Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia de Computação e Automação Introdução à Automação Industrial

Transcrição

1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia de Computação e Automação Introdução à Automação Industrial Heitor Medeiros Florencio

2 Introdução O que é automação? O que é automação industrial? Qual a diferença entre mecanização e automação? É sempre vantajoso automatizar um sistema?

3 Automação Automação é um sistema, baseados em máquinas mecânicas, pneumáticas, hidráulicas, elétricas ou eletrônicas, que controla seu próprio funcionamento sem a intervenção do homem em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos. Automação comercial Otimizar processos comerciais. Automação residencial Otimizar processos residenciais. Automação industrial Otimizar plantas/processos industriais.

4 Mecanização x Automação A mecanização consiste no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo o esforço físico do homem. A automação possibilita controlar um processo por meio de máquinas de forma automática (sem a intervenção do homem), capazes de se auto regularem. A supervisão do homem torna-se uma tarefa essencial nesses sistemas.

5 Controle Manual x Automático Controle Manual Controle Automático Tarefas do operador: Medição; Tomada de decisão; Atuação. Tarefas do operador: Indicar referência; Supervisionar.

6 Automação Industrial Automação Industrial: Automatizar plantas/processos industriais. Evita esforços manuais e/ou repetitivos do homem; Afasta o homem de lugares e operações perigosas; Permite fabricação com alto nível de qualidade; Processo industrial: Realização de procedimentos utilizando energia e matérias primas para obtenção do produto final.

7 Planta Industrial Conjunto formado por área física, prédios, equipamentos e processos envolvidos na obtenção do produto final.

8 Planta Industrial Exemplo: Refino de petróleo.

9 Mercado de Automação Industrial: Indústrias Óleo e Gás Petroquímica Mineração Alimentícia/Farmacêutica Manufatura

10 Classificação das Indústrias Indústria Extrativa Serviços Transformação Minerais e vegetais Eletricidade Comunicações Transporte Indústria de Processamento Indústria de Manufatura

11 Classificação das Indústrias Indústria de Processamento: Processamento de matérias primas e/ou insumos intermediários. Ex.: Siderúrgicas, Metalúrgicas, Vidro, Papel, Química, Farmacêutica, Açúcar e Álcool, Petróleo, etc. Indústria de Manufatura: Processamento de insumos intermediários visando a obtenção do produto final. Produção de itens discretos. Ex.: Mecânica, Automobilística, Têxtil, etc.

12 Classificação das Indústrias Automação Industrial Controle de Processos Automação de Manufatura Indústrias de Processamento Indústrias de Manufatura Automação de Manufatura Automação Rígida Automação Programável Automação Flexível

13 Caso: Automação em Petroquímica Principais objetivos da automação industrial nas unidades de produção: Operar as unidades de produção com mais segurança e eficiência; Diminuir os ricos de acidentes na operação de equipamentos; Concentrar as informações necessárias a operação da unidade; Diminuir o custo operacional. As unidades de produção são divididos em diversos sistemas de automação.

14 Caso: Automação em Unidades de Produção Sistema de Controle Execução de malhas de controle e a indicação das variáveis de processos (pressão, nível, temperatura, vazão, etc). Controle da produção na unidade/plataforma. Ex.: Processos de destilação precisam que a substância (petróleo bruto) esteja em uma certa temperatura (cerca de 600 ºC). Assim, torna-se necessário o controle de temperatura de um forno industrial para aquecer a substância.

15 Caso: Automação em Unidades de Produção Sistemas de Medição Além da necessidade de monitorar a produção, a agência reguladora (ANP) exige implantação de sistema de medição da totalização das vazões de óleo e gás. Configuração de medidores/transmissores. Geração de relatórios de totalização de vazões. Supervisão. Ex.: Refinaria Clara Camarão produz Gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de cozinha, e precisa de um sistemas de medição de vazão do produto (gás) para os gasodutos.

16 Caso: Automação em Unidades de Produção Sistemas de Intertravamento de Segurança O objetivo é garantir a integridade das pessoas, dos equipamentos e preservação do meio ambiente nos ambientes de produção. Composto por chaves de processo (pressão, temperatura, nível, vazão, etc), transmissores, válvulas de bloqueio e de despressurização e indicadores. No caso de uma falha de equipamento ou de uma malha de controle, as chaves de processos detectam a anormalidade e o intertravamento provoca a parada dos equipamentos, o fechamento das válvulas de bloqueio e a abertura das válvulas de despressurização. Válvulas Controle Intertravamento Chaves; Transmissores

17 Caso: Automação em Unidades de Produção Sistema de Fogo&Gás Responsável pela detecção de vazamentos de gás combustível, detecção e combate automáticos a incêndios na unidade. A unidade é dividida em zonas de detecção. Os sinais de sensores de gás combustível e de fogo são analisados para verificar a existência de incêndio e qual a zona do incêndio. Sensores de gás combustível: Normalmente, do tipo Infravermelho (IR) com sinal de 0 a 20 ma (0~4 representa falha). Sensores de fogo: Normalmente, conjunto de sensores IR e ultravioleta (UV).

18 Caso: Automação em Unidades de Produção Sistema de Controle Sistemas de Medição Sensoriamento: Automação/Controle: Acionamento: Sensoriamento: Automação/Controle: Sistemas de Intertravamento de Segurança Sistema de Fogo&Gás Sensor de temperatura. Controlador. Válvula de gás e de óleo (forno). Medidores de vazão. Monitoramento e relatórios. Sensoriamento: Chaves e transmissores. Automação/Controle: Controle do intertravamento. Acionamento: Válvulas de bloqueio e de despressurização. Sensoriamento: Automação/Controle: Acionamento: Sensores de gás e de combustível. Controlador. Atuadores contra incêndio.

19 Sistemas Automáticos Interface Homem-Máquina Controle e Processamento Sensores Atuadores Condicionadores Processo

20 Elementos dos Sistemas de Automação

21 Sensores Um sensor é um transdutor, dispositivo que converte uma variável física medida (pressão, posição, temperatura, estado, etc) em outra grandeza elétrica (tensão, corrente, etc). Estímulo Sensor Grandeza elétrica Mecânico Posição, velocidade, força, pressão, densidade... Elétrico Voltagem, corrente, resistência, capacitância... Térmico Temperatura, calor, condutividade térmica... Radiação Tipo de radiação, intensidade... Magnético Químico Campo magnético, fluxo, Concentração, níveis de ph, poluentes

22 Classificação de Sensores Classificados de acordo com a saída. Sensor analógico: produz uma saída analógica que varia de acordo com a variável medida. Sensor discreto: produz uma saída digital ( 0 ou 1 ). Sensor de contato mecânico. Sensor sem contato (sensor de proximidade). Classificação de acordo com a alimentação: Sensor ativo: responde ao estímulo sem a necessidade de energia externa. Sensor passivo: requer uma fonte externa.

23 Exemplos de Sensores Analógicos Manômetro Sensor de nível ultrassônico Termopar Placa de orifício (sensor de vazão) Termoresistência

24 Exemplos de Sensores Discretos Pressostato Sensor de proximidade capacitivo Sensor de proximidade indutivo Chave fim de curso NF Chave seletora Chave botão

25 Atuadores Elemento final na malha de controle que converte um sinal de comando do controlador em uma mudança no parâmetro físico ( exerce ação no processo). Classificação: Atuadores elétricos Motores elétricos Solenoides Atuadores pneumáticos Cilindros Atuadores hidráulicos Cilindros

26 Outros dispositivos Dispositivos de proteção para motores: Fusíveis Relé térmico Disjuntores Motores Conversores de sinais. Controladores de tensão de partida de motores (Soft-Starter). Controladores de velocidade de motores (Inversores de frequência).

27 Processamento e Controle Toda a lógica do sistema automatizado é implementada na máquina que controla do sistema (controlador). Sistemas de monitoramento também precisam do controlador para receber os dados a serem monitorados. Inicialmente, a automação era baseada na tecnologia Pneumática e Hidráulica. Lógica/Procedimento implementado com válvulas e cilindros pneumáticos/hidráulicos. O ar comprimido controlava o sistema. Existia a intervenção do homem em componentes puramente mecânicos (botões).

28 Automação Pneumática

29 Lógica de Controle a Relé Com o surgimento do Relé (chave eletromecânica), os controles automáticos eram implementados baseados na lógica a relé. Diagramas elétricos ainda são Baseados na lógica a relés.

30 Dispositivos para o Controle Automático Com o advento dos dispositivos microprocessados, vieram os Controladores Lógicos Programáveis (CLP), onde a forma básica de programação é oriunda da lógica a relés. CLP é um computador que realiza uma rotina cíclica de operação baseada nas instruções armazenadas na memória.

31 Dispositivos para o Controle Automático Além do CLP, surgiram outras máquinas microprocessadas com o intuito de facilitar a implantação do controle automático: Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD); PAC (Controlador Programável de Automação); Máquinas de controle numérico: CNC (Comando Numérico Computadorizado). Máquinas de manipulação (Robôs).

32 Evolução da Automação Evolução da automação baseado na modernização das controladores: Tecnologias: Eletrônica Mecânica Pneumática/ Hidráulica Elétrica Eletropneumático Eletrohidráulico Eletromecânico CLP SDCD... Relé

33 Caso: Unidades de Produção de 1ª Geração A automação era composta por chaves de processo instaladas no campo (chaves de pressão, posição de válvulas, etc), que eram interligadas aos painéis de alarme localizados na sala de controle central. Os painéis eram implementados via relês e dispositivos de lógica fixa, que tratavam os sinais recebidos do campo e faziam a indicação em numerosas unidades de alarme localizados na sala de controle. As malhas de controle eram realizadas por controladores pneumáticos instalados no campo. O Intertravamento de Segurança também era baseado em relés e dispositivos de lógica fixa.

34 Caso: Unidades de Produção de 2ª Geração A evolução aconteceu nas áreas de controle, com a utilização de controladores lógicos multi-malha e transmissores eletrônicos que disponibilizavam as informações na sala de controle de uma maneira mais amigável ao operador. A utilização de Controladores Lógicos Programáveis para intertravamento e segurança aumentou a confiabilidade e a segurança das plataformas e facilitando alterações de lógicas de intertravamento.

35 Evolução dos Sistemas Automatizados Controle e Supervisão Instrumentos de campo Deficiências: A supervisão é centralizado no local de alocação dos controladores da unidade. Gestão da unidade pouco otimização devido a homogeneidade do controle e supervisão. Ausência da gerencia corporativa no sistema.

36 Pirâmide Organizacional de Sistemas de Automação Industrial

37 Pirâmide de Automação Industrial Nível 5: Gerenciamento Corporativo Nível 4: Gerenciamento da Planta Nível 3: Supervisão Nível 2: Controle e Supervisão Nível 1: Medição e Atuação

38 Pirâmide de Automação Industrial A pirâmide de Automação Nível 1: é o nível das máquinas, dispositivos (sensores e atuadores) e componentes. Nível 2: é o nível de controladores. Apresenta algum tipo de supervisão associada ao processo com concentradores de informação sobre o nível 1 com capacidade limitada de armazenamento e interfaces Homem-máquina (IHM). Nível 3: permite a supervisão e o controle do processo produtivo da planta industrial. Possui banco de dados com informações de índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade e algoritmos de otimização da operação produtiva. Nível 4: é o nível responsável pela programação e planejamento da produção, realizando o controle e a logística de suprimentos. Nível 5: é o nível de administração de recursos da empresa, onde estão os programas de gestão de vendas e financeira.

39 Pirâmide de Automação de Manufatura Nível Automação de processos contínuos 5 Nível corporativo: gerência de informações, gerência estratégica Automação de manufatura Nível corporativo: gerência de informações, gerência estratégico 4 Nível de fábrica: gerência de unidades, monitoramento de equipamentos 3 Nível de supervisório: supervisão de unidades e malhas de controle 2 Nível de controle: controle de malhas 1 Nível de dispositivos: sensores e atuadores para operação das malhas de controle Nível de fábrica ou produção: gerência de unidades, monitoramento de equipamentos, roteamento de peças pelas máquinas Nível de células de manufatura: supervisão, controle de células de manufatura para garantir sincronização na produção Nível de máquina: máquinas de produção e estações de trabalho para produção de peças Nível de dispositivos: sensores e atuadores para completar as ações de controle de máquinas

40 Conexão os níveis da Automação Industrial Em uma planta industrial os níveis hierárquicos podem estar em um mesmo ambiente físico ou em vários simultaneamente. NÍVEIS 4 E 5 COMUNICAÇÃO NÍVEL 3 NÍVEIS 1 E 2 NÍVEL 3 Como implantar a comunicação entre os diversos níveis???

41 Transmissão de Dados na Automação Formas de transmissão de acordo com o tipo de energia: Transmissão pneumática (3-15 PSI). Transmissão hidráulica. Transmissão elétrica (4-20 ma, 1-5 Vcc). Transmissão digital. Protocolos de comunicação de dados em ambientes de Automação Industrial: Redes Industriais. Responsáveis por intercomunicar os equipamentos de um mesmo nível e de diferentes níveis.

42 Pirâmide de Automação Industrial Nível 5: Gerenciamento Corporativo Nível 4: Gerenciamento da Planta Nível 3: Supervisão Nível 2: Controle e Supervisão Nível 1: Medição e Atuação

43 Redes Industriais Existem protocolos específicos para a indústria devido a instabilidade do cenário industrial. Ambiente hostil: Altas perturbações eletromagnéticas Elevadas temperaturas Áreas classificadas Permite o tráfego de informações de dados de processo, de gerência da rede e de diagnóstico dos dispositivos.

44 Exemplos de Protocolos

45 Supervisão Como supervisionar? O que supervisionar? Como visualizar os principais fatores da planta?

46 SCADA Antes dos sistemas supervisórios: Operadores acompanhavam os parâmetros da máquina por mostradores locais. Depois dos sistemas supervisórios: Operadores acompanham a operação das máquinas da unidade através de computadores tradicionais, dispositivos móveis e IHM (Interfaces homem-máquina). SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): Sistema de supervisão de processos industriais que coleta dados do processo por meio de remotas industriais, principalmente CLPs, formata esses dados, e os apresenta ao operador em uma tela de computador.

47 Ferramentas de Supervisão

48 Caso: Modernização das Unidades de Produção Ganhos obtidos com a Modernização dos Sistemas de Automação nas unidades de produção: Centralização das ações de supervisão e controle na Sala de Controle Central; Aumento da confiabilidade e disponibilidade das Unidades de Produção, pela implantação de instrumentos inteligentes, com menor índice de falhas e maior nível de diagnóstico; Interface de operação mais amigável, permitindo a emissão de diversos relatórios gerenciais e operacionais; Disponibilização em tempo real das informações operacionais para os sistemas corporativos ;

49 Indústria 4.0??

50 Referências DE MORAES, Cícero Couto; DE LAURO CASTRUCCI, Plínio. Engenharia de automação industrial. Grupo Gen-LTC, GROOVER, Mikell P. Automação industrial e sistemas de manufatura. Pearson Education do Brasil, 2011.

51 Referências Brandão, Dennis. Automação industrial. Escola de Engenharia de São Carlos, USP. Notas de aula. Duarte, Fábio G. M.; Chiesse, Alcio R.; Filho, Álvaro M. B.; Santos, Cláudio A. dos. Curso de PLC e automação industrial para operadores. Petrobras. Notas de aula.