Douglas Wildgrube BertolDEE - Engenharia Elétrica | CCT

Automação

AUT0001 – Automação | Joinville | 06/08/2017

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Automação

O que significa automatizar?

• Conceitos básicos de automação;

• Arquitetura de automação (modelo CIM);

• Elementos componentes de uma automação.

contextualização

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Automação

• Definição;

• Histórico;

• A automação em nossas vidas;

• A automação no meio produtivo;

• Pirâmide da Automação (arquitetura);

• Aspectos da automação;

• Razões para automação industrial;

• Variedades de automação.

sumário

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Definição

• Etimologia:• latim Automatum, que significa mover-se por si;• Da palavra Automation (1960);• Participação do computador no controle

automático industrial.

• Definição:

“Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, visando soluções rápidas e econômicas para atingir os objetivos da

indústria, dos serviços ou bem estar”

definição literal

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Definição

• Mecanização: visa prover operadores humanos com máquinas que os assistem de modo a atender requisitos físicos do trabalho (força, velocidade, etc.);

• Automatização ou Automação: visa substituir o operador humano por dispositivos de comando e controle computadorizado, reduzindo (ou eliminando) necessidade de uso de habilidades mentais e sensoriais humanas.

mecanização x automação

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Histórico

• Desde o inicio da civilização, o homem tem procurado facilitar seu trabalho, seja pela exploração de outros seres humanos (mão de obra escrava) ou pela criação de máquinas que fazem parte do trabalho (ou todo);

• Herão (≈10 a 75 d.C.), filósofo natural que viveu na Alexandria (Egito sob controle grego), descreveu a primeira máquina à vapor (eolípila) em 69 d.C.;

• Estrutura econômica da época não permitiuvislumbrar aplicações úteis para a eolípilae era utilizado apenas para recreação(devido principalmente a existência de mão de obra escrava abundante e gratuita).

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Histórico

• Uso mais extensivo de máquinas ocorreu a partir do século XVIII, com a Revolução Industrial (Inglaterra 1750, EUA 1800);

• A Revolução Industrial ocorreu por circunstâncias favoráveis dos pontos de vista:

• Socioeconômico: surgimento do capitalismo,abolição da escravatura, entre outros fatores;

• Científico/tecnológico: desenvolvimento da física e da química, descoberta e disponibilidade da eletricidade, reinvenção das máquinas avapor e aperfeiçoamento dos processos industriais.

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Histórico

• Em 1698, Thomas Savery (1650-1715), mecânico inglês, patenteou a primeira máquina à vapor realmente prática, uma bomba para drenagem de água de minas.

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Histórico

• Em 1712, Thomas Newcomen (1663-1729), ferreiro inglês, inventou outra máquina à vapor para esvaziamento da água de infiltração das minas.

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Histórico

• Em 1769, James Watt aperfeiçoa o modelo de Newcomen. Seu invento deflagra a revolução industrial e serve de base para a mecanização de toda a indústria

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Histórico

• George Stephenson revoluciona os transportes com a invenção da locomotiva a vapor;

• Em 1785, Matthew Boulton começa a construir as máquinas projetadas por Watt (empresário industrial no sentido moderno).

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Histórico

• Produtividade antes da Revolução Industrial era baixa (produção artesanal);

• O aperfeiçoamento dos processos de produção aliado a introdução das máquinas conduziram a:

• grande aumento de produtividade; produção em massa: produtos mais baratos e acessíveis a um público consumidor muito maior;

• posterior saturação do mercado mundial, já no século XX.

cenário

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Histórico

• Saturação dos mercados levou a uma crise no sistema de produção capitalista (década de 70 do século XX);

• Alternativas propostas para a crise:• Diversificação e individualização dos produtos para atrair

consumidores;• Redução da vida útil dos produtos;• Incorporação das últimas inovações tecnológicas ao

produto.

• Consumidores se aliam para exigir qualidade dos produtos;

• Requisitos impostos à indústria: menor tempo de projeto, desenvolvimento e produção.

cenário - crise

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• Problema: máquinas e processos de produção concebidos para produção em massa não foram projetados para sofrer alterações frequentes. Falta flexibilidade!

• Solução: introdução da Informática nos sistemas industriais de produção• reestruturação do setor produtivo: computador não só

no laboratório mas também na empresa!• computador possibilitou surgimento da Automação

Flexível, baseada na ideia de equipamentos programáveis;

• equipamentos podem ter sua função e operação alterada modificando apenas o software.

cenário - problemaHistórico

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Histórico

• Tecnologias antigas: concentradas no estudo das melhores formas de manipulação de energia e de materiais;

• Novas tecnologias: concentradas na manipulação da informação;

• Hoje temos sistemas computacionais em todos os setores da fábrica:• máquinas-ferramenta com CNC;• lógicas de comando a relés substituídas por CLPs,

sensores e atuadores microprocessados;• processos contínuos usam controladores digitais

programáveis;• homem substituído em muitas funções por robôs

programáveis.

cenário

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Histórico

• Equipamentos programáveis tem que poder trocar informações entre si -> redes locais industriais de comunicação (LANs);

• Introduzidos sistemas computacionais que permitem a programação de aplicações compartilhadas por vários computadores → sistemas distribuídos;

• Tais sistemas requerem técnicas especiais de programação → ex.: programação concorrente;

• Muitas aplicações exigem soluções não convencionais → técnicas de inteligência artificial usadas em subsistemas (sistemas especialistas, lógica fuzzy, redes neurais, etc).

cenário atual

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Automação em nossas vidas

• Objetivo: facilitar nossas vidas

• Em casa: • lavando roupa;• esquentando leite;• abrindo o portão;• lavando louça.

• Na rua:• sacando dinheiro;• dirigindo pelas ruas;• fazendo compras.

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• No lazer:• comprando um refrigerante;• caminhando numa esteira;• assistindo um filme;• jogando um videogame.

• No trabalho:• registrando o ponto;• programando um robô;• recebendo matéria-prima;• estocando produto acabado;• fazendo controle de qualidade;• controlando temperatura de um tanque de água;• controlando a temperatura do escritório;• acionando o sistema de combate à incêndio.

Automação em nossas vidas

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Automação no meio produtivo

• Objetivos: facilitar os processos produtivos

• Componentes básicos• sensoriamento;• comparação e controle;• atuação.

• Automação industrial = sistema otimizado• menor custo;• maior quantidade;• menor tempo;• maior qualidade.

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• Qualidade• garantir uma produção com as mesmas características e alta

produtividade;

• Automação no meio ambiente• cumprimento de novas normas;• sistemas de controle de efluentes;• sistemas de controle de gases.

• Importância para a Indústria:• sobrevivência;• garantia de competição no mercado;• substitui o homem:

• tarefas repetitivas;• ambientes perigosos;• ambientes insalubres;• grande esforço físico.

Automação no meio produtivo

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Automação no meio produtivo

• Transforma a estrutura da força de trabalho

• qualitativamente;• quantitativamente;• exige treinamento;• qualificação da força de trabalho;• melhoria das condições de

trabalho.

• Desafio: • inserir o homem no contexto da

automatização sem traumatismo, sem desemprego, tendo somente um saldo positivo.

“O risco que se corre ao se introduzir novas tecnologias é menor do que

aquele que se corre ao não introduzi-las”

22*ERP - Enterprise Resource Planning / MES - Manufacturing Execution System

Pirâmide da Automaçãomodelo CIM

23*ERP - Enterprise Resource Planning / MES - Manufacturing Execution System

Pirâmide da Automaçãomodelo CIM

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Pirâmide da Automação

• Dispositivos• motores, componentes, válvulas, transdutores, inversores.

nível 0

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Pirâmide da Automação

• Controle• Informações do nível 0;• IHMs, CLPs, CNCs, robôs, máquinas ferramentas.

nível 1

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Pirâmide da Automação

• Supervisão• Informações dos nível 1;• SCADA, sala de supervisão.

nível 2

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Pirâmide da Automação

• Execução • Banco de dados, índices, relatórios, logística, controle de

estoque.

nível 3

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Pirâmide da Automação

• Planejamento• planejar a produção em função da sazonalidade do

mercado, administração dos recursos financeiros, vendas, RH.

nível 4

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Aspectos da Automação Industrial

• Computadores especializados (controladores programáveis)

• controle lógico;• controle dinâmico;• simples reprogramações.

• Computadores de processo• coletar informações do processo para criar um modelo

matemático;• sintetizar leis de controle ótimo;• simular desempenhos;• implantar leis de controle;• facilitar interfaces com supervisores.

ferramentas computacionais

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Aspectos da Automação Industrial

• CLP’s (controladores lógicos programáveis) - 1968• memória programável para instruções;• energização / desenergização;• temporização;• contagem;• sequenciamento;• operações matemáticas;• manipulação de dados.

• Quem inventou o CLP?‒ General Motors (GM)

principal componente

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Aspectos da Automação Industrialarquitetura

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Aspectos da Automação Industrial

• Automação industrial de controle de processos (automação contínua)

• Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação.

• incalculável poder tecnológico• aperfeiçoamento de processos• velocidade• precisão

sistemas de controle - dinâmico

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Aspectos da Automação Industrial

• Controle da temperatura de um aquário

sistemas de controle – dinâmico – exemplo

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Aspectos da Automação Industrial

• Objetivo: manter a água em torno de 25ºC

sistemas de controle – dinâmico – exemplo

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Aspectos da Automação Industrial

• Automação industrial de manufatura (automação discreta)

• Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações não lineares.

• Circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos etc)• Variáveis binárias ( 0 ou 1)• Circuitos de redes lógicas:

• Combinatórias (sem memórias nem temporizações)• Projeto com álgebra booleana

• Descrever, analisar e simplificar com auxílio de Tabelas da verdade e Diagramas de relés

• Sequenciais (memória, temporizadores e entrada de sinais)• Teoria dos autômatos

• Redes de Petri

• Cadeias de Markov

• Simulação em computador

sistemas de controle – lógico

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• Prensa de alavanca‒ botões de segurança

Aspectos da Automação Industrialsistemas de controle – lógico – exemplo

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Razões para a automação industrial

• Repetibilidade e maior qualidade na produção;

• Realização de tarefas impossíveis ou agressivas ao homem;

• Rapidez de resposta ao atendimento da produção;‒ Flexibilidade;

• Restabelecimento mais rápido do sistema produtivo;

• Redução dos custos de produção;‒ menores perdas de materiais;‒ menor custo de capital;

• Redução de área;

• Possibilidade de sistemas interligados.

• Maior controle das informações do processo.

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Variedades de automação

• Automações especializadas (menor complexidade)‒ exemplo: automação interna aos aparelhos eletrônicos, telefones,

eletrodomésticos, automóveis;‒ microprocessadores;‒ programação em linguagem de máquina;‒ memória ROM.

• Grandes sistemas de automação (maior complexidade)‒ exemplo: controladores de voos nos aeroportos, controle

metroviário, sistemas militares;‒ programação comercial e científica em software de tempo real.

•Automações Industriais de âmbito local (média complexidade)

‒ exemplo: transportadores, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios;

‒ CLP’s isolados ou em redes.