AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

João Maurício Rosário

São Paulo 2009

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Copyright © 2009 by Editora Baraúna SE Ltda

Projeto Gráfico e DiagramaçãoAline Benitez

Ilustração da capaAlvaro Joffre Uribe Quevedo

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTESINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ

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R171a Rosário, João Mauricio Automação industrial / João Mauricio Rosário. - São Paulo : Baraúna, 2009. ISBN 978-85-7923-000-4 1. Automação industrial. I. Título.

09-0963. CDD: 629.892 CDU: 681.5

05.03.09 06.03.09 011350_____________________________________________________________

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Sumário

CAPÍTULO 1: Introdução à Automação . . . . . . . . 131.1 - Automação Industrial – Histórico . . . . . . . . . . . . . . 171.2 – Áreas da Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3 - Conceito de Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4 - O sistema Biológico x Tecnológico . . . . . . . . . . . . . . 251.5 - Tecnologia Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.6 - Integração da Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.7 - Automação e Novas Tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . 291.8 - Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

CAPÍTULO 2: Conceitos Básicos de Automação . . 332.1 – Automação Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.2 – Sistemas de Controle Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3 - Principais Elementos de um Sistema de Controle Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.4 - Conceito de Prototipagem Rápida em Automação . . 622.5 - Robótica Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.6 - Controlador Programável (CLP) . . . . . . . . . . . . . . . 782.7 – Controle Numérico (CNC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852.8 – Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

CAPÍTULO 3: Sistemas Automatizados de Produção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.2 - Panorama da Indústria Eletroeletrônica . . . . . . . . . . 963.3 - Descrição de Sistemas Automatizados . . . . . . . . . . 1163.4 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.5 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

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CAPÍTULO 4: Integração de Sistemas Automatizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.1 – Sistemas Produtivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.2 – Contexto da Automação no Brasil . . . . . . . . . . . . . 1304.3 – Sistemas Automatizados – Conceitos e Definições . 1314.4 – Elementos de um Sistema Automatizado . . . . . . . . 1364.5 – Norma Internacional IEC 61131-3 . . . . . . . . . . . . 1424.6 - Grafo de Comando Etapa e Transição - GRAFCET 1504.7 - Algumas Propriedades do GRAFCET . . . . . . . . . . 1644.8 – Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1744.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

CAPÍTULO 5: Controladores Programáveis Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1775.1 – Descrição de um CLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1815.2 - Linguagem de Programação de CLPs . . . . . . . . . . . 1855.3 - Exemplos de Utilização de Funções em uma CLP . 1905.4 - Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.5 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

CAPÍTULO 6: Sistemas de Supervisão em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.1 – Sistemas de Monitoramento e Controle . . . . . . . . . 1996.2 - Sistema SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2016.3 – Principais Características de um sistema SCADA . 2056.4 – Sistema Supervisório Industrial . . . . . . . . . . . . . . . 2106.5 – Principais Funcionalidades de um Sistema Supervisório Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2136.6 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2256.7 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

CAPÍTULO 7: Redes de Comunicação em Automação Industrial - Aplicações do Fieldbus . . . . . . . . . 2277.1 – Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2317.2 – Sistemas Concentrados e Distribuídos . . . . . . . . . . 2327.3 – Conceitos Básicos de Redes de Comunicação em Automa-ção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

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7.4 – Estações de Monitoramento SCADA . . . . . . . . . . 2427.5 – Aplicações de Redes de Comunicação . . . . . . . . . . 2507.6 – Tecnologias de comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547.7 – Redes de Comunicação FieldBusTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

7.8 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2707.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

CAPÍTULO 8: Plataforma Industrial para Pesquisa, Ensino, e Formação em Automação . . . . . . . . . . . 2738.1 - Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2778.2 – Arquitetura Física e Sistema de Supervisão Cooperativo 2798.3 - Metodologia Proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2808.4 - Descrição da Plataforma PIPEFA . . . . . . . . . . . . . . 2828.5 - Parte Operativa (chão de fábrica) . . . . . . . . . . . . . . 2858.6 - Sistema de Supervisão Cooperativo . . . . . . . . . . . . 2938.7 - Sistema de Gestão de Produção . . . . . . . . . . . . . . . 3048.8 - Implementação de Rede Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . 3098.9 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3228.10 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

CAPÍTULO 9: Redes de Petri na Modelagem e Análise da Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3279.1- Conceitos Básicos e Definições . . . . . . . . . . . . . . . . 3319.2 - Elementos de uma RdP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3329.3 - Regras de Evolução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3359.4 - Utilização de RdP em Sistemas Discretos de Manufatura 3369.5 - A Dinâmica do Sistema na RdP . . . . . . . . . . . . . . . 3399.6 - Princípios de Modelagem de Sistemas . . . . . . . . . . 3469.7 - Modelagem de Elementos de Manufatura . . . . . . . 3509.8 - RdP Estendidas e Reduzidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3589.9 - Equivalência entre RdP e Grafcet . . . . . . . . . . . . . 3609.10 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3689.11 – Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

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CAPÍTULO 10: Planejamento da Produção de Sistemas de Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37110.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37510.2 - Sistema de Produção Discreta: Aspectos Conceituais 38010.3 - O Problema do Planejamento da Produção . . . . . 38310.4 - Princípio de Operação das Práticas Industriais . . . 38510.5 - Políticas de Estoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39410.6 - Métodos de Otimização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39910.7 - Integração de Práticas Industriais e Otimização . . 41110.8 - Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41210.9 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.10 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

CAPÍTULO 11: Conceitos de Automação Predial 41911.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42311.2 - Domótica – Tecnologias e Conceitos . . . . . . . . . . 42411.3 - Sistema de Automação Doméstica . . . . . . . . . . . . 43711.4 - Integração de Sistemas em Automação Predial . . . 45511.5 - Elementos de Modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46311.6 – Exemplos Práticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47311.7 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48411.8 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

CAPÍTULO 12: Conceitos de Automação Comercial .48912.1 – Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49312.2 - Principais Benefícios da Automação Comercial . . 49412.3 - Cenário Atual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49512.4 - Principais Elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49712.5 - Principais Produtos Comerciais . . . . . . . . . . . . . . 49912.6 - Soluções Comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50712.6.1 - Automação de Lojas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50712.6.2 - Automação de Depósitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50812.7 - Principais Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51112.8 - Comparação entre diferentes modelos de integração em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51312.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

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OBJETIVOS DESTE LIVRO

Este conjunto de livros didáticos são frutos de um traba-lho de aproximadamente 20 anos nas áreas de Mecatrônica, de Automação Industrial, de Robótica e de Controle e Instrumen-tação, consolidando-se a partir do oferecimento de um conjunto de disciplinas na área de Controle e Automação dentro do pro-grama de Pós-graduação e de Graduação da Faculdade de Enge-nharia Mecânica da Unicamp. O texto contribui não somente para os profissionais da área de Engenharia, mas para todas as pessoas interessadas em conhecer e em se aprofundar nas áreas de Engenharia de Controle e Automação.

O contexto apresentado nesta série é subdividido em qua-tro livros distintos: Automação Industrial, Robótica Industrial, Mecatrônica e Eletrônica para Automação, que podem ser utili-zados separadamente. Eles apresentam uma abordagem sistêmi-ca, mas de fácil compreensão, fornecendo aos leitores uma visão ampla do assunto, permitindo a formação de massa crítica em nível industrial ou acadêmico.

O primeiro livro desta série é direcionado à formação básica em Automação Industrial, e introduz noções e conceitos fundamentais de Automação, Descrição de Sistemas Automa-tizados de Produção, Integração de Sistemas Automatizados, Controladores Programáveis Industriais, Sistemas Supervisórios e Redes de Comunicação, Ferramentas de Modelagem a partir da utilização do GRAFCET e Redes de Pétri, Planejamento da Manufatura, Conceitos de Automação Predial e Comercial.

O segundo livro desta série é direcionado à formação bá-sica em Eletrônica para Automação e está subdividido em duas partes. A primeira introduz noções e conceitos básicos de Circui-tos Lógicos por meio da introdução a Sistemas de Numeração, Álgebra de Boole, Portas Lógicas e Circuitos Combinacionais e Sequenciais e simplificação pelo Método de Karnaugh, Conta-dores, Divisores e Circuitos Aritméticos, Circuitos Integrados. A segunda parte abrange a área de Dispositivos Lógicos Repro-gramáveis e Sistemas Reconfiguráveis, finalizando com a área de

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Prototipagem Rápida para Concepção de Sistemas Embarcados em Automação.

O terceiro livro desta série é direcionado à área de Mecatrô-nica, e introduz noções e conceitos de Mecatrônica, Modelagem e Concepção de Sistemas Mecatrônicos, Automação e Integração, Sensores e Atuadores Industriais, Estudo e Técnicas de Controle, Eletrônica Reconfigurável e conceitos de Instrumentação Virtu-al, Prototipagem Rápida, finalizando com a área de Prototipagem Rápida para Concepção de Sistemas Mecatrônicos.

O quarto livro desta série tem como objetivo introduzir elementos largamente utilizados dentro da área de Robótica Industrial, enfatizando aspectos construtivos, Modelagem Ci-nemática e Dinâmica, Geração de Trajetórias de Manipulado-res, apresentação de softwares de simulação dinâmica e contro-le de manipuladores robóticos, robôs industriais com Estrutura Paralela e finalmente a parte de programação e de utilização de robôs com ênfase na programação on-line e off-line. São também apresentadas algumas tendências e aplicações especiais nesta área, como Teleoperação e Sistemas Robóticos Móveis, direcionando a aplicações industriais na área de Robótica. São apresentados e analisados exemplos de aplicações industriais reais, evidenciando conceitos e componentes descritos nos ca-pítulos anteriores.

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PREFÁCIO

O mundo vem presenciando nos últimos anos enormes avanços na área tecnológica, em que os circuitos eletrônicos são cada vez mais rápidos e eficientes, com redução significativa de dimensões e de custos. Computadores e periféricos também se desenvolvem rapidamente, em um círculo virtuoso, com o de-senvolvimento de computadores mais poderosos com capacida-de de implementação de aplicações mais complexas que, por sua vez, exigem cada vez mais capacidade computacional.

O desenvolvimento dos circuitos integrados possibilitou a produção em larga escala e a baixo custo de microprocessado-res dedicados. Esses dispositivos eletrônicos estão presentes não apenas nos equipamentos industriais, como também nos auto-móveis, nas máquinas de lavar, nos sistemas de ar-condicionado, nos aparelhos de vídeo etc. Os sistemas mecânicos também so-freram profundas modificações conceituais com a incorporação da capacidade de processamento, tornando-os mais rápidos, eficientes e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Esses resultados vêm causando uma ampla revolução tecnológica na Engenharia e na sociedade em geral: quando são associados aos sistemas mecânicos é que se observa um maior impacto nos sistemas produtivos e no cotidiano das pessoas.

Ao longo dos últimos anos é cada vez mais frequente a uti-lização de componentes eletrônicos (tais como sensores, atuadores eletromecânicos e circuitos de controle) para acionamento e para controle de sistemas mecânicos, dando origem à Mecatrônica, que pode ser definida como a integração concorrente de conhecimen-tos nas áreas de Mecânica, de Eletrônica e de Computação. Essa combinação tem possibilitado a simplificação dos sistemas mecâ-nicos, a redução de custos e de tempo de desenvolvimento e a ob-tenção de produtos com elevado grau de flexibilidade e capacidade de adaptação a diferentes condições de operação.

Os conceitos de Mecatrônica podem ser empregados em uma vasta gama de aplicações, entre elas as áreas de Automação Industrial, de Biocibernética e de Domótica.

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A necessidade de atualização e de formação contínua nunca foi tão constante como nos últimos tempos. O conheci-mento e o domínio de novas tecnologias são pré-requisitos para formação profissional em qualquer área, foco adotado no cur-so de Engenharia de Controle e Automação da Unicamp, cujo processo de implementação teve participação ativa deste autor. (Rosário, 2000)

Estes livros didáticos enfocam as grandes áreas da área de Controle e Automação Industrial, apresentando exemplos de aplicação direcionados às áreas de Automação e de Robótica In-dustrial, de Biocibernética e de Automação Predial e Comercial, podendo ser estendidos a muitas outras áreas correlacionadas, fornecendo aos leitores uma introdução no assunto e um com-plemento à formação profissional. Não há pretensão de esgotar o assunto e nem sequer de trazer uma obra completa na área, o que, aliás, seria impossível de escrever, dadas a enorme diver-sidade de temas e a complexidade inerente a uma abordagem detalhada de todos esses assuntos.

Dentro dessa perspectiva, existem capítulos introdutórios e de revisão que poderão ser usados nos primeiros anos de for-mação profissional e capítulos mais avançados, com aplicações direcionadas à indústria, que podem ser muito úteis para alunos de final de curso de Engenharia de pós-graduação e aos profissio-nais da área, como forma de complementar a sua formação, mas também de abrir horizontes e perspectivas futuras.

É neste contexto que esta série de livros didáticos abor-dando a área de controle e automação industrial apresenta essas tecnologias no contexto de um sistema produtivo do futuro, em que os componentes não são meros dispositivos isolados, mas apresentam alguma inteligência, comunicando-se entre si, e estão inseridos em um contexto mais vasto denominado In-dústria Digital.

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CAPÍTULO 1

Introdução à Automação

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Capítulo 1

Introdução à Automação

Desde os tempos mais remotos, o homem vem tentan-do fazer com que utensílios e ferramentas substituam-no no trabalho, sendo o seu maior sonho criar um autômato que realize todas as suas funções operárias.No fim da Idade Média, que é um período em que ve-mos grandes avanços nas áreas da Mecânica, da Física e da Química, é também a época em que se deu início ao pensamento da máquina para substituir o homem.Nos últimos anos, com a globalização, as indústrias passaram por grandes transformações, com o intuito de se tornarem mais competitivas. Foi necessária a modernização de seus parques industriais, visando à competitividade de seus produtos, por meio do au-mento da qualidade, redução de custos e preços mais acessíveis, dando origem a um conjunto de técnicas e procedimentos designados de AUTOMAÇÃO.A modernização das fábricas surge com o intuito de adaptação às exigências e competitividade do mercado. Podemos dizer que a automação num processo produti-vo, tem a finalidade de facilitar esses processos, acarre-tando na realização de sistemas otimizados capazes de produzir bens com menor custo, com maior quantida-de, em menor tempo e com maior qualidade.Este capítulo apresenta inicialmente um breve histórico da automação industrial, mostrando também as bases e procedimentos metodológicos industriais necessários para a elaboração de projetos em automação, e pesquisa e formação na área de integração de sistemas.