Embed Size (px)
Citation preview
LUCIANO ALVES BARROSO
A IMPORTÂNCIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NA EMPRESA CIA DE BEBIDAS
PRIMO SCHINCARIOL
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) apresentado à Disciplina de Estágio Supervisionado da Universidade Salgado de Oliveira – UNIVERSO, do curso para a obtenção do titulo de bacharel em Engenharia de Produção, como parte dos requisitos para a conclusão do curso.
Orientador: Professor Selmo Machado Pereira – Doutor em Engenharia de Produção – UFRJ/COPPE
NITERÓI - RJ
1
2011
2
Dedico este Trabalho de Conclusão de Curso ao meu pai Nilton Barroso e a minha Mãe valeria Domingues, a minha Irmã Luciana Barroso, a minha esposa ELaine Dias Da S. Barroso, e ao meu filho Arthur Dias Barroso.
3
AGRADECIMENTO
Agradeço à Deus e em especial ao meu ex cunhado Jurapuã Gonzaga da
Silva.
Agradeço aos professores Selmo Machado Pereira e Antonio Lopes de Souza
.
4
“Comprometa-se com suas metas e encare os obstáculos como etapas para atingir o objetivo final”.
Lair Ribeiro
5
RESUMO
Este TCC direcionado para a empresa SCHINCARIOL a respeito da automação industrial diz respeito a entender o que é este processo industrial. Com o passar do tempo e a valorização do trabalhador, foi preciso fazer algumas alterações nas máquinas e equipamentos de forma a resguardar a mão-de-obra de algumas funções inadequadas à estrutura física do homem. A máquina passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem, a supervisioná-la. Iniciou-se assim a automatização, que se tornou muito mais viável à medida que a eletrônica avançava e passava a dispor de circuitos capazes de realizar funções lógicas e aritméticas com os sinais de entrada e gerar respectivos sinais de saída.
Palavras-chave: automação, industrial, processo, máquinas.
6
ABSTRACT
The TCC directed to the company SCHINCARIOL about industrial automation relates to understanding what is this industrial process. With the passage of time and recovery worker, had to make some changes in the machinery and equipment in order to protect the manpower of some functions inappropriate to the physical structure of man. The machine started to do the dirty work and the man to oversee it. Thus began the automation that has become much more viable as advanced electronics and began to have circuits capable of performing arithmetic and logic functions with the input signals and generating corresponding output signals.
Keywords: automation, industrial process machinery.
7
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO............................................................................................................9
RELEVÂNCIA.............................................................................................................9
OBJETIVOS..............................................................................................................11
OBJETIVO GERAL...................................................................................................11
OBJETIVO ESPECÍFICO..........................................................................................12
LIMITAÇÕES DO TRABALHO.................................................................................12
HIPÓTESE.................................................................................................................12
JUSTIFICATIVA........................................................................................................15
METODOLOGIA........................................................................................................16
1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL................................17
1.1 IMPORTANCIA E USO DO SISTEMA DE AUTOMOÇÃO.................................22
1.2 AUTOMAÇÃO E REDES DE COMUNICAÇOES INDUSTRIAIS........................24
2. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL -
CLP OU PLC.............................................................................................................32
2.1 AUTOMOÇÃO INDUSTRIAL E MOTORES ELÉTRICOS..................................45
8
2.2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DIRECIONADA A PRODUÇÃO...........................53
3. ESTUDO DE CASO: USO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NA EMPRESA CIA
DE BEBIDAS PRIMO SCHINCARIOL......................................................................61
3.1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E TECNOLOGIAS DE CONTROLE.....................66
3.2 AUTOMOÇÃO INDUSTRIAL E SISTEMAS DE CONTROLE............................68
3.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE CONTROLE..........69
CONCLUSÃO............................................................................................................76
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................78
9
INTRODUÇÃO
RELEVÂNCIA
O tema deste Trabalho de Conclusão de Curso é “A importância da
automação industrial na empresa cia de bebidas PRIMO SCHINCARIOL”
A tecnologia da automação passou a contar com computadores,
servomecanismos e controladores programáveis a partir do século XX. Atualmente,
os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação. A origem do
computador esta relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenciada
inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C.
Em seguida veio à régua de cálculo e, posteriormente, a máquina aritmética,
que efetuava somas e subtrações 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 m e pesava 30 toneladas.
Funcionava com válvulas e reles 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.
10
A segunda geração de computadores e marcada pelo uso de transistores
(1952). Estes componentes não precisam se aquecer 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 cm, o que resultou no circuito integrado
(CI). Os CIs deram origem a 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 chips constituíram a quarta geração de computadores. Foram então
criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de
fabricação.
As primeiras máquinas de tear eram acionadas manualmente. Depois
passaram a ser acionadas por algum tipo de comando automático. Entretanto, esse
comando só produzia um modelo de tecido, de padronagem, de desenho ou
estampo. A introdução de um sistema automático flexível no mecanismo de uma
máquina de tear tornou possível produzir diversos padrões de tecidos num mesmo
equipamento.
Os sinais de sensores acoplados à máquina ou equipamento a ser
automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam cargas e atuadores.
Processo descontínuo (Processo em batch, processo em lote): é aquele cuja
operação se dá em etapas. Assim, em primeiro lugar ocorre a alimentação do
processo com matéria-prima, em seguida a reação e finalmente a retirada do
produto final. Processo contínuo
Entendem-se por processos contínuos aqueles em que existe uma entrada
contínua de matéria-prima, um processamento e uma saída também contínua do
produto final. A automação de processos serve para medir variáveis analógicas e
digitais, para que, após o processamento das informações contidas nessas
variáveis, o controlador tome decisões como: ligar/desligar um motor, acender uma
lâmpada de alerta, ligar/desligar um sistema de aquecimento, entre outras.
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.
11
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). O elemento que "sente" o que ocorre no
processo, fornecendo informações sobre o estado da variável monitorada é
chamado de sensor. O elemento que executa a tarefa designada pelo controlador é
chamado de atuador. Classificação dos Sensores:
I) Quanto ao tipo de variável controlada
• Sensores Contínuos - efetuam medições contínuas de variáveis, fornecendo
valores contínuos. (Ex: Resistor Variável)
•Sensores Discretos - podem apresentar somente dois estados : atuados ou
não. (Ex: Chaves) Classificação dos Sensores:
II) Quanto a seu funcionamento
Auto alimentados: Estes produzem um sinal elétrico de saída sem a
necessidade de alimentação externa. Um termopar é um exemplo deste tipo de
sensor. Com alimentação externa: Estes requerem entrada de energia para poder-se
obter um sinal de saída.
Sendo assim, diante dos entendimentos descritos acima, questiona-se: De
que forma a automação industrial tem modificado a estrutura de produção da
empresa SCHINCARIOL?
OBJETIVOS
OBJETIVO GERAL
Este Trabalho de Conclusão de Curso possui como objetivo geral analisar que
a cadeia de automação ainda consiste na comunicação de dados entre os
elementos. 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
12
(processo propriamente dito) e outras. Enfim, devido a esta grande variedade de
conhecimentos, o foco deste curso será na programação dos Controladores Lógico
Programáveis (CLPs) que são o cérebro de todo o processo.
OBJETIVO ESPECÍFICO
E tem por objetivos específicos, definir automação industrial; descrever os
tipos de automação; enumerar os tipos de sensores; analisar a utilização da
automação industrial na empresa Schincariol.
LIMITAÇÕES DO TRABALHO
Este trabalho limitar-se-á descrever o sistema de automação industrial na
empresa schincariol.
HIPÓTESE
Neste TCC procurar-se-á abordar que 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 designam-se os 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.
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 pode-se 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. Essa referência também é conhecida como “set-
13
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 diz-
se que o sistema tem “malha aberta”.
Conceitualmente o estudo da eletricidade é divido em três grandes áreas: a
geração, a distribuição e o uso. Dentre elas a disciplina de comandos elétricos está
direcionada ao uso desta energia, assim pressupõe-se neste texto que a energia já
foi gerada, transportada a altas tensões e posteriormente reduzida aos valores de
consumo, com o uso de transformadores apropriados.
Por definição os comandos elétricos têm por finalidade a manobra de motores
elétricos que são os elementos finais de potência em um circuito automatizado.
Entende-se por manobra o estabelecimento e condução, ou a interrupção de
corrente elétrica em condições normais e de sobre-carga. Os principais tipos de
motores são:
• Motor de Indução
• Motor de corrente contínua
• Motores síncronos
• Servomotores
• Motores de Passo
Até o presente momento os programas nos CLPs foram feitos com um
raciocínio lógico intuitivo. Entretanto existem alguns métodos que podem atalhar o
raciocínio, de forma a chegar no programa final sem utilizar do binômio programar-
testar. Sob o ponto de vista didático, deve-se separar os problemas de programação
em dois tipos: os de lógica combinacional e os de lógica seqüencial.
Segundo Natale (1995) nos sistemas combinacionais as saídas só dependem
das entradas no instante de tempo observado, já os sistemas seqüências se
carcterizam também pela dependência dos instantes anteriores. Para se trabalhar
com circuitos seqüências deve-se estudar os princípios do Grafcet ou Sequential
Flow Chart (SFC), cujos detalhes são detalhados por Silveira e Santos (1998).
Dentre estes destacou-se os motores de indução por sua grande utilização no
ambiente industrial. Esses, por sua vez, apresentam particularidades no seu
acionamento e estas devem ser consideradas nos circuitos automáticos. A primeira
particularidade em manobra de motores é a divisão do circuito em comando e
potência para proteção dos operadores.
14
No comando geralmente se encontra a bobina do contator principal de
manobra do motor. Deve-se lembrar que os circuitos eletro-pneumáticos eletro-
hidráulicos também apresentam a mesma divisão.
O circuito de comando também tem as funções de selo, intertravamento,
sinalização, lógica e medição. A tensão de comando pode ser contínua ou alternada.
Determinada a tensão de comando, todos os elementos de acionamento devem ser
comprados para esta tensão. São elementos de acionamento: bobinas dos
contatores principais e auxiliares, todos os relés, as lâmpadas de sinalização,
sirenes, buzinas, temporizadores, entre outros.
A primeira e mais básica manobra apresentada é a partida direta. Esta
destina-se simplesmente ao acionamento e interrupção do funcionamento de um
motor de indução trifásico, em um determinado sentido de rotação.
Normalmente os motores de indução exigem, durante a partida, uma corrente
maior que pode variar de cinco a sete vezes o valor de sua corrente nominal. Esta
característica é extremamente indesejável, pois além de exigir um super -
dimensionamento dos cabos, ainda causa quedas no fator de potência da rede,
provocando possíveis multas da concessionária de energia elétrica. Uma das
estratégias para se evitar isso é a Partida Estrela-triângulo (Υ/∆), cujo princípio é o
de ligar o motor na configuração estrela (Υ), reduzindo a corrente e posteriormente
comutá-lo para triângulo (∆) atingindo sua potência nominal. Outra estratégia é o uso
de Chaves compensadoras.
Modernamente, através do desenvolvimento da tecnologia do estado sólido,
também são utilizados os Soft-starters e os Inversores de Freqüência.
Existem inúmeros exemplos de sistemas que podem, e são automatizados
com os CLPs, utilizando diferentes tipos de linguagem de programação. Apesar
apresentar os problemas mais simples, a lógica para montagem dos mesmos muitas
vezes não é tão óbvia, como o aluno poderá perceber. É importante lembrar também
que, as automações complexas muitas vezes são feitas através da combinação
dessas diversas rotinas básicas.
Os Blocos Funcionais são as ferramentas básicas da programação no CLP,
desse modo, para o perfeito entendimento dos programas, é muito importante ter em
mente o comportamento das funções estudadas nos dois capítulos anteriores. Pode-
se dizer que os blocos funcionais estão para os CLPs, assim como os parafusos,
engrenagens, polias, correias estão para a mecânica, ou seja, sem o conhecimento
15
exato da função de cada um desses elementos não se monta uma máquina e nem
um programa para automação.
JUSTIFICATIVA
A escolha deste tema justifica-se em esclarecer que em princípio, qualquer
grandeza física pode ser controlada, isto é, pode ter seu valor intencionalmente
alterado. Obviamente, há limitações práticas; uma das inevitáveis é a restrição da
energia existente para afetar os fenômenos. Por exemplo, a maioria das variáveis
climatológicas podem ser medidas, mas não controladas, por causa da ordem de
grandeza da energia envolvida.
O controle manual implica em se ter um operador presente ao processo
criador de uma variável física e que, de acordo com alguma regra de seu
conhecimento, opera um aparelho qualquer (válvula, alavanca, chave etc.), que por
sua vez produz alterações naquela variável.
No início da industrialização, os processos industriais utilizavam o máximo da
força da mão-de-obra. A produção era composta por etapas ou estágios, nos quais
as pessoas desenvolviam sempre as mesmas funções, especializando-se em certa
tarefa ou etapa da produção. Assim é conhecido o princípio da produção seriada. O
mesmo ocorria com as máquinas de produção, que eram específicas para uma
aplicação, o que impedia seu uso em outras etapas da produção, mesmo que
tivesse características muito parecidas.
Os primeiros sistemas de automação operavam por meio de sistemas
eletromecânicos, com relés e contatores. Neste caso, os sinais acoplados à máquina
ou equipamento a ser automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam
as cargas e atuadores. Os controladores programáveis (CP) ou controladores lógico-
programáveis (CLP ou PLC, em inglês) surgiram praticamente dentro da indústria
automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors,
em 1968, sob a liderança do engenheiro Richard Morley.
O desenvolvimento dos CLP´s originou-se devido a grande dificuldade de
mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de
montagem. Os painéis de controle a relés necessitavam de modificações na fiação,
16
o que muitas vezes era inviável, pois implicavam em altos gastos de tempo e
dinheiro, tornando-se mais barato simplesmente substituir todo painel por um novo.
A grande vantagem dos controladores programáveis é a possibilidade de
reprogramação. Portanto, os CLP´s permitiram transferir as modificações de
hardware em modificações no software. Nascia assim um equipamento bastante
versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando
cada vez mais os setores industriais e suas aplicações.
METODOLOGIA
Este TCC apresentará a seguinte estrutura na Introdução descrevendo os
pontos básicos como relevância, objetivos, limitações do trabalho, hipóteses,
justificativa, metodologia; o capitulo 1, Evolução histórica da automação industrial;
no capitulo 2, Automação industrial e controlador lógico programável (CLP ou PLC);
no capítulo 3, Estudo de caso, uso da automação industrial na empresa Cia de
bebidas primo Schincariol.
17
1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Na década de 1970, era clássica a comparação entre as instrumentações
eletrônica e pneumática. Hoje, às vésperas do ano 2000, há a predominância da
eletrônica microprocessada.
Os sensores que medem o valor ou estado de variáveis importantes em um
sistema de controle são as entradas do sistema, mas o coração do sistema é o
controlador eletrônico microprocessado (RIBEIRO, 2001). Muitos sistemas de
automação só se tornaram possíveis por causa dos recentes e grandes avanços na
eletrônica. Sistemas de controle que não eram práticos por causa de custo há cinco
anos atrás hoje se tornam obsoletos por causa do rápido avanço da tecnologia.
A chave do sucesso da automação é o uso da eletrônica microprocessada
que pode fornecer sistemas eletrônicos programáveis. Por exemplo, a indústria
aeronáutica constrói seus aviões comerciais em uma linha de montagem, mas
personaliza o interior da cabine através de simples troca de um programa de
computador. A indústria automobilística usa robôs para soldar pontos e fazer furos
na estrutura do carro (RIBEIRO, 2001).
A posição dos pontos de solda, o diâmetro e a profundidade dos furos e todas
as outras especificações podem ser alteradas através da simples mudança do
programa do computador. Como o programa do computador é armazenado em um
chip de memória, a alteração de linhas do programa neste chip pode requerer
somente alguns minutos. Mesmo quando se tem que reescrever o programa, o
tempo e custo envolvidos são muitas vezes menores que o tempo e custo para
alterar as ferramentas (CARVALHO, 2002).
A máquina foi programada para fazer uma série de operações, resultando em
uma peça acabada. As operações são automáticas e expandidas para incluir outras
18
funções. A máquina segue um programa predeterminado, em realimentação da
informação. O operador deve observar a máquina para ver se tudo funciona bem.
Na planta química, uma chave foi adicionada no medidor de vazão para gerar
um sinal para desligar a bomba, quando uma determinada quantidade for
adicionada. Um alarme foi colocado no cronômetro para avisar que o tempo da
batelada foi atingido.
O próximo passo desenvolve um sistema que usa a medição para corrigir a
máquina. A definição de automação de Ford se refere a este nível. Na indústria
química, o controle a realimentação negativa é o começo do controle automático. A
temperatura é usada para controlar a válvula que manipula o vapor. O regulador de
vazão ajusta a quantidade adicionada no reator, baseando na medição da vazão
(CARVALHO, 2002).
Em vez de realimentar uma medição simples, este grau de automação utiliza
um cálculo da medição para fornecer um sinal de controle. Na planta química, os
cálculos se baseiam no algoritmo PID, em que o sinal de saída do controlador é uma
função combinada de ações proporcional, integral e derivativa. Este é o primeiro
nível de automação disponível pelo computador digital.
O sistema de telefone com dial é um exemplo de máquina lógica: Quando se
tecla o telefone, geram-se pulsos que lançam chaves que fazem a ligação desejada.
Caminhos alternativos são selecionados por uma série programada de passos
lógicos. O sistema de segurança e desligamento da planta química usa controle
lógico. Um conjunto de condições inseguras dispara circuitos para desligar bombas,
fechar válvula de vapor ou desligar toda a planta, dependendo da gravidade da
emergência.
No controle adaptativo, a máquina aprende a corrigir seus sinais de controle,
se adequando às condições variáveis. Uma versão simples deste nível é o sistema
de aquecimento de um edifício que adapta sua reposta ao termostato a um
programa baseado nas medições da temperatura externa (CARVALHO, 2002).
O controle adaptativo tornou-se acessível pelo desenvolvimento de sistemas
digitais. Um exemplo de controle adaptativo na indústria química é o compressor de
nitrogênio e oxigênio para fabricação de amônia. A eficiência do compressor varia
com a temperatura e pressão dos gases e das condições do ambiente. O
controlador adaptativo procura o ponto ótimo de trabalho e determina se o
compressor está em seu objetivo, através do índice de desempenho. Para isso, usa-
19
se a tecnologia avançada do computador mais a tecnologia de instrumentos de
análise em linha.
A máquina indutiva rastreia a resposta de sua ação e revisa sua estratégia,
baseando-se nesta resposta. Para fazer isso, o controlador indutivo usa programa
heurístico. Na planta química, o sistema usa um método e o avalia, muda uma
variável de acordo com um programa e o avalia de novo. Se este índice de
desempenho tem melhorado, ele continua no mesmo sentido; se a qualidade piorou,
ele inverte o sentido. A quantidade de ajuste varia com seu desvio do ponto ideal.
Depois que uma variável é ajustada, o sistema vai para a próxima. O sistema
continua a induzir as melhores condições na planta.
Uma aplicação típica é no controle de fornalha de etileno. A máquina criativa
projeta circuitos ou produtos nunca antes projetados. Exemplo é um programa de
composição de música. A máquina criativa procura soluções que seu programado
não pode prever. Na planta química, é o teste de catalisador. O sistema varia
composição, pressão e temperatura em determinada faixa, calcula o valor do
produto e muda o programa na direção de aumentar o valor.
Neste nível, a máquina ensina o homem. O conhecimento passa na forma de
informação. A máquina pode ensinar matemática ou experiência em um laboratório
imaginário, com o estudante seguindo as instruções fornecidas pela máquina.
Assim, todos os graus de automação são disponíveis hoje, para ajudar na
transferência de tarefas difíceis para a máquina e no alívio de fazer tarefas
repetitivas e enfadonhas. Fazendo isso, a máquina aumenta a produtividade,
melhora a qualidade do produto, torna a operação segura e reduz o impacto
ambiental.
Automação é a operação de máquina ou de sistema automaticamente ou por
controle remoto, com a mínima interferência do operador humano. Automação é o
controle de processos automáticos. Automático significa ter um mecanismo de
atuação própria, que faça uma ação requerida em tempo determinado ou em
resposta a certas condições.
O conceito de automação varia com o ambiente e experiência da pessoa
envolvida. São exemplos de automação (FONTES, 2009 p. 240):
a) Para uma dona de casa, a máquina de lavar roupa ou lavar louça.
b) Para um empregado da indústria automobilística, pode ser um robô.
20
c) Para uma pessoa comum, pode ser a capacidade de tirar dinheiro do caixa
eletrônico.
O conceito de automação inclui a idéia de usar a potência elétrica ou
mecânica para acionar algum tipo de máquina. Deve acrescentar à máquina algum
tipo de inteligência para que ela execute sua tarefa de modo mais eficiente e com
vantagens econômicas e de segurança.
Como vantagens, a máquina nunca reclama, nunca entra em greve, não pede
aumento de salário, não precisa de férias, não requer mordomias. Como nada é
perfeito, a máquina tem as seguintes limitações: capacidade limitada de tomar
decisões; deve ser programada ou ajustada para controlar sua operação nas
condições especificadas; necessita de calibração periódica para garantir sua
exatidão nominal; requer manutenção eventual para assegurar que sua precisão
nominal não se degrade (PINHEIRO, 2007).
Com o advento do circuito integrado (1960) e do microprocessador (1970), a
quantidade de inteligência que pode ser embutida em uma máquina a um custo
razoável se tornou enorme. O número de tarefas complexas que podem ser feitas
automaticamente cresceu várias vezes.
Atualmente, pode-se dedicar ao computador pessoal (CP) para fazer tarefas
simples e complicadas, de modo econômico. A automação pode reduzir a mão de
obra empregada, porém ela também e ainda requer operadores. Em vez de fazer a
tarefa diretamente, o operador controla a máquina que faz a tarefa. Assim, a dona
de casa deve aprender a carregar a máquina de lavar roupa ou louça e deve
conhecer suas limitações. Operar a máquina de lavar roupa pode inicialmente
parecer mais difícil que lavar a roupa diretamente. Do mesmo modo, o
operador de uma furadeira automática na indústria automobilística deve ser treinado
para usar a máquina com controle numérico que faz o furo realmente. A linha de
montagem com robôs requer operadores para monitorar o desempenho desses
robôs.
Quem tira o dinheiro do caixa eletrônico, deve possuir um cartão apropriado,
decorar uma determinada senha e executar uma série de comandos no teclado ou
tela de toque. Muitas pessoas pensam e temem que a automação significa perda de
empregos, quando pode ocorrer o contrário. De fato, falta de automação coloca
muita gente para trabalhar. Porém, estas empresas não podem competir
economicamente com outras por causa de sua baixa produtividade devida à falta de
21
automação e por isso elas são forçadas a demitir gente ou mesmo encerrar suas
atividades.
Assim, automação pode significar ganho e estabilidade do emprego, por
causa do aumento da produtividade, eficiência e economia. Muitas aplicações de
automação não envolvem a substituição de pessoas por que a função ainda não
existia antes ou é impossível de ser feita manualmente. Pode-se economizar muito
dinheiro anualmente monitorando e controlando a concentração de oxigênio dos
gases queimados em caldeiras e garantindo um consumo mais eficiente de
combustível.
Pode se colocar um sistema automático para recuperar alguma substância de
gases jogados para atmosfera, diminuindo os custos e evitando a poluição do ar
ambiente. A automação está intimamente ligada à instrumentação. Os diferentes
instrumentos são usados para realizar a automação. Historicamente, o primeiro
termo usado foi o de controle automático de processo.
Foram usados instrumentos com as funções de medir, transmitir, comparar e
atuar no processo, para se conseguir um produto desejado com pequena ou
nenhuma ajuda humana. Isto é controle automático.
Com o aumento da complexidade dos processos, tamanho das plantas,
exigências de produtividade, segurança e proteção do meio ambiente, além do
controle automático do processo, apareceu à necessidade de monitorar o controle
automático. A partir deste novo nível de instrumentos, com funções de monitoração,
alarme e intertravamento, é que apareceu o termo automação. As funções
predominantes neste nível são as de detecção, comparação, alarme e atuação
lógica.
Por isso, para o autor, principalmente para a preparação de seus cursos e
divisão de assuntos, tem-se o controle automático aplicado a processo contínuo,
com predominância de medição, controle PID (proporcional, integral e derivativo). O
sistema de controle aplicado é o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD),
dedicado a grandes plantas ou o controlador single loop, para aplicações simples e
com poucas malhas.
Tem-se a automação associada ao controle automático, para fazer sua
monitoração, incluindo as tarefas de alarme e intertravamento. A automação é
também aplicada a processos discretos e de batelada, onde há muita operação
lógica de ligar e desligar e o controle seqüencial. O sistema de controle aplicado é o
22
Controlador Lógico Programável (CLP). Assim: controle automático e automação
podem ter o mesmo significado ou podem ser diferentes, onde o controle regulatório
se aplica a processos contínuos e a automação se aplica a operações lógicas,
seqüenciais de alarme e intertravamento. A história da humanidade é um longo
processo de redução do esforço humano requerido para fazer trabalho. A sua
preguiça é responsável pelo progresso e o aparecimento da automação. Pode-se
classificar os graus de automação industrial em várias fases.
O primeiro progresso do homem da caverna foi usar uma ferramenta manual
para substituir suas mãos. Esta ferramenta não substituiu o esforço humano, mas
tornou este esforço mais conveniente. Exemplos de ferramentas: pá, serra, martelo,
machado, enxada. Como não há máquina envolvida, considera-se que este nível
não possui nenhuma automação (PINHEIRO, 2007).
Na indústria, este nível significa alimentar manualmente um reator, moendo
sólidos, despejando líquidos de containeres, misturando com espátula, aquecendo
com a abertura manual de válvula de vapor. O próximo passo histórico foi energizar
as ferramentas manuais. A energia foi suprida através de vapor d'água, eletricidade
e ar comprimido. Este degrau foi chamado de Revolução Industrial. A serra se
tornou elétrica, o martelo ficou hidráulico.
Na indústria, usa-se um motor elétrico para acionar o agitador, a alimentação
é feita por uma bomba, o aquecimento é feito por vapor ou por eletricidade.
Com a energia fornecida para acionar as ferramentas, o passo seguinte foi
quantificar esta energia. Um micrômetro associado à serra, indica quanto deve ser
cortado. A medição torna-se parte do processo, embora ainda seja fornecida para o
operador tomar a decisão.
Na indústria, este nível significa colocar um medidor de quantidade na bomba
para indicar quanto foi adicionado ao reator. Significa também colocar um
cronômetro para medir o tempo de agitação, um termômetro para indicar o fim da
reação. As variáveis indicadas ao operador ajudavam o operador determinar o status
do processo.
1.1 IMPORTANCIA E USO DO SISTEMA DE AUTOMOÇÃO
23
A aplicação de automação eletrônica nos processos industriais resultou em
vários tipos de sistemas, que podem ser geralmente classificados como (FONTES,
2009, p. 214):
a) Máquinas com controle numérico
b) Controlador lógico programável
c) Sistema automático de armazenagem e recuperação
d) Robótica
e) Sistemas flexíveis de manufatura.
Uma máquina ferramenta é uma ferramenta ou conjunto de ferramentas
acionadas por potência para remover material por furo, acabamento, modelagemou
para inserir peças em um conjunto. Uma máquina ferramenta pode ser controlada
por algum dos seguintes modos:
a) Controle contínuo da trajetória da ferramenta onde o trabalho é contínuo ou
quase contínuo no processo.
b) Controle ponto a ponto da trajetória da ferramenta onde o trabalho é feito
somente em pontos discretos do conjunto. Em qualquer caso, as três coordenadas
(x, y, z ou comprimento, largura e profundidade) devem ser especificadas para
posicionar a ferramenta no local correto. Programas de computador existem para
calcular a coordenada e produzir furos em papel ou fita magnética que contem os
dados numéricos realmente usados para controlar a máquina.
A produtividade com controle numérico pode triplicar. No controle numérico,
exige-se pouca habilidade do operador e um único operador pode supervisionar
mais de uma máquina. Se em vez de usar uma fita para controlar a máquina, é
usado um computador dedicado, então o sistema é tecnicamente chamado de
máquina controlada numericamente com computador (CNC). Um centro com CNC
pode selecionar de uma até vinte ferramentas e fazer várias operações diferentes,
como furar, tapar, frezar, encaixar (FONTES, 2009).
Se o computador é usado para controlar mais de uma máquina, o sistema é
chamado de máquina controlada numericamente e diretamente. A vantagem deste
enfoque é a habilidade de integrar a produção de várias máquinas em um controle
global de uma linha de montagem. A desvantagem é a dependência de várias
máquinas debaixo de um único computador.
O controlador lógico programável é um equipamento eletrônico, digital,
microprocessado, que pode:
24
a) controlar um processo ou uma máquina
b) ser programado ou reprogramado rapidamente e quando necessário
c) ter memória para guardar o programa.
O programa é inserido no controlador através de microcomputador, teclado
numérico portátil ou programador dedicado. O controlador lógico programável varia
na complexidade da operação que eles podem controlar, mas eles podem ser
interfaceados com microcomputador e operados como um DNC, para aumentar sua
flexibilidade. Por outro lado, eles são relativamente baratos, fáceis de projetar e
instalar.
Atividades de armazenar e guardar peças são centralizados em torno de
inventário de peças ou materiais para, posteriormente, serem usadas, embaladas ou
despachadas. Em sistemas automáticos, um computador remoto controla
empilhadeiras e prateleiras para receber, armazenar e recuperar itens de
almoxarifado. O controle da relação é exato e os itens podem ser usados ou
despachados de acordo com os dados recebidos.
A incorporação de máquinas NC, robótica e computadores em uma linha de
montagem automatizada resulta no que é chamado sistema de manufatura flexível.
Ele é considerado flexível por causa das muitas mudanças que podem ser feitas
com relativamente pouco investimento de tempo e dinheiro. Em sua forma final,
matéria prima entra em um lado e o produto acabado sai do almoxarifado em outro
lado, pronto para embarque sem intervenção humana. Hoje isto existe somente em
conceito, embora grandes partes deste sistema já existem.
1.2 AUTOMAÇÃO E REDES DE COMUNICAÇOES INDUSTRIAIS
Os sistemas de automação e controle tem se apoiado cada vez mais em
redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexibilidade dos
processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas
novas instalações industriais.
Assim, praticamente não tem sido implementados sistemas que não incluam
alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais,
seja remota, implementadas em sistemas SCADA - sistema para aquisição,
supervisão e controle de processos (SILVEIRA; SANTOS, 2001).
25
Embora essa disseminação de aplicação de comunicação seja recente, já de
há muito que tem sido desenvolvidos diferentes esquemas de comunicação de
dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a
segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação. Um
modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente
industrial é o de três níveis diferentes de requisito (CARVALHO, 2002, p. 188):
a) Nível de informação: caracterizado por grandes volumes de troca de dados
com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico).
Essencialmente de domínio da informática;
b) Nível de automação e controle: caracterizado por volumes moderados de
dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de
milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de natureza
diversa. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança.
Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos;
c) Nível de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de
dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos
(tempos de resposta muito curtos). Orientada a sensores e atuadores, tipicamente
de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade
de interação com níveis superiores;
Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos os
três níveis, havendo em geral, uma implementação de diferentes redes para atender
cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o
desempenho da rede é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de
transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre
o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma
rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre
o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de
transmissão. Concluído-se, não adianta comunicar a altas velocidades, com
informações mal dispostas ou redundantes.
A camada de enlace, responsável pelo mecanismo de entrega de pacotes,
tem sido implementada tradicionalmente em redes industrias com a estrutura
origem/destino. Essa implementação agrega a cada mensagem enviada o endereço
da estação de destino.
26
Observe-se que esta implementação, em determinadas circunstâncias, pode
ser ineficiente: suponha-se que um mesmo dado deve ser transmitido a vários nós
de uma mesma rede. O dispositivo que está transmitindo este dado deverá emitir
uma mensagem com ambos endereços origem/destino para cada nó que deva
receber tal mensagem. Portanto, aumentando o tráfego da rede e constituindo um
operação repetitiva em conter sempre o endereço do dispositivo a ser enviado tal
mensagem. Além disso, caso haja necessidade de sincronizar vários dispositivos
pertencentes a uma mesma rede, havendo alguma dificuldade em fazer tal
sincronismo, uma vez que ao ser necessário mandar mensagens consecutivas a
todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse
instante de sincronismo.
Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar
a camada de enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementação está
baseada no conceito de que alguns dispositivos são produtores de informações e
outros são consumidores dessas.
Nessa implementação, quando um produtor disponibiliza sua informação, esta
é colocada na rede disponível para todos os dispositivos que sejam seus
consumidores ao mesmo tempo, reduzindo o número de mensagens a serem
emitidas, bem como reduzindo o próprio comprimento da mensagem, uma vez que
não será necessário incluir ambos endereços de remetente e destinatário, sendo
necessário tão somente identificar a informação a ser transmitida. Logo, o modelo
produtor/consumidor, empregado nas redes de mercado mais recentes como
Foundation Fieldbus, WorldFIP, ControlNet e DeviceNet, apresentam um modelo de
rede eficiente, quanto a maximização de troca de dados, além de se ter um aumento
da flexibilidade da rede.
O software de supervisão, localizado no nível de controle do processo das
redes de comunicação, é o responsável pela aquisição de dados diretamente dos
controladores lógico programáveis - CLP para o computador, pela sua organização,
utilização e gerenciamento dos dados. Poderá ser configurado para taxas de
varredura diferentes entre CLP's e inclusive, entre pontos de um mesmo CLP.
Os dados adquiridos devem ser condicionados e convertidos em unidades de
engenharia adequadas, em formato simples ou de ponto flutuante, armazenando-os
em um banco de dados operacional. A configuração individual de cada ponto
supervisionado ou controlado, permite ao usuário definir limites para alarmes,
27
condições e textos para cada estado diferente de um ponto, valores para conversão
em unidade de engenharia, etc..
O software deve permitir que estratégias de controle possam ser
desenvolvidas utilizando-se de funções avançadas, através de módulos dedicados
para implementação de funções matemáticas e booleanas, por exemplo. Através
destes módulos, poderá ser feito no software aplicativo de supervisão, o controle das
funções do processo.
Os dados adquiridos podem ser manipulados de modo a gerar valores para
parâmetros de controle como "set-point's". Os dados são armazenados em arquivos
de dados padronizados. Estes arquivos poderão ser acessados por programas de
usuários para realização de cálculos, alteração de parâmetros e dos seus próprios
valores.
O software supervisório é visto como o conjunto de programas gerado e
configurado no software básico de supervisão, implementando as estratégias de
controle e supervisão, as telas gráficas de interfaceamento homem-máquina, a
aquisição e tratamento de dados do processo, a gerência de relatórios e alarmes.
Este software deve ter entrada de dados manual, através de teclado. Os dados
serão requisitados através de telas com campos pré-formatados que o operador
deverá preencher. Estes dados deverão ser auto-explicativos e possuírem limites
para as faixas válidas. A entrada dos dados deve ser realizada por telas individuais,
seqüencialmente, com seleção automática da próxima entrada. Após todos os dados
de um grupo ser inserido, esses poderão ser alterados ou adicionados pelo
operador, que será o responsável pela validação das alterações.
A estratégia de supervisão e controle é desenvolvida com o software básico
de supervisão que cria um banco de dados operacional com todos os dados de
configuração do sistema.
Os dados podem ser referentes a configuração da própria estratégia ou
referentes aos pontos supervisionados (ou controlados). Em ambos os casos, o
método e recursos utilizados para entrada de dados deve ser composta por
ferramentas do tipo "Windows", com menus dirigidos, preenchimento de campos pré-
formatados e múltiplas janelas.
Os dados da estratégia são gerais, afetando todo o banco, como por exemplo,
a configuração de impressoras, os tipos de equipamentos conectados, as senhas,
etc. Os dados referentes aos pontos são individuais e abrangem os "TAG" (variáveis
28
de entrada/saída - I/O - ou internas), as descrições, os limites de alarme, a taxa de
varredura, etc. Alterações podem ser realizadas com o sistema "on-line" (ligado ou à
quente). Após a estratégia configurada, o software básico deve executar, gerenciar e
armazenar o resultado de cálculos e operações realizadas, o estado dos pontos e
todas as informações necessárias neste banco de dados.
O conjunto de telas do software de supervisão deve permitir os operadores,
controlar e supervisionar completamente toda a planta. As telas deverão ser
organizadas em estrutura hierárquica do tipo árvore, permitindo um acesso
seqüencial e rápido. A seguir, é descrito as principais telas que o aplicativo deve
conter:
- Telas de visão geral: são telas que apresentarão ao operador uma visão
global de um processo, sob visualização imediata na operação da planta. Nestas
telas são apresentados os dados mais significantes à operação e objetos que
representam o processo. Os objetivos devem ser dotados de características
dinâmicas, representando o estado de grupos de equipamentos e áreas do
processos apresentado. Os dados devem procurar resumir de forma significativa
os principais parâmetros a serem controlados (ou monitorados) do processo
específico;
- Telas de grupo: são telas representativas de cada processo ou unidade,
apresentando objetos e dados de uma determinada área de modo a relacionar
funções estanques dos processos. Os objetos devem ser dotados de características
dinâmicas representado o estado e/ou condição dos equipamentos da área
apresentada. Os dados apresentados devem representar valores quantitativos dos
parâmetros supervisionados (ou controlados). As telas de grupo também possibilita
ao operador, acionar os equipamentos da área através de comandos do tipo
abrir/fechar ou ligar/desligar. Além disso, o operador poderá alterar os parâmetros
de controle ou supervisão, tais como "set-point's", limites de alarme, modos de
controle, etc.;
- Telas de detalhe: são telas que atendem a pontos e equipamentos
controlados (ou monitorados) individualmente. Serão compostas, quando possível,
por objetos com características dinâmicas, representando o estado do equipamento.
Os dados apresentam todos os parâmetros do ponto supervisionado (ou
monitorado). As telas devem possibilitar ao operador alterar os parâmetros do
equipamento, seus limites, os seus dados de configuração, etc.;
29
- Telas de malhas: são telas que apresentam o estado das malhas de
controle. Todas as telas devem apresentar os dados das variáveis controladas
exibidas, como "set-point's", limites e condição dos alarmes, valor atual e valor
calculado, etc., em forma de gráfico de barras e em valores numéricos;
- Telas de tendência - histórica e real: são telas normalmente padrão do
software básico de supervisão. Estas telas apresentam várias (em média seis)
variáveis simultaneamente, na forma gráfica, com valores coletados em tempo real
("on-line"), na forma de tendência real e na forma histórica "off-line" - valores de
arquivos pré-armazenados em disco. Estas tendências podem ser apresentadas em
forma de gráficos ou em forma tabular, com os últimos valores coletados para cada
variável;
- Telas de manutenção: são compostas por informações de problemas,
alarmes, defeitos e dados de manutenção das diversas áreas referentes ao
processo e equipamentos destes, incluindo o próprio sistema de controle. As
informações são do tipo histórico de falhas, programa de manutenção dos
equipamentos (corretiva e preventiva), e informações gerais dos equipamentos
(comerciais, assistências técnica, etc.). O histórico de falhas por equipamento ou
área fica armazenado em arquivos no banco de dados do software de supervisão,
possibilitando o tratamento destas informações através de telas orientativas à
manutenção, ou através de programas de usuário para estatísticas de utilização e
defeitos. O software básico de supervisão possui um módulo para desenvolvimento
de relatórios.
Criados em formatos padrão, para os relatórios do tipo históricos, permitem
ao operador a escolha de quais variáveis deseja visualizar. Os dados podem ser
apresentados nas telas das estações com campos de identificação para "TAG", data,
hora e descrição do ponto. Os relatórios poderão ser solicitados manualmente pelo
operador e destinados para impressoras ou terminais de vídeo. Os dados históricos
são armazenados em arquivos de modo que podem ser acessados pelos programas
de relatórios, para serem trabalhados e apresentados à operação. Deste modo, os
arquivos podem ser armazenados em meios magnéticos para utilização futura.
Dentro deste perfil de aplicativos de supervisão, encontram-se vários
fabricantes como: WIZCON e WIZFACTORY- PC Soft International, Inc., RSI -
Rockwell Automation, LabVIEW - National Instruments e ELIPSE WINDOWS - Elipse
Software Ltda.
30
O Elipse Windows é um software para criação de aplicativos de supervisão e
controle de processos nas mais diversas áreas, tais como: química, automação
predial, manufatura, elétrica, segurança, laboratórios de testes, saneamento e
máquinas.
Desenvolvido em um ambiente avançado, orientado a objetos e de fácil
configuração, permite a visualização e acionamento de variáveis, bancos de dados,
relatórios, receitas e conectividade com todo tipo de sistemas, inclusive via Internet.
Este aplicativo oferece sofisticados recursos que otimizam o tempo de
desenvolvimento e a manutenção dos sistemas:
- Interface clara, lógica e intuitiva;
- Conectividade com a maioria dos equipamentos disponíveis no mercado ou
mesmo com outros aplicativos Windows;
- Biblioteca gráfica para criação de telas; Suporte à rede e arquitetura
cliente/servidor;
- Configuração e reconhecimento de alarmes;
- Relatórios formatados, graficamente customizados pelo usuário;
- Registro de dados em disco e análise histórica;
- Receitas que permitem a programação de valores para o envio ao processo;
- Scripts que permitem a criação de rotinas exclusivas, definindo lógicas e
criando seqüências de atitudes através de uma linguagem de programação
interativa, personalizando ao máximo o aplicativo;
- Suporte a banco de dados via ODBC (Open Data Base Connectivity)
- Access, SQL Server, Oracle, dBase, etc.;
- CEP (Controle Estatístico de Processos);
- Módulo matemático para a formulação de equações;
- Controle de acesso por nível de usuário;
- Acesso remoto via Internet;
- Captura, registro e transmissão digital de imagens;
- Aquisição de eventos com precisão de 1ms;
- Criação de instrumentos virtuais.
O aplicativo Elipse Windows contém vários aplicativos que possibilitam a
adequação do software, ao tamanho e complexibilidade do processo. A versão
recomendada para o caso específico desse projeto é o Elipse MMI (MAN MACHINE
INTERFACE). Esta versão é indicada para aplicações de médio porte, onde é
31
necessária a coleta de dados e o tratamento de informações. Este é um software de
supervisão completo com banco de dados proprietário, relatórios formatados,
históricos, receitas, alarmes e controle estatístico de processos. Este aplicativo não
possui ODBC, não permite Cliente NetDDE e não é Cliente.
32
2. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP OU PLC
O primeiro CLP foi criado em 1968 quando a Associação BedFord, uma
companhia em Bedford, desenvolveu um dispositivo chamado Controlador Modular
Digital para a General Motors (GM). O MODICON (Modular Digital Controller), como
foi chamado, foi desenvolvido para ajudar a GM com o objetivo de eliminar o
tradicional sistema de controle das máquinas baseado a relé. Como os relés são
dispositivos mecânicos, possuem sua vida útil limitada. O número de relés para uma
aplicação também constitui um obstáculo, uma vez que em um sistema, em geral,
são necessários milhares desses componentes. Com tantos relés para trabalhar, o
cabeamento e os problemas podem ser um tanto complicado.
Como o MODICON era um aparelho eletrônico, e não mecânico, se adaptou
perfeitamente aos requisitos da GM, e muitos outros fabricantes que também
utilizaram o equipamento. Com menos cabos, problemas mais simples e fácil
programação, a tecnologia do CLP foi rapidamente aprimorada.
Os CLPs, são freqüentemente definidos como miniaturas de computadores
industriais que contêm um hardware e um software que são utilizados para realizar
as funções de controles. Um CLP consiste em duas seções básicas: a unidade
central de processamento (CPU – central processing unit) e a interface de entradas
e saídas do sistema. A CPU, que controla toda a atividade do CLP, pode ser dividida
em processador e sistema de memória. Os sistemas de entradas e saídas são
conectados fisicamente nos dispositivos de campo (interruptores, sensores, etc.) e
formam também uma interface entre a CPU e o meio externo. Operacionalmente, a
CPU lê os dados de entradas dos dispositivos de campo através da interface de
entrada, e então executa, ou realiza os controles de programa que tinham sido
armazenados na memória. Os programas são normalmente realizados na linguagem
33
Ladder, a linguagem que mais se aproxima de um esquema elétrico baseado em
relés, e são colocados na memória da CPU em forma de operações. Finalmente,
baseado no programa, o CLP escreve ou atualiza as saídas atuando nos
dispositivos de campo. Este processo, também conhecido como um ciclo, continua
na mesma seqüência sem interrupções, ou mudanças, apenas quando as mudanças
são realizadas através de comandos de programa.
Os Controladores Lógicos Programáveis - CLP - são um microcomputador de
propósito específico dedicado para o controle de processos. Os CLP's foram
desenvolvidos para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (de dois
estados apenas: ligado - desligado, alto - baixo, etc.); porém, hoje têm adquirido
muitas outras funções com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de
sinais analógicos, controle contínuo multi-variáveis, controle de posição de alta
precisão, etc. Os CLP's nasceram para substituir reles na implementação de
intertravamentos e controle seqüencial se especializando no tratamento de variáveis
digitais. Algumas características mais relevantes dos CLP's são:
a) Caráter modular dos CLP's: permite adequar o controlador para qualquer
aplicação, já que o projetista especifica só o número e tipos de módulos que precisa
de acordo com o número de entradas, saídas e outras funções, que requer o
processo a ser controlado, se adequando o controlador à aplicação;
b) Flexibilidade dada pela programação: pode ser aplicado a qualquer tipo de
processo e facilmente mudadas as funções através do programa, sem mexer na
instalação;
c) Comunicação: cada fabricante possui redes de comunicação proprietárias e
possibilidades para comunicação com outros CLP's ou componentes como
inversores de freqüência, o que possibilita a distribuição de tarefas de controle e a
centralização das informações através de computadores onde rodam aplicativos de
supervisão.
d) Diversos meios físicos são possíveis: fios trançados, fibras ópticas ou
ondas de rádio;
e) Redundância: quando o sistema assim o requer, são fornecidos módulos e
CPU's (Unidade Central de Processamento) redundantes (com mais de uma CPU)
que garantem uma altíssima confiabilidade de operação até nos processos mais
exigentes.
34
As linguagens de programação desenvolvidos para eles são fundamen-
talmente representados de três formas:
a) Redes de contatos: similar aos esquemas elétricos de relês e contatores;
b) Blocos funcionais: similares aos esquemas elétricos de circuitos digitais
(AND, OR, XOR, etc.);
c) Lista de instrução mnemônicas: similares aos programas escritos em
assembler.
Os CLP's nasceram para substituir relês na implementação de
intertravamentos e controle seqüencial, se especializando no tratamento de variáveis
digitais. É caracterizado por:
- Fornecimento via projeto de integração;
- Sistema divido em diversas CPU's de CLP's a fim de obter melhor
performance em aplicações críticas. Redundância proporcionada pela duplicação de
cartões de I/O (entrada / saída), fontes e CPU's;
- Redes de comunicação antes proprietárias, agora buscam obedecer a
padrões internacionais. Uso recente de fibras óticas;
- Total liberdade de escolha de parceiros de equipamentos e engenharia;
- Programação do supervisório independente da programação do CLP;
- As variáveis devem ser definidas duas vezes: na base de dados do SCADA
e no programa do CLP;
- Tecnologia em geral aberta;
- Muito eficiente no tratamento de variáveis discretas com poder e flexibilidade
crescentes no tratamento de variáveis analógicas;
- Hardware e software padrões de mercado;
- Custos globais baixos quando comparado a SDCD - Sistemas Distribuídos
para Controle Digital.
Como a tecnologia do CLP tem avançado, temos diferentes linguagens de
programação e capacidades de comunicação e muitas outras características. O CLP
de hoje, oferece ciclos de programa mais rápidos, sistema de entrada e saída mais
compacto, interfaces especiais que permitem que aparelhos sejam conectados
diretamente no CLP.
Além de comunicar com outros sistemas de controles, eles também podem
realizar funções que indiquem suas próprias falhas, como também as falhas da
máquina ou do processo.
35
O tamanho é normalmente usado para caracterizar um CLP, e é
freqüentemente uma indicação de característica e tipo para a aplicação que irá
acomodar. Pequenos, os CLPs sem módulos (também conhecidos como CLPs de
I/O fixos), geralmente têm menos memória e acomodam um número menor de
entradas e saídas na configuração fixa. Os CLPs modular, possuem bases ou racks
que permitem a instalação de múltiplos módulos de entradas e saídas, e são
utilizados em aplicações mais complexas.
Nos processos de automação industrial tudo se inicia com um diagrama ou
desenho. Um desenho da máquina ou do processo é um bom começo. Isto pode
ajudar a identificar os dispositivos de campo físicos requeridos. A partir do desenho,
você pode determinar quantos aparelhos analógicos ou discretos irá ter no processo.
Dispositivos discretos são aqueles que operam em apenas dois estados, ligado e
desligado. Alguns exemplos de dispositivos discretos são botoeiras, lâmpadas, etc.
Os dispositivos analógicos, tais como termopares, transdutores de pressão e outros,
irão fornecer ou receber sinais com uma faixa especifica, geralmente 0-10V ou 4-
20mA.
Uma vez que as localizações e os dispositivos são definidos, você pode
começar o processo de escolha de um CLP que irá satisfazer os seus requisitos.
Tendo as informações, os próximos passos serão seleção, desenvolvimento e
instalação do seu sistema. Quando se está escolhendo um CLP, existem muitos
fatores que se deve considerar, pois um mau planejamento pode afetar a
performance do sistema depois da instalação. Quando um planejamento é bem
realizado, pode ser feito com relativa facilidade.
O MPC4004R é uma família de controladores programáveis com estrutura
modular, que permite através de seus diversos módulos como fontes de
alimentação, módulos de processamento, módulos de entradas e saídas (digitais e
analógicas), slave de comunicação e outros.
O MPC4004R possibilita atingir até 496 entradas e saídas digitais ou 120
entradas/saídas analógicas com o uso de até 15 módulos de expansão de entradas
e saídas digitais ou analógicas além da fonte de alimentação e da unidade de
processamento. O mapeamento de memória no MPC4004R é extremamente flexível
e gerenciado pela ferramenta de programação WinSUP.
Diversos módulos digitais (CA, CC ou relés) e analógicos (tensão ou
corrente), módulos de comunicação, Ethernet (Modbus/TCP), Profibus-DP e
36
DeviceNet, módulos dedicados para medição de parâmetros elétricos, conversor de
padrão de comunicação (RS232 para RS485) e outros, tornam a série MPC4004R
uma forte opção para controle e/ou supervisão no imenso universo da automação. O
Controlador lógico programável, ou simplesmente PLC, pode ser definido como um
dispositivo de estado sólido – um Computador Industrial, capaz de armazenar
instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica,
temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas
aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no
controle de sistemas Automatizados.
Os principais blocos que compõem um PLC são:
I) CPU - Unidade Central de Processamento:
Compreende o processador (microcontrolador ou processador dedicado) o
sistema de memória (ROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle.
Originalmente os PLCs foram usados em aplicações de controle discreto (On/Off
Liga/Desliga), como os sistemas a relés, porém eram facilmente instalados,
economizando espaço e energia, além de possuírem indicadores de diagnósticos
que facilitavam a manutenção. Uma eventual necessidade de alteração na lógica de
controle da máquina era realizada em pouco tempo, apenas com mudanças no
programa, sem necessidade de alteração nas ligações elétricas.
A década de 70 marca uma fase de grande aprimoramento dos PLCs. Com
as inovações tecnológicas dos microprocessadores, maior flexibilidade e um grau
também maior de inteligência, os Controladores Lógicos Programáveis
incorporaram:
1972 – Funções de temporização e contagem;
1973 - Operações artméticas, manipulação de dados e comunicação com
computadores;
1974 – Comunicação com Interfaces Homem Máquina;
1975 – Maior capacidade de memória, controles analógicos e controle PID;
1979/80 – Módulos de I/O remotos, módulos inteligentes e controle de
posicionamento. Nos anos 80, aperfeiçoamentos foram atingidos, fazendo do PLC
um dos equipamentos mais atraentes na Automação Industrial. A possibilidade de
comunicação em rede (1981) é hoje uma característica indispensável na indústria.
Além dessa evolução tecnológica, foi atingido um alto grau de integração, tanto no
37
número de pontos como no tamanho físico, que possibilitou o fornecimento de minis
e micros PLCs (a partir de 1982).
Atualmente, os PLCs apresentam as seguintes características:
• Módulos de I/O de alta densidade (grande número de Pontos de I/O por
módulo);
• Módulos remotos controlados por uma mesma CPU;
• Módulos inteligentes (coprocessadores que permitem realização de tarefas
complexas como controle PID, posicionamento de eixos, transmissão via rádio ou
modem, leitura de códigos de barras);
• Softwares de programação em ambientes Windows (facilidade de
programação);
• Integração de Aplicativos Windows (Access, Excel, Visual Basic) para
comunicação com PLCs;
• Recursos de monitoramento da execução do programa, diagnósticos e
deteção de falhas;
• Instruções avançadas que permitem operações complexas devido à
utilização de processadores dedicados;
• Processamento paralelo (sistema de redundância), proporcionando
confiabilidade na utilização de processadores dedicados;
• Pequenos e micros PLCs que oferecem recursos de hardware e de software
dos PLCs maiores;
• Conexão de Plcs em rede(conexão de diferentes PLCs na mesmas rede,
comunicação por meio de rede Ethernet). O mercado recebe constantemente novos
e melhores produtos que agregam valores ao mesmo tempo em que reduzem o
custo das soluções baseadas em PLCs. Portanto, é indispensável uma atualização
contínua por intermédio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a internet
uma ótima opção. Estrutura do PLCO principal dispositivo de um PLC é a unidade
central de processamento CPU que é constituída de um microprocessador, uma
memória RAM, em que são executados os programas, como no PC, e uma memória
flash EPROM ou E2PROM, ficando armazenado uma cópia (backup) do programa
que está sendo executado.
A segunda parte é um terminal de programação TP que é um outro
computador com aplicação dedicada para o PLC, para que este, então, controle
cada sistema que se deseja automatizar. Hoje, porém, o TP é substituído em grande
38
parte por um PC normal, com software para emular esse terminal de programação
dedicado. Os softwares que emulam o TP são bastantes versáteis e eficientes e com
as facilidades existentes nas mídias disponíveis, pode-se ter tudo em apenas um
CD:manual de operação, software, etc.
O sistema possui, ainda, uma Interface Homem Máquina – IHM, que é ligada
à CPU como mais um periférico específico para a comunicação do operador com o
sistema, para quando necessário mudar algumas variáveis do processo, como
temperatura, pressão, etc.,sem que se interfira com o programa normal de operação
e sem que se entenda dele.
As redes, na realidade, são indispensáveis na automação pelas facilidades
que oferecem na comunicação e em função do domínio que se possui sobre elas.
Hoje sabemos quando um sensor deixou de atuar e as causas que o levaram a isso.
No caso são sensores inteligentes que se conectam em um nível de rede do tipo
Chão de Fábrica (DiviceNET). Pode-se também ter instalado um sistema
supervisório em nível de uma rede de controles – PCMCIA (ControlNET), que pode
atuar no sistema por alarme (por não ter sido cumprida uma variável de nível, peso,
temperatura, etc.) ou também por um Bargraf ou gráfico de tendência no controle da
produção. Pode haver outros tipos de controle via rede, por meio de informações
advindas da IHM, etc. A Ethernet é o cume da pirâmide, como mostra na figura,
quando integramos o sistema fabril com os outros sistemas da empresa. E onde
mais atuamos, pessoalmente, com diversas gerências e também na comunicação
externa via Internet, a mãe de todas as redes.
A linguagem de programação dos PLC’s foram desenvolvidas de acordo com
uma norma denominada IEC 1131-3. Ela foi desenvolvida levando-se em conta os
conhecimentos da área de automação, tendo, a partir daí, surgido representações
para a mesma linguagem, no qual os sinais os sinais de dados, endereço, controle e
tensão de alimentação estão presentes.
Pode ainda ser composto por circuitos/módulos especiais: contador rápido,
interrupção por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-
processadores (transmissão via rádio, posicionamento de eixos, programação
BASIC, sintetizador de voz, entre outros) e comunicação em rede, por exemplo.
A estrutura básica de um PLC por meio de blocos descritos. E um PLC
comercial. A CPU executa a leitura dos sttatus (condições ou estados) dos
dispositivos de entrada por meio dos circuitos/módulos de I/º Esses status são
39
armazenados na memória (RAM) para serem processados pelo Programa de
Aplicação (desenvolvido pelo usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou
EEPROM no PLC).
Após a execução do Programa de Aplicação, o processador atualiza os
dispositivos de saída por meio dos Circuitos/Módulos de I/O, realizando a lógica de
controle. A programação é feita por meio de uma Ferramenta de Programação que
pode ser um Terminal de Programação específico (ambiente DOS ou Windows). A
linguagem Ladder, ou linguagem de contatos, muito popular entre os usuários dos
antigos sistemas de controle a relés, é a mais utilizada.
As redes, na realidade, são indispensáveis na automação pelas facilidades
que oferecem no comunicação e em função do domínio que se possui sobre elas.
Hoje sabemos quando um sensor deixou de atuar e as causas que o levaram a isso.
No caso são sensores inteligentes que se conectam em um nível de rede do tipo
Chão de Fábrica (DiviceNET). Pode-se também ter instalado um sistema
supervisório em nível de uma rede de controles – PCMCIA (ControlNET), que pode
atuar no sistema por alarme (por não ter sido cumprida uma variável de nível, peso,
temperatura, etc.) ou também por um Bargraf ou gráfico de tendência no controle da
produção. Pode haver outros tipos de controle via rede, por meio de informações
advindas da IHM, etc. A Ethernet é o cume da pirâmide, como mostra na figura,
quando integramos o sistema fabril com os outros sistemas da empresa. E onde
mais atuamos, pessoalmente, com diversas gerências e também na comunicação
externa via Internet, a mãe de todas as redes.
A linguagem de programação dos PLC’s foram desenvolvidas de acordo com
uma norma denominada IEC 1131-3. Ela foi desenvolvida levando-se em conta os
conhecimentos da área de automação, tendo, a partir daí, surgido representações
para a mesma linguagem, tais como: Diagrama de contatos do inglês Ladder
Diagram – LAD; lista Diagrama em Blocos de Funções, do inglês Funtions Block
Diagram – FDB; Texto Estruturado, do infles Strucrured Text – ST; Linguagem
Seqüencial (também muito conhecida como grfcet), do inglês Seqüencial Function
Chart – SFC e a Lista de Instruções, do inglês IL Instruction List.
Automatizar um sistema significa fazer uso de funções lógicas, representadas,
por sua vez, por portas lógicas que podem ser implementadas, como veremos,
fazendo uso de componentes, independente do nível de sua tecnologia, ou seja,
relé, diodo, transistor, circuito integrado, etc.
40
Antigamente os sistemas eram automatizados fazendo uso de relés, alojados
em painéis. Hoje são usados circuitos integrados, cada vez com tecnologia mais
avançada, alojados em gabinetes cujo produto denomina-se Controlador Lógico
Programável – CLP ou Controlador Programável – CP. Pro essa razão a linguagem
IEC 1131-3 visa atender aos conhecimentos da tecnologia FBD (diagrama de bloco
de funções), ou ainda a representação matemática – IL (lista de instruções. Cada um
dos métodos de representação LD, IL e FBD tem suas propriedades e limitações em
termos de programação, ou seja, um programa escrito em IL nem sempre pode ser
escrito em IL nem sempre pode ser escrito em LD ou IL, isso em face da
característica da própria representação. O leitor certifica-se disso à medida que for
adquirindo mais prática na programação, que nem tudo o que se escreve em
determinado tipo de representação, pode ser intercambiado para outra.
Nos circuitos de comandos elétricos, o relé foi um dos primeiros componentes
a ser utilizado nas montagens elétricas, depois vieram as válvulas eletrônicas e, em
seguida os semicondutores. No advento dos semicondutores, a técnica teve uma
série de evoluções, a começar com os componentes em um encapsulamento
(invólucro) individual, como o diodo, o transistor etc. e os circuitos montados com
esses elementos de uma forma distribuída sobre uma placa de circuitos impressos,
denominada sistema de montagem em superfície (SMD).
Posteriormente, esses componentes foram sendo agrupados em uma mesma
pastilha de silício ou em um mesmo invólucro, que denominaram circuitos
integrados. A integração evoluiu no decorrer dos anos, chegando hoje a níveis
elevadíssimos. Com esses componentes, porém, sempre se objetivou executar
comandos elétricos ou eletromecânicos a partir de funções lógicas já conhecidas.
O tratamento matemático dado à solução de um certo problema, para uma
reduzido número de variáveis é a álgebra de Boole, formando assim ,´por meio de
seus teoremas, expressões representativas da solução do problema ou do comando
do sistema. Tais expressões podem ser executadas por um conjunto de circuitos,
denominados em eletrônica digital, de portas lógicas. As portas lógicas, como
veremos em seguida, são traduções dos postulados de Boole.
Em eletrônica Digital, são tensões acima de 1,9 V, equivalente ao nível 1. Em
circuitos de comando os valores abaixo de 0,8 V são interpretados como nível 0.
Considera-se cada sinal recebido pelo PLC a partir de dispositivos ou componentes
externos (sensores) como um ponto de entrada. Os pontos de entrada podem ser
41
digitais ou analógicos.Os pontos de entrada digitais, obviamente, reconhecem
apenas dois estados: ligado ou desligado. Já os pontos de entrada analógicos
reconhecem mais de dois estados – normalmente um número múltiplo de dois (4, 8,
16, 32, 64, 128, 256,...). O número de estados depende do número de bits usado
pelo conversor A/D da entrada. Assim, um conversor A/D de 12 bits permite 1024
estados de entrada (210). Como exemplo de entradas digitais, pode-se citar
sensores fim-de-curso (microchaves ou sensores indutivos), botoeiras, contatos
secos (relés), etc. Já entradas analógicas podem estar ligadas a termopares,
sensores resistivos de posição, sinais 4 a 20mA ou 0 a 10V, tensão, corrente, etc.
Cada sinal produzido pelo PLC para acionar dispositivos ou componentes do
sistema de controle (atuadores) constitui um ponto de saída. Novamente, podemos
separar em saídas digitais ou analógicas. As saídas digitais possuem apenas dois
estados, enquanto saídas analógicas possuem mais de dois estados (normalmente,
o número de estados é múltiplo de dois – 4, 8, 16, 32, 64,...). O número de estados
depende do número de bits usado pelo conversor D/A da saída. Assim, um
conversor D/A de 8 bits permite 256 estados de saída.
Pontos de saída digitais podem ser implementados por relés, transistores, ou
ainda por SCRs e TRIACs. São usados para acionar lâmpadas, motores, solenóides,
válvulas, etc.
Já pontos de saída analógicos fornecem correntes de 4 a 20mA, ou tensões
de 0 a 10V. São usados para atuar válvulas, controlar velocidade de motores (via
Inversor de Freqüência), etc.
Embora normalmente SCRs e TRIACs sejam usados em saídas digitais
(ligado ou desligado), é possível usar estes dispositivos como uma saída analógica
(com mais de 2 estados), controlando a fase de disparo do dispositivo em relação a
rede elétrica. Este é o princípio de funcionamento dos controles de iluminação
residencial (dimmers). Conexão de Sensores a Pontos de Entrada
A conexão de sensores e sinais externos no controlador programável deve
ser feita com certo cuidado, em especial no que refere a interferência elétrica
induzida por cabos de força ou acionamento. Como os sinais de entrada,
normalmente, têm níveis de tensão e corrente pequenos (mV, no caso de
termopares), eles se tornam susceptíveis a interferências de campos elétricos e
magnéticos a sua volta, ou ainda a induções provenientes de telefones celulares,
rádio transmissores, etc. Assim, cabos de entradas analógicas devem ter malha de
42
blindagem, e os cabos de entradas (tanto analógicas quanto digitais) devem ser
conduzidos dos sensores ao PLC via eletroduto ou calha específica, de metal e
aterrada. Não deve-se misturar aos cabos de entrada cabos de acionamento e,
muito menos, cabos de força. No caso de cruzamento entre cabos de entrada e
cabos de força ou acionamento, fazer o cruzamento a 90°, de forma a minimizar a
possibilidade de interferências. Deve-se evitar colocar cabos de entrada e cabos de
força “correndo” em paralelo em um eletroduto ou calha, pois o acoplamento indutivo
e capacitivo entre eles será maximizado.
As entradas analógicas a corrente (4 a 20mA) costumam ser mais imunes a
ruídos elétricos do que entradas a tensão (0 a 10V), pois apresentam uma
impedância menor. As entradas digitais normalmente são dimensionadas para a
tensão de alimentação do controlador (12 ou 24 Vdc), e não devem ser ligadas
diretamente a rede elétrica, a não ser que o manual do equipamento indique que
isso é permitido. Conexão de Atuadores a Pontos de Saída
As saídas analógicas (4 a 20mA, 0 a 10V) são pontos de saída de baixa
potência e, por isso, devem ser isoladas de cabos de força ou acionamento. Podem
ser incluídas no eletroduto ou calha com os cabos de entrada ao PLC.
Já as saídas digitais, que acionam lâmpadas, solenóides, contatores, etc.,
devem ser isoladas das entradas do PLC, pelos motivos expostos no item anterior.
No caso de atuação de cargas indutivas, há de se considerar a força contra-
eletromotriz gerada na bobina do atuador, ao desligá-lo.
Diagrama de conexão dos dispositivos de Entradas e Saídas no PLC
Programa Aplicativo A lógica que avalia a condição dos pontos de entrada e dos
estados anteriores do PLC, executando as funções desejadas e acionando as
saídas, é chamada de programa aplicativo ou simplesmente programa do PLC.
Para isso, o PLC lê ciclicamente as entradas, transferindo-as para uma
memória imagem (que recebe em cada endereço correspondente a uma entrada o
seu valor – 0 ou 1 no caso de entradas digitais, ou um valor numérico no caso de
entradas analógicas). De posse da memória imagem e dos estados internos gerados
pelos ciclos de execução anteriores, o PLC gera uma memória imagem das saídas
conforme as operações definidas no programa. Por fim, a memória imagem das
saídas é transferida para as saídas (valor 0 ou 1 causa o desligamento ou
acionamento de uma saída digital, ou um valor numérico modifica o valor de corrente
ou tensão de uma saída analógica).
43
Como para qualquer controle ou automatização é necessário o maior grau de
paralelismo possível (em qualquer processo sempre pode ocorrer mais de um
evento diferente ao mesmo tempo) é empregado nos PLCs um método que simula
paralelismo.
Neste método os parâmetros de entrada (estado de ligações e valores de
variáveis) são mantidos numa tabela acessível por qualquer um dos blocos de
instrução que esteja sendo interpretado (memória imagem das entradas). Uma
segunda tabela (memória imagem das saídas), com os resultados produzidos pela
interpretação de cada bloco, vai sendo montada à medida que os blocos vão sendo
lidos e interpretados.
Assim, cada bloco poderá utilizar qualquer um dos parâmetros de entrada
sem que estes sejam alterados devido à interpretação de algum outro bloco. Depois,
no final do ciclo, a tabela de saída (com os resultados) é movida diretamente para a
tabela de entrada para que os novos valores estejam disponíveis igualmente para
todos os blocos no próximo ciclo.
É fácil perceber que esta forma de funcionamento faz com que todos os
blocos sejam interpretados em paralelo, o que permite a elaboração de programas
segmentados, onde cada parte pode controlar um processo independentemente e
ao mesmo tempo em que as demais. Este paralelismo, operado em ciclos, faz com
que a atualização da saída de um bloco de instrução para a entrada de um ou mais
blocos demore o equivalente ao tempo de um ciclo. Esta demora, ou atraso, deve
ser considerado no planejamento de um programa, pois a conexão "encadeada" de,
por exemplo, 10 blocos de instrução terá um atraso de 10 ciclos desde o estímulo na
entrada do primeiro bloco até a saída no último. Com um tempo de ciclo de 1/10s do
PLC isto resultaria em um atraso de 1 segundo.
Este paralelismo, operado em ciclos, faz com que a atualização da saída de
um bloco de instrução para a entrada de um ou mais blocos demore o equivalente
ao tempo de um ciclo. Esta demora, ou atraso, deve ser considerado no
planejamento de um programa, pois a conexão "encadeada" de, por exemplo, 10
blocos de instrução terá um atraso de 10 ciclos desde o estímulo na entrada do
primeiro bloco até a extração no último. Com um tempo de ciclo de 1/10s do PLC
isto resultaria em um atraso de 1 segundo. O terminal de programação é um
dispositivo que, conectado temporariamente ao PLC, permite introduzir o programa
aplicativo, fazendo com que esse se comporte conforme a necessidade de controle
44
de processo do usuário. Além disso, o terminal de programação permite, muitas
vezes, monitorar o programa aplicativo, ou seja, visualizar em tempo real o
programa sendo executado, ou ainda executá-lo passo a passo. Alguns PLCs
permitem, inclusive, a simulação do programa aplicativo (sua execução apenas no
terminal de programação, com fins de depuração).
Linguagem de Relés e Blocos (Ladder) trata-se de uma linguagem gráfica que
permite passar com relativa facilidade os diagramas elétricos baseados em relés
para o PLC. Existe uma linha vertical de energização a esquerda e outra linha a
direita. Entre estas duas linhas existe a matriz de programação formada por xy
células, dispostas em x linhas e y colunas. Abaixo exemplificamos um caso de 32
células, Cada conjunto de 32 células é chamado de uma lógica do programa
aplicativo. As duas linhas laterais da lógica representam barras de energia entre as
quais são colocadas as instruções a serem executadas. As instruções podem ser
contatos, bobinas, temporizadores, etc. A lógica deve ser programada de forma que
as instruções sejam “energizadas” a partir de um “caminho de corrente” entre as
duas barras, através de contatos ou blocos de funções interligados. Entretanto, o
fluxo de “corrente elétrica” simulado em uma lógica flui somente no sentido da barra
de energia esquerda para a direita, diferentemente dos esquemas elétricos reais. As
células são processadas em colunas, iniciando pela célula esquerda superior e
terminando pela célula direita inferior.
Cada célula pode ser ocupada por uma conexão (“fio”), por um bloco (relé de
tempo, operação aritmética, etc), ou ainda por um contato ou bobina. Além disso,
existem algumas regras impostas na linguagem Ladder. Por exemplo, as bobinas
devem ocupar somente a última coluna a direita. Abaixo temos a ordem de
execução das células em uma lógica Ladder. Note que o programa aplicativo pode
ser composto de várias lógicas Ladder. Além disso, um módulo de configuração
permite especificar parâmetros do PLC, como modelo, velocidade de ciclo, endereço
do PLC na rede de comunicação, etc.
O circuito abaixo permite partir ou parar um motor, através de dois botões de
contato momentâneo (botoeiras). Note o contato auxiliar da contator, usado para
manter sua energização após o operador soltar o botão de partida (S1). Já o botão
de parada (S0) é do tipo normal fechado (NF). Ao ser pressionado ele interrompe o
circuito, desenergizando o contator e, portanto, abrindo também o contato auxiliar de
auto-retenção.
45
Circuito de Partida Direta com inversão do sentido de rotação (Chave
Reversora). Neste caso existem dois botões de contato momentâneo para partir o
motor (S1 e S2).
Um deles faz o motor girar no sentido horário e o outro no sentido anti-horário.
Um terceiro botão desliga o motor (B0), independentemente do sentido de rotação.
Note os contatos auxiliares NA dos contatores usados para auto-retenção. Além
disso, as contatores se inibem mutuamente através dos contatos auxiliares NF.
Assim, se o contator K1 estiver energizado, o contator C2 não pode ser energizado,
e vice-versa. Isso impede que o operador, inadvertidamente, acione
simultaneamente os dois sentidos de giro do motor. Caso os dois contatores fossem
energizados simultaneamente, o resultado seria a queima dos fusíveis de força (pois
teríamos curto-circuito entre as fases R e S).
Note que para inverter o giro do motor basta inverter duas fases (no caso,
são invertidas as fases R e S).
2.1 AUTOMOÇÃO INDUSTRIAL E MOTORES ELÉTRICOS
Na natureza a energia se encontra distribuída sob diversas formas, tanto
energia mecânica, térmica, luminosa e outras formas; no entanto a energia
mecânica é a mais conhecida forma de energia e na qual o homem tem mais
domínio. A energia mecânica, tal como ela está disponível na natureza é de difícil
utilização prática, além de ser uma energia variável no tempo. Então, converte-se a
energia mecânica em Energia Elétrica através das Máquinas Elétricas conhecidas
como geradores.
A energia elétrica possui as vantagens de ser uma energia limpa, de fácil
transporte e de fácil manuseio, podendo ser reconvertida em energia térmica,
luminosa, eletromagnética, e também em energia mecânica. Quem efetua esta
última transformação são as Máquinas Elétricas conhecidas como motores. Então, o
motor é um elemento de trabalho que converte energia elétrica em energia mecânica
de rotação. Já o gerador é uma máquina que converte energia mecânica de rotação
em energia elétrica.
46
Num motor elétrico, distinguem-se essencialmente duas peças: o estator,
conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina, e o rotor, conjunto de
elementos fixados em torno do eixo, internamente ao estator.
O rotor é composto de :
a) Eixo da Armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para
fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao
estator, por meio de rolamentos e mancais.
b) Núcleo da Armadura: composta de lâminas de Fe-Si, isoladas umas das
outras, com ranhuras axiais na sua periferia para a colocação dos enrolamentos da
armadura.
c) Enrolamento da Armadura: São bobinas isoladas entre sí e eletricamente
ligadas ao comutador.
d) Comutador: consiste de um anel com segmentos de cobre isolados entre
sí, e eletricamente conectados à s bobinas do enrolamento da armadura.
O estator é composto de:
a) Carcaça: serve de suporte ao rotor, aos pólos e de fechamento de caminho
magnético.
b) Enrolamento de campo: são bobinas que geram um campo magnético
intenso nos pólos.
c) Pólos ou sapatas polares: distribui o fluxo magnético produzido pela
bobinas de campo.
d) Escovas: são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente
com o comutador.
As máquinas elétricas possuem praticamente os mesmos elementos
principais, porém com diferenças importantes entre eles. Às vezes a bobina de
armadura está no estator e não no rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de
campo. Outras não possuem escovas, outros ainda não possuem bobina de
armadura, e assim por diante. Porém, os nomes dados aos componentes da
máquina são gerais e valem para a maioria das máquinas elétricas.
De forma geral os motores elétricos são classificados em:
Motores de Corrente Contínua
Motores Série
Motores Paralelo
Motores Composto ou Misto ·
47
Motores de Corrente Alternada
Motores Síncronos
Motores Assíncronos
Motores Especiais
Servomotores
Motores de Passo
Universais
Todo o motor apresenta suas principais características elétricas escrita sobre
o mesmo ou em uma placa de identificação. Os principais dados elétricos são: tipo
de motor, tensão nominal, corrente nominal, freqüência, potência mecânica,
velocidade nominal, esquema de ligação, grau de proteção, temperatura máxima de
funcionamento, fator de serviço, etc..
O motor de corrente contínua apresenta quatro terminais acessíveis, dois
para as bobinas de campo (terminais 3 e 4) e dois para as bobinas de armadura
(terminais 1 e 2). Em alguns motores de baixa potência, as bobinas de campo são
substituídas por ímãs permanentes. Neste caso, o motor apresenta apenas dois
terminais de acesso (terminais 1 e 2). O princípio de funcionamento elementar de
um motor de corrente contínua está baseado na
Força mecânica que atua sobre um condutor imerso num campo magnético,
quando sobre ele circula uma corrente elétrica. Na bobina 1, as forças são iguais e
opostas, não produzindo nenhuma força de rotação (torque ou par binário), mas as
bobinas 2, 3 e 4 tem sobre elas um torque Fx tal que impulsiona o rotor para girar,
levando consigo a bobina 1, que então entra na região (da bobina 2) onde estava a
bobina 2, e então passa a exercer uma força de giro também. Observe que para
este esquema funcionar, é necessário inverter o sentido da corrente da armadura a
cada 180º.
O elemento que faz a comutação do sentido da corrente é o comutador.
Sabemos que, quando um condutor está imerso num campo magnético, se
deslocando com uma certa velocidade “v” dentro deste campo, sobre ele é induzido
uma corrente elétrica. Por isso essa força eletromotriz induzida é chamada de Força-
contra-eletromotriz induzidas.
O princípio de funcionamento do motor de corrente contínua também pode ser
baseado na ação de forças magnéticas sobre o rotor, geradas pela interação do
campo magnético criado pelas bobinas de campo com o campo magnético criado
48
pelas bobinas da armadura. Observa-se que o comutador possui a função de
inverter o sentido da corrente na bobina da armadura em 90º e 270º dando
continuidade ao movimento rotativo do motor.
Os motores CC são divididos de acordo com o tipo de conecção entre as
bobinas do rotor e do estator. Se forem conectados em série, são chamados de
Motor Série. Se for em paralelo, são chamados de Motor Paralelo. Se for misto, são
chamados de Motor Misto ou Composto. Neste tipo de motor a corrente que circula
pelo campo é o mesmo que circula pela armadura.
O torque apresenta uma relação exponencial com a corrente de armadura. A
corrente de armadura é grande na partida, já que Ec é zero, pois não há movimento
do rotor. Concluí-se, portanto, que o torque de partida do motor série é muito
grande. Devido a esta característica este motor é utilizado para acionar trens
elétricos, metrôs, elevadores, ônibus e automóveis elétricos, etc.. Este motor é
conhecido como motor universal por poder funcionar em corrente alternada, porém
este tipo de aplicação só é viável economicamente para pequenos motores de
fração de CV.
A velocidade do motor série é dado por: Então, no motor série a vazio, com
baixa corrente de armadura, a sua velocidade tende a ser alta, o que é indesejável.
Assim, este tipo de motor deve partir com uma carga mecânica acoplada no seu
eixo. Também se percebe que este motor nunca vai disparar a sua velocidade, pois
não depende da corrente de campo e se a corrente de armadura for a zero, não há
torque e sua velocidade cai a zero também.
No caso do motor Shunt a corrente de armadura somada a corrente de campo
nos dá a corrente da fonte de alimentação do motor. Nesse caso, a tensão aplicada
na armadura é a mesma que é aplicada no campo. Dessa forma o fluxo magnético
produzido pelo campo é praticamente constante, já que IF permanece praticamente
constante. Então, o torque do motor é função apenas da corrente de armadura.
Para a inversão do sentido de rotação nos motores de corrente contínua,
basta inverter as conexões das bobinas de campo (trocar o terminal 3 pelo 4) ou
inverter as conexões da bobina da armadura (trocar o terminal 1 pelo 2). Caso o
motor seja de ímã permanente, basta inverter os terminais da armadura.
Então, se a corrente de armadura for grande (na partida), a velocidade do
motor é pequena e cresce a medida em que aumenta a Ec (que por sua vez diminui
Ia) até alcançar o seu valor nominal. Este motor não tem problemas de excesso de
49
velocidade na partida sem carga. A curva abaixo mostra a velocidade em função da
corrente de armadura. Inversão no Sentido de Rotação e Controle de Velocidade.
Para inverter o sentido de rotação de qualquer motor CC é necessário inverter
a corrente de armadura em relação a corrente de campo. Deve-se inverter somente
um deles, e a inversão em ambos os circuitos manterá o mesmo sentido de rotação.
No momento da inversão, o motor que está girando num sentido, entra num
processo de frenagem (freio) até alcançar a velocidade zero e depois começa a girar
no sentido contrário. Essa etapa de frenagem é muito importante para trens,
elevadores, guindastes que necessitam de Força de Frenagem.
A principal aplicação dos motores de corrente contínua é o acionamento de
máquinas com controle preciso de velocidade. Os métodos mais utilizados para este
fim são: Ajuste da tensão aplicada na armadura do motor; Ajuste da corrente nas
bobinas de campo, ou seja, controle do fluxo magnético do motor; Combinação dos
anteriores.
No caso de qualquer motor, o torque de partida deve ser maior do que o
torque resistente acoplado ao eixo. Após um certo tempo depois que o motor partiu,
na velocidade nominal, há o encontro das curvas de Torque do motor e do torque
resistente. Na curva abaixo se percebe que, quando a carga mecânica no eixo varia
(por algum motivo), o torque motor varia junto, e conseqüentemente a velocidade de
rotação do motor varia junto. Por exemplo, se a carga mecânica diminui, o torque do
motor também diminui e a velocidade aumenta, estabilizando num novo regime.
Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de
campo pela corrente alternada da fonte de alimentação monofásica ou trifásica,
portanto trata-se de um campo magnético cuja a intensidade varia continuamente e
cuja polaridade é invertida periodicamente. Quanto ao rotor, há dois casos a
considerar:
No motor síncrono, o rotor é constituído por um ímã permanente ou bobinas
alimentadas em corrente contínua mediante anéis coletores. Neste caso, o rotor gira
com uma velocidade diretamente proporcional a freqüência da corrente no estator e
inversamente proporcional ao número de pólos magnéticos do motor. São motores
de velocidade constante e constitui-se a sua principal aplicação. São utilizados
somente para grandes potências devido ao seu alto custo de fabricação.
No motor assíncrono ou de indução, o rotor possui vários condutores
conectados em curto-circuito no formato de uma “gaiola de esquilo”. O campo
50
magnético variável no estator, induz correntes senoidais nos condutores da gaiola
do rotor. Estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo magnético no rotor
que se opõe ao campo indutor do estator (Lei de Lenz). Como os pólos se mesmo
nome se repelem, então há uma força no sentido de giro no rotor. O rotor gira com
uma velocidade n um pouco inferior à velocidade síncrona, isto é, a velocidade da
corrente do campo. Como é um pouco inferior, diz que este motor é assincrono, isto
é, sem sincronia.
Observe que este motor não consegue partir, isto é, acelerar desde a
velocidade zero até a nominal. As forças que atuam nas barras curto-circuitas se
opõem uma à outra, impedindo o giro. Então, na partida, utiliza-se uma bobina de
campo auxiliar, defasada de 90 graus das bobinas de campo principais, que cria um
campo magnético auxiliar na partida. Assim, o fluxo resultante inicial está defasado
em relação ao eixo das abcissas, e produz um torque de giro (par binário).
Após a partida, não há mais a necessidade do enrolamento auxiliar, pois a
própria inércia do rotor compõem forças tais que mantém o giro. A diferença em
valores percentuais entre a velocidade síncrona e a velocidade do motor de indução
chama-se de escorregamento, simbolizada pela letra S.
O escorregamento dos motores de indução é variável em função da carga a
ser acionada pelo motor, ou seja, é mínimo a vazio (sem carga) e máximo com a
carga nominal. O escorregamento S dos motores de indução é expresso através da
seguinte equação:
Nota-se através das duas últimas equações que a velocidade dos motores
síncronos e assíncronos pode ser controlada através do ajuste do valor da
freqüência da corrente nas bobinas do estator. Este tipo de acionamento é realizado
através de um conversor estático de freqüência. Ao contrário dos motores síncronos
e de corrente contínua; o motor assíncrono ou de indução é largamente utilizado nas
indústrias pela sua simplicidade construtiva, pouca manutenção e baixo custo.
Os motores de indução podem ser monofásicos ou trifásicos: Motores de
Indução Monofásicos é um motor elétrico de pequena ou média potência,
geralmente menores que 5 CV.
Para a produção do conjugado de partida o motor de indução monofásico
necessita de um segundo enrolamento de partida auxiliar (Ea) defasado de 90º
construtivamente do enrolamento de trabalho (Et).
51
O resultado da ação das correntes nos enrolamentos de trabalho e auxiliar é
um campo magnético girante no estator, que faz o motor partir. Após a partida
enrolamento auxiliar é desligado através de uma chave centrífuga que opera a cerca
de 75% da velocidade síncrona. O conjugado de partida, neste caso, é moderado.
Para aumentar o conjugado de partida é usado um capacitor, ligado em série
com o enrolamento auxiliar e a chave centrífuga. Esta técnica é utilizada para cargas
de partida difícil, tais como: compressores, bombas, equipamentos de refrigeração,
etc.
O motor de indução monofásico comumente usados no Brasil apresenta seis
terminais acessíveis, sendo quatro para os dois enrolamentos de trabalho Et (1, 2, 3
e 4), bobinas projetadas para tensão de 127 V, e dois para o circuito auxiliar de
partida (5 e 6), também projetado para a tensão de 127 V. Em alguns motores de
baixa potência, o circuito auxiliar de partida é substituído por espiras curto-
circuitadas, chamadas de bobinas de arraste. Neste caso, a máquina apresenta dois
ou quatro terminais para as bobinas de trabalho.
Para a inversão do sentido de rotação no motor de indução monofásico basta
inverter as conexões do circuito auxiliar, ou seja, trocar o terminal 5 pelo 6. No motor
com bobina de arraste não é possível inverter o sentido de rotação. ¨
Motores de Indução Trifásicos é um motor elétrico de pequena, média ou
grande potência que não necessita de circuito auxiliar de partida, ou seja, é mais
simples, menor, e mais leve que o motor de indução monofásico de mesma
potência, por isso apresenta um custo menor.
O motor de indução trifásico comumente usado no Brasil apresenta seis
terminais acessíveis, dois para cada enrolamento de trabalho Et e, a tensão de
alimentação destas bobinas é projetada para 220V. Para o sistema de alimentação
220/127V-60Hz este motor deve ser ligado em delta e para o sistema 380/220V-
60Hz o motor deve ser ligado em estrela. Para a inversão no sentido de rotação nos
motores de indução trifásicos basta inverter duas das conexões do motor com as
fontes de alimentação.
A potência elétrica PE absorvida da rede para o funcionamento do motor é
maior que a potência mecânica PM fornecida no eixo especificado pelo fabricante,
pois existe um determinado rendimento h do motor a ser considerado. A potência
mecânica no eixo PM do motor (em W) está relacionada com o momento de torção
M ou conjugado (em N× ×m) e com a velocidade do rotor n (em rpm).
52
Sem acionar nenhuma carga no eixo, a vazio, o motor fornece uma pequena
potência mecânica somente para vencer o atrito por ventilação e nos mancais. O
torque do motor neste caso é próximo de zero, a corrente io também é mínima e a
velocidade do rotor é máxima no, mas inferior a velocidade síncrona nS.
O motor ao acionar uma carga nominal em seu eixo a corrente aumenta para
o valor nominal iN e a velocidade diminui até o valor nominal nN onde temos a
igualdade de torque, isto é, torque do motor é igual ao torque de carga.
Pode-se aumentar a carga no eixo do motor (torque de carga) além da carga
nominal, procedimento que compromete a vida útil da máquina, até o ponto onde o
torque do motor é máximo MM e, a velocidade do motor irá diminuir para nK e a
corrente irá aumentar para iK.
Observe que na partida, velocidade igual a zero, o motor de indução absorve
uma corrente muito elevada iP da ordem de até dez vezes a corrente iN e seu torque
de partida é baixo MP dificultando com isso o acionamento de cargas que
necessitam de um alto torque para partirem, como por exemplo: esteiras
transportadoras carregadas.
Os motores especiais são máquinas construídas para serem aplicadas no
controle preciso de posição e velocidades de processos. São motores mais rápidos
que os convencionais, seus enrolamentos são dimensionados para suportarem
momentâneas correntes elevadas. Já o rotor de uma máquina especial é projetado
com uma baixa inércia, isto é: pequeno diâmetro e grande comprimento.
De forma geral, os servomotores são classificados em:
a) Servomotor CC: o estator é formado por ímãs permanentes e pelas
escovas e o rotor é constituído pelas bobinas da armadura e pelo comutador. O
controle da velocidade ou posição se dá através da regulação da corrente das
bobinas da armadura.
b) Servomotor CA: O estator é formado pelas bobinas de campo sendo
alimentada por uma fonte trifásica e o rotor é constituído por ímãs permanentes. O
controle da velocidade ou posição se dá através da regulação da freqüência das
correntes nas bobinas de campo.
O motor de passo é empregado em máquinas que necessitam de um controle
preciso de posição, tais como: robôs, impressoras, plotters, equipamentos de
coordenadas, etc..
53
O motor de passo é constituído por um rotor magnético (ímã permanente ou
imantado) e um estator formado por conjuntos de bobinas denominadas fases. Os
motores de passo mais comuns possuem quatro fases e seis terminais acessíveis.
Se o motor permanecer num determinado passo, o rotor fica travado devido à
força eletromagnética entre o rotor e o estator. Para liberar o rotor, ou seja, deixá-lo
em movimento livre, basta abrir todas as chaves do circuito de comando.
A cada passo executado, o eixo do motor realiza um determinado
deslocamento angular. Este deslocamento é conhecido como ângulo de passo,
sendo repetido precisamente em cada passo.
2.2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DIRECIONADA A PRODUÇÃO
Em relação a exemplificação de uma empresa utilizando a automação
industrial, pode-se descrever a Petrobrás possui centenas de unidades de produção,
que são plataformas offshore (marítimas) e instalações terrestres, que são
controladas e monitoradas por instrumentos convencionais, relés ou por sistemas
modernos digitais, baseados em Controladores Lógico Programáveis (CLPs) ligados
a computadores pessoais, que rodam programas aplicativos supervisórios. Os
principais objetivos dos sistemas de instrumentação e controle são:
1. prover segurança aos operadores, equipamentos e meio ambiente,
2. garantir um controle do processo, onde os produtos finais estejam dentro
das especificações estabelecidas pelo pessoal da Qualidade
3. fazer medições precisas e exatas, para atender as exigências da Agencia
Nacional de Petróleo (ANP), relacionadas com os separadores de teste dos poços
produtores, dados de cabeça de poço e vazões de transferência de custódia de gás
e óleo, através de instrumentos colocados nos dutos que ligam as plataformas ao
sistema de terra.
4. estabelecer um padrão para a operação e manutenção.
5. monitorar os dutos para detectar anormalidades, vazamentos e situações
perigosas.
Como há plataformas com diferentes graus de complexidade, diferentes
níveis de automação, diferentes tecnologias, está havendo uma atualização contínua
da instrumentação existente e colocando sistemas modernos, é desejável que se
54
mantenha o mesmo ambiente operacional e os mesmos recursos e procedimentos
de operação e manutenção em todas as unidades, de forma a facilitar a
intercambialidade de operadores, equipamentos e sobressalentes entre as unidades
operacionais.
A situação atual dos equipamentos das plataformas é a seguinte:
1. Os transmissores são inteligentes, alguns já são multivariáveis. Em
algumas unidades o protocolo digital é superposto ao sinal analógico de 4 a 20mA e
em outras, a saída é apenas digital. Em uma minoria, o sinal padrão é o analógico
de 4 a 20 mA. Os diferentes fabricantes de transmissores são Fisher&Rosemount,
Yokogawa, Foxboro, Honeywell e Smar.
2. A maioria das válvulas de controle é com atuador pneumático e com
posicionadores inteligentes,
3. Os Controladores Lógico Programáveis (CLP) existentes são de
capacidades variáveis e de fabricação Rockwell (Allen-Bradley), Siemens, Hitachi,
Schneider (Modicon), Reliance (Sistema) e Ge Fanuc.
4. Os programas aplicativos supervisórios são o VXL, InTouch (Wonderware),
Elipse e IFix (Intellution). Estes aplicativos rodam em computadores pessoais
comuns comercialmente.
5. Ainda não há um protocolo digital padrão para a rede de comunicação. A
base instalada maior é de HART. Atualmente há uma tendência para se usar a
tecnologia de Fieldbus Foundation, porém são também usados os protocolos
Modbus e Profibus. Com a modernização dos instrumentos se pretende atingir aos
seguintes objetivos:
a) Melhorar a sintonia das malhas de processo do processo, otimizando a
qualidade dos produtos exportados e diminuindo a variabilidade das especificações.
b) Aumentar a confiabilidade operacional, diminuindo as intervenções do
operador e os tempos de parada de produção.
c) Implantar filosofia de manutenção preditiva (manutenção baseada em
diagnósticos conseguidos através de monitoração contínua)
d) Reduzir tempos de parada para a manutenção programada e corretiva.
e) Reduzir custos de manutenção corretiva, programada e preditiva.
f) Ter um sistema modular, que seja flexível e escalável (possa ser
aumentado ao longo do tempo)
g) Aumentar a segurança operacional do sistema.
55
h) Tornar mais precisos e exatos (confiáveis) os dados de cabeça dos poços.
Estes objetivos são alcançados somente através da implantação de técnicas
modernas de gerenciamento de ativos, que são comercialmente disponíveis no
mercado. Estas ferramentas clássicas, por exemplo, AMS - Asset Management
System da Fisher Rosemount, grupo Emerson) permitem ao operador de processo
obter a informação em tempo real do status de sensores, transmissores e atuadores
que são os equipamentos menos confiáveis e sujeitos aos maiores desvios de
operação.
A implementação de instrumentação inteligente de campo, a base de
microprocessador é também essencial, pois através dela se pode fazer a calibração
e alteração dos parâmetros dos instrumentos de modo remoto.
As unidades terrestres e as plataformas marítimas são interligadas por dutos.
Por exigências legais e de normas de meio ambiente, é mandatório a
implementação de um sistema para monitorar os dutos que interligam as unidades
de produção e as plataformas à terra, para detectar facilmente vazamentos, reduzir
os riscos de acidentes ambientais e ser integrado com os sistemas de parada de
emergência.
O sistema de monitoração da integridade dos dutos será interligado ao
sistema PI (Plant Information), que é um programa aplicativo instalado em toda
Petrobrás. Este sistema corporativo pode disponibilizar para as gerências todos os
dados de operação, de integridade dos dutos e disponibilidade de equipamentos. A
arquitetura básica para monitoração de dutos consiste de dois CLPs, cada um
instalado em cada extremidade do duto, recebendo informações de vazão
volumétrica instantânea, pressão estática, temperatura e densidade do fluido
escoado, em forma de sinal analógico (4 a 20 mA) ou protocolo digital, por exemplo,
Hart ou Fieldbus Foundation).
Os dois sistemas das extremidades do duto são interligados via rádio-modem,
ou rede Internet (TCP/IP). Os CLPs vão rodar o programa de lógica ladder para
executar os alarmes de desvio das medições e de desligamento de emergência.
Para o operador visualizar e monitorar estes dados é usado o supervisório
ECOS, Haverá estações de trabalho em cada uma das plataformas e em cada uma
das salas de controle de recebimento.
Nas estações de operação vão estar disponíveis sempre os seguintes dados:
1. Vazões instantâneas, totalizadas e compensadas de óleo e gás
56
2. Pressões, temperaturas e densidades dos fluidos nos dutos
O supervisório é programado para fornecer as informações de alarme e
intertravamento de situações anormais e perigosas, tais como:
1. PSL (alarme de pressão baixa),
2. PSLL (desarme de pressão muito baixa),
3. PSH (alarme de pressão alta),
4. PSHH (desarme de pressão muito alta),
5. TSL (alarme de temperatura baixa),
6. TSH (alarme de temperatura alta),
7. DFSH, (alarme de desvio de 2% para a vazão de Gás),
8. DFSHH) Desarme de desvio de 4% para Gás,
9. DFSH (Alarme de desvio de 2% para Óleo),
10. DFSHH (Alarme de desvio de 4% para Óleo),
11. ESD-1 (Parada pela plataforma),
12. ESD-2 (Parada pelo Recebedor)
13. Alarme de falha de comunicação entre as duas extremidades do duto.
Os dados disponíveis em uma estação de operação devem ser exatamente
iguais aos dados da outra estação (espelho), para que os operadores das duas
unidades visualizem exatamente os mesmos dados, inclusive para efeito de leitura.
A operação será padronizada de acordo com suas peculiaridades de processo
totalmente respeitadas e deverá uma filosofia única, entre as unidades operacionais
da Petrobrás, para permitir a troca entre técnicos de operação e manutenção das
duas plataformas.
Toda a supervisão que deverá ser efetuada pelo sistema supervisório ECOS
(que roda em plataforma VXL em base VMS), tendo como arquitetura de
comunicação uma rede Ethernet, por onde irão trafegar os dados entre os CLPs,
periféricos, impressoras, chaves, Gateway proprietário do fornecedor do sistema.
Os objetivos destas estações de operação são os de:
1. Mostrar nas telas os diagramas sinóticos dos processos onde deve existir
o P&I (Process & Instruments) simplificado. A tela inicial terá um anunciador de
todos os alarmes por equipamentos existentes (processo, utilidades e segurança) O
operador poderá navegar entre telas, matriz de causa e efeitos, tela de
controladores
57
2. Gerar relatórios de eventos ocorridos no exato instante do acontecido
(tempo estampado em dia, hora, minuto, segundo e submúltiplo), em impressora de
modo on-line permitindo assim ao operador identificar com precisão o alarme
ocorrido no processo. Os alarmes terão status de ativo, conhecido, não-conhecido e
normal.
3. Como relatório adicional, salvo em disco e que sempre que solicitado pelo
operador deverá disponibilizar na tela, janelas de gráficos, onde serão
acompanhados os valores de registro de PIT,TIT, FIT substituindo assim os atuais
registradores gráficos circulares do campo.
Devem também ser registradas em disco rígido a temperatura de entrada TIT
do manifold e pressão estática de entrada PIT, ou seja na cabeça dos poços. (O
código de cores é: cor vermelha para vazão, azul para pressão e verde para
temperatura).
4. As tomadas de impulso da pressão diferencial através da placa que vão
para os registradores circulares devem ser mantidas, para eventual uso dos FR/
PR/TR.
5. As informações de operação dos módulos existentes nos instrumentos
eletrônicos da rede Fieldbus Foundation devem estar disponíveis, permitindo assim
operar a planta a partir da ECOS Estes sinais incluem: variável de processo (PV),
sinal de set point (SP), sinal de saída para a válvula (MV) e janela indicando os
valores em unidades de engenharia e possibilidade de transferência de automático
para manual e vice-versa.
6. A matriz de causa e efeitos deve ser gerada na ECOS facilitando assim a
visualização rápida da lógica de processo, bem como através da mesma efetuar by-
pass de instrumentos de entradas digitais ou override dos dispositivos de saída
digitais.
7. Deve ainda haver um arquivo de relatório onde se possa armazenar toda
ação efetuada pelo operador, na ECOS sempre que a condição normal de processo
venha a ser alterada por necessidade de manutenção ou operação, disponibilizando
assim dados para análise de ocorrências anormais na planta de processo. Para
simples navegação pelas telas da ECOS, não se deve ter nenhum tipo de solicitação
de login e senha. A ECOS deve somente solicitar o login do operador sempre que
algum parâmetro for ser alterado, colocado em regime de By-
Pass ou Override,
58
8. Utilizar a ECOS de maneira a permitir ou não a habilitação dos painéis
locaisna condição de TESTE. Com login e senha adequados, não será permitindo
que alguém no campo coloque o painel em teste sem conhecimento do operador.
9. Instalar um painel de controle, com o objetivo de acomodar as estações
ECOS, micros para manutenção da rede de CLPs, e um micro paramanutenção da
rede Fieldbus Foundation.
10. O micro de manutenção da rede Fieldbus Foundation deve ter as funções
de gerenciamento da rede FIELDBUS e também ser capaz de operar a planta de
processo em caso de emergência, interagindo com a planta de processo com a
mesma capacidade da ECOS, gerando relatórios e coletando dados também para
ANP, comunicando também com os computadores de vazão. Esta facilidade ficará a
cargo do Administrator da rede de automação, com LOGIN e SENHA, pois esta
condição e uma possibilidade emergencial para operar a planta de processo em
caso extremo.
O painel local deve ser concebido um para cada equipamento ou vaso, ou
quando possível, de um para mais de um equipamento de um mesmo sistema. Ele
deve ser implantado de modo a facilitar a montagem dos instrumentos de campo, o
arranjo de cabos, a acomodação de dispositivos para conexão em Fieldbus
Foundation, a agilidade de manutenção e operação dos mesmos
Os painéis locais devem acomodar na parte frontal, todas as sinaleiras dos
instrumentos de campo instalados no equipamento ou vaso, oriundas de
pressostatos, chaves de nível, termostatos que causem ESD-2 (Emergency Shut-
Down, nível 2), botoeiras de partida/parada de motores, chaves de comando de
bombas local ou remoto, botoeiras de teste lâmpadas e rearme local, chaves de
painel em teste ou normal.
No topo do painel deve ser instalado um sistema de calibração hidráulico,
composto de engate rápido, manômetro com a faixa dentro do valor necessário para
cada equipamento que este painel estiver associado, válvulas de três vias do tipo
esfera para alinhar os pressostatos que serão instalados na lateral deste painel, para
a condição de teste ou processo.
Este sistema instalado sobre o painel local visa otimizar a manutenção e
calibração de instrumentos, tais como pressostatos, termostatos e chaves de nível.
Quando se acionar a botoeira de TESTE do painel local para a posição
TESTE, deve ser gerado na ECOS uma solicitação para habilitação do teste ao
59
operador na sala de controle, que irá monitorar a execução dos trabalhos ou partida,
garantindo assim a segurança de uma operação assistida obrigatoriamente pelo
operador na sala de controle. Após a habilitação ter sido efetivada no painel, será
permitido ao campo efetuar as manobras, quer sejam para operação ou manutenção
do equipamento solicitado. Por se tratar de uma condição anormal de operação, esta
operação exige um período de tempo para se manter nesta condição, portanto o
teste será habilitado por, no máximo, 60 minutos, Depois de um período de 55
minutos, o painel estará com suas saídas de shutdown inibidas, indicando no painel
local ECOS, registros de eventos em que situação o referido painel se encontra.
porém não derrubará a planta de processo. Após este período, ou seja, nos 5
minutos restantes, deverá ser gerado um alarme na ECOS, com lâmpadas piscando
no painel local, indicando que o período de tempo está para expirar, dando ao
operador possibilidade de revalidar ou não a condição.
Caso o operador não revalide o tempo de teste, o CLP entenderá que não
está sendo feita nenhuma intervenção no mesmo e após esses 5 minutos, colocará
automaticamente o painel na condição NORMAL, onde caso exista algum alarme já
em andamento efetuará a lógica de segurança parando o processo.
Em caso de parada de processo, a causa estará disponível para o operador
de várias maneiras para identificar:
Indicação visual do alarme no painel local.
Indicação sonora na planta de processo.
Indicação visual na ECOS e sonora no painel de controle onde estarão
acomodados os computadores, e será gerado automaticamente um arquivo para
armazenar todo evento gerado na ECOS em disco rígido para análise posterior.
Indicação de alarme por equipamento no anunciador de alarme RONAN
instalado na sala de controle das plataformas.
Indicação do evento registrado na impressora, imprimindo a data, hora,
minuto e a descrição do alarme.
Após o alarme efetuado, e a lógica de segurança ter atuado, o operador
deverá ir até o equipamento em questão, verificar todo o equipamento, as causas do
determinado alarme, e depois de normalizado todas as condições externas
pertinentes ao equipamento, efetuar o RESET do painel local.
Caso a condição para o alarme desapareça, a lâmpada no painel local irá
apagar, permitindo assim que o operador na sala de controle possa efetuar o
60
MASTER RESET (Tanto pela ECOS, como por uma botoeira de RESET instalada no
PN-001, instalado na sala de controle.), que permitirá remover a condição segura de
ESD-2 indicada no anunciador de
alarmes e colocar novamente a plataforma em condição normal de funcionamento.
A sinalização no painel local, no anunciador RONAN ou na tela da ECOS
indica que a planta está passando por uma condição anormal> Assim, para a
plataforma estar operando em condição normal, nenhum alarme deve estar ativado.
Sempre que for efetuado um By-Pass, Forces ou Override, o operador deve
comunicar seu supervisor a condição do processo e acionar a manutenção para
tomadas das medidas necessárias, visando a solução da anomalia.
61
3. ESTUDO DE CASO: USO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NA EMPRESA CIA DE BEBIDAS PRIMO SCHINCARIOL
Com capital 100% nacional, o Grupo Schincariol está entre as 15 maiores
cervejarias do mundo e é a 2ª do Brasil (SCHINCARIOL, 2011).
O ano era 1939 quando o filho de imigrantes italianos Primo Schincariol
decidiu instalar, nos fundos de sua casa em Itu, interior de São Paulo, uma pequena
fábrica de bebidas. Lá, começou a produzir licor de cacau, conhaque, groselha,
vinho quinado, anisete e o refrigerante Itubaína, cujo nome surgiu em homenagem à
cidade. Fabricado no sabor Tutti-Frutti, o refrigerante logo se transformaria em um
sucesso de vendas. Para distribuir o que fabricava, Primo colocava as caixas sobre
o lombo de burros e as levava até os comerciantes locais. Assim nasceu o Grupo
Schincariol (SCHINCARIOL, 2011).
Para chegar até aqui, o Grupo Schincariol percorreu uma trajetória repleta de
desafios e conquistas. No final dos anos 50, os filhos José Nelson e Gilberto
assumem o comando dos negócios e preparam a organização para mais um salto
de crescimento, investindo fortemente na industrialização dos processos com a
aquisição de máquinas e equipamentos, os mais avançados em cada época
(SCHINCARIOL, 2011).
Em 1989, um antigo sonho de Primo Schincariol, a produção de cervejas, se
concretiza com o lançamento da cerveja pilsen Schincariol, primeira cerveja do
Grupo. As décadas seguintes foram marcadas pelo desenvolvimento de produtos e
campanhas de marketing inovadoras, grandes investimentos na aquisição de
fábricas e marcas, como Cintra e Nobel, além de ingresso no segmento premium
com a Baden Baden, Devassa e Eisenbahn (SCHINCARIOL, 2011).
Hoje, para alcançar mais de 600 mil pontos de venda em todo o território
nacional, a companhia possuem uma abrangente rede de comercialização de
62
produtos composta com 11 centros próprios de distribuição, cerca de 200 revendas
e diversos escritórios de venda.
Para alcançar mais de 600 mil pontos-de-venda em todo o território nacional,
a Companhia possui uma abrangente rede de comercialização de produtos
composta por 11 centros próprios de distribuição, cerca de 200 revendas e diversos
escritórios de venda. Detentora do maior portfólio nacional de cervejas premium, a
empresa ampliou seu mix de produtos nos últimos anos com o desenvolvimento de
novos itens, como sucos de frutas, além de diversificar as linhas de refrigerantes e
de águas minerais. Tais resultados foram possíveis devido à posição de destaque do
Grupo no cenário empresarial e à competência dos profissionais envolvidos na
operação. Investimentos na profissionalização da gestão ao longo da história, fazem
da Companhia uma forte concorrente na atual dinâmica do mercado, cada vez mais
concentrado e competitivo (SCHINCARIOL, 2011).
Com capital 100% nacional, o Grupo Schincariol é atualmente a maior
indústria brasileira de bebidas. Está entre as 15 maiores cervejarias do mundo. Com
sede em Itu (SP), o Grupo está presente em 12 Estados brasileiros, com 14 fábricas
que, juntas, têm uma capacidade instalada de 4,5 bilhões de litros por ano,
distribuídos entre cervejas, chopes, refrigerantes, sucos e águas, atendendo aos
mais variados perfis de consumo.
Entre os prêmios, reconhecimentos e certificações recebidos em 2009 pelo
Grupo, destacam-se (SCHINCARIOL, 2011):
• Melhor empresa do Brasil no segmento Bebidas e Fumo, ranking “As
Melhores da Dinheiro” da revista ISTO É Dinheiro;
• Maior e melhor empresa de bebidas do Norte e Nordeste (segmento bebidas
e fumo) – Anuário Valor 1000 do jornal Valor Econômico – 2º ano consecutivo;
• Prêmio E-Learning Brasil 2009/2010, categoria Corporativa Gold;
• Prêmio Contribuintes Ceará – categoria Indústria, concedido pela Secretaria
da Fazenda do Ceará, em reconhecimento às maiores e mais responsáveis
organizações no pagamento de tributos;
• Certificado de Empreendimento Implantado para a Unidade de Alagoinhas,
emitido pelo Ministério da Integração Nacional para atestar o pleno cumprimento dos
compromissos assumidos na aplicação de recursos fornecidos pela SUDENE ao
longo de 12 anos de avaliação;
63
O Grupo Schincariol pauta as relações que mantém com os diversos públicos
pela transparência e pelo respeito à diversidade. A empresa considera premissas a
honestidade, lealdade, respeito ao próximo, ao meio ambiente e à sociedade,
promovendo, sempre, o comportamento ético e responsável (SCHINCARIOL, 2011).
Empenhado em construir um futuro promissor em conjunto com seus
stakeholders, o Grupo Schincariol investe, cada vez mais, em iniciativas de valor
como projetos voltados à capacitação de professores, apoio a cooperativas de
catadores de resíduos e recicladores, oficinas de reciclagem e integração de
pessoas com deficiência capazes de transformar a realidade não só das
comunidades onde está inserido, mas de todo o país (SCHINCARIOL, 2011).
Atento à necessidade de preservar e manter o equilíbrio ambiental para o
futuro, o Grupo Schincariol inaugurou, em parceria com a Fundação SOS Mata
Atlântica, o Centro de Experimentos Florestais SOS Mata Atlântica - Grupo
Schincariol, em Itu (SP).
Instalado em uma antiga fazenda de café, o projeto tem como objetivo
principal recompor a vegetação de Mata Atlântica a partir da restauração de áreas
degradadas (SCHINCARIOL, 2011).
Dos 526 hectares de terras cedidas em comodato por 20 anos à Fundação
SOS Mata Atlântica, 400 hectares serão restaurados com espécies características
da Mata Atlântica da região. São árvores como Cambará, Cabreúva, Timburi, Pau
Marfim, Ipê verde e Cedro rosa, entre outras. Nos dois anos de parceria entre o SOS
Mata Atlântica e o Grupo Schincariol, já foram restaurados 354 hectares – dos quais
234 hectares apenas em 2009 (SCHINCARIOL, 2011).
O Centro de Experimentos Florestais SOS Mata Atlântica – Grupo Schincariol
pode ser considerado um laboratório a céu aberto, pois conta com um viveiro com
capacidade produtiva anual de 400 mil mudas de espécies arbóreas nativas. O
viveiro fechou o ano de 2009 com 300 mil mudas produzidas, distribuídas em um
total de 106 espécies nativas (SCHINCARIOL, 2011).
A equipe técnica do viveiro também foi responsável pelo desenvolvimento de
mais 217 mil mudas, recebidas de outros viveiros em diferentes fases de
crescimento.
O projeto, cuja duração prevista é de cinco anos, fará a restauração completa
da propriedade, que em seguida será transformada em uma Reserva Particular do
Patrimônio Natural (RPPN).
64
Além de seu objetivo principal, o Centro de Experimentos Florestais SOS
Mata Atlântica – Grupo Schincariol também atua nas seguintes frentes
(SCHINCARIOL, 2011):
• Pesquisa e Experimentação Florestal; apoiando e desenvolvendo pesquisas
que gerem novas tecnologias e metodologias na área de restauração e conservação
de ecossistemas. Desenvolvem experimentos no âmbito do projeto o Laboratório de
Ecologia e Restauração Florestal da Escola Superior de Agronomia Luiz de Queiroz
(ESALQ), da USP, e a Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR), campus
Sorocaba (SCHINCARIOL, 2011)
• Formação Profissional; em que proporciona um espaço de aprendizado para
profissionais e para estudantes com palestras, cursos, oficinas e estágios. Em 2009,
foi realizado o curso Elaboração e Implantação de Projetos de Restauração
Florestal, que capacitou 32 profissionais de nível técnico e superior.
• Educação Ambiental e Mobilização, que idealiza atividades que sensibilizem
e mobilizem lideranças ambientais da região de Itu e a sociedade em geral. Faz
parte dessas atividades a iniciativa Porteira Aberta. Realizada mensalmente, trata-se
da recepção de grupos para uma visita de duas horas e meia ao projeto. Em 2009,
foram atendidos 130 visitantes.
·Projeto “Aprendendo com a Mata Atlântica”, que tem como objetivos integrar
a comunidade escolar de Itu e região, com as atividades realizadas pelo Centro de
Experimentos Florestais, bem como sensibilizar os participantes para questões
ambientais, com conceitos ligados ao bioma Mata Atlântica.
Os resultados da parceria indicam que o Centro de Experimentos Florestais
SOS Mata Atlântica – Grupo Schincariol caminha para se tornar uma referência na
difusão do conhecimento da área de restauração e conservação do bioma Mata
Atlântica, capaz de sensibilizar e envolver diferentes atores e setores da sociedade.
Para 2010, estão programados mais investimentos na área de formação e
capacitação técnica, além do aumento do número de áreas implantadas, mudas
produzidas e áreas conservadas (SCHINCARIOL, 2011).
Estruturado como holding, o Grupo Schincariol é constituído pelo negócio de
bebidas, liderado por Adriano Schincariol, e pela Sonar Serviços de Franquias S.A.,
que tem à frente Francisco Duarte. A Holding é presidida por Manuel Fernando
Guimarães. O Grupo emprega 9.307 colaboradores em suas operações e
administração e contribui para a geração de 65 mil postos de trabalho de forma
65
indireta. Presidido por Fernando Mitri e integrado pelos acionistas Alexandre
Schincariol e José Augusto Schincariol, o Conselho de Administração, responsável
pela definição e aprovação das estratégias de negócios, tem como função zelar pelo
aperfeiçoamento das práticas de Governança Corporativa no Grupo. Conta, para
tanto, com a assessoria dos Comitês de Auditoria, Finanças, DHO(Desenvolvimento
Humano e Organizacional), Relações Institucionais e Relacionamento Família-
Empresa, além dos serviços de auditoria externa, realizados pela
PriceWaterhouseCoopers. A identidade do Grupo Schincariol fundamenta-se em um
conjunto de três valores: Pessoas, Serviços e Resultados (SCHINCARIOL, 2011):
I) No tocante as pessoas valorizamos a diversidade no trabalho em equipe
respeitando as individualidades, cultivando relações transparentes e condutas
éticas, num clima de confiança e comunicação aberta praticada em toda a
organização. Acredita-se que, a partir do empreendedorismo, da inovação, da
diversidade de ideias e opiniões, se constroem novos caminhos e oportunidades
para a realização profissional, para a integração social e familiar, para o equilíbrio
físico, emocional, mental e espiritual de todos.
II) No tocante a serviços, somos movidos pela paixão em servir e por
conhecer bem todos os públicos: rede de clientes, fornecedores internos/externos e
consumidores. Por essa razão, concentramos nossos esforços e nossa energia
criativa no aprendizado e na utilização de novas tecnologias, ferramentas e
metodologias, para o contínuo aprimoramento de produtos, serviços e processos
que nos conduzem à excelência na prestação de serviços.
III) No tocante a resultados, somos comprometidos com os resultados e a
perenidade do Grupo Schincariol, atuando responsavelmente através de estratégias,
atitudes inovadoras e planejamento e execução diferenciados, levando em conta a
preservação do meio ambiente, a saúde e o bem-estar das gerações atuais e
futuras, comemorando os sucessos e reconhecendo o desempenho superior. A
Identidade do Grupo Schincariol é sustentada pelas atitudes diárias de cada um. É
por isso que todos os colaboradores são responsáveis por conduzir os negócios do
Grupo com integridade, pois as ações não refletem apenas no individuo, mas
também na imagem de toda a empresa.
Inspirado na Cultura e nos Valores do Grupo, o Código de Conduta descreve
os princípios que norteiam o relacionamento da empresa com todos os seus
66
públicos e são passos importantes para o processo de Governança Corporativa do
Grupo Schincariol (SCHINCARIOL, 2011).
O Código tem a finalidade de estabelecer quais os princípios éticos e as
atitudes que o Grupo Schincariol considera adequados e que devem ser adotados
por todos os seus públicos: acionistas e membros do Conselho de Administração,
colaboradores, prestadores de serviços e distribuidores. E todos, sem exceção, são
responsáveis por garantir o cumprimento das normas deste Código (SCHINCARIOL,
2011).
3.1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL E TECNOLOGIAS DE CONTROLE
Embora existam diversas tecnologias de controle, deve existir o
interfaceamento entre o controle com o comando, proporcionando uma melhor
integração do homem com a maquina. Para esta finalidade, utilizou-se com
freqüência anunciadores de alarmes, sinaleiros chaves seletoras botoeiras, etc...,
que nos permitiam comandar ou visualizar estados definidos com ligado e desligado,
alto ou baixo, temperatura elevada ou normal, mas não nos permitia visualizar os
valores de alto, quanto alto, ou normal quão normal.
Surgiram então os “displays” e chaves digitais ("thumbweel switchs"). Os
“displays” nos permitiam visualizar os valores das variáveis do processo, bem como
mudar parâmetros prédefinidos, como por exemplo, temporizações através das
chaves digitais.
No entanto, este tipo de interface trazia dois problemas claros, o primeiro a
dimensão da superfície do painel, que por muitas vezes necessitava de ser
ampliada, somente para alojar tantos botões, ou informações que eram necessárias.
Com o desenvolvimento das interfaces homem-máquina – IHM - com visores
alfanuméricos, teclados de funções e comunicação via serial com o dispositivo de
controle, o qual muitas vezes era um computador pessoal – PC - estas traziam
consigo os seguintes benefícios:
- Economia de fiação e acessórios, pois a comunicação com o CP seria serial
com um ou dois pares de fio transados, economizando vários pontos de entrada ou
saída do CP, e a fiação deste com os sinaleiros e botões.
67
- Redução da mão-de-obra para montagem, pois ao invés de vários
dispositivos, agora seria montado apenas a IHM.
- Diminuição das dimensões físicas do painel.
- Aumento da capacidade de comando e controle, pois a IHM pode ajudar em
algumas funções o CP, com por exemplo massa de memória para armazenar dados,
etc.
- Maior flexibilidade frente a alterações no campo.
- Operação amigável
- Fácil programação e manutenção.
A evolução seguinte foi a utilização de interfaces gráficas ao invés de
alfanuméricas.
Quando utilizadas, as interfaces gráficas, em alguns casos mais simples
substituem os sistemas supervisórios, ou quando usadas em sistemas de controle,
integradas a sistemas supervisórios, estas além das funções das IHM’s
alfanuméricas já citadas, executam também funções de visualização que aliviam o
sistema supervisório para que a performance das funções de supervisão, alarme,
tendências, controle estatístico de processo entre outras possa ser elevada.
Logo, os softwares que tem a finalidade de servir como uma Interface Homem
Maquina, não tem a finalidade de controlar nenhuma parte da maquina ou processo,
ou seja, se ocorrer qualquer problema durante a sua execução, não prejudicará a
automação da máquina ou processo. Normalmente estes softwares apresentam
facilidades de configuração, mas estão limitados em segurança de dados,
comunicação em rede, comunicação remota, controles de processo, etc.
Os softwares que possuem as mesmas funções dos softwares IHM, além de
poderem efetuar controle, distribuir informações entres estações via rede com
performance e segurança, etc., são os softwares do tipo “sistema de controle e
aquisição de dados”- SCADA. Estes softwares normalmente são mais robustos e
confiáveis para aplicações de grandes portes e para aplicações distribuídas em
varias estações.
Uma tipo de IHM é o indicador de alta frequência modelo 2300, fabricado pela
Gefran Brasil. Algumas especificações técnicas:
- Dimensão: 96mm x 48mm por 152mm de profundidade;
- Tecnologia: microprocessador de 16 bits;
- Entradas: duas entradas analógicas 0...10V, 4...20mA;
68
- Faixa de indicação: -1999...+9999;
- Resolução: 4.000 steps;
- Comunicação serial: RS485 – 4fios;
- Tempo de aquisição: 2ms.
3.2 AUTOMOÇÃO INDUSTRIAL E SISTEMAS DE CONTROLE
Geralmente, existem várias condições internas e externas que afetam o
desempenho de um processo. Estas condições são denominadas de variáveis de
processo, tais como: temperatura, pressão, nível, vazão, volume, etc. Um processo
pode ser controlado através de um sistema de controle medindo-se variáveis,
parâmetros que representam o estado deste processo, ajustando-as
automaticamente de maneira a se conseguir um valor que representa o estado
desejado para este processo. As condições de ambiente devem sempre ser
incluídas na relação de variáveis do processo.
a) Variável controlada: é a grandeza ou condição que é medida ou controlada.
Normalmente é a saída do sistema;
b) Variável manipulada: é a grandeza ou condição que é variada pelo
controlador de modo a afetar o valor da variável controlada;
c) Controle: medição do valor da variável controlada do sistema e aplicação
da variável manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do valor medido
de um valor desejado;
d) Plantas: é uma parte do equipamento ou um conjunto de itens de uma
máquina que funcionam juntos, cuja finalidade é desempenhar uma dada operação
(qualquer objeto físico a ser controlado);
e) Processo: qualquer operação a ser controlada;
f) Sistema: é uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e
realizam um certo objetivo;
g) Perturbação ou distúrbio: é um sinal que tende a afetar adversamente o
valor da saída do sistema. Uma perturbação é considerada externa quando é gerada
fora do sistema e constitui uma entrada;
h) Sistema de controle de processos: é um sistema regulador automático no
qual a saída é uma variável controlada;
69
I) Sistema regulador automático: é um sistema de controle em que a entrada
de referência ou a saída desejada, ou é constante ou varia lentamente com o
tempo. Além disso, a tarefa principal consiste em manter a saída real no valor
desejado na presença de perturbações;
J) Servossistema ou servomecanismo: é um controle em que a saída é uma
posição mecânica, velocidade ou aceleração;
K) Sistema de controle em malha fechada: muitas vezes também chamado de
sistema de controle realimentado, está intimamente relacionado com o erro do
sistema.
O sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal
realimentado (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída
e suas derivadas), é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro, trazendo a
saída do sistema a um valor desejado;
L) Sistema de controle em malha aberta: é o sistema em que a saída não tem
nenhum efeito sobre a ação de controle, ou seja, a saída não é medida nem
realimentada para comparação com a entrada;
M) Sistema de controle adaptativo: é o sistema que possui a capacidade de
detectar variações nos parâmetros da planta, fazendo os ajustes necessários nos
parâmetros do controlador a fim de manter um desempenho ótimo. Adaptação
significa auto-ajustar, uma vez que em muitos sistemas, as características
dinâmicas não são constantes devido a várias razões (deterioração de componentes
ao longo do tempo ou variações nos parâmetros e no ambiente). Portanto, são
sistemas que levam em conta as suas características dinâmicas, desde modo,
aumentando a sua confiabilidade;
N) Sistema de controle de aprendizado: são sistemas de controle que
possuem uma habilidade para aprender;
3.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE CONTROLE
Qualquer sistema de controle deve ser estável. Esta é uma exigência
primordial. Além da estabilidade absoluta, um sistema de controle deve ter uma
estabilidade relativamente razoável; assim, a resposta deve apresentar
amortecimento razoável. Além disso, a velocidade de resposta deve ser
70
razoavelmente rápida e o sistema de controle deve ser capaz de reduzir erros a zero
ou a algum valor pequeno tolerável.
A exigência da estabilidade relativa razoável está relacionada a exigência de
precisão no estado estacionário, razão de incompatibilidade entre esses dois fatores.
Portanto, no projeto de sistemas de controle, é necessário fazer o compromisso
mais efetivo entre estas duas exigências.
Existem duas teorias de controle: clássica e moderna. A primeira teoria utiliza
o conceito de função de transferência. A análise e projeto são feitos no domínio "s"
e/ou no domínio de freqüência, entretanto, não pode manipular sistemas de controle
com entradas e saídas múltiplas. A Segunda baseia-se no conceito de espaço de
estados, utilizando-se a análise vetorial-matricial. A análise e o projeto são feitos no
domínio do tempo
Os componentes envolvidos nos sistemas de controle são amplamente
diferentes. Eles podem ser eletromecânicos, hidráulicos, pneumáticos, eletrônicos,
etc. Em engenharia de controle, em vez de tratar os dispositivos de "hardware",
substitui-se os tais dispositivos ou componentes pelos seus modelos matemáticos.
Obter um modelo matemático razoavelmente preciso de um componente
físico é um dos problemas mais importantes em engenharia de controle. Um modelo
matemático não deve ser nem muito complicado nem muito simplificado. Um modelo
matemático deve representar os aspectos essenciais de um componente físico.
As previsões do comportamento do sistema baseadas no modelo matemático
devem ser razoavelmente precisas. Embora as relações entre entrada-saída de
muitos componentes sejam não-lineares, normalmente lineariza-se tais relações em
torno de pontos de operação, limitando a faixa de variáveis para ser pequena
facilitando o tratamento analítico e computacional.
A análise de um sistema de controle corresponde a investigação, sob
condições específicas, do desempenho do sistema cujo modelo matemático é
conhecido. Visto que qualquer sistema é constituído de componente, a análise deve
começar por uma descrição matemática de cada componente.
Uma vez que o modelo matemático do sistema completo tenha sido deduzido,
a maneira pela qual a análise é executada independe do fato do sistema físico ser
pneumático, elétrico, mecânico, etc. Por análise da resposta transitória geralmente
determina-se as respostas de uma planta para comandar entradas e entradas de
71
perturbações. Por análise no estado estacionário determina-se a resposta depois da
resposta transitória ter desaparecido.
Projetar um sistema significa achar um sistema que realize uma dada tarefa.
Se as características da resposta dinâmica e/ou as características no estado
estacionário não forem satisfatórias, deve-se adicionar um compensador ao sistema.
Em geral, um projeto de um compensador adequado não é direto, mas exigirá
métodos experimentais.
Nos últimos anos, os computadores digitais têm representado um papel
importante na análise, no projeto e na operação de sistemas de controle. O
computador pode ser usado para executar computações necessárias, para simular
uma planta ou componentes de sistema, ou para controlar um sistema. O controle
por computador tem se tornado cada vez mais comum, e muitos sistemas de
controle industriais, sistemas de aviação e sistemas de controle de robôs utilizam
controladores digitais.
O método básico para o projeto de qualquer sistema de controle prático
necessariamente envolverá procedimentos experimentais. A síntese de sistemas de
controle linear é teoricamente possível, e o engenheiro de controle pode determinar
sistematicamente os componentes necessários para desempenhar o objetivo dado.
Na prática, no entanto, o sistema pode ser submetido a muitas restrições ou
pode ser não-linear, e em tais casos nenhum dos métodos de síntese está
disponível atualmente. Além disso, as características dos componentes podem não
ser precisamente conhecidas. Assim, procedimentos experimentais são sempre
necessários.
O engenheiro de controle deve satisfazer as especificações dadas na
realização de uma tarefa. Estas especificações podem incluir fatores tais como a
velocidade de resposta, amortecimento razoável, precisão do estado estacionário,
confiabilidade e custos.
Todos os requisitos devem ser interpretados em termos matemáticos, não se
esquecendo de certificar de que o sistema de malha fechada é estável e tem
características aceitáveis na resposta transitória (velocidade e amortecimento
razoável) e precisão aceitável no estado estacionário.
A especificação do sinal de controle sobre o intervalo de tempo de operação é
chamado lei de controle. Matematicamente, o problema básico de controle é
determinar a lei do controle ótimo, sujeita a várias restrições de engenharia e de
72
economia, o que minimiza (ou maximiza, conforme possa ser o caso) um dado
índice de desempenho. Este índice de desempenho pode ser uma integral de uma
função variável de erro que deve ser minimizada.
Dada uma planta, deve-se primeiro escolher sensores e atuadores
apropriados. Deve-se obter modelos matemáticos da planta, dos atuadores e dos
sensores. Então, usando o modelo matemático obtido, projeta-se um controlador tal
que o sistema em malha fechada satisfaça as especificações dadas. O controlador
projetado é a solução para a versão matemática do problema de projeto. Neste
estágio, a teoria de controle ótimo é muito útil porque fornece o limite superior de
desempenho do sistema para um dado índice de desempenho.
Depois do projeto matemático ter sido concluído, o engenheiro de controle
simula o modelo em um computador para testar o comportamento do sistema
resultante em resposta a vários sinais e perturbações. Usualmente a configuração
inicial do sistema não é satisfatória. Então o sistema deve ser reprojetado e a
análise correspondente concluída. Este processo de projeto e análise é repetido até
que um sistema satisfatório seja obtido.
Então, pode-se concluir o sistema físico do protótipo. Este processo de
construção de um protótipo é o inverso daquele de modelamento. O protótipo é um
sistema físico que representa o modelo matemático com razoável precisão. Uma vez
que o protótipo tenha sido construído, o engenheiro o testa para ver se ele é ou não
satisfatório. Se for, o projeto está concluído. Se não, o protótipo deve ser modificado
e testado novamente. Este processo continua até que o protótipo seja
completamente satisfatório.
No caso de alguns sistemas de controle de processo, formas padronizadas de
controladores, tais como controladores PD (proporcional-mais-derivativo), PI
(proporcional-mais-integral) e PID (proporcional-mais-integral-mais-derivativo)
podem ser usados.
Os parâmetros do controlador são determinados experimentalmente seguindo
um procedimento padrão estabelecido. Neste caso, não são necessários modelos
matemáticos. No entanto, este é um caso tanto especial.
Os controladores analógicos industriais podem ser classificados, de acordo
com a ação de controle, como:
Controladores de duas posições ou liga-desliga (on-off);
Controladores proporcionais;
73
Controladores do tipo integral;
Controladores do tipo proporcional-mais-integral;
Controladores do tipo proporcional-mais-derivativo;
Controladores do tipo proporcional-mais-integral-mais derivativo;
Em um sistema de controle de duas posições, o elemento atuante possui
apenas duas posições fixas que são, em muitos casos, simplesmente ligado e
desligado (do inglês, on-off). O controle de duas posições é relativamente simples e
barato e, por esta razão,extremamente utilizado, tanto em sistemas de controle
industriais, como domésticos. São geralmente dispositivos elétricos, e uma válvula
operada por solenóide elétrico é extensivamente usada nestes controladores. O
tamanho do intervalo diferencial deve ser determinado a partir de considerações
relativas à precisão exigida e à vida do componente.
Para um controlador com ação de controle proporcional, a relação entre a
saída do controlador, u(t), e o sinal de erro atuante, e(t), é igual a uma constante,
Kp, denominada sensibilidade proporcional ou ganho. Independentemente do
mecanismo real, ou da forma da potência de operação, o controlador proporcional é
essencialmente um amplificador com um ganho ajustável.
Em um controlador com ação de controle integral, o valor da saída do
controlador, u(t) é variado em uma taxa proporcional ao sinal de erro atuante, e(t). A
ação de controle integral é muitas vezes denominada controle de restabelecimento
(reset). A ação de controle de um controlador proporcional-mais-integral onde Ti é
chamado tempo integral. Tanto Kp como Ti são ajustáveis. O tempo integral ajusta a
ação de controle integral, enquanto uma mudança no valor de Kp afeta tanto a parte
proporcional, como a parte integral da ação de controle.
O inverso do tempo integral Ti é denominado taxa de restabelecimento
(reset), que é o número de vezes, por minuto, que a parte proporcional da ação de
controle é duplicada. Esta taxa é medida em termos de repetições por minuto. A
ação de controle de um controlador proporcional-mais-derivativo onde Td é chamado
tempo derivativo. Tanto Kp como Td são ajustáveis.
O tempo derivativo é o intervalo de tempo pelo qual a ação de taxa avança o
efeito da ação de controle proporcional. A ação de controle derivativa, algumas
vezes denominada controle de taxa, é onde a magnitude da saída do controlador é
proporcional à taxa de variação do sinal de erro atuante. Sua ação tem o caráter
antecipatório, entretanto, a ação de controle derivativo nunca pode antecipar uma
74
ação que ainda não ocorreu. Porém, possui a desvantagem de amplificar os sinais
de ruído e causar efeito de saturação no atuador. Logo, nunca se usa este controle
sozinho porque somente é efetivo durante os períodos transitórios. No controle
proporcional de um processo cuja função de transferência não possui um integrador,
1/s, há um erro em regime estacionário, ou desajuste, na resposta à entrada ao
degrau. Este desajuste pode ser eliminado se for incluída no controlador uma ação
de controle integral. No controle integral de um processo, o sinal de saída do
controlador, em qualquer instante é igual à área sob a curva sinal de erro atuante até
aquele instante.
O aumento deste valor, entretanto, resultará em uma resposta mais oscilatória
do sistema. Já que o valor do ganho não pode ser demasiadamente aumentado, é
desejável modificar o controle proporcional para um controle proporcional-mais-
integral.
Se for adicionado ao controlador uma ação de controle integral, então,
enquanto houver um sinal de erro, haverá um sinal desenvolvido pelo controlador
para reduzir este erro, desde que o sistema de controle seja estável. Logo, a ação
de controle proporcional tende a estabilizar o sistema, enquanto a ação de controle
integral tende a eliminar ou reduzir o erro em regime estacionário em resposta a
várias entradas.
A ação de controle derivativa, quando adicionada a um controlador
proporcional, possibilita um meio de obter um controlador com alta sensibilidade.
Uma vantagem em usar ação de controle derivativa é que ela responde à taxa de
variação do erro atuante e pode produzir uma correção significativa antes de o valor
do erro atuante tornar-se demasiadamente grande. O controle derivativo, portanto,
antecipa o erro atuante e inicia uma ação corretiva mais cedo, tendendo a aumentar
a estabilidade do sistema.
Embora o controle derivativo não afete diretamente o erro em regime
estacionário, ele produz amortecimento no sistema e, portanto, permite o usos de
um valor maior de ganho do sistema, o que resulta em uma melhora na precisão em
regime estacionário.
Devido ao fato de o controle derivativo operar sobre a taxa de variação do
erro atuante e não sobre o próprio erro atuante, este modo nunca é usado sozinho.
É sempre utilizado em combinação com ação proporcional ou ação proporcional-
mais-integral.
75
O atuador é um dispositivo de potência que produz a entrada para a planta de
acordo com o sinal de controle, de modo que o sinal de realimentação
corresponderá ao sinal de entrada de referência. A saída de um controlador
automático é introduzida em um atuador, tal como um motor hidráulico ou válvula
pneumática ou motor elétrico.
O sensor ou elemento de medição é um que converte a variável de saída em
uma outra variável adequada, tal como um deslocamento, uma pressão ou uma
tensão (voltagem), que pode ser usada para comparar a saída ao sistema de
entrada de referência. Este elemento está no caminho de realimentação do sistema
de malha-fechada. O ponto de ajuste do controlador deve ser convertido a uma
entrada de referência com as mesmas unidades que o sinal de realimentação
proveniente do sensor ou elemento de medição.
Os sistemas clássicos utilizam bóias, transmissores de pressão, capacitância,
borbulhadores, ultra-som, etc. Todos esses sistemas, apesar de apresentarem
vantagens, perdem muito em precisão quando os líquidos medidos não são
perfeitamente uniformes e limpos.
O sistema baseado na admitância dos líquidos supera todos os
inconvenientes acima indicados. Para operação, basta simplesmente fixar em uma
calha, ou parede onde se mede a vazão, um elemento sensor.
Este interliga-se por fios a um sistema eletrônico remoto.
O elemento primário mais utilizado é a calha Parshall cuja faixa de medição
varia de 0 a 2.000 m3/min.
A vazão de uma tubulação é dividida em duas por dois tubos paralelos que
possuem forma de “U”, e ao fim destes tubos a vazão volta a ser conduzida por um
único tubo.
Próximo da parte inferior de cada “U“ existem eletroimãs que fazem os dois
tubos oscilarem em suas freqüências naturais de vibração e cuja a amplitude não
ultrapassa alguns milímetros. Com o passar de fluido pelos tubos, em função desta
oscilação, surge uma torção nos tubos cuja defasagem permite a medição da vazão
mássica.
76
CONCLUSÃO
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. 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 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.
77
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 à 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.
Neste TCC direcionado para a empresa SCHINCARIOL reflete-se sobre a
automação industrial, na qual 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.
78
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARVALHO, Paulo César de. Controlador Lógico Programável. 3ª parte. Revista Mecatrônica Atual. nº 4, Junho de 2002, São Paulo: Editora Saber, 2002.
FILIPPO FILHO, Guilherme. Motor de Indução. São Paulo: Editora Érica, 2000.
FONTES, Arivaldo. Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção Instrumentação SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Espírito Santo. CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes. São Paulo: SENAI, 2009.
MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial. Rio de Janeiro: LTC, 2001.
NATALE, Ferdinando. Automação Industrial. São Paulo: Editora Érica, 2000.
PINHEIRO, José Maurício dos Santos. Princípios para Integração entre Sistemas do chão-de-fábrica e Sistemas Corporativos. Revista Controle & Instrumentação, ano 10 nº 131, pág 70-71. São Paulo: Valete, 2007.
RIBEIRO, Marco Antônio. Automação Industrial. 4 ed. São Paulo: Tek Treinamento & Consultoria Ltda, 2001.
ROSÁRIO, João Maurício. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall, 2005.
SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e Controle Discreto. São Paulo: Editora Érica 2001.
SITE DA EMPRESA SCHINCARIOL. Historia da empresa schincariol. Disponível em: http://www.schincariol.com.br. Acesso em: abril. 2011.
79
