Introdução à Engenharia de Controle e Automação

Transcrição

1 Introdução à Engenharia de Controle e Automação Bruno Henrique Groenner Barbosa brunohb@deg.ufla.br DEG - UFLA

2 Minha Formação Graduação em Engenharia de Controle e Automação (2003) UFMG Vestibular 1997, o primeiro do curso de C&A Monografia Final de Curso: Cálculo das perdas de temperatura na aciaria da usina Belgo Mineira de João Monlevade (Arcelor)

3 Minha Formação

4 Minha Formação Mestrado em Engenharia Elétrica (2006) - UFMG Área: Sinais e Sistemas Grupo MACSIN: Modelagem, Análise e Controle de Sistemas Não-lineares Instrumentação, Modelagem, Controle e Supervisão de um Sistema de Bombeamento de Água e Módulo Turbina-Gerador

5 Minha Formação

6 Minha Formação

7 Minha Formação

8 Minha Formação Doutorado em Engenharia Elétrica (2009) - UFMG Área: Sinais e Sistemas / Inteligência Artificial Computação Evolucionária e Máquinas de Comitê na Identificação de Sistemas Dinâmicos Não- Lineares Estágio de doutoramento na UNSW, Canberra, Austrália, durante o ano de 2008: Grupo ALAR (Artificial Life and Adaptive Robotics)

9 Experiência Acadêmica e Profissional Iniciação Científica ( ) Sincronismo de Osciladores Caóticos: estudo, projeto e construção de circuitos Estágio Curricular ( ) Usina Belgo Mineira em João Monlevade Estágio em Docência UFMG (2006) Disciplina: Instrumentação Industrial Professor Substituto UFMG ( ) Disciplinas: Laboratório de Controle e Automação I, Laboratório de Controle e Automação II, Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital e Estágio Supervisionado

10 A Engenharia Arte de aplicar conhecimentos científicos e empíricos e certas habilitações específicas à criação de estruturas, dispositivos e processos que se utilizam para converter recursos naturais em formas adequadas ao atendimento das necessidades humanas Fonte: Dicionário Aurélio

11 A Engenharia O mundo sem engenheiros (

12 A Engenharia O mundo sem engenheiros:

18 A Engenharia Teoria x Prática Uma base teórica sólida permite entender bem as coisas práticas e ajuda no desenvolvimento de novas idéias e produtos. É do conhecimento que surgem as idéias para projetos inovadores que servirão de benefício prático para a sociedade.

19 A Engenharia

20 A Engenharia Resolvedores de problemas. Procuram as melhores formas, mais rápidas e menos dispendiosas de utilizar matérias primas e forças da Natureza para responder a desafios. Não só considerações técnicas, mas também ambientais, sociais e financeiras.

21 A Engenharia Sucesso profissional do engenheiro moderno: não está relacionado apenas com as notas na graduação não está muito relacionado com os títulos de pós-graduação adquiridos fortemente relacionado com fatores pessoais: honestidade, força de vontade, caráter, iniciativa, entusiasmo, motivação, capacidade de comunicação, metodologia de solução de problemas, aptidão para o gerenciamento e para o trabalho em equipe

22 A Engenharia Foco na transformação de produtos e materiais física, química, matemática (aço) biologia (eng. genética) Foco nos processos e serviços: informação informática (processamento de dados) sistemas de gerenciamento aumentar a produtividade (aumento da disponibilidade ou diminuição do custo)

23 A Engenharia Anteriormente era possível dividir os engenheiros em cinco grupos: os que trabalhavam com estruturas os que trabalhavam com transformação de materiais os que trabalhavam com fluxo de potência os que trabalhavam com o processamento de sinais e dados os que trabalhavam na interface desses grupos, preocupados com o controle do comportamento da máquina a partir do fluxo de informações ou com a instrumentação necessária (sensores, atuadores, protocolos)

24 A Engenharia Com o uso de tecnologias avançadas de controle e de fluxo de informação em todos os grupos, surge a necessidade de implantação dos cursos de controle e automação Consequência: versatilidade trabalho em equipes multidisciplinares: engenheiros, administradores, economistas, advogados, etc.

25 A Engenharia de Controle e Automação Engenharia de que? Qual é o produto ou processo? objeto abstrato! Conhecimento eclético Por ser uma engenharia de base tecnológica, devemos estar sempre atualizados (pensem na informática) Os conceitos teóricos pouco mudam

26 A Engenharia de Controle e Automação Envolve os cursos: Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica e Ciência da Computação

27 A Engenharia de Controle e Automação Controle: Ramo do conhecimento que estuda maneiras sistemáticas de descrever sistemas e de sintetizar ações tais que esses sistemas se comportem de maneira previamente determinada Fonte: Enciclopédia da Automática

28 A Engenharia de Controle e Automação Automação: Estuda maneiras de implementar e de realizar ações para tornar um sistema ou processo automático, sendo que tais ações podem, ou não, ter tido sua origem na área de controle Fonte: Enciclopédia da Automática

29 A Engenharia de Controle e Automação Atividades: concepção, especificação, configuração e instalação de sistemas automatizados avaliação de desempenho e otimização de sistemas automatizados em operação integração de sistemas automatizados isolados (ilha de automação) concebendo uma automação completa desde os sistemas de produção até os sistemas de gestão empresarial da empresa

30 A Engenharia de Controle e Automação Atividades (cont): desenvolver produtos, serviços e software para controle e automação análise de segurança e manutenção dos sistemas de controle e automação gerenciamento dos sistemas produtivos e das informações

31 A Engenharia de Controle e Automação Principais ramos da indústria que empregam técnicas de automação e controle: controle de processos industriais: química e petroquímica, papel e celulose, farmacêutica, siderúrgica e metalúrgica, mineração e cimento, tratamento de água e efluentes, nuclear controle de sistemas elétricos: geração e distribuição de energia elétrica, motores e geradores controle embarcado: aviões, foguetes e mísseis, automóveis, trens e metrôs, navios e submarinos automação da manufatura e robótica: montadoras de automóveis automação predial: automação de prédios, shopping centers, hospitais

32 A Engenharia de Controle e Automação Quando surgiu a Eng. de Controle e Automação? Cursos: Mecatrônica USP: Engenharia Mecânica Habilitação Automação e Sistemas Engenharia de Controle e Automação (UFSC, 1988) Ênfases em controle da Engenharia Elétrica Ênfases em controle e automação de outras engenharias (Química e Computação)

33 A Engenharia de Controle e Automação Cursos: As formações oferecidas por esses cursos não são homogêneas PUC-MG: Mecatrônica x Controle e Automação O profissional formado em Controle e Automação normalmente possui formação mais ampla, menos dependente das outras engenharias

34 A Engenharia de Controle e Automação Cursos: Quantos cursos de Controle e Automação existem hoje no Brasil? Em 1996 eram 8 e em 2005 eram 60 segundo a Enciclopédia de Automática. Hoje já são mais de 100! Estamos dominando o mundo...

35 A Engenharia de Controle e Automação

36 A Engenharia de Controle e Automação Conselho Nacional de Educação (CNE): Diretrizes Curriculares Nacionais do Curso de Graduação em Engenharia (Resolução). Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia (CONFEA) Discrimina em 1999 as atividades profissionais do Eng. de Controle e Automação (Resolução) MEC 1994: Controle e Automação como habilitação específica, com origem na Elétrica e Mecânica: Controle de processos, sistemas industriais, instrumentação e informática industrial, administração de sistemas de produção e integração e avaliação de sistemas

37 A Engenharia de Controle e Automação Participação importante da SBA (Sociedade Brasileira de Automática) criada em 1975 com o objetivo de promover a ciência e tecnologia do controle automático Enciclopédia de Automática Revista Controle e Automação Inscrevam-se! ENECA

38 A Engenharia de Controle e Automação Discussão da lista da SBA: Quantos nomes de cursos de engenharia existem no Brasil? MEC planeja mudar nome de diversos cursos de engenharia (2009): de um total de 258 nomes para 22! nomenclatura_mec.pdf

39 A Engenharia de Controle e Automação Discussão da lista da SBA: MEC planeja mudar nome de diversos cursos de engenharia Resposta do primeiro presidente e fundador da SBA: SBA-MEC-2009.pdf

40 A Engenharia de Controle e Automação Exercício: Baixar e ler o artigo: Pena, R. T., Jota, F. G. e Seixas Filho, C. A New Undergraduate Degree in Control Engineering. IEEE Transactions on Education, vol. 44, no. 4, pp , Encontrar o artigo no Portal da Capes

41 A Engenharia de Controle e Automação Exercício:

42 A Engenharia de Controle e Automação Exercício:

43 Controle Processo: dispositivo ou uma transformação que se deseja controlar

44 Controle Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo Para que controlamos um processo? Controle de velocidade CD-Player Temperatura do forno a gás Pressão e temperatura do corpo Desempenho, estabilidade, comportamento desejado

45 Controle Para controlar um processo é necessário conhecer o processo Modelos matemáticos Perguntas frequentes: O que controlar? Qual é o objetivo do controle? Como controlar?

46 Controle Para controlar é necessário conhecer o processo

47 Controle Monitoração: elementos sensores responsáveis pela leitura do estado em que o processo se encontra existem sensores de presença, de nível, de pressão, de temperatura, de umidade, etc

48 Controle Monitoração: elementos sensores

54 Controle Atuação: atuadores elementos que atuam sobre uma grandeza física do processo, atendendo a comandos que podem ser manuais ou automáticos

55 Controle Atuadores

58 Controle Controlador: componente que une o resultado da leitura dos elementos sensores com os objetivos de controle e manipulam os elementos atuadores, implementando alguma lógica de controle

59 Controle Controlador:

60 Controle Sistema biológico x Sistema Mecatrônico

61 Controle Controle manual:

62 Controle Termos: Variável controlada: a grandeza do sistema de interesse a ser medida e mantida em um valor desejado Variável manipulada: a grandeza ou condição alterada de modo a permitir que a variável controlada seja afetada Setpoint (valor de referência): o valor desejado para a variável controlada

63 Controle Controle em malha-aberta

64 Controle Controle em malha-aberta

65 Controle Controle em malha-fechada

66 Controle Controle em malha-fechada

67 Controle em Malha Fechada O desempenho de um sistema é analisado em duas etapas: Transiente Estado estacionário

68 Controle em Malha Fechada Em determinados sistemas, a utilização de controlador, malha fechada, é necessária para satisfazer alguns critérios de controle: Rejeição à perturbação Erro em estado estacionário Resposta transiente Sensibilidade à mudança de parâmetros da planta

69 Controle em Malha Fechada A implantação de um sistema de controle geralmente envolve : 1. Escolha dos sensores para medir os sinais de retroalimentação 2. Escolha dos atuadores 3. Obter modelos da planta, sensores e atuadores 4. Implementar o controlador baseado nos modelos e nos critérios de controle 5. Avaliar o desempenho do controle, por simulação e finalmente no sistema físico 6. Repetir esse procedimento de modo a obter uma resposta do sistema físico satisfatória

70 Estabilidade Um sistema é estável se, para qualquer entrada limitada, a sua saída é também limitada Ponte sobre o desfiladeiro de Tacoma: Em 7 de novembro de 1940, aproximadamente às 11 horas, a ponte sobre o desfiladeiro de Tacoma começa a entrar em colapso, em função de vibrações geradas por ventos, que não eram fortes. A ponte havia sido aberta para o tráfego há apenas alguns meses. Tacoma

71 Ações de Controle Controle on-off Ação proporcional Ação integral Ação derivativa

72 Ações de Controle Controle on-off: u(t) ={ U1 se e(t) > 0 U2 se e(t) < 0

73 Ações de Controle Controle on-off Problema no zero (ruídos): solução histerese na lógica de controle Problema de oscilações:chaveamento mais rápido (vida útil de equipamentos)

74 Ações de Controle Ação Proporcional: Ação Integral (anular erro estado estacionário): Ação Derivativa (preditiva):

75 Controlador PID Dentre os controladores, o mais conhecido e utilizado é o PID (proporcional, integral e derivativo):

76 Sistemas de Controle Tipos de Controle Controle analógico Controle digital

77 Controlador PID PID analógico:

78 Controlador PID PID digital (rotina): 1. P(k) = Kp E(k) 2. I(k) = I(k-1) + Ts (E(k) + E(k-1)) / (2 Ti) 3. D(k) = Td (E(k) E(k-1)) / Ts 4. U(k) = P(k) + I(k) + D(k)

79 Controle Estabilidade operacional, segurança operacional e pessoal

80 Controle Adaptação à perturbações externas

81 Controle Exemplos:

82 Controle Exemplos: Segway (Pêndulo Invertido):

83 Controle Exemplos:

84 Controle Exemplos

85 Controle Exemplos

86 Controle Sistema de Bombeamento Variável controlada Variável manipulada Setpoint

87 Controle Sistema de Bombeamento Como controlar? Instrumentação Sensores, atuadores, controlador

88 Controle Sistema de Bombeamento:Instrumentação

89 Controle Sistema de Bombeamento: Instrumentação

95 Controle Sistema de Bombeamento: Instrumentação Bancada PC

96 Tela Sinóptico

97 Tela Controle

98 Tela Gráficos

99 Controle Sistema de Bombeamento Malha Aberta Malha Fechada

100 Atividade Projetar um sistema de controle automático: Controle dinâmico em malha-fechada Objetivo de controle Justificativa para usar malha-fechada O que se espera do sistema de controle, por exemplo, erro aceitável. Instrumentação (sensores e atuadores) Variável manipulada, controlada, setpoint... O que será avaliado? Coerência (realmente representa um sistema em malha fechada) Criatividade Complexidade Apresentação na sala Qual a pontuação? 33 pontos Para quando? Daqui a duas semanas deverás ser entregue a parte escrita e feita uma apresentação de 5 minutos por grupo -todos os integrantes do grupo deverão falar!

101 Automação Sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção, da redução dos custos e de uma maior flexibilidade. Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo.

102 Automação Um dos primeiros sistemas automáticos que se tem notícia: Sistema automático de abertura de portões Heron de Alexandria (10-70 DC)

103 Automação Substituir o homem em tarefas de máquinas

104 Automação Substituir o homem em tarefas de máquinas

105 Automação Substituir o homem em tarefas de máquinas Causa desemprego? Segurança?

108 Automação Substituir o homem em tarefas de máquinas Causa desemprego? Segurança? Qualidade? Desperdício?

109 Automação

110 Automação Robótica Séc. XXI Séc. XVIII

111 Automação Envolve a implantação de sistemas interligados, assistidos por redes de comunicação Sistemas supervisórios e interfaces homemmáquina Auxilia a monitoração e análise dos problemas Possibilita a expansão e controle do processo

112 Automação Controle: Sistemas Dinâmicos Acionados por Descritos por Nomes Tempo Equações diferenciais Contínuos no tempo Equações de diferença Discretos no tempo Eventos Álgebra de Boole, autômatos e programas computacionais A eventos discretos

113 Automação Sistemas dinâmicos convencionais Pressão da água no sistema de bombeamento no tempo Sistemas dinâmicos a eventos discretos Eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos Assumem valores num conjunto enumerável Alterações instantâneas Exemplo: regras de causa efeito

114 Automação Controle dinâmico Realimentação negativa (malha-fechada) Controle preditivo, baseado em modelos, nãolinear, adaptativo, robusto, etc Controle de eventos ou Controle lógico Por meio de circuitos Variáveis binárias

115 Automação Controle lógico: exemplo Partida de um processo de trocador de calor.

116 Automação Controle lógico: exemplo Partida de um processo de trocador de calor. Especificações: Quando o operador apertar o botão Start, o controlador lógico deve: a) Verificar se existe pressão Pv > Pmin, no gerador de vapor e se existe nível no reservatório de líquido frio Hf > Hmin b) Em caso afirmativo, energizar a bomba Bf que movimenta o líquido frio c) Confirmada vazão de líquido Vf > Vmin, acionar a válvula FIC que comanda o vapor pelo sinal C d) Em qualquer momento, ocorrendo Pv < Pmin ou Hf < Hmin ou Vf < Vmin ou To > Tmax, caracteriza-se uma emergência E: o sinal de comando da válvula FIC de vapor deve ser zerado, para interromper o fluxo de vapor, e a Bomba Bf deve ser desenergizada

117 Automação Controle lógico: exemplo Partida de um processo de trocador de calor. Notação: P = 1 se Pv > Pmin H = 1 se Hf > Hmin V = 1 se Vf > Vmin T = 1 se To > Tmax B = 1 se Bf energizada P = 0 se Pv < Pmin H = 0 se Hf < Hmin V = 0 se Vf < Vmin T = 0 se To< Tmax B = 0 se Bf não energizada

118 Automação Controle lógico: exemplo Partida de um processo de trocador de calor.

119 Automação Controle lógico: exemplo

120 Automação O CLP (Controlador Lógico Programável): Dispositivo digital que controla máquinas e processos Início em 1968 com objetivo de substituir os painéis de relés Vantagens: Flexibibilidade Confiabilidade Ocupam menos espaço Programáveis por PCs Fácil manutenção Controle lógico e dinâmico Funções avançadas

121 CLPs Relés:

122 CLPs Evolução:

123 CLPs Arquitetura: Fonte de alimentação CPU: responsável pela execução do programa, atualização da memória de dados e memória imagem das entradas e saídas Memórias de usuário e de dados

124 CLPs Estrutura fixa ou modular:

125 CLPs Módulos de Saída

126 CLPs Módulos de Saída

127 CLPs Módulos de Entrada

128 CLPs Módulos de Entrada

129 CLPs Ciclos de Operação Processamento Cíclico 1. Varredura das entradas 2. Varredura do programa e execução do Programa 3. Atualização da Memória Imagem de Saída e Saída 4. Comunicação 5. Housekeeping

130 CLPs Linguagens de Programação de CLPs

131 CLPs Linguagens de Programação de CLPs Texto estruturado Linguagem com bases em Pascal e C Contém elementos essenciais de uma linguagem moderna, como as estruturas condicionais (IF-THEN-ELSE e CASE OF) e iterações (FOR, WHILE e REPEAT)

132 CLPs Linguagens de Programação de CLPs Lista de Instruções Semelhante ao Assembler

133 CLPs Linguagens de Programação de CLPs Blocos Funcionais

134 CLPs Linguagens de Programação de CLPs Ladder (diagrama de contatos) Baseada na representação gráfica da lógica dos relés

135 CLPs Linguagens de Programação de CLPs Ladder (diagrama de contatos)

136 CLPs Linguagens de Programação de CLPs SFC Exemplos

137 Automação A automação rompeu as fronteiras do chão de fábrica Buscou fronteiras mais amplas, abrangendo a automação do negócio ao invés da simples automação dos processos e equipamentos

138 Automação Tarefas: Definir diagramas lógicos de sistemas de controle Definir a instrumentação necessária Definir a arquitetura das redes de chão-defábrica, incluindo rede de instrumentos, rede de sensores e atuadores Executar a sintonia das malhas de controle Consumo de energia e insumos Estoques de produtos intermediários e finais Negócio da empresa Otimização de toda a cadeia produtiva

139 Automação A Pirâmide da Automação Antes Depois

140 Automação A Pirâmide da Automação

141 Automação Redes e Arquiteturas

144 Redes de Automação Redes e Arquiteturas

145 Redes de Automação

146 A Evolução da Automação Algumas malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino)

147 A Evolução da Automação Várias malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino)

148 A Evolução da Automação As salas de controle Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino)

149 A Evolução da Automação Dezenas de malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino)

150 A Evolução da Automação Centenas de Malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino)

151 A Evolução da Automação Painel de operação em 1980 s

154 A Evolução da Automação Painel de operação recente