Sistema de Automação e Controle

Sistema de Automação e Controle

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Sistemas de Automação e Controle

Sistemas de Automação e Controle

SENAI – ES, 2005.

Direitos de Reprodução para a CST

Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentação/Automação Industrial: Fábio da Costa Pinto.

SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

Departamento Regional do Espírito Santo

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ÍNDICE

1.4.2 Automação Programável 8

4.9 Sistemas Supervisórios Modernos 162

  1. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

  1. Introdução

Você já reparou que a automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela manhã, o rádio relógio automaticamente dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as notícias do dia. Nessa mesma hora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica, ajustando tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o ar condicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável. Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana.

  1. Conceito

Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.

Fig.1.1.

Evolução da automatização ao longo dos tempos.

  1. Desenvolvimento da Automação

As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré-história com invenções como a roda. O moinho movido por vento ou força animal e as rodas d'água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço.

Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra.

Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX, entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos.

Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas:

  • Máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão.

  • Utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicada a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação e regulador e consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de Realimentação.

Fig.1.2.

Representação simplificada do mecanismo de J. Watt.

A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval.

No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contemporânea.

Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartão magnético, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentação bancária impressa.

Fig.1.3.

Aplicação do computador

A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C.

O marco seguinte foi à invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina-aritmética, que efetuava soma e subtração por transmissões de engrenagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores.

Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas. O êxito intensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador.

Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico o Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo: Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas.

A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores (1952). Estes componentes não precisam aquecer-se para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espaço.

Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1 cm2 , o que resultou no circuito integrado (CI): Os CIs deram origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI): Os chamados chipsconstituíram a quarta geração de computadores. Foram então criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação.Para se ter idéia do nível de desenvolvimento desses computadores nos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo.

Voltando a 1948, o americano John T Parsons desenvolveu um método de emprego de cartões perfurados com informações para controlar os movimentos de uma máquina-ferramenta.

Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição.

A partir desta época, fabricantes de máquinas-ferramenta começaram a desenvolver projetos particulares.

Essa atividade deu origem ao comando numérico, que implementou uma forma programável de automação com processo controlado por números, letras ou símbolos.

Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”).

Os robôs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forçado") substituíram a mão-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias.

Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica.

A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos.

No inicio dos anos 60, o termo CAD(do inglês Computer Aided Design ou "Projeto Auxiliado por Computador") começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos.

Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Os setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade.

Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fábrica do futuro, o foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos.

Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente, já sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador).

  1. Tipos de Automação

Embora a automação industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pela necessidade de melhorar os níveis de produtividade, as alterações do tipo de mercado têm feito evoluir o conceito de automação. Quando o mercado era caracterizado pela abundância de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava a cena industrial, a automação era fixa, isto é, a seqüência de operações no sistema era fixada pela configuração do equipamento projetado para um determinado produto. Embora com taxas altas de produtividade, essas alterações exigiam operações complexas, demoradas e dispendiosas.

Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com vida útil reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem, contudo pôr em causa os níveis médios de produtividade. Assim, a seqüência de operações passa a ser controlada por um programa (listagem de instruções), permitindo a flexibilização do processo automático de produção. Esta mudança provocou alterações ao nível da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle.

A evolução tecnológica tem vindo a permitir a implementação de novos sistemas de automação que acompanham as novas concepções das linhas de produção. Podemos distinguir genericamente os seguintes tipos de automação:

  • Automação fixa;

  • Automação programada;

  • Automação flexível.

Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos de automação.

  1. Automação Fixa

Este tipo de automação é caracterizado pela rigidez da configuração do equipamento. Uma vez projetada uma determinada configuração de controle, não é possível alterá-la posteriormente sem realizar um novo projeto.

As operações a realizar são em geral simples e a complexidade do sistema tem, sobretudo a ver com a integração de um elevado número de operações a realizar. Os aspectos típicos da automação fixa são:

• Investimentos iniciais elevados em equipamentos específicos;

• Elevadas taxas de produção;

• Impossibilidade em geral de prever alterações nos produtos;

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