Automação. Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT

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1 Automação Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT AUT0001 Automação Joinville 06/08/2017

2 Automação contextualização O que significa automatizar? Conceitos básicos de automação; Arquitetura de automação (modelo CIM); Elementos componentes de uma automação. 2

3 Automação sumário Definição; Histórico; A automação em nossas vidas; A automação no meio produtivo; Pirâmide da Automação (arquitetura); Aspectos da automação; Razões para automação industrial; Variedades de automação. 3

4 Definição definição literal Etimologia: latim Automatum, que significa mover-se por si; Da palavra Automation (1960); Participação do computador no controle automático industrial. Definição: Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, visando soluções rápidas e econômicas para atingir os objetivos da indústria, dos serviços ou bem estar 4

5 Definição mecanização x automação Mecanização: visa prover operadores humanos com máquinas que os assistem de modo a atender requisitos físicos do trabalho (força, velocidade, etc.); Automatização ou Automação: visa substituir o operador humano por dispositivos de comando e controle computadorizado, reduzindo (ou eliminando) necessidade de uso de habilidades mentais e sensoriais humanas. 5

6 Histórico Desde o inicio da civilização, o homem tem procurado facilitar seu trabalho, seja pela exploração de outros seres humanos (mão de obra escrava) ou pela criação de máquinas que fazem parte do trabalho (ou todo); Herão ( 10 a 75 d.c.), filósofo natural que viveu na Alexandria (Egito sob controle grego), descreveu a primeira máquina à vapor (eolípila) em 69 d.c.; Estrutura econômica da época não permitiu vislumbrar aplicações úteis para a eolípila e era utilizado apenas para recreação (devido principalmente a existência de mão de obra escrava abundante e gratuita). 6

7 Histórico Uso mais extensivo de máquinas ocorreu a partir do século XVIII, com a Revolução Industrial (Inglaterra 1750, EUA 1800); A Revolução Industrial ocorreu por circunstâncias favoráveis dos pontos de vista: Socioeconômico: surgimento do capitalismo, abolição da escravatura, entre outros fatores; Científico/tecnológico: desenvolvimento da física e da química, descoberta e disponibilidade da eletricidade, reinvenção das máquinas a vapor e aperfeiçoamento dos processos industriais. 7

8 Histórico Em 1698, Thomas Savery ( ), mecânico inglês, patenteou a primeira máquina à vapor realmente prática, uma bomba para drenagem de água de minas. 8

9 Histórico Em 1712, Thomas Newcomen ( ), ferreiro inglês, inventou outra máquina à vapor para esvaziamento da água de infiltração das minas. 9

10 Histórico Em 1769, James Watt aperfeiçoa o modelo de Newcomen. Seu invento deflagra a revolução industrial e serve de base para a mecanização de toda a indústria 10

11 Histórico George Stephenson revoluciona os transportes com a invenção da locomotiva a vapor; Em 1785, Matthew Boulton começa a construir as máquinas projetadas por Watt (empresário industrial no sentido moderno). 11

12 Histórico cenário Produtividade antes da Revolução Industrial era baixa (produção artesanal); O aperfeiçoamento dos processos de produção aliado a introdução das máquinas conduziram a: grande aumento de produtividade; produção em massa: produtos mais baratos e acessíveis a um público consumidor muito maior; posterior saturação do mercado mundial, já no século XX. 12

13 Histórico cenário - crise Saturação dos mercados levou a uma crise no sistema de produção capitalista (década de 70 do século XX); Alternativas propostas para a crise: Diversificação e individualização dos produtos para atrair consumidores; Redução da vida útil dos produtos; Incorporação das últimas inovações tecnológicas ao produto. Consumidores se aliam para exigir qualidade dos produtos; Requisitos impostos à indústria: menor tempo de projeto, desenvolvimento e produção. 13

14 Histórico cenário - problema Problema: máquinas e processos de produção concebidos para produção em massa não foram projetados para sofrer alterações frequentes. Falta flexibilidade! Solução: introdução da Informática nos sistemas industriais de produção reestruturação do setor produtivo: computador não só no laboratório mas também na empresa! computador possibilitou surgimento da Automação Flexível, baseada na ideia de equipamentos programáveis; equipamentos podem ter sua função e operação alterada modificando apenas o software. 14

15 Histórico cenário Tecnologias antigas: concentradas no estudo das melhores formas de manipulação de energia e de materiais; Novas tecnologias: concentradas na manipulação da informação; Hoje temos sistemas computacionais em todos os setores da fábrica: máquinas-ferramenta com CNC; lógicas de comando a relés substituídas por CLPs, sensores e atuadores microprocessados; processos contínuos usam controladores digitais programáveis; homem substituído em muitas funções por robôs programáveis. 15

16 Histórico cenário atual Equipamentos programáveis tem que poder trocar informações entre si -> redes locais industriais de comunicação (LANs); Introduzidos sistemas computacionais que permitem a programação de aplicações compartilhadas por vários computadores sistemas distribuídos; Tais sistemas requerem técnicas especiais de programação ex.: programação concorrente; Muitas aplicações exigem soluções não convencionais técnicas de inteligência artificial usadas em subsistemas (sistemas especialistas, lógica fuzzy, redes neurais, etc). 16

17 Automação em nossas vidas Objetivo: facilitar nossas vidas Em casa: lavando roupa; esquentando leite; abrindo o portão; lavando louça. Na rua: sacando dinheiro; dirigindo pelas ruas; fazendo compras. 17

18 Automação em nossas vidas No lazer: comprando um refrigerante; caminhando numa esteira; assistindo um filme; jogando um videogame. No trabalho: registrando o ponto; programando um robô; recebendo matéria-prima; estocando produto acabado; fazendo controle de qualidade; controlando temperatura de um tanque de água; controlando a temperatura do escritório; acionando o sistema de combate à incêndio. 18

19 Automação no meio produtivo Objetivos: facilitar os processos produtivos Componentes básicos sensoriamento; comparação e controle; atuação. Automação industrial = sistema otimizado menor custo; maior quantidade; menor tempo; maior qualidade. 19

20 Automação no meio produtivo Qualidade garantir uma produção com as mesmas características e alta produtividade; Automação no meio ambiente cumprimento de novas normas; sistemas de controle de efluentes; sistemas de controle de gases. Importância para a Indústria: sobrevivência; garantia de competição no mercado; substitui o homem: tarefas repetitivas; ambientes perigosos; ambientes insalubres; grande esforço físico. 20

21 Automação no meio produtivo Transforma a estrutura da força de trabalho qualitativamente; quantitativamente; exige treinamento; qualificação da força de trabalho; melhoria das condições de trabalho. Desafio: inserir o homem no contexto da automatização sem traumatismo, sem desemprego, tendo somente um saldo positivo. O risco que se corre ao se introduzir novas tecnologias é menor do que 21

22 Pirâmide da Automação modelo CIM Enterprise Resource Planning / MES - Manufacturing Execution System 22

23 Pirâmide da Automação modelo CIM Enterprise Resource Planning / MES - Manufacturing Execution System 23

24 Pirâmide da Automação nível 0 Dispositivos motores, componentes, válvulas, transdutores, inversores. 24

25 Pirâmide da Automação nível 1 Controle Informações do nível 0; IHMs, CLPs, CNCs, robôs, máquinas ferramentas. 25

26 Pirâmide da Automação nível 2 Supervisão Informações dos nível 1; SCADA, sala de supervisão. 26

27 Pirâmide da Automação nível 3 Execução Banco de dados, índices, relatórios, logística, controle de estoque. 27

28 Pirâmide da Automação nível 4 Planejamento planejar a produção em função da sazonalidade do mercado, administração dos recursos financeiros, vendas, RH. 28

29 Aspectos da Automação Industrial ferramentas computacionais Computadores especializados (controladores programáveis) controle lógico; controle dinâmico; simples reprogramações. Computadores de processo coletar informações do processo para criar um modelo matemático; sintetizar leis de controle ótimo; simular desempenhos; implantar leis de controle; facilitar interfaces com supervisores. 29

30 Aspectos da Automação Industrial principal componente CLP s (controladores lógicos programáveis) memória programável para instruções; energização / desenergização; temporização; contagem; sequenciamento; operações matemáticas; manipulação de dados. Quem inventou o CLP? General Motors (GM) 30

31 Aspectos da Automação Industrial arquitetura 31

32 Aspectos da Automação Industrial sistemas de controle - dinâmico Automação industrial de controle de processos (automação contínua) Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação. incalculável poder tecnológico aperfeiçoamento de processos velocidade precisão 32

33 Aspectos da Automação Industrial sistemas de controle dinâmico exemplo Controle da temperatura de um aquário 33

34 Aspectos da Automação Industrial sistemas de controle dinâmico exemplo Objetivo: manter a água em torno de 25ºC 34

35 Aspectos da Automação Industrial sistemas de controle lógico Automação industrial de manufatura (automação discreta) Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações não lineares. Circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos etc) Variáveis binárias ( 0 ou 1) Circuitos de redes lógicas: Combinatórias (sem memórias nem temporizações) Projeto com álgebra booleana Descrever, analisar e simplificar com auxílio de Tabelas da verdade e Diagramas de relés Sequenciais (memória, temporizadores e entrada de sinais) Teoria dos autômatos Redes de Petri Cadeias de Markov Simulação em computador 35

36 Aspectos da Automação Industrial sistemas de controle lógico exemplo Prensa de alavanca botões de segurança 36

37 Razões para a automação industrial Repetibilidade e maior qualidade na produção; Realização de tarefas impossíveis ou agressivas ao homem; Rapidez de resposta ao atendimento da produção; Flexibilidade; Restabelecimento mais rápido do sistema produtivo; Redução dos custos de produção; menores perdas de materiais; menor custo de capital; Redução de área; Possibilidade de sistemas interligados. Maior controle das informações do processo. 37

38 Variedades de automação Automações especializadas (menor complexidade) exemplo: automação interna aos aparelhos eletrônicos, telefones, eletrodomésticos, automóveis; microprocessadores; programação em linguagem de máquina; memória ROM. Grandes sistemas de automação (maior complexidade) exemplo: controladores de voos nos aeroportos, controle metroviário, sistemas militares; programação comercial e científica em software de tempo real. Automações Industriais de âmbito local (média complexidade) exemplo: transportadores, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios; CLP s isolados ou em redes. 38