RedesInd 02 Introducao AutomacaoIndustrial

ENGG55 REDES INDUSTRIAISIntroduo Automao Industrial

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Prof. Eduardo Simas

Essa apresentao foi adaptada do material elaborado pelo Prof. Bernardo Ordoez em 2013.2

DEE Departamento de Engenharia EltricaEscola Politcnica - UFBA

Redes industriais

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PARTE IIntroduo Automao Industrial

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Viso geral de uma planta automatizada

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Redes industriais

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E nosso dia-a-dia?

Em casa

Na rua

No trabalho...

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Automao Industrial

Uso de dispositivo mecnico ou eletro-eletrnico paracontrolar mquinas e processos computadores,CLP, CNC...

Substituio de tarefas da mo-de-obra humana.

Realizao de outras que o ser-humano no consegue realizar.

Passo alm da mecanizao, em que os operadores humanos so

providos de maquinaria para auxili-los em seus trabalhos.

Quantidade com qualidade e economia competitividade!

Automao x Desemprego

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Automao Industrial Exemplo clssico:

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Automao Industrial

LC

LCV

SP

LE ligadodesligado

cheia

vazia

ligado

desligado

presente

ausente

ligado

desligado

motor da

esteira

garrafa

vlvula

vazo sada

vazo entrada

Exemplo clssico:

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Objetivos da Automao Industrial

Qualidade: controle de qualidade eficiente,compensao automtica sobre as deficincias doprocesso, processos de fabricao sofisticados.

Viabilidade tcnica: processamento imediato de grandevolume de informaes complexas, limitaes dohomem, condies desumanas de trabalho.

Flexibilidade: inovaes frequentes no produto,atendimento a especificidades do cliente, produo depequenos lotes.

Produtividade: produo de refugo zero, reduo dosestoques.

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Objetivos da Automao Industrial

Aumento da segurana.

Diminuio dos custos operacionais.

Melhoria das condies de operao.

Simplificao das instalaes.

Aumento dos nveis de controle.

Aumento dos nveis de acompanhamento.

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Nveis de automatizao Industrial Exemplo clssico:

Processo no automatizadoControle de nvel local mediante atuao na vlvulavolante.

Processo semi-automatizadoControle de nvel mediante atuao na vlvula comatuador para acionamento remoto.

Processo automatizadoControle de nvel mediante atuao na vlvula comatuador e controlador automtico.

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reas de atuao

Projetos de novas unidades de operao.

Modernizao da planta industrial.

Integrao de procedimentos e equipamentos emunidades de produo j existentes, e em operao.

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Disciplinas envolvidas

Sistemas de controle.

Instrumentao.

Informtica.

Processos dinmicos.

Comunicaes.

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Motores, robs, caldeiras, etc.

Eletrnica de potncia, transdutores, acio. pneumtico, etc

Algoritmos de controle

Tecnologias e protocolos de comunicao

Visualizao, configurao e armazenamento e variveis

Gerao de informao estratgica

Nveis de abstrao do problema

Nvel de Gerncia

Nvel de Superviso

Nvel de rede de comunicao

Nvel de controle direto: PC, CLP,...

Nvel de sensores e atuadores

Nvel de processos fsicos

Redes industriais Automao Industrial + Gerencial

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VENDAS

PLANEJAMENTO

BANCO DE DADOS CORPORATIVOS

INFORMAO E SIMULAO

INTEGRAO DE CAMPO

OPERAO E SUPERVISO(OTIMIZAO)

CONTROLE E SEGURANA

CAMPO

Sistema Gerencial

AUTOMAO INDUSTRIAL

Elementos Sensores e Atuadores

PLCs Controladores

Estaes de Trabalho

Servidores

Estaes de

Trabalho

Redes industriais Estrutura da automao industrial

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Rede de Comunicao de Dados Local

Processo Fsico 1

Sensores Atuadores

Condicionamentode sinais

Controlador Local 1

Processo Fsico n

Sensores Atuadores

Condicionamentode sinais

Controlador Local n

. . .

Supervisor Base de Dados

Gerncia de Informao

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Condicionamento de sinais

Estratgias de superviso.

Atuadores Calibrao Segurana Economia de energia

Sensores

Processos

Hardware computacional

Converso de sinais

Sistemas operacionais

Estratgias de controle e segurana (inter travamento)

Linguagem de programao

Elementos bsicos:

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Processos ContnuosAs variveis manipuladas tm natureza contnua

Processos qumicos e robtica

Processos Discretos As variveis manipuladas tm natureza discreta

Polticas de inter-travamento e manufatura

Sistemas HbridosVariveis contnuas + Variveis discretas

Processos Sistemas fsicos a serem monitorados, controlados, supervisionados, gerenciados

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Componentes transdutores de sinais

Condicionamento de sinais

Calibrao de sensores

Sistemas de proteo

Valor verdadeiro

Sistema de

medioProcesso

medido

SadaEntrada

Valor medido

Observador

Sistemas de medio: sensores

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Termopares (sensores de temperatura)

Encoderes (sensores de velocidade e deslocamento)

Barmetros (medidor de presso atmosfrica)

Potencimetros

Fibras pticas

Ultra-som (medio indireta da distncia / nvel)

Exemplos de sensores

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Termopares: simples, robusto e baixo custo

Encoderes

Barmetros

Potencimetros

Fibras pticas

Ultra-som


Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir dacontagem de pulsos digitais.

Estrutura interna: Sinais produzidos:

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Tipos de Encoder:

Encoder Incremental a posio obtida em a partir da contagem de pulsos apartir do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informaoda posio atual perdida e o sistema deve retornar posio de referncia para oreincio da contagem

Encoder Absoluto h uma

codificao mais sofisticada na

estrutura do sinal gerado

(existem mais pulsos, no apenas

o A e B do encoder incremental),

que permitem a localizao a

partir de qualquer posio inicial.

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Tipos de Encoder:

Encoder Linear

Encoder Angular

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Termopares

Encoderes

Barmetros

Pote\ncimetros

Fibras pticas

Ultra-som


Aplicaes de sensores ultrassnicos:a) Medidas de dimetro;b) Deteco de objetos;c) Presena de pessoas;d) Medio de densidade.

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Conforme o tipo de energia podem ser:

Transmisso pneumtica (3-15PSI).

Transmisso eletrnica (4-20mA, 1-5Vcc).

Transmisso digital ( RS-485 protocolo modbus,RS-232 protocolo HART, RS-422, FoundationTM

Fieldbus.

Transmisso hidrulica;

Transmisso eletromagntica (sem fios);

Transmisso ptica (fibra-ptica).

Telemetria (modo como a informao transmitida):

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Amplificadores de energia

Transformadores de energia eltrica (sinal de controle) em

outras formas de energia

SadaSistema de comando

Sinal de comando

Processo

Atuador

Sistemas de comando: atuadores

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Vlvulas

Pistes

Inversores de frequncia

Resistncias

Rels (eletromecnicos ou de estado slido)

Exemplos de atuadores

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Vlvulas

Pistes

Inversores de frequncia

Resistncias

Exemplos de atuadores

Vlvula de controle (Fisher) Transmissor eletrnico

Rel eletromecnico

Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada preciso usar dispositivosauxiliares que faam a conexo do sinal de sada discreto com uma fonte de tensoalternada.

Um destes dispositivos o Rel eletromecnico:

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Nos terminais da bobina so

conectados o sinal de comando dos

sensores ou controladores.

Nos terminais dos contatos e no

terminal comum so conectados a

fonte de tenso AC.

A existncia de tenso nos terminais

da bobina gera um campo magntico

que movimenta a armadura mudando

a posio dos contatos mecnicos.

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Inversores de Frequncia

Circuitos eletrnicos utilizados para controlar a velocidade de mquinas AC.

Permitem a operao suave de mquinas AC e a economia de energia eltrica por evitaresforo eltrico na partida das mquinas.

Utilizado atualmente tambm em ambientes residenciais e comerciais (elevadores,geladeiras, ar-condicionados)

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Redes industriais

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Sensores

Atuadores

A/DD/D

D/AD/D

Relgio Externo

ControleDireto

RegistroDe Dados

Gerncia deInformao

InterfaceHomem/Mquina

Base de Dados

. . .

Terminais, impressoras, etc.

Processo Fsico

O problema do controle automtico

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Processo

Sistema de controle com computador

produto

Esquema de controle automtico

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Alarmes e guias para operador

Processo

Sistema de controle com computador

material

energia

produto

Informao do produtoSinais de

controle

Informao do processo

Registros e relatrios

Informao de entrada

Objetivos e informao de gerenciamento

Esquema de controle automtico

Redes industriais Controladores industriais

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Trocador de calor a vapor

O tanque armazena e fornece um determinado produto em um ponto desejado detemperatura; O vapor utilizado na serpentina advm de uma caldeira e pode ser controlado poruma vlvula; No h controle sobre a entrada de produto para o tanque; Perturbaes: Variaes no fluxo e temperatura do fluido de entrada.


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Fluxo constante do produto frio o controle da vlvula funo datemperatura do produto quente e do fluxo de vapor na entrada;Objetivo: manter a temperatura do produto quente.

Estratgia por relao:


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Problema: variao da presso do vapor altera seu fluxo troca decalor; Malha de controle para o fluxo de vapor malha rpida evitandooscilao no sistema; O controle fica mais rpido utilizao na indstria.

Estratgia por cascata:


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Mudana de carga pode demorar para ser percebida tamanho daserpentina; Sistema pode tornar-se instvel devido variao no fluxo atraso detransporte; Soluo: tomar uma ao antecipativa conhecimento da planta.

Estratgia por controle antecipativo:

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PARTE IIIntroduo Automao Industrial

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Arquitetura de Automao Industrial

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Sala de controle

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Comunicao

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Hardware e software que permitem ao operadorter acesso a informaes do processo

Sistema de superviso

Estado operacional do equipamento

Valores das variveis de processo

Alarmes!

Relatrios

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Coletar dados dos dispositivos de campo. Apresent-los em formato padronizado e amigvel(grficos!).

Funo:

Interao eficiente entre processo e sistemasupervisrio!

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Exemplo: ITAIPU Binacional

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Hardware do Sistema de Superviso

Estaes de superviso (central e local)

Redes de comunicao

Impressoras

Controladores (CLPs)

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Telecomunicaes

???

Hardware do Sistema de Superviso

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Sistema Supervisrio Um sistema estruturado atravsde uma srie de telas e janelas

Exibem os diversos dados disponibilizados pelo sistema,

ocupando todo o espao disponveldo monitor.

Idem tela, porm ocupando apenas umaparte do espao disponvel do monitor.

TELA

JANELA

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Classificao das telas e janelas

Instrumentao

Alarmes

Segurana

Processo/

Utilidades

Conforme o tipode informa-

o apresentada

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Principais funesSistema Supervisrio:

Apresentao das variveis do processo em tempo real

Grficos de tendncia de variveis de processo

Anunciao e Reconhecimento de alarmes

Sinalizao do estado operacional de equipamentos

Registro de eventos

Emisso de relatrios

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Principais funesSistema Supervisrio:

Ligar e Desligar equipamentos

Registro histrico de variveis de processo

Armazenamento, recuperao de dados de equipamentos

Alterao de parmetros de operao

Referncia de operao

Seleo da sada

Parametrizao de instrumentos

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Evoluo da Estrutura de Automao

Controle Direto

Controle Ponto-a-ponto

SCDC (Sistemas Digitais

de Controle Distribudo)

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Estratgia de Controle Direto

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Estratgia de controle ponto-a-ponto

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Sistemas Digitas de Controle Distribudo - SDCD

Sistema introduzido para substituir painis de controleconvencionais, centralizando tarefas e distribuindofunes (1974).

Sistema configurvel.

A filosofia do sistema digitais de controle distribudo a de dividir os equipamentos em

vrios mdulos funcionalmente distintos.

Comunicao

Gerenciamento

OperaoControle

Processo

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Viso Geral:

Interface IHM poderosa e amigvel.

Evoluo da instrumentao comfunes distribudas geograficamente.

Substituio deequipamentos analgicos.

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Os sistemas SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition) comearam a seridealizados desde a primeira metade do sculoXX, com a necessidade de obteno de dadosmeteorolgicos em grande volume.

Atualmente eles esto sendo largamenteutilizados na indstria, principalmente quandoo cho de fbrica geograficamente bastantedistribudo.

SCADA

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Centro de Operaes (CO) com uma Unidade Mestre (UM), que interage com as URs e uma Interface Homem-Mquina (IHM)

Uma ou mais Unidades Remotas

(URs) que interagem diretamente

com os processos

Sistema de comunicao que permite a troca de informaes entre o CO e as URs

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Computador(es) principais (host computers)

Rede(s) de rea Local

Estao Mestre

Modem(s) Mestre(s)

Rede(s) de Telemetria

Modem(s) Remoto(s)

Estaes Remota(s)

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Desafios da Automao Industrial

Interoperabilidade e padronizao

Algoritmos de controle eficientes

Algoritmos de deteco e previso de

falhas

Diminuio de custo

Sistemas de gerncia de informao

Escalabilidade

Redes determinsticas e tolerante a falha

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Desafios da Automao Industrial

Soluo integrada de automao quepermita disponibilizar informao dequalidade, em tempo real, em nvel gerencial.

Para uma integrao simples, necessriointeroperabilidade de diferentes sistemas, ouseja, sistemas abertos a produtos de terceiros.

O processo de automao no deve serconsiderado algo isolado na indstria. Essarea precisa estar aberta para as novastecnologias j disponveis.

Interoperabilidade e padronizao

Algoritmos de controle eficientes

Algoritmos de deteco e

previso de falhas

Diminuio de custo

Sistemas de gerncia de informao

Escalabilidade

Redes deterministicas e tolerante a falha

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O termo "sustentabilidade" passou a ter uma conotao mais ampla,difundindo- se rapidamente, e agora incorporado ao vocabulriopoliticamente correto das empresas, dos meios de comunicao demassa, das organizaes da sociedade civil.

No entanto, a soluo das causas da insustentabilidade pareceavanar em ritmo muito mais lento.

Sustentabilidade

Desde a colheita at a comunidade, 20% de todoalimento produz ido no pas desperdiado(IBGE).

Desperdcio de 50% da gua tratada em todo pas. Damesma forma, desperdiamos 9,5% de toda a produoanual de energia.

A Associao Brasileira de Manuteno indica que os custos com manuteno noPas atingem a marca de 4,2% do PIB, alm de 4% do faturamento bruto dasempresas ser gasto em aes de manuteno.

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Efetivamente existe um cenrio complicado, cheio de desafios, noqual a engenharia de automao pode dar o suporte necessrio embusca do ponto "timo" de equilbrio para requisitos ecolgicos,sociais e econmicos.

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O apoio tecnolgico de organizaes mundiais na padronizao de recursos de equipamentosfazem com que solues inteiras de automao saiam de fbrica com o selo verde desustentabilidade, no s por consumirem menos, mas tambm por terem sido concebidos emum perfil de aplicao padronizado, que permite por exemplo, que a prpria planta possadesligar-se em reas ociosas.

Outros aspectos para melhoria de processos, como os sistemas de gerenciamento de ativos, ossistemas de controle de execuo (MES) e de Inteligncia de Negcios (Business Intelligence,BI), cujos objetivos so claramente traados: aumentar a capacidade produtiva seminvestimentos em expanses e/ou plantas novas, trazendo a disponibilidade operacional ao seuponto mximo, evitando paradas no programadas, desperdcios com a variabilidade noproduto final e falhas no controlede produo (devidas falta deinformaes em tempo real paraos tomadores de deciso).

Com as redes industrias e equipa-mentos inteligentes, a base da au-tomao industrial passou a contarcom dados que at ento no eramacessados.

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Comparao entre sistemas fieldbus e sistemas analgicosconvencionais mostra como se pode manter a lucratividade alta sem sepreocupar com as paradas no-programadas.

A estabilidade operacional da planta proporciona uma vida til maislonga e lucrativa para os equipamentos, instrumentao e sistemas decontrole.

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A variao de foco em cada nvel promove a execuo de tarefas eanlises de informao com muito mais preciso e rapidez.

Os mesmos dados extrados do campo passam por tratamentosdiferentes em cada nvel de forma a mostrar somente o que extremamente til para aquela posio.

Operador estaria preocupado com a vazo de determinado produto Gerente de planta preocupado com o desempenho de determinado setor Gerente de produto acompanha a disponibilidade e qualidade dedeterminado produto final Diretoria avalia os ndices produtivos de cada unidade.

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A Sustentabilidade vai muito alm de Publicidade ePropaganda. um conceito simples de se entender,mas que traz consigo todo um contedo histricode brigas de interesses, e a busca de entendimentoentre as partes envolvidas.

A velocidade de adoo de solues sustentveis estbem aqum do que desejado:

preciso vontade poltica para forar mudanas. Vontade empresarial para criar melhorias significativas em seus meiosde produo. Cobranas enrgicas de toda a sociedade. E ainda, adotar umaconscincia sustentvel, evitando o consumo desenfreado.

Atravs de novas pesquisas e da adoo de mtodos e ferramentasde produo mais inteligentes, esse quadro pode melhorar.

Fim de Aula.

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