Ethernet industrial process automation x Wireless TOTAL Análise Temporal Através dos resultados obtidos pela busca, foi realizada uma análise temporal das patentes, que é capaz de mostrar a evolução das tecnologias. Lembrando que a busca foi feita em todos os limites que a base de dados oferece, ou seja, de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para artigos quanto para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a Os gráficos a seguir mostram os resultados para cada um dos três cruzamentos: Fieldbus, Ethernet e Wireless. 150

151 Figura 55 Análise Temporal do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Figura 56 Análise Temporal do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Figura 57 Análise Temporal do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria 151

152 Com os resultados anteriores, pode-se destacar que no primeiro cruzamento, industrial process automation x Fieldbus, o ano que obteve destaque foi o de 2006, com o maior número de depósitos de patentes, seguido de um relativo declínio nos anos seguintes. No segundo grupo de patentes, relativo ao cruzamento industrial process automation com Ethernet, o ano de 2006 é também o que apresenta maior destaque. Pode-se perceber que o período com o maior número de patentes vai de 2003 até Finalmente, na análise do último cruzamento com a palavra-chave Wireless, é possível perceber que o surgimento de depósitos de patentes ocorre no ano de 2001, mostrando ser a tecnologia mais recente de todas e, o ápice recai sobre o ano de 2005, com mais de 30 patentes Países depositantes de patentes A análise dos países depositantes das patentes é importante, visto que com ela pode-se perceber a origem das tecnologias e inovações. No caso dos três grupos, os Estados Unidos se destaca com mais de 50% das patentes em cada caso. Grã- Bretanha 3% Alemanha 6% Arábia Saudita 3% Austrália / Estados Unidos 6% Canadá 10% Estados Unidos 69% Dinamarca / Estados Unidos 3% Figura 58 Análise de Países do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria 152

153 Taiwan 3% Japão Grã- 4% Bretanha 2% Outros (Com 1 patente) 8% Alemanha 8% Austrália / Estados Unidos 2% Coréia do Sul 2% Estados Unidos 71% Figura 59 Análise de Países do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Rússia 1% Finlândia 2% Estados Unidos / Grã- Bretanha 2% Suécia 1% Japão 7% Outros (Com 1 patente) 9% Suécia / Alemanha 1% Taiwan 3% Alemanha 7% Estados Unidos 58% Áustria 1% China 1% Coréia do Sul 7% Figura 60 Análise de Países do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Outros pontos a se destacar são algumas parcerias entre países, principalmente dos Estados Unidos com Grã-Bretanha, Austrália e Dinamarca. Pode-se perceber também no primeiro grupo de patentes há um número de 7 países envolvidos nos depósitos das mesmas, no segundo grupo, um número um pouco maior e, no terceiro grupo, há 16 países no grupo de depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Wireless, o que 153

154 mostra uma expansão do interesse mundial em inovações a respeito de controle de processos industriais Depositantes das Patentes A partir das informações das patentes selecionadas, foram listados os depositantes de cada grupo, como se pode observar nas tabelas 13, 14 e 15. A empresa que se destacou no primeiro grupo de patentes oriundas do cruzamento de industrial process automation com Fieldbus foi a Rosemount Inc, uma empresa especializada em desenvolver instrumentos de medição de variáveis de processo, tais como: pressão, temperatura, vazão, nível e controles de intertravamentos de segurança (são lógicas de segurança implementadas fisicamente ou através de linguagem de programação que garantem a segurança em aplicações de risco). A National Instruments Corporation, empresa que comercializa softwares gráficos e hardwares que auxiliam a otimização de diversos sistemas, inclusive automação de processos, ficou em segundo lugar em depósitos de patentes neste grupo. 154

155 Depositantes N de Patentes País de Origem Atividades Rosemount Inc 8 Estados Unidos Equipamentos de Controle e Automação National Instruments Corporation Rockwell Automation Tech Inc 5 Estados Unidos 3 Estados Unidos Husky Injection Molding 3 Canadá Tridium Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Softwares / Interfaces Gráficas Saudi Arabian Oil Co 1 Arábia Saudita Petrolífera Phoenix Contact GmbH & Co. 1 Alemanha Ncapsa Ltd 1 Reino Unido Micro Motion Inc 1 Estados Unidos Equipamentos de Controle e Automação Softwares / Interfaces Gráficas Equipamentos de Controle e Automação Invensys Sys Inc 1 Estados Unidos Equipamentos de Controle e Automação Fieldbus Foundation 1 Estados Unidos Arquiteturas / Sistemas Cooley Godward, LLP 1 Estados Unidos Outros ABB Patent GmbH 1 Alemanha Outros Próprio Inventor Tabela 13 Análise de Depositantes do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Após uma análise das atividades das empresas depositantes deste primeiro grupo, chega-se aos resultados da Figura 61. A maioria delas com 46% exerce, principalmente, um trabalho de pesquisa, desenvolvimento e comercialização de equipamentos de controle e automação de processos, tais como: válvulas, sensores, controladores, transmissores, entre outros. Em seguida, ficam as empresas desenvolvedoras de sofwares e interfaces gráficas, responsáveis pela otimização e gerenciamento dos controles de processos. 155

156 Figura 61 Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria No segundo grupo de patentes, o maior número foi daquelas depositadas pelos seus próprios inventores, não estando ligadas a alguma empresa ou instituição. Em segundo lugar aparece a Rockwell Automation Tech Inc, empresa de tecnologia que fornece equipamentos de controle e automação industrial, consultoria para soluções de problemas e softwares para otimização de sistemas. 156

157 Depositantes N de Patentes País de Origem Atividades Rockwell Automation Tech Inc 9 Estados Unidos Siemens 8 Alemanha Tabela 14 Análise de Depositantes do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria De acordo com a Figura 62, que mostra a classificação da atividade das empresas deste segundo grupo, a maioria delas, com 59%, também é referente a Equipamentos de Controle e Automação e em segundo, com 33%, as desenvolvedoras de softwares e interfaces gráficas. Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Microsoft Corporation 7 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas Rosemount Inc 6 Estados Unidos National Instruments Corporation Applied Systems Intelligence, Inc 5 Estados Unidos 2 Estados Unidos Chipcon AS 2 Estados Unidos Equipamentos de Controle e Automação Softwares / Interfaces Gráficas Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Lg Electronics Inc 2 Coréia do Sul Outros Schneider Automation Inc 2 França Equipamentos de Controle e Automação Sun Microsystems Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas Tridium, Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas VIA Technologies, Inc 2 Empresas com 1 depósito somente 27 Taiwan Equipamentos de Controle e Automação - - Próprio Inventor

158 8% 33% 59% Equipamentos de Controle e Automação Outros Softwares / Interfaces Gráficas Figura 62 Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria No último grupo, de acordo com a Tabela 15, o resultado anterior se repete, tendo o maior número de patentes depositadas pelos próprios inventores. A Rockwell Automation Tech Inc aparece também em segundo lugar e a Siemens em terceiro. Pode-se destacar a presença de empresas especializadas em equipamentos e sistemas de controle de processos, tais como a: Rockwell Automation Tech Inc, Rosemount Inc e a National Instruments Corporation, bem como o surgimento do interesse em controle de processos de empresas como a Microsoft Corporation e a Lg Eletronics, líderes em desenvolvimento de tecnologias para eletroeletrônicos e eletrodomésticos de consumo. 158

159 Depositantes N de Patentes País de Origem Rockwell Automation Tech Inc 14 Estados Unidos Siemens 11 Alemanha Atomate Corp 7 Estados Unidos Tabela 15 Análise de Depositantes do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Atividades Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Microsoft Corporation 5 Estados Unidos Sofwares / Interfaces Gráficas Amerasia Internat Technology I 4 Estados Unidos Abb Ab 3 Suécia Equipamentos de Controle e Automação Equipamentos de Controle e Automação Abb Patent GmbH 3 Alemanha Outros Entek IRD Intern Corp 3 Estados Unidos Outros Matsushita Electric Ind Co Ltd 3 Japão Eletroeletrônicos / Telecomunicações Abb Research Ltd 2 Suíça Outros Canon Kabushiki Kaisha 2 Japão Chipcon AS 2 Estados Unidos Lg Electronics Inc 2 Coréia do Sul Metso Automation Networks Oy 2 Finlândia Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Eletroeletrônicos / Telecomunicações Equipamentos de Controle e Automação Eletroeletrônicos / Telecomunicações Equipamentos de Controle e Automação 2 Japão Outros Samsung Electronics Co, Ltd. 2 Coréia do Sul Sk Telecom Co Ltd 2 Coréia do Sul Eletroeletrônicos / Telecomunicações Eletroeletrônicos / Telecomunicações Sun Microsystems Inc 2 Estados Unidos Arquiteturas / Sistemas Taiwan S Manufacturing Co Ltd 2 Taiwan Arquiteturas / Sistemas Empresas com 1 depósito somente Próprio Inventor Quanto à classificação das empresas em relação as suas atividades, o maior destaque permanece para aquelas especializadas em equipamentos de controle e automação, com 37%, seguidas pelo grupo de empresas de eletroeletrônicos e telecomunicações, com 26%. 159

160 Figura 63 Classificação das Empresas depositantes das patentes do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Após uma análise geral das informações dos depositantes para os três grupos de tecnologias (Fieldbus, Ethernet e Wireless), pode-se destacar a presença da empresa Rockwell Automation Tech Inc. Já as empresas Siemens e Microsoft Corporation aparecem em destaque nos grupos Ethernet e Wireless, não aparecendo em Fieldbus. Outro dado que merece ser citado é o fato de que, nos três grupos, uma grande parte das patentes de cada um deles foram depositadas pelos próprios inventores, sem vínculos, a princípio, com qualquer empresa Classificação e Análise dos Assuntos das Patentes A automação de processos é um assunto muito discutido atualmente. A maioria das empresas percebeu que para se manterem competitivas, assegurarem a sua sobrevivência e desenvolverem-se na economia global, tem que, de forma contínua e incremental, mapear e gerir os seus processos de negócio, viabilizando desta forma uma melhoria continuada. Isto envolve de forma indiscutível a adoção de processos de fabricação e gestão automatizados. As patentes analisadas foram divididas em categorias denominadas Sistema, Software e Equipamento. Essa mesma classificação foi utilizada no item 160

161 Análise de Artigos, onde, cabe ressaltar, foi encontrada uma variedade maior de categorias. Na análise dos dados obtidos foram citados os grupos de tecnologias que mais apareceram, estes serão definidos mais a frente no item 4.4 do presente trabalho. Patentes que tratam de desenvolvimento, inovação ou estudo de algum equipamento foram alocadas na categoria Equipamento. A categoria Sistema englobou patentes cujo objetivo é registrar metodologias, ações ou sistemas propriamente ditos para automação de processos. Já a categoria Software foi criada exclusivamente para as patentes que tratam de desenvolvimento e/ou análise de softwares. A Figura 64 sintetiza o resultado obtido para a classificação das patentes em cada categoria no cruzamento das palavras industrial process automation x Fieldbus. Figura 64 Análise de Assuntos do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Para o cruzamento industrial process automation x Fieldbus, observa-se que a maioria (53%) das patentes trata de assuntos relacionados a Sistema. Esse domínio se dá justamente porque a palavra Fieldbus está diretamente relacionada com sistemas interoperáveis, ou seja, sistemas desenvolvidos para que equipamentos trabalhem com troca de dados contínua. Dentro da 161

162 classificação de sistemas, foi possível observar várias patentes tratando de sistemas de controle, comunicação e transmissão de dados, reafirmando esta relação. Além disso, foram identificadas tecnologias como Foundation Fieldbus TM, PLC (Programmable Logic Controller) e DC Link. A outra metade das patentes analisadas neste cruzamento dividiu-se entre Equipamento (25%) e Software (22%). Na categoria Equipamento as tecnologias mais citadas foram Conversor A/D (analogic to digital), Transmissores de Pressão específicos. Na Figura 65 é possível observar os resultados obtidos com o cruzamento das palavras industrial process automation x Ethernet. Figura 65 Análise de Assuntos do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Com relação às patentes encontradas no cruzamento industrial process automation x Ethernet a categoria Sistema se mantém em primeiro lugar com 60%. Umas das tecnologias mais citadas foi EtherCAT, que será explicada no item 4.4 sobre tecnologias. Já no segundo lugar, com 25%, ficaram as patentes sobre Software. Nas patentes analisadas para essa categoria destacaram-se softwares de atualização de aplicativos de sistemas, programados para evitar que falhas ou perda de informações ocorram no processo de atualização do sistema; softwares de interface gráfica para visualização dos bens em um sistema de gestão de ativos e outros que visam 162

163 exclusivamente a melhoria da qualidade de controle do sistema em questão citado na patente. Já a categoria Equipamento obteve apenas 15% das citações, a maioria dessas patentes tratou de métodos de transmissão de dados através de dispositivos de controle e se basearam no TCP (Transmission Control Protocol). A Figura 66 sintetiza a classificação das patentes para cada categoria no cruzamento das palavras industrial process automation x Wireless. Figura 66 Análise de Assuntos do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Conforme mostrado na figura 66, no resultado obtido pelo cruzamento das palavras industrial process automation x Wireless, 49% das patentes trataram de sistemas. Foram registrados patentes que propunham sistemas para diversos fins, no entanto a maioria delas fazia referência à melhoria, controle ou ajuste de algum processo específico. Observou-se desde patentes mais específicas como a que fez menção a sistemas de controle remoto de inflamabilidade em células combustíveis até outras mais abrangentes como a que propunha um sistema para o monitoramento de qualquer produto no processo de exportação. Após Sistema, a categoria que mais se destacou, com 43% das citações, foi Equipamento. Os mais citados foram sensores, chips ou placas para aplicações em tecnologias de controle remoto de processos. Na maioria dos 163

164 casos a patente foi utilizada para registrar alguma melhora na fabricação de equipamentos já existentes, pouco se observou sobre registros de tecnologias totalmente novas. O restante das patentes analisadas registrou assuntos referentes à categoria Software, estes foram citados em 8% delas. Qualquer patente que registrou o desenvolvimento de programas de computadores para automação processos, análises de softwares, geração de cenário para simulação dos mesmos, estão inseridos nesta categoria Objetivo das Inovações A análise das patentes revelou que o estudo da automação em processos industriais resulta em tecnologias aplicáveis para diversos fins. No entanto, a maioria delas converge para objetivos similares. No cruzamento com a palavra Fieldbus foi observado que 100% das tecnologias têm como objetivo a melhoria da qualidade do processo industrial. Todos os sistemas, equipamentos ou softwares descritos nas patentes tinham a finalidade de melhorar a qualidade do processo em questão ou de processos genéricos. Na maior parte delas essa otimização refere-se à maior facilidade de controle resultando em um processo operado com mais segurança. Além disso, a diminuição dos gastos com energia e uma maior agilidade na obtenção de respostas também foram objetivos citados. Da mesma forma, quando o foco é Ethernet, o desenvolvimento de novas tecnologias visa à melhoria da qualidade do processo. Neste caso, além das patentes sobre a otimização de processos visando o maior controle e conseqüente segurança, também foram observadas muitas que tratavam da simplificação na transferência, recolhimento e tratamento de dados através de circuitos integrados por Ethernet. 164

165 No cruzamento com a palavra Wireless foi encontrada uma diversidade maior de objetivos. Muitas dessas patentes registram o projeto e modelagem de nanoestruturas e dispositivos diversos, como por exemplo, dispositivos pneumáticos para controle de fluidos industriais, dispositivos de segurança, e de armazenagem de dados. Além disso, sistemas para controle remoto de processos e a implementação de conjuntos de programas utilizados para introdução da informática na integração de módulos industriais, também foram observados Principais Setores As patentes também foram analisadas quanto aos principais setores envolvidos e/ou beneficiados com as pesquisas. A Figura 67 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o cruzamento das palavras industrial process automation x Fieldbus. Figura 67 Análise dos Principais Setores do cruzamento industrial process automation x Fieldbus Fonte: Elaboração própria Quando a palavra chave é Fieldbus, fica claro que, a maior parte dos equipamentos, softwares, análises ou sistemas registrados em patentes poderiam ser utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria. 165

166 Isso se deve ao fato dessas serem tecnologias que gerariam respostas genéricas em qualquer processo automatizado. Neste cenário é importante destacar que o número de patentes específicas para o setor petrolífero é significativo. Neste setor ainda são muito utilizadas redes Fieldbus para transferência de dados, por ser considerada uma tecnologia mais confiável. A Figura 68 ilustra os resultados obtidos para o cruzamento industrial process automation x Ethernet. Figura 68 Análise dos Principais Setores do cruzamento industrial process automation x Ethernet Fonte: Elaboração própria Já quando a palavra chave é Ethernet, 85% das patentes registradas apresentam tecnologias nas indústrias automatizadas em geral, podendo ser utilizada na maioria dos processos automatizados. Essa característica também se apresenta marcante aqui porque Ethernet trata, justamente, da interconexão para redes locais, baseada no envio de pacotes, um conceito básico na automação de processos. No entanto neste cruzamento foi observada uma variedade maior de patentes voltadas para setores específicos. O setor de biotecnologia, por exemplo, apareceu em segundo lugar com 6% das citações. Nessas patentes foram registradas principalmente o uso de 166

167 sistemas automatizados para controlar as condições de cultivo de bactérias e outros microrganismos. Outros setores menos citados foram petrolífero, com 4%, computação/ informática com 2% e financeiro, telecomunicações e meio ambiente empatados com 1%. A Figura 69 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o cruzamento das palavras industrial process automation x Wireless. Figura 69 Análise dos Principais Setores do cruzamento industrial process automation x Wireless Fonte: Elaboração própria Para o cruzamento das palavras industrial process automation x Wireless, Aplicações industriais em geral englobam 72% das patentes analisadas. Nestas os equipamentos, softwares e sistemas registrados poderiam ser utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria. Ainda sim, foram observadas algumas patentes nas quais as tecnologias registradas atenderiam apenas setores específicos. 167

168 Por ser um setor em plena atividade, financiador de muitas pesquisas e gerador de novas tecnologias, o setor de química e petroquímica foi o que obteve mais patentes, dominou com 7% sendo seguido pelo setor comercial e financeiro e pelo setor de informática, ambos com 5% Subgrupos de Tecnologias destacadas na Prospecção de Artigos e Patentes Ao se analisar o material das patentes e, principalmente, dos artigos (conforme mostrado na figura 54 da página 145) de cada grupo, algumas tecnologias se destacaram. Elas podem ser algum equipamento específico, algum sistema ou algum tipo de software. As tecnologias que se destacaram no geral são as seguintes 12 : AEM (Abnormal Event Management): O AEM lida com a detecção dinâmica, diagnóstico e correção de condições anormais ou de falhas em um processo. A detecção e diagnóstico de falhas para uma planta operando em uma região controlável pode ajudar a evitar a progressão de eventos anormais e redução na perda de produtividade. Em operação normal, uma unidade industrial possui estatística conhecida para as variáveis operacionais importantes. A ocorrência de uma falha causará no mínimo um resíduo que mudará as estatísticas e assim a detecção pode ser realizada pela inspeção de mudanças no valor médio desses resíduos. AMS (Asset Management System): São aplicativos que trabalham para reunir informação de sistemas conectados em sua rede. Cada usuário pode checar o sistema e obter informações sobre o inventário da rede. Isto permite conhecer a localização de cada componente da rede, mesmo que este tenha sua localização alterada dentro de ambiente. 12 As informações referentes a esse item foram buscadas nas diversas referências listadas ao longo do texto, com destaque ao dicionário Automation, Systems, and Instrumentation Dictionary. 168

169 APIs (Application Program Interfaces) ou Interfaces para Programas de Aplicação: são interfaces para programadores usando diretamente os serviços da camada de transporte. Seu objetivo é facilitar a implementação de programas de aplicação que fazem uso dos serviços de comunicação da rede. APIs são usualmente oferecidas para alguns sistemas operacionais (ex.: LINUX) e algumas linguagens (ex.: C). ASIC (Application-specific Integrated Circuit): É um circuito integrado (CI) personalizado para um determinado uso, e não destinados à utilização para fins gerais. Associated Motion Control Interface Card: aparelho para realizar o interfaceamento de equipamentos e controladores, permitindo a comunicação entre eles. Associated Fieldbus Interface Card: aparelho que permite o interfaceamento de equipamentos que se comunicam através de diferentes linguagens dentro de uma rede fieldbus. AWT (Autonomous Wireless Transmitter): Transmissor de sinal wireless dentro de uma rede aberta. BACnet (Building Automation and Control NETworks): É um protocolo de comunicação de dados voltado para atuomação predial. Este protocolo foi definido primeiramente pela associação americana ASHRAE, depois se tornado um protocolo padrão da ANSI e ISO. BAS (Building Automation System): É um exemplo de um sistema de controle distribuído. O sistema de controle é informatizado, dispositivos eletrônicos de rede inteligente, destinada a acompanhar e controlar os sistemas de iluminação e mecânica em um edifício. Bus Loop Power Interface: Equipamento que compreende um módulo de controle de voltagem que recebe um loop de voltagem e distribui voltagem com impedância pré-determinada. 169

170 CAD (Computer Aided Design): É o uso de tecnologia computacional para desenvolver objetos reais ou virtuais. CAD envolve mais que formatos de objetos. CAD pode trabalhar com informação simbólica, processos, dimensões e tolerâncias, de acordo com as especificações. Pode ser utilizado para trabalhos em 2D, duas dimensões, e 3D, três dimensões. Este sistema tem sido utilizado em diversas áreas, desde animação até indústria aeroespacial. CAN (Controller Area Network): As redes CAN, as quais são um tipo de NCS (Network Controller System), consistem em redes que abrangem um espaço geográfico de uma Personal Area Network às LAN (Local Area Network) dependendo do propósito a ser utilizado. Pelo fato das CANs basearem-se na aplicação de sistemas real-time (sistemas em que as informações são transmitidas em tempo real) é necessário um controle rígido de erros e garantia de recebimento de mensagens. As CANs baseam-se no conceito do uso de mensagens geradas por broadcast contendo um dispositivo central controlador de mensagens.é também um padrão de barramento que possibilita a comunicação de microcontroladores e dispositivos entre si sem a necessidade de um computador host. CBM (Condition-based maintenance): Este sistema foi criado para tentar manter o equipamento correto na hora certa. CBM é baseada no uso de dados em tempo real para priorizar e otimizar recursos de manutenção. Observar o estado do sistema é conhecido como condição acompanhamento. Esse sistema irá determinar a saúde do equipamento e agir apenas quando a manutenção é realmente necessária. CIM (Computer-Integrated Manufacturing): Em engenharia CIM é um método de fabricação em que todo o processo produtivo é controlado por computador. O tradicional método de processos separados é unido através de um computador pelo CIM. Esta integração permite que os processos troquem informações entre si e são capazes de iniciar ações. Através deste, a integração dos processos de fabricação pode ser mais 170

171 rápido e com menos erros, embora a principal vantagem é a capacidade de criar processos de fabricação automatizados. Tipicamente CIM depende de processos de controle de ciclo fechado, com base em tempo-real de entrada a partir de sensores. É também conhecido como desenho e fabricação flexível. A figura 70 apresenta um exemplo de CIM. Figura 70: Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM) Fonte: Jean-Baptiste Waldner, John Wiley & Sons, 1992 Closed-loop control feedback system: Neste sistema um sensor monitora a saída e alimenta os dados para um computador que ajusta continuamente o controle de entrada quando necessário, para manter o controle do erro para um mínimo. CLPM (Control Loop Performance Monitoring): Sistema utilizado para controle da qualidade, minimização de custos e detecção rápida de anomalias de uma planta industrial. CNC (Comando Numérico Computadorizado): é um equipamento eletrônico capaz de receber informações, compilar essas informações e transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz, fazendo com que esta realize as operações na sequência programada, sem a intervenção do operador. 171

172 Controle Automático por transmissão pneumática: é um sistema de controle automático são as mesmas executadas pelo operador quando fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir). Entretanto, muitas vantagens são adquiridas. As falhas diminuem, pois o controlador automático é totalmente programado para executar estas tarefas, diferentemente da mente humana. Processos onde o contato humano é impedido como, por exemplo, controle de temperaturas muito altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se tornam possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de velocidade de controle e diminuição de riscos de acidentes. Conversor A/D: Conversor de sinal de analógico para digital. CORBA (Common Object Request Broker Architecture): é a arquitetura padrão criada pelo Object Management Group para estabelecer e simplificar a troca de dados entre sistemas distribuídos heterogêneos. Em face da diversidade de hardware e software que encontra-se atualmente, a CORBA atua de modo que os objetos (componentes dos softwares) possam se comunicar de forma transparente ao usuário, mesmo que para isso seja necessário interoperar com outro software, em outro sistema operacional e em outra ferramenta de desenvolvimento. CORBA é um dos modelos mais populares de objetos distribuídos, juntamente com o DCOM, formato proprietário da Microsoft. CRPTA (Constraint Programming for Solving Real-Time Allocation): É baseada em constrangimento de programação para resolver um problema de alocação estática de tarefas pesadas em tempo real. Este problema consiste na atribuição de tarefas periódicas a transformadores distribuídos no âmbito da prioridade fixada na preferência programação. CPRTA é construído sobre a dinâmica de constrangimento da 172

173 programação juntamente com um método de aprendizagem para encontrar um processador de atribuição viável sob condicionalismos. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection): É um conjunto de regras que determinam como dispositivos de rede devem responder quando dois dispositivos tentam utilizar um canal de dados simultaneamente (chamado de uma colisão). CSMA / CD é um tipo de protocolo de discórdia, Redes utilizando o procedimento CSMA / CD são simples de implementar, mas não têm características determinísticas de transmissão, pois é um método é padronizado. Data Mining System: Processo para extração de padrões escondidos em dados. A medida que a quantidade de dados aumenta, o Data Mining System tem ganhado grande importância em transformar dados em informação. Normalmente é utilizado em detecção de fraude, pesquisa científica, sistemas de vigilância, etc. Data Processing System: Sistema computadorizado que realiza operações matemáticas (manipulações) em dados de entrada para transformá-los em dados de saída (audio/video, gráfico, numérico ou texto) como desejado pelo usuário. DCS (Distributed Control System): Um sistema de controle distribuído (DCS) se refere a um sistema de controle geral de um sistema de produção, processo ou qualquer tipo de sistema dinâmico, em que o controlador não são elementos centrais no local (como o cérebro), mas estão distribuídos ao longo de todo o sistema, com cada componente do sub-sistema controlado por um ou mais controladores. Todo o sistema de controladores está ligado por redes de comunicação e acompanhamento. DCS é um termo muito usado em uma ampla variedade de indústrias, para monitorar e controlar equipamentos distribuídos, como redes de energia elétrica, produção de energia, 173

174 sistemas de controle ambiental, sistemas de gestão da água, refino de petróleo, indústria farmacêutica, sensor redes, etc. Devicenet: É uma rede aberta no topo do controle de rede local. Foi criada por Allen Bradley, agora pertence e é operada pela Open DeviceNet Vendors Association. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): É um protocolo de serviço TCP/IP que oferece configuração dinâmica de terminais, com concessão de endereços IP de host e outros parâmetros de configuração para clientes de rede. Resumidamente, o DHCP opera da seguinte forma: 1. Um cliente envia um pacote UDP em broadcast (destinado a todas as máquinas) com um pedido DHCP; 2. Os servidores DHCP que capturarem este pacote irão responder (se o cliente se enquadrar numa série de critérios) com um pacote com configurações onde constará, pelo menos, um endereço IP, uma máscara de rede e outros dados opcionais, como o gateway, servidores de DNS, etc. O DHCP usa um modelo cliente-servidor, no qual o servidor DHCP mantém o gerenciamento centralizado dos endereços IP usados na rede. Distributed real-time system: Um sistema em tempo real é aquele no qual o tempo é expressamente considerado nos requisitos, na especificação, na concepção e na execução. Eles necessitam de respostas cronometradas para eventos mesmo sob condições fracasso e mesmo sob condições extremas de carga. A figura 71apresenta um exemplo de Distributed real-time System. 174

175 Figura 71: Exemplo de Distributed real-time system Fonte: Hermann Kopetz, 1997 DOC (Distributed Object Computing): Utilizado para construir aplicativos com interface com componentes. Componentes são tipicamente desenvolvidos para distribuição através de redes para uso em sistema computacionais. Como os componentes são de uso distribuído, padronização de interface e métodos de comunicação são importantes. DRES (Distributed real-time embedded systems): Os principais desafios em desenvolvimento de DRES incluem a composição segura dos componentes do sistema, mapeamento e as especificações funcionais para a plataforma alvo. Modelos baseados em verificações técnicas fornecem um caminho para a análise do tempo de design de sistemas que permitam rápida avaliação das alternativas em relação as dadas medidas de desempenho antes de se comprometer a uma determinada plataforma. DSP (Digital Signal Processor): São microprocessadores utilizados para processamento digital de sinal usado para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line. Um dos usos do DSP que chamaram a atenção da mídia foi a proposta do cancelamento de ruídos: através do sistema proposto, um dispositivo captaria o ruído ambiente e geraria um "anti-ruído", com as ondas simétricas: a cada vale corresponderia um pico e vice-versa. Assim poderia se cancelar o ruído de um ambiente, por exemplo, dentro de um automóvel.outra grande característica do DSP é sua alta velocidade comparada a outros 175

176 microcontroladores. Os DSPs ganharam popularidade na eletrônica em aparelhos como os teclados, que sintetizam os sons de diversos instrumentos, como por exemplo os órgão de tubos, o piano e o violão. EIB OPC: O servidor EIB-OPC foi desenvolvido pela EIBA e é usado por usuários da Software Informer. A versão mais popular deste produto é a 2.0. Em breve existirá uma nova versão. Eletric Double Layer Capacitor: Também conhecidos como supercapacitores, são capacitores eletroquímicos que possuem alta densidade de energia quando comparados com capacitores comuns. Embedded System: É um objeto específico de sistema de computador projetado para executar uma ou algumas funções específicas, muitas vezes condicionalismos de computação em tempo real. É normalmente embutido como parte de um dispositivo completo, incluindo hardware e peças mecânicas. Em contraste, um computador de uso geral, como um computador pessoal, pode fazer várias tarefas diferentes, dependendo da programação. Embedded systems controlam muitos dos dispositivos comuns em uso hoje. A figura 72 apresenta um exemplo de Embedded System. Figura72: Exemplo de Embedded System Fonte: Eurasip Journal on Emdedded Systems ERP (Enterprise Resource Planning): ERP (Enterprise Resource Planning) ou SIGE (Sistemas Integrados de Gestão Empresarial, no Brasil) são sistemas de informação que integram todos os dados e processos de uma organização em um único sistema. A integração pode 176

177 ser vista sob a perspectiva funcional (sistemas de: finanças, contabilidade, recursos humanos, fabricação, marketing, vendas, compras, etc) e sob a perspectiva sistêmica (sistema de processamento de transações, sistemas de informações gerenciais, sistemas de apoio a decisão, etc). Os ERPs em termos gerais, são uma plataforma de software desenvolvida para integrar os diversos departamentos de uma empresa, possibilitando a automação e armazenamento de todas as informações de negócios. EtherCAT: é o sistema Ethernet em tempo real para a automação industrial, que se destaca entre outros devido a sua topologia flexível e o manuseio fácil. O desempenho extremamente alto permite concepções de controle e regulagem que não podem ser realizados com sistemas clássicos. Visto que além da porta padrão de Ethernet não há necessidade de placas encaixáveis específicas, o EtherCAT também pode ser utilizado especialmente em um nível de controle baixo e médio. O sistema EtherCAT também pode ser conectado com o cabo CAT-5 padrão, permitindo ainda a integração vertical. Fast Ethernet: Em Rede de computadores, Fast Ethernet é um termo dentre vários para padrões de Ethernet que levam o tráfego de dados à taxa nominal de 100 Mbit/s, contra a taxa de transmissão de 10 Mbit/s de Ethernet original. O padrão mais comum de Ethernet de 100 megabit é o 100BASE-TX sendo utilizado por muitos dos os fabricantes de placa de rede. Fast Ethernet foi introduzido em 1995 e permaneceu a versão mais rápida de Ethernet durante três anos até ser substituído pelo Gigabit Ethernet. FDA (Field Device Acess): O agente FDA permite que serviços FMS (Fieldbus message specification) e de gerenciamento usados em dispositivos H1 sejam transportados na Ethernet usando TCP (transmission control protocol) e UDP (user datagram protocol). Permitindo dispositivos HSE se comunicarem com dispositivos H1 conectados por um dispositivo de enlace. O agente FDA é também 177

178 usado pelos blocos de função locais em dispositivos HSE. Assim, o agente FDA habilita aplicações remotas a acessar dispositivos H1 e HSE através de uma interface comum. Fibre Bragg Gratings: Sensor de fibra ótica que tem várias vantagens sobre os sensores tradicionais, por isso, tornou-se uma das mais populares. Os setores de aplicação são os mais diversos: monitoramento de turbinas a vento, exploração de petróleo e saúde. FLEXICON: Flexible Control Systems Development and Integration Environment for Control Systems Conjunto de ferramentas para integração de sistemas de controle abertos, de alta performance, voltados para controle de falhas em escala de tempo reduzida e baixo custo. FMFNN (Fuzzy membership function-based neural networks): Rede que utiliza lógica fuzzy. Usada para monitoramento e detecção de elementos de um ambiente. FMS Profibus (Fieldbus message specification network-process Field Bus): é um padrão para a comunicação na tecnologia de automatização e foi promovido primeiro em 1989 pelo BMBF (departamento alemão de educação e pesquisa). O objetivo foi o de implementar e disseminar a utilização de um serial de bits Fieldbus baseado nos requisitos básicos do campo dispositivo de interfaces. Para este propósito, os membros das respectivas companhias concordaram em apoiar um conceito técnico comum para a produção e processo de automação, sendo o protocolo do complexo de comunicação Profibus FMS (especificação de mensagem Fieldbus) adaptado para tarefas de comunicação exigentes especificadas. Na figura 73 é possível visualizar um conector elétrico Profibus 178

179 Figura 73: Exemplo de conector elétrico Profibus Fonte: Associação Brasileira Profibus Foudation Fieldbus TM: A rede Foundation Fieldbus (FF) é uma rede digital cuja padronização levou mais de dez anos para ser concluída. Existem duas redes FF, uma de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos (H1-31,25 kbps) e outra de alta velocidade utilizada para integração das demais redes e para a ligação de dispositivos de alta velocidade como CLPs (HSE Mpbs). Deve-se tomar cuidado para não confundir o nome da rede FOUNDATION Fieldbus com o da fundação que a criou e a mantém, esta sim denominada Fieldbus Foundation. GEC (Generic Embedded Controller): Originalmente desenvolvido e instalado para sistemas de detecção em sistemas biológicos, foi estendido a outras áreas e tornou-se uma solução flexível para controles internos. O que torna o GEC tão impressionante é sua facilidade de configuração, possibilitando uma instalação personalizada e econômica em tempo e dinheiro. Globus Toolkit: é um conjunto de serviços que facilitam a computação em grade. Esses serviços podem ser usados para a submissão e controle de aplicações, movimentação de dados, segurança no ambiente do grid (grade) e descoberta de recursos. Atualmente, é a solução de maior impacto na comunidade da computação de alto desempenho. Globus e os protocolos definidos em sua arquitetura tornaram-se um padrão como infraestrutura para computação em grade. 179

180 GRC (Generic Remote Controller): É uma instrumentação usada em redes wireless. Pode automaticamente detectar um controlador e dinamicamente fazer o download de informações do controlador. GUI (Graphical User Interface): É um tipo de interface de usuário que permite que as pessoas a interajam com dispositivos eletrônicos, tais como computadores, dispositivos de mão como MP3 Players, Portable Media Players ou dispositivos de jogos, aparelhos e equipamentos de escritório com imagens em vez de comandos de texto. A GUI oferece ícones gráficos e indicadores visuais, em oposição ao texto base de interfaces de comando digitado, rótulos de texto ou navegação para representar plenamente as informações e ações disponíveis para um usuário. As ações são normalmente realizadas através de manipulação direta dos elementos gráficos. Hardware-in-the-loop Simulation: É uma técnica que é utilizada no desenvolvimento e teste de sistemas complexos incorporados em tempo real. A simulação fornece uma plataforma eficaz, adicionando a complexidade da planta sob controle para o ensaio de plataforma. A complexidade da planta sob controle é incluído no teste e desenvolvimento, acrescentando uma representação matemática de todos os sistemas dinâmicos. Estas representações matemáticas são referidas como a "simulação de plantas". HART (Highway Addressable Remote Transducer): Protocolo aberto para instrumentação de campo desenvolvido pela empresa Rosemount que foi adotado por muitas outras empresas, criando assim um padrão para fieldbus. Host Computer System: Um sistema de computador que é acessado por um usuário que trabalha em um local remoto. Normalmente, o termo é usado quando existem dois sistemas de computadores ligados através de modems e linhas telefônicas. O sistema que contém os dados é chamado de hospedeiro, enquanto o computador no qual o usuário está é chamado de terminal remoto. 180

181 HSE (High-speed Ethernet): Ethernet com 1000mbit/seg. Protocolo de rede industrial, baseado em Ethernet comercial. Utiliza TCP/IP e UDP para comunicação no nível dos controladores, e contém todas as funções da camada fieldbus. HTTP (Hypertext Transport Protocol): Código de comunicação de computadores via Internet, padronizado para troca de dados através da Web. ICC - Integrated Circuit Card: Um smart card, cartão chip, ou carão com circuito integrado (ICC), é um cartão com circuitos integrados embutidos, que pode processar dados. Esses dados podem ser armazenados e transferidos por meio de contato com suporte fixo integrado a rede. Exemplo cartões de crédito e SIMs para telefones móveis. ILC (Iterative Learning Control): Método de manter o controle em sistemas que trabalham em modo repetitivo. Exemplos destes sistemas são braços de robôs, processos químicos em batelada e testes de confiança de torres de perfuração. Em cada um desses casos, o sistema tem que realizar a mesma ação várias vezes com alta precisão. Utilizando infprmação das repetições anteriores, a ação de controle pode ser encontrada iterativamente, podendo alcançar uma condição de controle ótima. IMS (Intelligent Manufacturing System): Sistema que incentiva a formação de consórcios de investigação internacional para abordar os desafios organizacionais e de produção industrial no século 21. Estabelece um quadro para a indústria e o meio acadêmico para a identificação de parceiros em todo o mundo e para o co-operar ao longo de todo o ciclo da inovação. Oferece ampla base de tecnologia e ensaios, garantindo a aplicabilidade geral da tecnologia desenvolvida e 181

182 proporcionando uma melhor compreensão dos mercados globais através de uma melhoria do mercado de inteligência. Internet: Rede de comunicação digital que conecta muitas outras redes. Literalmente, uma rede de redes, a Internet é global. Utiliza o protocolo HTTP como meio de comunicação entre os usuários. Internet Based Virtual Private Networks: Rede privada baseada em protocolos de Internet. Semelhante a Intranet, mas não permite acesso externo à rede. ISC (Innervated Stochastic Controller): Desenvolvido para otimizar decisões de gerência sob condições instáveis. O Innervated Stochastic Controller utiliza um algoritmo de aprendizagem para tratar multiplos dados e otimizar a tomada de decisão. Java: linguagem de programação orientada a objeto desenvolvida na década de 90 por uma equipe de programadores chefiada por James Gosling, na empresa Sun Microsystems. Diferentemente das linguagens convencionais, que são compiladas para código nativo, a linguagem Java é compilada para um bytecode que é executado por uma máquina virtual. A linguagem de programação Java é a linguagem convencional da Plataforma Java, mas não sua única linguagem. LAN (Local Area Network): LAN é a sigla inglesa da expressão Local Area Network e é uma rede de computadores que abrange uma pequena área física, como uma casa, escritório ou pequeno grupo de edifícios, tais como uma escola, ou um aeroporto. As características definidoras de LANs, em contraste com a ampla área de redes (WANs), incluem geralmente suas maiores taxas de transferência de dados, o fato de ocupar um espaço físico menor e a falta de uma necessidade de 182

183 linhas alugadas de telecomunicações. A figura 74 mostra um exemplo de LAN. Figura 74: Exemplo de LAN Fonte: Lonworks: Padrão de protocolo de rede especificamente dirigida ao desempenho e confiabilidade de aplicações de controle. A plataforma é construída em um protocolo de baixa largura de banda criado pela empresa americana Echelon Corporation na década de 90 para dispositivos de controle funcionarem sobre par trançado, transmissão de dados sobre a rede elétrica, cabo de par trançado, fibras óticas e radio freqüência. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): É a integração de elementos mecânicos, sensores, atuadores, e eletrônica em um substrato de silício comum através de uma tecnologia de micro fabricação. Enquanto os eletrônicos são fabricados utilizando circuito integrado (IC) seqüências processo (por exemplo, CMOS, Bipolar, ou BICMOS processos), os componentes micro mecânicos são fabricados utilizando processos compatíveis "micromachining" que seletivamente adicionam novas camadas estruturais para formar os dispositivos mecânicos e eletromecânicos. NCS (Networked Control System): É um sistema de controle onde o controle de loops é fechado através de uma rede em tempo real. A característica que define um NCS é que o controle e os sinais de 183

184 feedback são trocados entre os componentes do sistema, sob a forma de pacotes através de uma rede de informações. A funcionalidade de um típico NCS é estabelecida através da utilização de quatro elementos básicos: Sensores, para adquirir informações, Controladores de decisão e para fornecer comandos, Atuadores, para executar comandos de controle e Rede de comunicação, para permitir a troca de informações. A característica mais importante de um NCS é que ele se conecta ao ciberespaço, portanto, espaço físico, permitindo execução de várias tarefas de longa distância. Eles também podem ser facilmente modificados ou atualizados, adicionando sensores, atuadores e controladores para eles com um custo relativamente baixo e sem grandes alterações em sua estrutura. Além disso, com eficiente partilha de dados entre os seus controladores, NCS são capazes de fundir facilmente informação global para fazer decisões inteligentes sobre grandes espaços físicos. Neuro Fuzzy Controller: Controladores Fuzzy pertencem à classe de sistemas baseados no conhecimento. O seu principal objetivo é implementar know-how humano ou regras heurísticas sob a forma de um programa de computador. A lógica fuzzy fornece um formalismo matemático para este objetivo. A figura 73 mostra um esquema de Neuro Fuzzy Controller. Figura 75: Exemplo de Neuro Fuzzy Controller Fonte: 184

185 NMS (Network management system): Um Sistema de Gestão de Rede que é uma combinação de hardware e software usado para monitorar e administrar uma rede. Redes de elementos individuais em uma rede são geridas por um elemento do sistema de gestão. PCD (Plataformas de Coletas de Dados): As PCDs são equipamentos completamente automáticos, dispondo de sensores eletrônicos capazes de medir precipitação, pressão atmosférica, radiação solar, temperatura e umidade do ar, direção e velocidade do vento e nível de corpos de água. Os dados são coletados através dos satélites brasileiros SCD1 e SCD2, e transmitidos para o Centro de Recepção do INPE em Cuiabá - MT e Natal - RN, sendo então retransmitidos para o Centro da Missão de Coleta de dados do INPE, em Cachoeira Paulista - SP, de onde são divulgados aos usuários, via Internet: Esse sistema de aquisição de dados via satélite permite coletar informações a cada 100 minutos, estando os dados disponíveis aos usuários de 3 a 6 horas após sua coleta, com a vantagem de não necessitar de intervenção humana. PCDS (Production Control Decision Support): É um sistema desenvolvido, o qual é composto de uma freqüência de rádio de identificação de base tecnológica e um sistema de captação de dados, um modelo PCDS compreende um bi-nível genético e um processo de otimização heurística. PDA (Personal Digital Assistant): Personal Digital Assistants (PDAs ou Handhelds), ou Assistente Pessoal Digital, é um computador de dimensões reduzidas (tamanho aproximado de uma folha A6), dotado de grande capacidade computacional, cumprindo as funções de agenda e sistema informático de escritório elementar, com possibilidade de interconexão com um computador pessoal e uma rede informática sem fios (wi-fi) para acesso a correio eletrônico e internet. Os PDAs de hoje 185

186 possuem grande quantidade de memória e diversos softwares para várias áreas de interesse. Os modelos mais sofisticados possuem modem (para acesso à internet), câmera digital acoplada (para fotos e filmagens), tela colorida, rede sem fio embutida. Guardam das agendas eletrônicas somente as dimensões, pois sua utilidade e aplicabilidade estão se aproximando cada vez mais rapidamente dos computadores de mesa. Através da figura 76 é possível visualizar um PDA. Figura 76:Exemplo de PDA Fonte: PID fuzzy: Controlador PID baseado em lógica fuzzy. As vantagens desses controladores sobre os sistemas convencionais é que são mais baratos para desenvolver, cobrem grandes condições de operabilidades e podem ser programados numa linguagem mais simples. PLC (programmable logic controller) ou Controlador Lógico Programável: pode ser definido como um dispositivo de estado sólido - um Computador Industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados. PLC s estão sendo usados para controlar processos como a produção química, produção de papel, produção de aço, e processamento de alimentos. Em processos tais como estes, PLC s são usados para controlar a temperatura, pressão, mistura, concentração, e assim por diante. São usados também 186

187 controlar a posição e a velocidade em muitos tipos de processos de produção. Por exemplo, podem controlar sistemas automatizados complexos de armazenamento e de fornecimento assim como equipamentos tais como robôs e máquinas-ferramenta. PLM (Product Lifecycle Management): É o processo de gestão de todo o ciclo de vida de um produto desde a sua concepção, até o design e manufatura, para serviço e disposição. PLM integra pessoas, dados, processos e sistemas empresariais e fornece informações sobre produtos, uma espinha dorsal para as empresas. Profibus: é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN Com o Profibus, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface. PROMCALC - Software de analise matemática para mapeamento de possibilidades de decisões. Protocolo TCP: Um dos protocolos de transporte do conjunto de protocolos Inter Rede é o Transmission Control Protocol (TCP). O uso do protocolo TCP é indicado para transferências de dados. O mesmo oferece um serviço com garantia de entrega baseado em conexão. Ou seja, deve ser estabelecida uma conexão entre os elementos TCP participantes da transmissão. O TCP irá solicitar retransmissões quando necessário, realizando o controle de erros. Também será realizado o controle de fluxo normalmente o TCP colabora com a rede reduzindo sua taxa de transmissão quando são identificados problemas de congestionamento. O TCP permite a transmissão full duplex de inúmeras sessões simultâneas. 187

188 RF Wireless Interface: A RF (Radio Frequency) Wireless Interface prevê a comunicação, por freqüência de rádio, entre os controladores e outros componentes no interior do controlador ou externos ao controlador. Essas informações são gravadas e podem ser compartilhadas nessa interface através de uma rede, em especial, uma rede on-line, como a Internet. RMS (Reconfigurable Manufacturing System): É aquele desenvolvido em princípio para uma rápida mudança em sua estrutura, bem como seus componentes de hardware e software de forma a ajustar rapidamente a sua capacidade de produção e de funcionalidade dentro de um âmbito familiar em resposta a mudanças repentinas no mercado ou mudanças intrínsecas no sistema. Um esquema de um RMS é mostrado na figura 77. Figura 77: Exemplo de RMS Fonte: Journal of Intelligent Manufacturing, 2000 Rtnet: é um protocolo de rede em tempo real, é usado em Ethernet padrão e em muitos chipsets que é um conjunto de chips usado na placa mãe. Implementa UDP/IP, ICMP e ARP de uma maneira determinística. Algumas aplicações possíveis são: substituição de Fieldbus, distribuição de computação em tempo real. RTnet foi originalmente desenvolvida por Ulrich Marx em sua tese no Institute for Systems Engineering, Real-Time Systems Group, University of Hannover (Germany). SCM (Supply chain management): É a gestão de uma rede interligada de empresas envolvidas no fornecimento do produto final e pacotes de 188

189 serviços exigidos por clientes finais. Supply Chain Management abarca todos os movimentos e armazenagem de matérias-primas, trabalhos em processo de inventário, e de produtos acabados, desde o ponto de origem até a ponto de consumo. SDP (Service Discovery Protocol) ou SSDP (Simple Service Discovery Protocol): Foi um projeto expirado, desenvolvido pela Microsoft e Hewlett-Packard. SSDP é a base do protocolo universal plug-and-play. SSDP possui um mecanismo em que usuários podem utilizar serviços de rede com pouca ou nenhuma configuração. Simplebus: Sistema para gerar um sinal para unir áudio, vídeo e sinais de dados em forma comprimida e transmitir via rede. STEP-NC (Standard for the Exchange of Product - Numerical Control): Apesar do desenvolvimento que tem melhorado a arquitetura do software e das máquinas ferramentas a CNC (Computer Numeric Control), os fabricantes e usuários continuam a procura de uma infraestrutura comum para sistemas CAD, CAPP, CAM e CNC que integre e traduza o conhecimento de cada um dos estágios da cadeia. É com o propósito de prover um padrão consistente e de qualidade para a manufatura baseada em CNC, que a STEP-NC vem sido desenvolvida. Ao contrario da ISO 6983, conhecida pelos códigos G/M, a ISO não é um método de programação nem descreve os movimentos da ferramenta para uma máquina CNC. O que a ISO provê é um modelo de dados orientado a objetos para CNC, com uma estrutura detalhada de interface de dados que incorpora a programação baseada em Features, onde há uma gama de informações tais como a Feature a ser usinada, tipo de ferramentas a usar, as operações a realizar, e o plano de trabalho. Um exemplo de STEP-NC é mostrado na figura

190 Figura 78: Exemplo de STEP-NC Fonte: TCP/IP Ethernet device: Equipamento desenvolvido pela Siemens, especificamente para uso com o servidor KEPServerEXOPC, utilizado para interfaceamento entre rede Ethernet e protocolo de comunicação TCP/IP. TIPPtool: Ferramenta que nasceu a partir do projeto TIPP, e tem como objetivo criar um protocolo básico que contenha especificações funcionais e performance em um único formato de processo algébrico. UDP (User Datagram Protocol): É um protocolo simples da camada de transporte. O UDP é uma escolha adequada para fluxos de dados em tempo real, especialmente aqueles que admitem perda ou corrompimento de parte de seu conteúdo, tais como vídeos ou voz. Aplicações sensíveis a atrasos na rede, mas poucos sensíveis a perdas de pacotes, como jogos de computadores, também podem se utilizar do UDP. VMD (Virtual Manufacturing Device): Usado no controle de robôs e utilizando elementos abstratos do MMS (Manufacturing Message Specification), possui uma estrutura de dados, que permite sua utilização em arquiteturas de controle de robôs. 190

191 WAN (Wide Area Network): A Wide Area Network (WAN), rede de área alargada ou rede de longa distância, também conhecida como rede geograficamente distribuída, é uma rede de computadores que abrange uma grande área geográfica, com freqüência de um país ou continente. Difere, assim, da LAN. Watchdog Timer: É um dispositivo eletrônico temporizador que dispara um reset ao sistema se o programa principal falhar, devido a alguma condição de erro, tais como hang. WATM (Wireless ATM): Wireless ATM é uma tecnologia emergente que combina a rede multi-serviços, capacidades multimídia de ATM com mobilidade do usuário e livre acesso. O usuário final e os requisitos de operação para Wireless ATM indicam que devem ser integrados com redes fixas ATM. Wireless ATM é, sobretudo considerada como uma questão de "Acesso a uma rede ATM". Dependendo sobre que tipo de rede ATM está para ser acessada, diferentes aspectos de rede sem fio precisam ser abordados. WiMAX (Worlwide Interoperability for Microwave Acess): é uma tecnologia padronizada de rede sem fio que permite substituir as tecnologias de acesso de banda larga por cabo e ADSL.O WiMAX permite a comunicação fixa entre um ou mais pontos, comunicação portátil e, eventualmente, comunicação móvel sem fio sem a necessidade de visada direta com a estação base. WMN (Wireless Mesh Network): Em uma malha WMN, não só cada extremidade nó pode transmitir a sua própria informação (ou seja, informações recolhidas a partir de seu próprio sensor), mas também pode transmitir informação gerada a partir de outros nós. Em WMNs, os nós são compostos de malha de roteadores e malha clientes. Cada nó funciona não só como um anfitrião, mas também como um roteador, encaminhando pacotes em nome de outros nós que podem não estar diretamente dentro da transmissão sem fio na gama dos seus destinos. Um WMN é dinamicamente auto-organizado e auto-configurado, com 191

192 nós na rede automaticamente, que institui a manutenção da malha e a conectividade entre si. Este característica traz muitas vantagens, tais como a WMNs up-front baixo custo, fácil manutenção da rede, robustez e serviço de cobertura. WSN (Wireless Sensor Network): É constituído por uma rede sem fio autônoma espacialmente distribuída utilizando dispositivos de sensores para monitorar cooperativamente condições físicas ou ambientais, como temperatura, som, vibração, pressão, movimento ou poluentes, em locais diferentes. Redes de sensores sem fios são hoje usados em muitas áreas de aplicação industrial e civil, incluindo a vigilância e controle de processos industriais, máquinas, saúde, meio ambiente e monitoramento do habitat. A figura 79 exemplifica uma WSN. Figura 79: Exemplo de WSN Fonte: Adi Mallikarjuna Reddy V 192

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