Automação Industrial Profº Túlio de Almeida

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1 1. INTRODUÇÃO 1.1. BREVE HISTÓRICO DA COMPUTAÇÃO A Lógica e a Matemática A lógica matemática (ou lógica formal) estuda a lógica segundo a sua estrutura ou forma. A lógica matemática consiste em um sistema dedutivo de enunciados que tem como objetivo criar um grupo de leis e regras para determinar a validade dos raciocínios. Assim, um raciocínio é considerado válido se é possível alcançar uma conclusão verdadeira a partir de premissas verdadeiras. Partindo deste princípio, há duas sentenças: VERDADEIRO para sentenças corretas ou FALSO para sentenças incorretas. Tal lógica pode ser estendida para a eletrônica e com isso foi possível a criação da computação. Matemática Elétrica/Eletrônica Computação Verdadeiro Ligado 1 Falso Desligado Os Primeiros Computadores Tudo começou há cerca de 2500 anos com a invenção do ábaco. Com o surgimento de cálculos mais complexos surgiu também uma necessidade de criar instrumentos mais avançados para suprir esse novo problema. Em 1642 foi criada a primeira calculadora mecânica, e com o passar dos anos foi evoluindo junto com as necessidades humanas e hoje temos essa ferramenta tão importante para o homem que é o computador. Em 1936 foi construído Z-1 o 1º computador eletromecânico, inventado por Konrad Zuse. Observação: As duas imagens destacam o tamanho dos computadores que se contrasta brutalmente com os computadores atuais. A capacidade de armazenamento de dados destes? 1 pen drive qualquer possui mais capacidade do que os 2 juntos Gerações de Computadores 1ª Geração Entre as décadas de 40 e 50, usavam válvulas eletrônicas e cabos, e tinham problemas com sua velocidade e temperatura. Na 2º Guerra Mundial, devido a várias pesquisas na área da informática foi criado nos EUA o Mark I e o ENIAC que eram gigantescos e utilizavam milhares de relés e válvulas. 2ª Geração Entre as décadas de 50 e 60, as válvulas deram lugar aos transistores e os cabos as placas de circuito impresso,

2 com isso teve mais velocidade, redução de tamanho e custo. 3ª Geração Entre as décadas de 60 e 70, houve implementação dos CI s (circuitos integrados) que proporcionaram uma melhora gigantesca na velocidade e na compactação. que mudou o pensamento da indústria contemporânea, propagando-se até os dias de hoje. Henry Ford ( ), da General Motors, idealizou algo que ele chamou de Linha de Montagem, e talvez esse seja o real gatilho para o grande desenvolvimento industrial e ainda esta é uma boa marca de início préexistencial da Automação Industrial. 4ª Geração Nas décadas de 80 e 90 houve a implementação de circuitos com larga escala de integração fazendo uso de microprocessadores, o que tornou muito maior a capacidade de processamento. 5ª Geração Os computadores atuais! Grande Capacidade de Armazenamento Grande Velocidade de Processamento 1.2. O ADVENTO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL As Primeiras Fábricas Não é tão fácil apontar o advento da Automação industrial, no entanto, etimologicamente falando, para que haja automação industrial é, antes de tudo, preciso que haja indústria, e ainda processos automáticos autocontroláveis. Portanto, pode-se marcar como início da Automação Industrial o século XVIII, com a criação inglesa da máquina a vapor, aumentando a produção de artigos manufaturados, e estas foram às décadas da Revolução Industrial. No século seguinte a indústria cresceu e tomou forma, novas fontes de energia e a substituição do ferro pelo aço impulsionaram o desenvolvimento das indústrias na Europa e EUA. Neste contexto, nos anos que seguiram, foram criados dispositivos mecânicos chamados relés, que em breve tomariam as fábricas. A todos esses acontecimentos, e a outros que seguiram, foi dado o título de II Revolução Industrial. No início do século XX, embora o conceito de indústria já estivesse bastante estabelecido, os ambientes fabris ainda não desfrutavam de processos de automação ainda muito rudimentares. Os mesmos pensamentos que fizeram com que surgisse a Revolução Industrial: aumento de produtividade, de lucro, de qualidade, etc.; surgiram nos industriais daquela época, e novos conceitos de produção em escala começaram a serem esboçados. Em 1909, Henry Ford teve a grande ideia A Automação como Fator Competitivo A indústria da época foi revolucionada com a aplicação da ideia de Henry, novos conceitos surgiram na indústria, são alguns: Produção em massa, Pontos de montagem, Estoques intermediários, etc. Em meados daquele século a GM já produzia automóveis em larga escala, e nos anos que seguiram a morte de Henry, a GM já possuía máquinas automatizadas por relés. No entanto a programação das máquinas era extremamente complexa, com a instalação de painéis e cabines de controle com centenas destes dispositivos mecânicos, o que exigia grande interconectividade e muita energia, isso sem mencionar outros problemas estruturais como cabeamento e vida útil dos relés.

3 Observação: Os relés eletromecânicos tornaram os sistemas automáticos, porém os mesmos são robustos e se desgastam com o tempo, requerendo trocas cosntatntes. Em 1968, a empresa BedFord Association, em BedFord USA, foi contratada para desenvolver um dispositivo eletrônico que substituísse os relés. O MODICON (Modular Digital Controller) foi o primeiro Controlador Lógico Programável inventado e substituiu toda parafernália, tornando o sistema muito mais flexível econômico e eficiente. Observação: O primeiro PLC substituiu todo o painel de relés e permitia realizar mais comandos, num tempo reduzido e a diferença de tamanho é bem notável CONCEITOS E DEFINIÇÕES Automação Industrial Uma boa definição para automação é um conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticas a realização de tarefas, substituindo o gasto de bioenergia humana, com esforço muscular e mental, por elementos eletromecânicos computáveis. Percebe-se, portanto, que este amplo conceito se estende a diversos cenários, como, por exemplo, a máquina de lavar roupa para a lavadeira, a xerox para o escrivão, ou o robô para o operário industrial. Os benefícios para qualquer processo automação são nítidos: eficiência, segurança, menor custo, maior produção, etc. Sensores de campo leem as informações do processo de produção, transmite essas informações para uma unidade central de processamento que contem um programa que compilará tais informações e as enviarão para comandar atuadores de campo como motores, bombas e válvulas por exemplo. Multidisciplinaridade da Automação São necessários vários tipos de conhecimentos funcionando de forma integrada para que a automação aconteça. Comandos elétricos a relés, como foi visto anteriormente, são capazes de realizar comandos simples como ligar e desligar, além de possuir atualmente relés com função temporizadora e térmica. A eletrônica é importantíssima, pois usa de comandos mais sofisticados e é responsável pela confecção da maioria dos elementos de hardware do sistema como o próprio CLP. A computação faz todo o processamento das informações, isso ocorre através de hardwares e softwares. Os softwares podem ser o programa inserido dentro do CLP em alguma linguagem específica ou até mesmo softwares comerciais de supervisão de planta. Conhecimentos de mecânica se fazem necessários para a execução das atividades, já que a maioria dos processamentos de matérias-primas e produtos semiacabados se faz através de equipamentos como prensas, esteiras, braços robóticos entre outros. Tais dispositivos podem funcionar através de sistemas hidráulicos e pneumáticos. Mecânica Elétrica e Eletrônica Computação Automação

4 Atualmente o grande desfrute da automação se dá através da robótica, que consegue integrar de forma consistente as 3 principais áreas de conhecimento da automação Por que automatizar? Vantagens da Automação As principais vantagens da automação consistem em produzir mais produtos, em menor tempo e com maior qualidade, com a menor intervenção humana possível. Também é possível otimizar os processos usando os equipamentos responsáveis pela produção, de forma a obter seu melhor rendimento e diminuir a carga em horários de ponta, quando a energia é mais cara, e diminuir os gastos com a concessionária. A introdução da automação foi muito importante para os processos produtivos porque se minimizou a variabilidade de resultados que era muito alta com a interferência do homem. Agora temos repetição de processos com qualidade assegurada afirma o coordenador do Centro de Pesquisa e Capacitação Tecnológica em Automação Industrial (EPUSP) convênio entre o Departamento de Energia e Automação Elétricas (PEA) da Universidade de São Paulo (USP) e a Rockwell, Cícero Couto de Moraes. Também em caso de corte inesperado no fornecimento de energia, a automação também pode ser útil. É possível fazer uma programação do CLP (que delega as orientações para os demais equipamentos e consegue diagnosticar problemas mesmo antes da interrupção da operação) para que cargas vitais continuem a receber alimentação por meio de geradores ou fontes alternativas. Contudo, os geradores levam até dez segundos para entrar em operação e alguns processos não podem sofrer qualquer interrupção de energia. Nesses casos, a automação supervisiona nobreaks que garantem o funcionamento das cargas até que os geradores entrem em operação. Sistemas como esses foram desenvolvidos para redes de televisão, hospitais, centrais de processamentos de dados, entre outros. Muitos deles trabalham com a possibilidade de falta de energia de um segundo a cada cinco anos na alimentação das cargas consideradas vitais, mas esse critério depende da especificação do projeto. A automação também permitiu a inclusão de práticas fabris que visam melhorar os processos, como programa do Six Sigma (6σ). As indústrias que seguem esse modelo de qualidade garantem apenas um defeito a cada um bilhão de produtos fabricados, padrão este de qualidade inserido no Brasil há aproximadamente 15 anos. A manutenção é outro item que pode ser beneficiado com a implantação de processos automatizados, já que, com o monitoramento completo das máquinas é possível verificar seu funcionamento e realizar os programas de manutenção preditiva. Antes da automação as manutenções predominantes eram a corretiva e a preventiva. Até mesmo esta última foi melhorada, porque, antes da automação, as máquinas eram paralisadas periodicamente e tinham suas peças trocadas, mesmo que ainda não apresentassem problema. Desvantagens da Automação Como nem tudo são flores, uma das desvantagens da automação é que, ao implementá-la, problemas repentinos podem ocorrer e, muitas vezes, se eles não forem previstos, a intervenção do homem pode não ser permitida, levando a erros e outras consequências piores. Outra questão sempre levantada quando se fala em automação é o eventual aumento do desemprego. De acordo com o engenheiro eletrônico, diretor de treinamento e presidente eleito da Instrumentation Society of Automation (ISA Sociedade Internacional de Automação), Jorge Ramos, não há demissões em massa, mas sim uma mudança no perfil da vaga de trabalho. A programação é humana, só a atuação não é mais, completa. Por isso, a necessidade constante de atualização dos profissionais envolvidos nesta área de forma que consigam acompanhar a evolução das novas tecnologias Mecanização, Automatização e Automação São conceitos intimamente ligados, muitas das vezes são confundidos, mas apresentam diferenças. Mecanização (Mecânico): Uso de uma máquina ou sistema para a realização de uma tarefa a fim de amplificar a capacidade, velocidade e precisão de execução de tal tarefa. Porém nenhum processo está imune a erros e incertezas, logo com o passar do tempo, devido ao próprio desgaste da máquina ou do sistema, a capacidade, a qualidade e a velocidade na execução de determinada tarefa são reduzidas. Automatização (Automático): Uso de máquinas ou sistemas com certa capacidade de controle capazes de realizar tarefas de forma repetitiva e programada. Porém as incertezas e erros que surgem com o tempo, só podem ser corrigidos com a interferência do homem, ou seja, caso haja desgaste da máquina ou do sistema, torna-se necessária uma reinstalação de alguns dispositivos e até mesmo uma reprogramação. Automação (Autômato ou Automatizado): Uso de máquinas ou sistemas com certa autonomia de controles capazes de realizar tarefas de forma autônoma e programada. Devido as incertezas e erros que surgem com o tempo, o sistema de controle é capaz de corrigi-los, adaptando a máquina ou sistema

5 a novas situações, ou seja, caso haja desgaste na máquina ou sistema, não há necessidade de uma reinstalação de dispositivos ou reprogramação de software Siglas e Expressões CLP Controlador Lógico Programável ou em Inglês Programmable Logic Controller (PLC). É uma espécie de computador industrial, que é capaz de relacionar suas informações de entrada obtidas através de sensores com dispositivos de saída como motores, válvulas e outros atuadores. Tal relação é feita através de um programa inserido pelo usuário na memória do CLP que gerencia o funcionamento do processo. CNC Controle/Comando Numérico Computadorizado. Muito usado em sistemas CAM (Computer Aided Manufacturing) e uma aplicação muito conhecida é o famoso torno CNC. SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído A principal função é o controle de processos para otimizar a produtividade industrial. Utiliza técnicas de processamento digital com o objetivo de proporcionar fácil manutenção no processo da planta da indústria. Oferece IHM que permite o interfaceamento com CLP s, Controladores PID, equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede. IHM Interface Homem-Máquina. É uma espécie de monitor que permite ler e inserir informações em equipamento. É usada para parametrizar um dispositivo a fim que coloca-lo em funcionamento, a tal situação dá-se o nome de acionamento local. CCM Centro de Controle de Motores. Os motores elétricos são peças fundamentais de uma planta fabril. Logo, é necessário criar uma Central só para o comando dos mesmos. Nessa central, encontra-se vários sistemas de partida, parada, reversão e aceleração de motores como: Circuito de Contato de Selo Sistema de Reversão Chave Estrela-Triângulo Softstarter Inversores de Frequência Fieldbus Fieldbus HI CAN (High Controller Area Network) A tecnologia CAN desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos, com o intuito de eliminar a grande quantidade de fios nos automóveis Mercedes. Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) É uma tecnologia de rede de controle projetado especificamente para automação de processos para conectar dispositivos de nível superior, como controladores e geradores remoto I/O, de dados de alta densidade etc., e para a integração horizontal dos subsistemas. Profibus Profibus PA (Process Automotion) É a solução para automação de processo. PA conecta sistemas de automação e sistemas de controle de processo com os dispositivos de campo tal como transmissores de pressão, temperatura e nível. PA pode ser usado como um substituto para a tecnologia 4 a 20 ma. Profibus DP (Descentralized Peripheria) É um protocolo de comunicação otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, esta versão de Profibus é projetada especialmente para comunicação entre sistemas de controle de automação e I/O distribuído a nível de dispositivo. Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)~ HART (Highway Adress Remote Transducer) Trata-se de um sistema que combina o padrão 4 à 20 ma com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s ( BPS ) e modulação FSK (Frequency Shift Key ). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente. As-i (Interface Atuador Sensor) É uma sub rede para sistemas de automação do mais baixo, ou seja, automação de chão de fábrica. Os tipos mais simples de sensores e atuadores são conectados nesta rede. TCP/IP De uma forma simples, o TCP/IP é o principal protocolo de envio e recebimento de dados MS internet. TCP significa Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP, Internet Protocol (Protocolo de Internet). MAC (Media Access Control Adress)

6 Endereço de Controle de Acesso de Mídia Ethernet Esta tecnologia abrange uma série de padrões que definem como será feita a instalação física, as conexões elétricas e as conexões lógicas entre os dispositivos de uma rede. Ela, basicamente, consiste de três elementos: o meio físico, as regras de controle de acesso ao meio e o quadro Ethernet. MRP I Material Requirement Planning, traduzindo, Planejamento de Requerimento de Materiais. Sistema de Programação da Produção criado na década de 70 e considerava os processos fabris estáticos (imutáveis), que usa como informações de entrada: Roteiros e Centros de Trabalho; Lista de Materiais; Planejamento de Materiais; Plano Mestre de Produção; Gestão de Estoques MRP II Manufacturing Resources Planning, traduzindo, Planejamento de Recursos de Manufatura. Surgiu na década de 80 como evolução do MRP I, e o mesmo um volume maior de informações e softwares de gerenciamento. Como informações de entrada, o MRP II usa: MRP I Controle de Lotes; Gestão de Vendas; Controle de Fabricação; Controle de Ordens; Gestão Financeira ERP Enterprises Resources Planning, traduzindo, Planejamento de Recursos da Empresa. MRP II Logística; Qualidade; Gestão de Operações; Manutenção; Gestão de Engenharia. SOP Standard Operating Procedure, traduzindo, Procedimentos de Operação Padrão. PMP Plano Mestre de Produção. Usa de informações como os níveis de estoque, demanda prevista, demanda confirmada, capacidade de produção enfim, dita o ritmo da produção da fábrica inteira. BOM Bill of Material, traduzindo, Lista de Material. Apresenta para cada produto, a quantidade de cada item necessário para sua composição além de discriminar quais itens devem ser fabricados e quais itens devem ser comprados. EAP Estrutura Analítica do Produto, também pode ser entendida como Estrutura de Decomposição do Trabalho (EDT), ou em inglês Work Breakdown Structure (WBS) 1.4. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA AUTOMAÇÃO (RESUMO) Aspectos Vantagens Desvantagens Econômicos Aumento na Alto custo de lucratividade implantação Sociais Redução da mão Qualidade de de obra vida (desemprego) Tecnológicos Competitivos Segurança Manutenção Maior precisão, estabilidade e velocidade Melhora na qualidade final do produto e redução nos custos de produção Uso de máquinas em atividades de risco Poucas paradas se o sistema for bem implantado 1.5. BIBLIOGRAFIA E REFERÊNCIAS Complexidade nos processos e exigência de profissionais mais capacitados Muita dependência da automação (previsibilidade) Redução na mão de obra (desemprego) Há problemas complexos que exigem grande tempo para serem solucionados [1] SILVEIRA, L. e LIMA, W.Q. Um Breve Histórico Conceitual da Automação e Redes de Automação Industrial. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. [2] GROOVER, M.P. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura.3ª Edição. Pearson Prentice Hall. [3] DE SOUSA, R.P. Apostila de Introdução à Computação. Curso Técnico de Informática SISUTEC. Bom Jesus PI [4] [5]

7 QUESTÕES PARA DISCUSSÃO Q1 Defina Lógica e relacione a mesma com a matemática. Q2 Como os dispositivos elétricos contribuíram para as plantas industriais? Q3 Qual foi o grande trunfo da eletrônica frente as tecnologias anteriores no que se refere a velocidade e eficiência energética? Q4 Qual componente eletrônico revolucionou a eletrônica e tornou possível a redução de tamanho dos equipamentos, uma melhora enorme no desempenho e um aumento maior ainda na velocidade de processamento das informações? Q5 Como eram os primeiros computadores? Quais eram suas funções? Q6 Como eram os primeiros sistemas de automação? Q7 Quais eram as diferenças no que se refere à tecnologia dos sistemas de produção da Ford e da General Motors? Q8 Cite pelo menos 5 vantagens e 5 desvantagens da automação. Q9 O que é um sistema mecanizado? Cite exemplos. Q10 O que é um sistema automático? Cite exemplos. Q11 O que é um sistema autômato? Cite exemplos. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO E1 De acordo com a geração do computador, aponte o componente eletrônico chave referente a mesma: 1ª Geração 2ª Geração 3ª Geração 4ª Geração 5ª Geração E2 Para cada sentença apresentada, diga se a mesma se trata de uma vantagem ou desvantagem da automação. a. As máquinas, aliadas aos avanços tecnológicos e a informática, conseguem fazer melhor e mais rapidamente o trabalho de um homem. b. Uma máquina custa um valor muito alto, porém o dono da empresa irá arcar com o valor da manutenção do aparelho. c. Quando uma máquina estraga o valor para arrumá-la pode ser extremamente alto. d. O número de profissionais que sabem trabalhar com a automação industrial é muito pequeno no Brasil. e. Muitas pessoas perdem o emprego e são substituídas por essas máquinas. Isso faz com que essas pessoas, se não conseguirem um novo emprego, acabem marginalizadas. f. União dos bancos de dados separados de vários departamentos. g. Otimização do processo de produção: encurtando o ciclo de produção, otimizando a carga do equipamento, minimizando os recursos das ações. h. Obter relatórios consolidados em tempo real e um manancial enorme de indicadores (documentados) extremamente úteis para a gestão. E3 De acordo com a sigla apresentada, escreva seu significado e no caso desta estiver em outro idioma, apresente também sua tradução. a. CLP b. SDCD c. IHM d. SOP e. MRP I f. MRP II g. ERP h. SCM i. BOM j. WBS

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