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

Transcrição

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

2 Aulas anteriores O que é automação industrial? Quais as funcionalidades dos sistemas de controle em sistemas automatizados? Quais os elementos formam uma planta industrial? Quais os elementos formam um sistema de automação? Heitor Medeiros Florencio 2

3 Sistemas de Automação Industrial Processo Controle em malha aberta Processo Monitoramento Controlador Sensor(es) Atuador(es) Controlador Processo Referência ou valores ideais Atuador(es) Sensor(es) Referência ou valores ideais Controlador Heitor Medeiros Florencio Controle em malha fechada 3

4 Elementos dos Sistemas de Automação Processo Condicionadores Atuador(es) Sensor(es) Controlador Indicação de referência ou valores ideais; Supervisão dos parâmetros do controlador e do processo; Interface Homem-Máquina Heitor Medeiros Florencio 4

5 Evolução dos Controles nos Sistemas de Automação Heitor Medeiros Florencio 5

6 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). Heitor Medeiros Florencio 6

7 Automação Pneumática Heitor Medeiros Florencio 7

8 Automação a Relé Com o surgimento do Relé (chave eletromecânica), os controles automáticos eram implementados baseados em lógica a relé. Diagramas elétricos ainda são Baseados na lógica a relés. Heitor Medeiros Florencio 8

9 Automação a Relé Os componentes de hardware e seus arranjos serviam como o programa de instruções que realizava o processamento. Contatores; Temporizadores; Comutadores; Desvantagens: Demandavam tempo e tornavam difícil a realização de alterações; Continham um programa em forma física que não era prontamente compatível com a comunicação de dados. Heitor Medeiros Florencio 9

10 Automação Eletrônica 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. Heitor Medeiros Florencio 10

11 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). Heitor Medeiros Florencio 11

12 Evolução da Automação Evolução da automação é baseada na modernização das controladores. Tecnologias: Eletrônica Mecânica Pneumática/ Hidráulica Elétrica Eletropneumático Eletrohidráulico Eletromecânico CLP SDCD... Relé Heitor Medeiros Florencio 12

13 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. Heitor Medeiros Florencio 13

14 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. Heitor Medeiros Florencio 14

15 Sensores e Atuadores Heitor Medeiros Florencio 15

16 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 Heitor Medeiros Florencio 16

17 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. Heitor Medeiros Florencio 17

18 Exemplos de Sensores Discretos Pressostato Sensor de proximidade capacitivo Sensor de proximidade indutivo Chave fim de curso NF Chave seletora Chave botão Heitor Medeiros Florencio 18

19 Exemplos de Sensores Analógicos Manômetro Placa de orifício (sensor de vazão) Sensor de nível ultrassônico Termopar Termoresistência Heitor Medeiros Florencio 19

20 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 Heitor Medeiros Florencio 20

21 Condicionadores Heitor Medeiros Florencio 21

22 Conversores de Sinais Conversores de Sinais: Pontes de medição; Circuitos de amplificação e ajustes; Conversores Analógico-Digital: Conversores Digital-Analógico: Heitor Medeiros Florencio 22

23 Outros dispositivos Dispositivos de proteção para motores: Fusíveis Relé térmico Disjuntores Motores Controladores de tensão de partida de motores (Soft-Starter). Controladores de velocidade de motores (Inversores de frequência). Heitor Medeiros Florencio 23

24 Evolução dos Sistemas Automatizados Controle e Supervisão Instrumentos de campo Deficiências: A supervisão é centralizado no local de alocação dos controladores da unidade. Informações concentradas. Gestão da unidade pouco otimizada devido a homogeneidade do controle e supervisão. Heitor Medeiros Florencio 24

25 Pirâmide Organizacional de Sistemas de Automação Industrial Heitor Medeiros Florencio 25

26 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 Heitor Medeiros Florencio 26

27 Pirâmide de Automação Industrial 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. Heitor Medeiros Florencio 27

28 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 Heitor Medeiros Florencio 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 28

29 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??? Heitor Medeiros Florencio 29

30 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. Heitor Medeiros Florencio 30

31 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 Heitor Medeiros Florencio 31

32 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. Heitor Medeiros Florencio 32

33 Exemplos de Protocolos Heitor Medeiros Florencio 33

34 Supervisão Como supervisionar? O que supervisionar? Como visualizar os principais fatores da planta? Heitor Medeiros Florencio 34

35 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. Heitor Medeiros Florencio 35

36 Ferramentas de Supervisão Heitor Medeiros Florencio 36

37 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 ; Heitor Medeiros Florencio 37

38 Indústria 4.0?? Heitor Medeiros Florencio 38

39 Indústria 4.0?? Heitor Medeiros Florencio 39

40 Indústria 4.0?? Heitor Medeiros Florencio 40

41 Revisando Quais os elementos que formam um sistema de automação industrial? Qual o principal elemento na automação baseada apenas em componentes elétricos? O que fazem os condicionadores? Qual a relação entre a supervisão e as redes industriais nos sistemas de automação? Heitor Medeiros Florencio 41

42 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, Heitor Medeiros Florencio 42

43 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. Heitor Medeiros Florencio 43

44 Dúvidas? Heitor Medeiros Florencio 44