Sistemas de Automação

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1 Sistemas de Automação Introdução Walter Fetter Lages Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.1

2 Introdução Sistemas de Automação Industrial Descentralização Distribuição da Inteligência Evolução das Arquiteturas Barramentos Industriais Sistemas Integrados de Automação Copyright (c) Walter Fetter Lages p.2

3 Introdução Engenharia de Automação Engineering is concerned with understanding and controlling the materials and force of the nature for the benefit of humankind (Dorf and Bishop) Componentes Canal de medição: grandezas físicas, químicas são convertidas em uma grandeza padrão, em geral grandeza elétrica (transdução + condicionamento de sinais + transmissão) Canal de atuação: sinais elétricos são convertidos em grandezas mecânicas Copyright (c) Walter Fetter Lages p.3

4 Histórico Século XVIII Revolução Industrial Trabalho muscular passou a ser substituído pelo trabalho das máquinas Automação visava aumento da produtividade Fontes de energia Vapor Energia elétrica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.4

5 Histórico Século XX Mecanismos automáticos fixos Linhas de montagem para produção em massa (Ford) Após a 2 a Guerra Mundial Máquinas e comando numérico na manufatura Sistemas de controle na indústria de processos Copyright (c) Walter Fetter Lages p.5

6 Histórico Sistemas de controle na indústria de processos 1959: sistema de controle por computador para uma planta da Texaco 26 malhas de vazão, 72 de temperatura, 3 de pressão Determinava referências de tensão para instrumentação analógica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.6

7 Histórico 1962 ICI Toda a instrumentação analógica foi substituída por um computador Aquisição de 224 variáveis e controle de 129 válvulas Década de 70: microprocessadores Copyright (c) Walter Fetter Lages p.7

8 Histórico Década de 80 Barateamento do hardware Alta competitividade a nível mundial Novos requisitos: qualidade, custo, uso racional da energia e matéria-prima Utilização do computador em todos os setores de uma indústria, desde o nível do processo até o nível de gestão ou administração da empresa Copyright (c) Walter Fetter Lages p.8

9 Histórico Década de 80 Planejamento da produção, de equipamentos e materiais a curto, médio e longo prazo = CAP (Computer-Aided Planing/Production) Projeto de produtos = CAD (Computer-Aided Design) fabricação assistida = CAM (Computer-Aided Manufacturing) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.9

10 Histórico Década 90 Instrumentos/componentes inteligentes Fieldbus Sistemas distribuídos abertos Substituição SDCDs monolíticos Integração chão-de-fábrica com redes locais de sistemas comerciais Copyright (c) Walter Fetter Lages p.10

11 Conceitos Básicos Processo : totalidade de atividades concorrentes de um sistema, através das quais matéria, energia e informação são transformadas, transportadas ou armazenadas. Processo Técnico: processo cujas grandezas podem ser adquiridas e cujas atividades podem ser influenciadas usando dispositivos tecnológicos Copyright (c) Walter Fetter Lages p.11

12 Classificação de Processos Técnicos Diversas classificações são possíveis Contínuos e discretos no tempo Produção, distribuição, armazenamento (segundo a atividade principal) Homogêneos, heterogêneos (segundo os objetos processados) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.12

13 Modelagem Diferentes técnicas de modelagem para diferentes processos: Discretos no tempo : máquinas de estado, redes de Petri, equações a diferenças, função de transferência discreta, espaço de estados Contínuos no tempo: equações diferenciais, pólos/zeros, função de transferência, espaço de estados Copyright (c) Walter Fetter Lages p.13

14 Tipos de Processamento Controle Monitoração Supervisão Visualização Simulação Diagnóstico de falhas Alarmes Copyright (c) Walter Fetter Lages p.14

15 Programação Programação em linguagem Assembly Elevados custos de desenvolvimento, manutenção e extensão Programação em linguagem de alto nível Procedurais Orientadas a objeto Programação de Controladores Programáveis (norma IEC 1131) relés (ladder) Blocos funcionais Lista de instruções Dagrama de sequenciamento Copyright (c) Walter Fetter Lages p.15

16 Sistema de Automação Industrial Copyright (c) Walter Fetter Lages p.16

17 Controle Analógico Copyright (c) Walter Fetter Lages p.17

18 Controle Digital Copyright (c) Walter Fetter Lages p.18

19 Arquitetura Centralizada Copyright (c) Walter Fetter Lages p.19

20 Controle Centralizado Copyright (c) Walter Fetter Lages p.20

21 Controle Centralizado Consistência dos dados Altos custos cabeamento Disponibilidade do sistema = disponibilidade do computador central Dificulta ampliações do sistema -> complexidade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.21

22 Controle Central com Back-up Copyright (c) Walter Fetter Lages p.22

23 SDCD Copyright (c) Walter Fetter Lages p.23

24 SDCD Redução dos custos com fiação, instalação e manutenção Distribuição do controle Comunicação entre unidade de controle via protocolos proprietários Comunicação sensores/atuadores e unidades de controle via protocolo analógico (4 a 20 ma), transmissão apenas de 1 variável medida Copyright (c) Walter Fetter Lages p.24

25 Barramentos Industriais Copyright (c) Walter Fetter Lages p.25

26 Barramentos Industriais Copyright (c) Walter Fetter Lages p.26

27 Barramentos Industriais Barramento Digital Serial Multidrop Bi-direcional Para a comunicação com o nível mais baixo de controle e dispositivos de instrumentação. Barramento para chão-de-fábrica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.27

28 Tipos de Dispositivos Sensores/Atuadores com capacidade de comunicação via barramento digital (execução de protocolo) E/S distribuída Sensores/Atuadores com capacidade de processamento local Dispositivos inteligentes Copyright (c) Walter Fetter Lages p.28

29 Instrumento Inteligente Copyright (c) Walter Fetter Lages p.29

30 Instrumento Inteligente Copyright (c) Walter Fetter Lages p.30

31 Protocolos Copyright (c) Walter Fetter Lages p.31

32 Protocolos Grande número de protocolos disponíveis comercialmente Protocolos proprietários vs. Abertos Normas regionais, nacionais, continentais, internacionais Associações para divulgação dos protocolos PNO Foundation Fieldbus CiA Copyright (c) Walter Fetter Lages p.32

33 Sistemas Integrados de Automação Possibilidade de utilização do computador em todos o setores de uma indústria, desde o nível do processo até o nível de gestão e administração de uma empresa Integração entre planejamento da produção (CAP) Projeto de produtos (CAD) Fabricação assistida (CAM) Controle direto Orçamentos Marketing Contabilidade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.33

34 Pirâmide de Automação Copyright (c) Walter Fetter Lages p.34

35 Conexões Lógicas Copyright (c) Walter Fetter Lages p.35

36 Vantagens Sistemas abertos Padronização leva a um aumento no número de fornecedores e tende a aumentar a vida útil do protocolo Capacidade de Expansão e Reconfiguração Facilitam o atendimento de novas condições de processo e/ou produção Manutenção Proativa Minimizar tempos de parada -> redução dos prazos de entrega e preços Copyright (c) Walter Fetter Lages p.36

37 Vantagens Conectividade Facilidade de acesso às informações Flexibilidade Rápida resposta à novas demandas do mercado Confiabilidade Auto-diagnose, detecção e identificação imediata de defeitos, fácil implementação de redundância Simplifica implementação de sistemas redundantes Interoperabilidade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.37

38 Ponto de vista das Empresas Sistemas informatizados para gestão Sistemas de automação (SCADA, CLP, SDCD,...) E a integração entre os dois? Informática e automação só são atividade fim nas empresas do ramo Nas outras, são atividades meio que devem auxiliar a empresa a atingir seus objetivos e ser mais competitiva É necessárioa haver uma união de esforços Copyright (c) Walter Fetter Lages p.38

39 Reais Dificuldades Falta visão integrada da empresa Os projetos refletem esta falta de visão Os sistemas não estão preparados para integração Faltam padrões para facilitar a integração Justificativa econômica tradicional Falta experiência neste tipo de integração Copyright (c) Walter Fetter Lages p.39

40 Benefícios da Integração Maior integração entre os processos da empresa Maior agilidade para responder a mudanças Maior coerência das informações Redução dos erros Copyright (c) Walter Fetter Lages p.40

41 Motivadores Geralmente são aspectos ligados a decisões de negócio (top-down) Available to Promise Reduzir prazos de entrega Melhor utilização dos recursos Agilidade na produção Maior poder de decisão no chão de fábrica Supply Chain Management Reconciliação de dados Copyright (c) Walter Fetter Lages p.41

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