ENGG55 REDES INDUSTRIAIS Introdução à Automação Industrial

ENGG55 REDES INDUSTRIAIS Introdução à Automação Industrial Prof. Eduardo Simas Essa apresentação foi adaptada do material elaborado pelo Prof. Bernardo Ordoñez em 2013.2 DEE Departamento de Engenharia Elétrica Escola Politécnica - UFBA 1

PARTE I Introdução à Automação Industrial 2

Visão geral de uma planta automatizada 3

Visão geral de uma planta automatizada 4

Visão geral de uma planta automatizada E nosso dia-a-dia? Em casa Na rua No trabalho... 5

Automação Industrial Uso de dispositivo mecânico ou eletro-eletrônico para controlar máquinas e processos computadores, CLP, CNC... Substituição de tarefas da mão-de-obra humana. Realização de outras que o ser-humano não consegue realizar. Passo além da mecanização, em que os operadores humanos são providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos. Quantidade com qualidade e economia competitividade! Automação x Desemprego 6

Automação Industrial Exemplo clássico: 7

Automação Industrial Exemplo clássico: vazão entrada LCV LE LC ligado desligado SP vazão saída válvula ligado desligado cheia vazia garrafa motor da esteira presente ausente ligado desligado 8

Objetivos da Automação Industrial Qualidade: controle de qualidade eficiente, compensação automática sobre as deficiências do processo, processos de fabricação sofisticados. Flexibilidade: inovações frequentes no produto, atendimento a especificidades do cliente, produção de pequenos lotes. Produtividade: produção de refugo zero, redução dos estoques. Viabilidade técnica: processamento imediato de grande volume de informações complexas, limitações do homem, condições desumanas de trabalho. 9

Objetivos da Automação Industrial Aumento da segurança. Diminuição dos custos operacionais. Melhoria das condições de operação. Simplificação das instalações. Aumento dos níveis de controle. Aumento dos níveis de acompanhamento. 10

Níveis de automatização Industrial Exemplo clássico: Processo não automatizado Controle de nível local mediante atuação na válvula volante. Processo semi-automatizado Controle de nível mediante atuação na válvula com atuador para acionamento remoto. Processo automatizado Controle de nível mediante atuação na válvula com atuador e controlador automático. 11

Áreas de atuação Projetos de novas unidades de operação. Modernização da planta industrial. Integração de procedimentos e equipamentos em unidades de produção já existentes, e em operação. 12

Disciplinas envolvidas Sistemas de controle. Instrumentação. Informática. Processos dinâmicos. Comunicações. 13

Níveis de abstração do problema Nível de Gerência Nível de Supervisão Nível de rede de comunicação Nível de controle direto: PC, CLP,... Nível de sensores e atuadores Geração de informação estratégica Visualização, configuração e armazenamento e variáveis Tecnologias e protocolos de comunicação Algoritmos de controle Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc Nível de processos físicos Motores, robôs, caldeiras, etc. 14

Automação Industrial + Gerencial Sistema Gerencial VENDAS PLANEJAMENTO BANCO DE DADOS CORPORATIVOS INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO Estações de Trabalho INTEGRAÇÃO DE CAMPO OPERAÇÃO E SUPERVISÃO (OTIMIZAÇÃO) Servidores Estações de Trabalho CONTROLE E SEGURANÇA PLC s Controladores Elementos Sensores e Atuadores CAMPO AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 15

Estrutura da automação industrial Gerência de Informação Supervisor Base de Dados Rede de Comunicação de Dados Local Controlador Local 1 Condicionamento de sinais... Controlador Local n Condicionamento de sinais Sensores Atuadores Sensores Atuadores Processo Físico 1 Processo Físico n 16

Elementos básicos: Processos Sensores Atuadores Calibração Segurança Economia de energia Condicionamento de sinais Conversão de sinais Hardware computacional Sistemas operacionais Linguagem de programação Estratégias de controle e segurança (inter travamento) Estratégias de supervisão. 17

Processos Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados, gerenciados Processos Contínuos As variáveis manipuladas têm natureza contínua Processos químicos e robótica Processos Discretos As variáveis manipuladas têm natureza discreta Políticas de inter-travamento e manufatura Sistemas Híbridos Variáveis contínuas + Variáveis discretas 18

Sistemas de medição: sensores Componentes transdutores de sinais Condicionamento de sinais Calibração de sensores Sistemas de proteção Processo medido Entrada Valor verdadeiro Sistema de medição Saída Valor medido Observador 19

Exemplos de sensores Termopares (sensores de temperatura) Encoderes (sensores de velocidade e deslocamento) Barômetros (medidor de pressão atmosférica) Potenciômetros Fibras ópticas Ultra-som (medição indireta da distância / nível) 20

Exemplos de sensores Termopares: simples, robusto e baixo custo Encoderes Barômetros Potenciômetros Fibras ópticas Ultra-som 21

Exemplos de sensores Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir da contagem de pulsos digitais. Estrutura interna: Sinais produzidos: 22

Exemplos de sensores Tipos de Encoder: Encoder Incremental a posição é obtida em a partir da contagem de pulsos a partir do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informação da posição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para o reinício da contagem Encoder Absoluto há uma codificação mais sofisticada na estrutura do sinal gerado (existem mais pulsos, não apenas o A e B do encoder incremental), que permitem a localização a partir de qualquer posição inicial. 23

Exemplos de sensores Tipos de Encoder: Encoder Linear Encoder Angular 24

Exemplos de sensores Termopares Encoderes Barômetros Pote\nciômetros Fibras ópticas Ultra-som 25

Exemplos de sensores Aplicações de sensores ultrassônicos: a) Medidas de diâmetro; b) Detecção de objetos; c) Presença de pessoas; d) Medição de densidade. 26

Telemetria (modo como a informação é transmitida): Conforme o tipo de energia podem ser: Transmissão pneumática (3-15PSI). Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc). Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, Foundation TM Fieldbus. Transmissão hidráulica; Transmissão eletromagnética (sem fios); Transmissão óptica (fibra-óptica). 27

Sistemas de comando: atuadores Amplificadores de energia Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em outras formas de energia Sistema de comando Sinal de comando Processo Saída Atuador 28

Exemplos de atuadores Válvulas Pistões Inversores de frequência Resistências Relés (eletromecânicos ou de estado sólido) 29

Exemplos de atuadores Válvulas Pistões Válvula de controle (Fisher) Inversores de frequência Resistências Transmissor eletrônico 30

Relé eletromecânico Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivos auxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensão alternada. Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico: Nos terminais da bobina são conectados o sinal de comando dos sensores ou controladores. Nos terminais dos contatos e no terminal comum são conectados a fonte de tensão AC. A existência de tensão nos terminais da bobina gera um campo magnético que movimenta a armadura mudando a posição dos contatos mecânicos. 31

Inversores de Frequência Circuitos eletrônicos utilizados para controlar a velocidade de máquinas AC. Permitem a operação suave de máquinas AC e a economia de energia elétrica por evitar esforço elétrico na partida das máquinas. Utilizado atualmente também em ambientes residenciais e comerciais (elevadores, geladeiras, ar-condicionados) 32

O problema do controle automático Relógio Externo Controle Direto Registro De Dados A/D D/D D/A D/D Sensores Atuadores Processo Físico Gerência de Informação Interface Homem/Máquina... Terminais, impressoras, etc. Base de Dados 33

Esquema de controle automático Processo produto Sistema de controle com computador 34

Esquema de controle automático material energia Processo produto Informação de entrada Informação do processo Sinais de controle Informação do produto Objetivos e informação de gerenciamento Sistema de controle com computador Registros e relatórios Alarmes e guias para operador 35

Controladores industriais Trocador de calor a vapor O tanque armazena e fornece um determinado produto em um ponto desejado de temperatura; O vapor utilizado na serpentina advém de uma caldeira e pode ser controlado por uma válvula; Não há controle sobre a entrada de produto para o tanque; Perturbações: Variações no fluxo e temperatura do fluido de entrada. 36

Controladores industriais Estratégia por relação: Fluxo constante do produto frio o controle da válvula é função da temperatura do produto quente e do fluxo de vapor na entrada; Objetivo: manter a temperatura do produto quente. 37

Controladores industriais Estratégia por cascata: Problema: variação da pressão do vapor altera seu fluxo troca de calor; Malha de controle para o fluxo de vapor malha rápida evitando oscilação no sistema; O controle fica mais rápido utilização na indústria. 38

Controladores industriais Estratégia por controle antecipativo: Mudança de carga pode demorar para ser percebida tamanho da serpentina; Sistema pode tornar-se instável devido à variação no fluxo atraso de transporte; Solução: tomar uma ação antecipativa conhecimento da planta. 39

PARTE II Introdução à Automação Industrial 40

Arquitetura de Automação Industrial 41

Arquitetura de Automação Industrial Sala de controle 42

Arquitetura de Automação Industrial Comunicação 43

Sistema de supervisão Hardware e software que permitem ao operador ter acesso a informações do processo Relatórios Alarmes! Valores das variáveis de processo Estado operacional do equipamento 44

Função: Coletar dados dos dispositivos de campo. Apresentá-los em formato padronizado e amigável (gráficos!). Interação eficiente entre processo e sistema supervisório! 45

Exemplo: ITAIPU Binacional 46

Exemplo: ITAIPU Binacional 47

Exemplo: ITAIPU Binacional 48

Exemplo: ITAIPU Binacional 49

Exemplo: ITAIPU Binacional 50

Exemplo: ITAIPU Binacional 51

Hardware do Sistema de Supervisão Estações de supervisão (central e local) Impressoras Controladores (CLPs) Redes de comunicação 52

Hardware do Sistema de Supervisão Telecomunicações??? 53

Sistema Supervisório Um sistema estruturado através de uma série de telas e janelas TELA Exibem os diversos dados disponibilizados pelo sistema, ocupando todo o espaço disponível do monitor. JANELA Idem à tela, porém ocupando apenas uma parte do espaço disponível do monitor. 54

Classificação das telas e janelas Instrumentação Alarmes Conforme o tipo de informação apresentada Segurança Processo/ Utilidades 55

Sistema Supervisório: Principais funções Apresentação das variáveis do processo em tempo real Sinalização do estado operacional de equipamentos Gráficos de tendência de variáveis de processo Registro de eventos Emissão de relatórios Anunciação e Reconhecimento de alarmes 56

Sistema Supervisório: Principais funções Ligar e Desligar equipamentos Armazenamento, recuperação de dados de equipamentos Alteração de parâmetros de operação Referência de operação Seleção da saída Parametrização de instrumentos Registro histórico de variáveis de processo 57

Evolução da Estrutura de Automação Controle Direto Controle Ponto-a-ponto SCDC (Sistemas Digitais de Controle Distribuído) 58

Estratégia de Controle Direto 59

Estratégia de controle ponto-a-ponto 60

Sistemas Digitas de Controle Distribuído - SDCD Sistema introduzido para substituir painéis de controle convencionais, centralizando tarefas e distribuindo funções (1974). Sistema configurável. A filosofia do sistema digitais de controle distribuído é a de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente distintos. Processo Comunicação Gerenciamento Controle Operação 61

Visão Geral: Interface IHM poderosa e amigável. Substituição de equipamentos analógicos. Evolução da instrumentação com funções distribuídas geograficamente. 62

SCADA Os sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) começaram a ser idealizados desde a primeira metade do século XX, com a necessidade de obtenção de dados meteorológicos em grande volume. Atualmente eles estão sendo largamente utilizados na indústria, principalmente quando o chão de fábrica é geograficamente bastante distribuído. 63

Sistema de comunicação que permite a troca de informações entre o CO e as URs Uma ou mais Unidades Remotas (URs) que interagem diretamente com os processos Centro de Operações (CO) com uma Unidade Mestre (UM), que interage com as URs e uma Interface Homem-Máquina (IHM) 64

Computador(es) principais (host computers) Rede(s) de Área Local Estação Mestre Modem(s) Mestre(s) Rede(s) de Telemetria Modem(s) Remoto(s) Estações Remota(s) 65

Desafios da Automação Industrial Redes determinísticas e tolerante a falha Interoperabilidade e padronização Escalabilidade Algoritmos de controle eficientes Sistemas de gerência de informação Algoritmos de detecção e previsão de falhas Diminuição de custo 66

Desafios da Automação Industrial Redes deterministicas e tolerante a falha Interoperabilidade e padronização Escalabilidade Sistemas de gerência de informação Diminuição de custo Algoritmos de controle eficientes Algoritmos de detecção e previsão de falhas Solução integrada de automação que permita disponibilizar informação de qualidade, em tempo real, em nível gerencial. Para uma integração simples, é necessário interoperabilidade de diferentes sistemas, ou seja, sistemas abertos a produtos de terceiros. O processo de automação não deve ser considerado algo isolado na indústria. Essa área precisa estar aberta para as novas tecnologias já disponíveis. 67

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Sustentabilidade O termo "sustentabilidade" passou a ter uma conotação mais ampla, difundindo- se rapidamente, e agora incorporado ao vocabulário politicamente correto das empresas, dos meios de comunicação de massa, das organizações da sociedade civil. No entanto, a solução das causas da insustentabilidade parece avançar em ritmo muito mais lento. Desde a colheita até a comunidade, 20% de todo alimento produz ido no país é desperdiçado (IBGE). Desperdício de 50% da água tratada em todo país. Da mesma forma, desperdiçamos 9,5% de toda a produção anual de energia. A Associação Brasileira de Manutenção indica que os custos com manutenção no País atingem a marca de 4,2% do PIB, além de 4% do faturamento bruto das empresas ser gasto em ações de manutenção. 69

Efetivamente existe um cenário complicado, cheio de desafios, no qual a engenharia de automação pode dar o suporte necessário em busca do ponto "ótimo" de equilíbrio para requisitos ecológicos, sociais e econômicos. 70

O apoio tecnológico de organizações mundiais na padronização de recursos de equipamentos fazem com que soluções inteiras de automação saiam de fábrica com o selo verde de sustentabilidade, não só por consumirem menos, mas também por terem sido concebidos em um perfil de aplicação padronizado, que permite por exemplo, que a própria planta possa desligar-se em áreas ociosas. Outros aspectos para melhoria de processos, como os sistemas de gerenciamento de ativos, os sistemas de controle de execução (MES) e de Inteligência de Negócios (Business Intelligence, BI), cujos objetivos são claramente traçados: aumentar a capacidade produtiva sem investimentos em expansões e/ou plantas novas, trazendo a disponibilidade operacional ao seu ponto máximo, evitando paradas não programadas, desperdícios com a variabilidade no produto final e falhas no controle de produção (devidas à falta de informações em tempo real para os tomadores de decisão). Com as redes industrias e equipamentos inteligentes, a base da automação industrial passou a contar com dados que até então não eram acessados. 71

Comparação entre sistemas fieldbus e sistemas analógicos convencionais mostra como se pode manter a lucratividade alta sem se preocupar com as paradas não-programadas. A estabilidade operacional da planta proporciona uma vida útil mais longa e lucrativa para os equipamentos, instrumentação e sistemas de controle. 72

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A variação de foco em cada nível promove a execução de tarefas e análises de informação com muito mais precisão e rapidez. Os mesmos dados extraídos do campo passam por tratamentos diferentes em cada nível de forma a mostrar somente o que é extremamente útil para aquela posição. Operador estaria preocupado com a vazão de determinado produto Gerente de planta preocupado com o desempenho de determinado setor Gerente de produto acompanha a disponibilidade e qualidade de determinado produto final Diretoria avalia os índices produtivos de cada unidade. 75

A Sustentabilidade vai muito além de Publicidade e Propaganda. É um conceito simples de se entender, mas que traz consigo todo um conteúdo histórico de brigas de interesses, e a busca de entendimento entre as partes envolvidas. A velocidade de adoção de soluções sustentáveis está bem aquém do que é desejado: É preciso vontade política para forçar mudanças. Vontade empresarial para criar melhorias significativas em seus meios de produção. Cobranças enérgicas de toda a sociedade. E ainda, adotar uma consciência sustentável, evitando o consumo desenfreado. Através de novas pesquisas e da adoção de métodos e ferramentas de produção mais inteligentes, esse quadro pode melhorar. 76

Fim de Aula.