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FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba

EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba

Prof. Msc. Marcelo Eurípedes da Silva Piracicaba, 05 de Setembro de 2007

Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes – Página 2 - 2

1 - Introdução

A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que não dependem da intervenção humana. Este conceito é discutível pois a “mão do homem” sempre será necessária, pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos processos automáticos. Entretanto não é o objetivo deste trabalho este tipo de abordagem filosófica, ou sociológica.

Historicamente, o surgimento da automação está ligado com a mecanização, sendo muito antigo, remontando da época de 3500 e 3200 a.C., com a utilização da roda. O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponível para outros afazeres, valorizando o tempo útil para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento (Silveira & Santos, 1998). Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automação qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano.

Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura e até mesmo o famoso Sistema Toytota de Produção.

Sob o ponto de vista produtivo, a automação industrial pode ser dividida em três classes: a rígida, a flexível e a programável, aplicadas a grandes, médios e pequenos lotes de fabricação, respectivamente (Rosário, 2005).

Ainda segundo Rosário (2005), a automação industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de três áreas: a eletrônica responsável pelo hardware, a mecânica na forma de dispositivos mecânicos (atuadores) e a informática responsável pelo software que irá controlar todo o sistema. Desse modo, para efetivar projetos nesta área exige-se uma grande gama de conhecimentos, impondo uma formação muito ampla e diversificada dos projetistas, ou então um trabalho de equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes empresas.

Recentemente, para formar profissionais aptos ao trabalho com automação, surgiu a disciplina “mecatrônica”. Entretanto é uma tarefa muito difícil a absorção de forma completa todos os conhecimentos necessários, e este profissional com certeza se torna um “generalista” que eventualmente pode precisar da ajuda de especialistas de outras áreas. Este ainda é um desafio didático a ser resolvido, mas ainda existe uma alternativa que é a criação de equipes multidisciplinares.

Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes – Página 3 - 3

Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em toda indústria, como é o caso das usinas de cana e açúcar. A diferença está no número de elementos monitorados e controlados, denominados de “pontos”. Estes podem ser simples válvulas ou servomotores, cuja eletrônica de controle é bem complexa. De uma forma geral o processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.1, onde os citados pontos correspondem tanto aos atuadores quanto aos sensores.

Figura 1.1 – Diagrama simplificado de um sistema de controle automático

Os sensores são os elementos que fornecem informações sobre o sistema, correspondendo as entradas do controlador. Esses podem indicar variáveis físicas, tais como pressão e temperatura, ou simples estados, tal como um fim-de-curso posicionado em um cilindro pneumático.

Os atuadores são os dispositivos responsáveis pela realização de trabalho no processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto.

O controlador é o elemento responsável pelo acionamento dos atuadores, levando em conta o estado das entradas (sensores) e as instruções do programa inserido em sua memória. Neste curso esses elemento será denominado de Controlador Lógico Programável (CLP).

A completa automatização de um sistema envolve o estudo dos quatro elementos da figura 1.1, seja o sistema de pequeno, médio ou grande porte. Estes últimos podem atingir uma a complexidade e tamanho tais que, para o seu controle, deve-se dividir o problema de controle em camadas, onde a comunicação e “hierarquia” dos elementos é similar a uma estrutura organizacional do tipo funcional. A figura 1.2 mostra de forma simplificada este tipo de organização.

Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes – Página 4 - 4

Figura 1.2 – Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado

Nota-se que os elementos mostrados na figura 1.1 pertencem a primeira e segunda camadas. Na terceira camada estão os sistemas supervisórios, operados pela “mão humana”, onde são tomadas decisões importantes no processo, tal como paradas programadas de máquina e alterações no volume de produção. Esses também estão integrados com os sistemas gerenciais, responsáveis pela contabilidade dos produtos e recursos fabris.

Dentro do contexto apresentado, o objetivo deste curso é o de estudar um sistema automatizado até o nível do elemento “controlador”. Apresenta-se a sua interface com os sensores e atuadores, bem como uma de suas possíveis linguagens de programação.

Para finalizar é importante dizer que além dos conceitos aqui apresentados, de forma resumida, a Automação Industrial compreende um campo de atuação amplo e vasto. Para se ter uma noção, cada elemento sensor ou atuador tem o seu próprio funcionamento, que em algumas aplicações tem de ser bem entendidos.

No caso dos sensores todo o comportamento é previsto através de efeitos físicos, existe uma disciplina denominada de “Instrumentação” cujo objetivo é o de somente estudar estes elementos.

Para os atuadores, só para os motores de indução, existe uma grande quantidade de bibliografia disponível, e ainda tem-se os Motores de Passo e os Servomotores.

Como foi dito, a cadeia de automação ainda consiste na comunicação de dados entre os elementos, o que leva um estudo a parte das redes industrias.

Primeira Camada

Segunda Camada

Terceira Camada SupervisórioSistemas Gerenciais

Sensores e Atuadores Primeira Camada

Segunda Camada

Terceira Camada SupervisórioSistemas Gerenciais

Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes – Página 5 - 5

Algum tempo atrás, principalmente nas indústrias químicas, existia o esquema de controle centralizado, possível com a introdução da instrumentação eletrônica. Neste conceito existia uma sala localizada a grandes distâncias do núcleo operacional. Esta destinava-se a centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Atualmente existem diversas outras salas de controle, distribuídas geograficamente, interligadas entre si e a uma sala central de supervisão. Surgiu então o conceito do controle distribuído.

Uma das derivações da estratégia de controle distribuído é a do SDCD – Sistema

Digital de Controle Distribuído. Este se caracteriza pelos diferentes níveis hierárquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma máquina de estado (processo propriamente dito) e outras.

Enfim, devido a esta grande variedade de conhecimentos, como já dito anteriormente, o foco deste curso será na programação dos Controladores Lógico Programáveis (CLPs) que são o cérebro de todo o processo. Os demais elementos serão vistos de forma sucinta em capítulos subseqüentes.

Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes – Página 6 - 6

2 – Variáveis de Controle

Como foi dito no capítulo anterior, para controlar um processo o CLP usa de informações vindas de sensores. Através das instruções gravadas em sua memória interna ela comanda os atuadores, que exercem o trabalho sobre o sistema.

Conceitualmente designa-se o sensores de entradas e os atuadores de saídas, sendo que ambas podem ser representadas matematicamente por variáveis. Em automação, estas podem ser dividias em analógicas e digitais.

As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 2.1(a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 2.1(b).

Figura 2.1 – Variáveis analógicas e digitais

Dessa forma podemos definir o Controle Analógico como aquele que se destina ao monitoramento das variáveis analógicas e ao controle discreto como sendo o monitoramento das variáveis discretas. O primeiro tipo englobar variáveis discretas, consistindo assim em um conceito mais amplo.

Ainda no controle analógico podemos separar entradas convencionais, tais como comandos do operador, ou varáveis discretas gerais, das entradas analógicas advindas de sensores ligados diretamente as saídas do processo. Estas últimas serão comparadas a uma referência que consiste no valor estável desejado para o controle (ver figura 2.2). Essa referência também é conhecida como “set-point”. Neste tipo de controle, onde as saídas são medidas para cálculo da estratégia de controle dizemos que há uma “realimentação”. Esse sistema é conhecido como sistema em “malha fechada”. Se não há a medição das saídas dizemos que o sistema tem “malha aberta”.

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Figura 2.2 – Estratégia de controle analógico com realimentação

A automação, como a imaginamos, tem a ver mais com o comando seqüencial de ações que visam a fabricação, transporte ou inspeção de produtos. Desse modo, trabalhase muito mais com variáveis digitais, e por isso será as mesmas serão focalizadas no curso. O tratamento das variáveis analógicas são tema da disciplina “Engenharia de Controle”.

2.1 - Diferentes tipos de entradas e saídas

Como já dito antes, estaremos estudando o comportamento do controlador em um ambiente automatizado. Mas está bem claro que este comportamento é definido através de um programa do usuário e do comportamento das entradas e em alguns casos também das saídas. Assim neste tópico cita-se o exemplo de algumas entradas e saídas, que podem influenciar no comportamento do controlador. Lembrando que algumas destas entradas serão vistas em maiores detalhes posteriormente.

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