Histórico da Automação Industrial

Um pouco de história

Nesse post será abordada um pouco da história da automação

industrial e do surgimento dos CLPs - Controladores Lógicos

Programáveis, que serão detalhados em outros posts. É importante

explicar que as informações aqui contidas são um conteúdo exclusivo

e foram elaboradas a partir da leitura de diversas informações pela

internet. Buscar por "História da automação" ou algo similar, os

mecanismos de busca direcionam para sites de empresas com uma

história em particular... aqui tenta-se expressar a idéia geral dos

acontecimentos, sem parcialidade.

Início: Revolução industrial

A utilização de equipamentos e máquinas nas indústrias teve início na

Revolução Industrial, no século XVIII, onde eram utilizadas para

realizar tarefas que outrora eram manuais. Daquela época em diante,

as máquinas e equipamentos utilizados na indústria passaram por

várias melhorias e modificações, a fim de tornarem a produção cada

vez mais rápida, precisa e confiável.

Por volta de 1788, alguns tipos de artefatos mecânicos, sobretudo

munidos de sistemas hidráulicos e pneumáticos passaram a ser

aplicados nas linhas de produção, reduzindo esforços dos operadores,

como também aumentando a precisão no controle do equipamento.

Esses primeiros anos foram marcados por um impacto social muito

grande, pois as máquinas realmente tomaram os postos de trabalhos

e só ficaram empregados aqueles que conseguiram se adaptar ou

apresentaram maior aptidão para operar as máquinas.

Produção em série: Fordismo e as lógicas de relés

Já no século XX, houve o início da produção em série, sobretudo das

técnicas desenvolvidas e aplicadas por Henry Ford nos estados

unidos, de maneira que a indústria automobilística bateu recordes de

produção de carros em menos tempo. Nesta época, o controle dos

processos era realizados através de gigantescos e elaborados

circuitos lógicos controlados por dispositivos eletromagnéticos (relés).

É a famosa lógica de relés.

Os sistemas controlados por lógicas de relés trouxeram um grande

avanço na automação do processo produtivo dos automóveis.

Entretanto haviam alguns inconvenientes:

O espaço ocupado era imenso.

A capacidade de trabalho com variáveis analógicas era muito

limitada.

Na ocorrência de um defeito, o diagnóstico era muito demorado. O

pessoal da manutenção poderia levar dias para encontrar uma bobina

queimada ou um contato defeituoso dentro do circuito.

Quando era necessário mudar o comportamento do sistema (devido

à mudança no modelo de carro produzido, por exemplo) era

necessário sucatear todo o sistema e começar a fazer tudo do zero o

que custava meses de trabalho.

Como exemplo, é mostrado na Figura 1 uma foto de um painel de

relés de controle de um elevador.

Figura 1 - Painel de relés de um elevador.

Um outro exemplo é mostrado na Figura 2, onde há um esquema

elétrico de um circuito de acionamento de um motor elétrico,

conhecido por partida estrela-triângulo. Nesse circuito se observa a

presença de alguns componentes mais importantes, que são:

Botões B0 e B1, que desligam e ligam o sistema, respectivamente;

Relé de sobrecarga RL, que protege o motor contra sobrecargas;

K1, K2 e K3 que são os componentes que acionam diretamente o

motor; Os demais componentes, como D1, que é um relé

temporizado, são acessórios ou componentes auxiliares do circuito.

Quanto tempo se levaria para montar esse circuito?

Figura 2 - Diagrama de partida estrela-triângulo

A eletrônica e os processadores

Com o advento da eletrônica e com o aperfeiçoamento das técnicas e

sistemas de medição e controle (instrumentação eletrônica) em

meados da década de 50, as indústrias começaram a trabalhar com

equipamentos de controle ou comando numérico, e o conceito de

distribuição de salas de controle começou a ser difundido. Ressalta-se

que em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattain

descobriram o transistor, que é um componente eletrônico utilizado

aos bilhões nos processadores modernos.

Figura 3 - Willian Shockley e seus colegas durante a invenção do

transistor

Com o aperfeiçoamento da eletrônica surgiram os primeiros

computadores industriais, que começaram a ser utilizados na

indústria a partir de 1961, quando também surgiram os primeiros

robôs industriais.

A partir daí, o crescimento dos sistemas de controle e a modernização

de equipamentos atingiu uma velocidade espantosa, com o

surgimento dos mini e microcomputadores, que ampliaram as

possibilidades, passando a ser empregados em diversos ramos da

instrumentação industrial.

O emprego de computadores na indústria de processos se justifica

pelo fato de que o mesmo pode auxiliar no aumento da produção e

redução de gastos, através da automação das máquinas. Os

microprocessadores podem tomar decisões de controle de uma

máquina como ligá-la, desligá-la, movimentá-la, sinalizar defeitos e

até gerar relatórios operacionais. Dentro deste conceito, surgiram

microcomputadores desenvolvidos especialmente para efetuar

operações e controles lógicos sobre os equipamentos com

possibilidade de reprogramação de suas funções. Este

microcomputador especial foi chamado de PLC (Programmable Logic

Controller) ou em português, CLP (Controlador Lógico Programável).

O PLC

O primeiro PLC surgiu em resposta a uma demanda da indústria

automobilística, só que não foi a Ford e sim a GM (Chevrolet) que

criou esta demanda. Uma empresa chamada BedFord Associates, na

qual trabalhou o chamado "pai do PLC" Dick Morley, criou esse

dispositivo capaz de substituir os painéis de relés. O nome do projeto

era 084. Posteriormente essa empresa passou a se chamar MODICON

(que na verdade vem da sigla Modular Digital Controller), que hoje é

de propriedade da Schneider Electric, grande fabricante de

equipamentos para automação industrial.

O PLC rapidamente tomou conta das indústrias automobilísticas pois

trouxe algumas vantagens interessantes, tais como:

Economia de espaço, pois os circuitos lógicos deram lugar à lógica

por software, ocupando infinitamente menos espaço.

Possibilidade de integração e controle de variáveis analógicas.

Redução do tempo de manutenção, facilitando o diagnóstico de

problemas.

Grande versatilidade na implantação de modificações, pois grande

parte dessas alterações passou a ser realizada no software. Para se

ter uma idéia da economia de espaço e simplificação do hardware, a

Figura 4 apresenta o circuito de partida mostrado na Figura 2, onde

toda a área sobreada representa os componentes e ligações elétricas

que podem ser substituídas por um PLC.

Figura 4 - Representação dos itens que poderiam ser substituídos por

um PLC no circuito da figura 2.

Sensores

DEFINIÇÃO

No tópico Variáveis, foram conceituadas os dois tipos de variáveis em

um processo industrial (ou qualquer outro processo), que são as

variáveis digitais e analógicas.

Para que um sistema de automação possa efetuar medições ou

detecção do estado de determinadas variáveis dentro de um dado

processo, é necessário que seja instalado um dispositivo que converta

a grandeza física medida em algum outro tipo de grandeza,

geralmente elétrica, que possa ser interpretada pelo sistema de

controle.

Nesse contexto estão presentes os sensores, que são dispositivos

eletrônicos capazes de converter grandezas físicas (variáveis

analógicas ou digitais) em grandezas elétricas, compatíveis com o

sistema de controle do processo.

Exemplo 1: Uma câmara frigorífica pode ser desligada sempre que a

temperatura no seu interior for -10ºC ou menos. Para isso, foi

instalado um termostato (Contato térmico) e ajustado de maneira que

ele acione um contato sempre que a temperatura for -10ºC ou menor.

Assim, o sistema de controle recebe uma tensão através desse

termostato que vale 110V quando a temperatura é superior a -10ºC

(1) ou 0V quando inferior a -10ºC (0). A partir deste estado lógico (0

ou 1) enviado pelo sensor (termostato) o sistema de controle pode

ligar ou desligar a câmara frigorífica.

Exemplo 2: Para se medir a temperatura de um líquido em um

tanque pode ser utilizado um sensor de temperatura analógico, capaz

de medir temperaturas de 0 a 250ºC. Essa faixa de valores de

temperatura são convertidos em um sinal de corrente que varia de 4-

20mA, onde 4mA corresponde a 0ºC e 20mA corresponde a 250ºC.

PARAMETROS DE UM SENSOR

Um sensor que será usado em um determinado processo para fazer a

medição ou detecção de alguma variável deve ser especificado de

acordo com um conjunto de parâmetros. A seguir são apresentados

alguns desses parâmetros:

Linearidade: É a proporcionalidade entre o grandeza física medida

e o sinal elétrico emitido pelo sensor. Quanto maior for esta

proporcionalidade, maior será a precisão e a fidelidade das medições.

(Ver Figura 1)

Faixa de atuação: É o intervalo de valores da grandeza medida

em que o sensor pode ser utilizado sem que ocorra a sua destruição

ou prejuízo de sua linearidade. Exemplo: Um medidor de distância a

laser foi dimensionado para medir distâncias entre 0,2 e 10 metros.

Caso seja necessário medir uma distância entre 0 e 15 cm ou superior

a 10 metros, este sensor não poderá ser utilizado, pois tem sua faixa

de atuação diferente do exigido pelo processo. (Ver Figura 1)

Histerese (sensores digitais): Em sensores digitais, tais como os

de proximidade, a histerese é definida como a distância entre os

pontos de comutação de um sensor, quando um atuador dele se

aproxima ou afasta. Exemplo: Um sensor indutivo liga sua saída (1)

quando um objeto metálico se aproxima a 10mm de sua face sensora

e somente desliga (0) quando esse objeto se afastar a mais de 12mm

de sua face sensora. Logo, possui histerese de 2mm.

Sensibilidade: É a menor variação na variável medida ou

monitorada que provoca a mudança do estado ou alteração no sinal

elétrico produzido pelo sensor.

Freqüência de comutação: É a quantidade máxima de mudanças

de estado em um determinado intervalo de tempo (aplicável somente

a sensores digitais).

Distância sensora: É a distância em que, aproximando-se um

objeto da face sensora, o dispositivo muda de estado (aplicável

somente a sensores digitais).

Figura 1 - Exemplo de parâmetros de um sensor de temperatura

Variáveis

Os sistemas de automação em geral têm o objetivo de controlar uma

ou mais variáveis. Por exemplo, um sistema informatizado de controle

de estoque efetua o controle de uma variável numérica: Quantidade

de itens em estoque de um ou mais produtos. Esta variável, por sua

vez, pode ser expressa através de uma unidade apropriada, no caso:

unidades, peças, pacotes, quilograma, metros (para cabos, por

exemplo), etc.

Restringindo o conceito de automação apenas para a indústria, os

sistemas de automação e controle visam controlar variáveis de

processo, que podem ser classificadas basicamente em:

Variáveis digitais: São variáveis discretas, ou seja, assumem

valores finitos e conhecidos ao longo do tempo. Em geral, são

representadas utilizando o sistema binário de numeração(0 e 1), onde

o estado lógico 1 pode representar "energizado", "presente",

"ativado" enquanto o estado lógico 0 representa "desenergizado",

"ausente", "desativado". A representação de uma variável digital ao

longo do tempo está mostrada na Figura 1. Observa-se as

características de um sinal digital: Número de estados ou valores

finitos e conhecidos (0V e 5V), e esses valores podem ser

representados como 0 (0V) ou 1 (5V). São exemplos de variáveis

digitais: Estado de uma porta (aberta ou fechada), estado de uma

lâmpada (ligada ou desligada), estado de um reservatório de água

(cheio ou vazio), etc.

Figura 1 - Representação de uma variável digital.

Variáveis analógicas: São aquelas que possuem comportamento

contínuo (não confundir com corrente contínua) ao longo do tempo,

ou seja, podem assumir infinitos valores ao longo do tempo.

Geralmente essas variáveis são grandezas físicas, tais como:

comprimento, temperatura, pressão, vazão, velocidade, nível, pH, etc.

Em se tratando de automação industrial, os sensores que medem

variáveis analógicas representam este valor através de tensões ou

correntes padronizadas, exemplo: Um sensor de temperatura pode

medir temperaturas de 0 a 100ºC e representa esta temperatura

através de uma tensão de 0 a 10Vcc. A Figura 2 representa o

comportamento de uma variável analógica ao longo do tempo.

Figura 2 - Representação de uma variável analógica