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ESTUDO TECNOLÓGICO

PARA O SETOR DE

AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS

Prospecção Tecnológica

Coordenadora Geral

Profa Suzana Borschiver, DSc

Pesquisadora

Profa Flávia Chaves Alves, DSc

Estagiários

Andrezza Lemos Rangel da Silva

Genecy Rezende Neto

Juliana Ferreira de Freitas

Patrícia Silva Guimarães

Syssa de Carvalho Felix Pereira

Escola de Química,

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Rio de Janeiro, 29/07/2009

3

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Camadas utilizadas para organizar o controle de processos pág. 14

Figura 2 Formatos dos tubos de Bourdon pág. 18

Figura 3 Manômetro de Bourdon tipo C. pág. 19

Figura 4 Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em

forma de U

pág. 20

Figura 5 Sensor Capacitivo pág. 21

Figura 6 Sensor Piezoelétrico pág. 22

Figura 7 Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro pág. 24

Figura 8 Termômetro à dilatação de líquido em recipiente fechado pág. 24

Figura 9 Termômetro à pressão de gás pág. 26

Figura 10 Termômetro bi-metálico pág. 26

Figura 11 Termopar pág. 27

Figura 12 Bulbo de resistência pág. 28

Figura 13 Régua pág. 30

Figura 14 Taques para medição pág. 31

Figura 15 Bóia ou flutuador pág. 32

Figura 16 Medição de nível indireta pág. 32

Figura 17 Sistema borbulhador pág. 33

Figura 18 Nível descontínuo por condutividade pág. 34

Figura 19 Nível descontínuo por bóia pág. 34

Figura 20 Rotâmetro pág. 36

Figura 21 Placa de orifício pág. 36

Figura 22 Tubo Venturi pág. 37

Figura 23 (a) Válvula de gaveta e (b) Válvula macho pág. 38

Figura 24 (a) Válvula borboleta e (b) Válvula globo pág. 39

Figura 25 Atuador pneumático pág. 40

4

Figura 26 Hierarquia das redes industriais pág. 52

Figura 27 Tipos de equipamentos usados em cada Rede pág. 53

Figura 28 Tipologia de rede DeviceNet - Barramento pág. 59

Figura 29 Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus pág. 65

Figura 30 Comprimento máximo de segmento pág. 68

Figura 31 Arquitetura de uma rede Wireless pág. 74

Figura 32 Self Routing pág. 79

Figura 33 Interferência destrutiva por reflexões de sinal pág. 79

Figura 34 Automação Wireless em mineração pág. 85

Figura 35 Mercado mundial de automação pág. 88

Figura 36 Desenvolvimento do mercado mundial para automação de

processos até 2010 – segmentação por indústrias

pág. 89


processos até 2010 – segmentação por regiões

pág. 90


processos até 2010 – segmentação por produtos e serviços

pág. 91

Figura 39 Representação da cadeia produtiva de automação industrial pág. 94

Figura 40 Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América

Latina

pág. 96

Figura 41 Faturamento anual do setor de Automação no Brasil pág. 97

Figura 42 Análise temporal do cruzamento “industrial process

automation” x “Fieldbus”

pág. 133


automation” x “Ethernet”

pág. 133


automation” x “Wireless”

pág. 134

Figura 45 Análise de países do cruzamento “industrial process


pág. 135



pág. 136

5



pág. 137

Figura 48 Análise d e fontes de informação do cruzamento “industrial

process automation” x “Fieldbus”

pág. 138


process automation” x “Ethernet”

pág. 139


process automation” x “Wireless”

pág. 140

Figura 51 Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento

“industrial process automation” x “Fieldbus”

pág. 141


“industrial process automation” x “Ethernet”

pág. 142


“industrial process automation” x “Wireless”

pág. 142

Figura 54 Subgrupos de Tecnologias pág. 149



pág. 151



pág. 151



pág. 151



pág. 152



pág. 153



pág. 153

Figura 61 Classificação das Empresas depositantes das patentes do

cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”

pág. 156


cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”

pág. 158


cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”

pág. 160

6

Figura 64 Análise de assuntos do cruzamento “industrial process


pág. 161



pág. 162



pág. 163

Figura 67 Análise dos principais setores do cruzamento “industrial process


pág. 165



pág. 166



pág. 167

Figura 70 Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM) pág. 171

Figura 71 Exemplo de Distributed real-time system pág. 175

Figura 72 Exemplo de Embedded System pág. 176

Figura 73 Exemplo de Conector elétrico Profibus pág. 179

Figura 74 Exemplo de LAN pág. 183

Figura 75 Exemplo de Neuro Fuzzy Controller pág. 184

Figura 76 Exemplo de PDA pág. 186

Figura 77 Exemplo de RMS pág. 188

Figura 78 Exemplo de STEP-NC pág. 190

Figura 79 Exemplo de WSN pág. 192

7

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Principais fabricantes internacionais ligados à automação

industrial

pág. 92

Tabela 2 Faturamento total por Área pág. 100

Tabela 3 Exportação de Produtos por Setor pág. 100

Tabela 4 Metodologia de busca de artigos pág. 132

Tabela 5 Fontes de informação com menor destaque com apenas 1

artigo do cruzamento “industrial process automation” x

“Fieldbus”

pág. 138



“Ethernet”

pág. 139



“Wireless”

pág. 140

Tabela 8 Distribuição dos artigos por assunto pág. 144

Tabela 9 Divisão de artigos por setor de atuação para palavra-chave

Fieldbus

pág. 146


Ethernet

pág. 147


Wireless

pág. 148

Tabela 12 Metodologia de busca de patentes pág. 150

Tabela 13 Análise de depositantes do cruzamento “industrial process


pág. 155



pág. 157



pág. 159

Tabela 16 Instrumentação pág. 199

8

Tabela 17 Protocolos pág. 200

Tabela 18 Redes pág. 200

Tabela 19 Software pág. 201

Tabela 20 Sistema pág. 201

9

Sumário

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12

1.1 OBJETIVO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 15

2. TENDÊNCIAS MUNDIAIS ................................................................................................. 17

2.1. PRINCIPAIS FAMÍLIAS DE EQUIPAMENTOS E SISTEMAS UTILIZADOS 17

2.1.1. SENSORES OU MEDIDORES .................................................................................................... 17

2.1.2. INSTRUMENTOS DE ATUAÇÃO ................................................................................................ 38

2.1.3. TRANSMISSORES ................................................................................................................. 40

2.2. SISTEMAS DE CONTROLE 41

2.2.1. SDCD ............................................................................................................................... 44

2.2.2. CLP .................................................................................................................................. 45

2.3. TIPOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO ........................................................................................... 46

2.3.1. CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO PNEUMÁTICA ....................................................... 46

2.3.2. CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO ELETRÔNICA ........................................................ 48

2.3.3. CONTROLE AUTOMÁTICO EM REDES ...................................................................................... 49

2.3.3.1. REDES FIELDBUS .............................................................................................................. 54

2.3.3.2. REDES ETHERNET ............................................................................................................. 70

2.3.3.3. WIRELESS - REDES DE CAMPO SEM FIO ................................................................................ 71

2.3.3.3.1. MOTIVAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DA TECNOLOGIA ........................................................... 71

2.3.3.3.2. WIRELESS – CONCEITOS ................................................................................................. 72

2.3.3.3.3. LIMITAÇÕES DA REDE WIRELESS ...................................................................................... 75

2.3.3.3.4. CAPACIDADE DA REDE .................................................................................................... 76

2.3.3.3.5. EXTENSÃO DOS CANAIS .................................................................................................. 77

2.3.3.3.6. TRANSMISSÃO DE DADOS ............................................................................................... 77

2.3.3.3.7. INSTALAÇÃO E EVOLUÇÃO DA COMUNICAÇÃO .................................................................... 80

2.3.3.3.8. VANTAGENS SOBRE AS REDES COM FIO ............................................................................. 82

2.3.3.3.9. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ATUAIS ..................................................................................... 84

3. ESTRUTURA DA CADEIA PRODUTIVA ........................................................................... 87

3.1. MERCADO MUNDIAL 87

3.1.1. EVOLUÇÃO DO MERCADO DE AUTOMAÇÃO PARA INDÚSTRIAS DE PROCESSOS ............................... 88

3.1.2. EMPRESAS INTERNACIONAIS ................................................................................................. 91

3.2. CARACTERIZAÇÃO DA CADEIA PRODUTIVA 93

3.3. O MERCADO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NO BRASIL 95

3.3.1. A DIVISÃO NACIONAL DO SETOR DE AUTOMAÇÃO ..................................................................... 99

3.3.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE MAIS UTILIZADOS NAS EMPRESAS .......................................... 113

3.4. DESAFIOS MODERNOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 114

10

4. A PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA COMO FERRAMENTA DE COMPETITIVIDADE ............... 125

4.1. METODOLOGIA 131

4.2. ANÁLISE DE ARTIGOS 132

4.2.1. ANÁLISE TEMPORAL .......................................................................................................... 132

4.2.2. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR PAÍS .................................................................................. 134

4.2.3. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR FONTE DE INFORMAÇÃO (PERIÓDICOS, CONGRESSOS, CONFERÊNCIAS,

TESES) 138

4.2.4. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ORIGEM DO AUTOR .............................................................. 141

4.2.5. OBJETIVO DOS ARTIGOS ..................................................................................................... 143

4.2.6. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ASSUNTO ........................................................................... 143

4.2.7. SETORES DE ATUAÇÃO ....................................................................................................... 145

4.2.8. SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS ............................................................................................. 148

4.3. ANÁLISE DE PATENTES 150

4.3.1. ANÁLISE TEMPORAL .......................................................................................................... 150

4.3.2. PAÍSES DEPOSITANTES DE PATENTES ..................................................................................... 152

4.3.3. DEPOSITANTES DAS PATENTES ............................................................................................ 154

4.3.4. CLASSIFICAÇÃO E ANÁLISE DOS ASSUNTOS DAS PATENTES ....................................................... 160

4.3.5. OBJETIVO DAS INOVAÇÕES ................................................................................................. 164

4.3.6. PRINCIPAIS SETORES .......................................................................................................... 165

4.4. SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS DESTACADAS NA PROSPECÇÃO DE ARTIGOS E PATENTES 168

5. CONCLUSÕES ............................................................................................................ 194

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 203

12

1. Introdução

Segundo Gomes (2004) automação é o conjunto das técnicas baseadas em

máquinas e programas com o objetivo de executar tarefas previamente

programadas pelo homem e de controlar seqüências de operações sem a

intervenção humana. Se esta definição for aplicada no âmbito da indústria,

chega-se ao conceito de sistema de automação industrial, que vem a ser um

conjunto de equipamentos e tecnologias capazes de fazer com que uma

máquina ou processo industrial trabalhem automaticamente, ou seja, com a

mínima intervenção humana, cabendo a este o papel de programar,

parametrizar ou supervisionar o sistema para que trabalhe de acordo com os

padrões desejados.

O presente estudo destina-se à investigação de diferentes aspectos relativos à

automação na indústria de processos. Logo, faz-se necessário, inicialmente,

entender quais segmentos industriais são englobados dentro da indústria de

processo e quais são as especificidades da automação direcionada a estes.

As indústrias e suas operações podem ser classificadas em duas categorias

gerais: indústria de processo e indústria de manufatura discreta. Na primeira, o

sistema de produção é contínuo, ou seja, os bens produzidos não podem ser

identificados individualmente1. No caso da indústria de manufatura, o sistema

de produção é discreto, o que significa dizer que os bens produzidos podem

ser isolados em lotes ou unidades, particularizando-os uns dos outros.

No que se refere à automação, as principais diferenças se encontram no nível

dos dispositivos, pois as variáveis a serem monitoradas são de natureza

diversa. Na indústria de processo, as variáveis a serem monitoradas e

controladas para que mantenham valores constantes e definidos são diversas,

1 Em alguns casos, os processos ocorrem em batelada, ou seja, é intermitente, mas têm natureza

contínua durante o período de atividade.

13

como: pressão, vazão, temperatura, condutividade, pH, velocidade, nível,

umidade, dentre outros (BEGA, 2006), ao passo que na indústria de

manufatura os dispositivos controlam ações mecânicas das máquinas. Em um

nível superior, é possível dizer que na indústria de processo o controle se dá

nas operações, enquanto na de manufatura este se dá nas máquinas. Outra

forma de analisar esta diferença consiste em analisar a natureza das variáveis

sob controle: na indústria de processo os parâmetros e variáveis são contínuos

e na de manufatura estes são discretos.

Nos processos contínuos, que são foco deste trabalho, a automação do

processo propriamente dita tem a finalidade de medir uma variável de

interesse, compará-la com o valor desejado e previamente definido como ideal

e atuar no processo de forma a diminuir a diferença entre o valor medido e o

valor desejado. No caso dos processos discretos, o princípio da automação é

diferente. O objetivo é monitorar a variável de interesse, processar de acordo

com a lógica pré-programada e atuar no processo.

No entanto, nos últimos anos, o papel da automação vem sendo modificado

fortemente na medida em que novos problemas surgem cada vez mais

complexos. (Petro & Química, 2006). Os componentes de um sistema de

automação evoluíram constantemente com os anos, desde os primeiros

sistemas baseados em controle automático, mecanizado (como as primeiras

linhas de montagem do século XX) até os sistemas baseados nas tecnologias

atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação foi

expandido, e hoje se nota aplicações da automação em sistemas desde

gerência de informação e negócios em tempo real até sistemas críticos no

campo médico, por exemplo. Com o crescente avanço da tecnologia, e a atual

necessidade de informação em todos os campos, sistemas de automação

modernos passam de simples automações de processos e equipamentos para

automação de negócios, lidando com grandes quantidades de informação

relevante. A Figura 1 apresenta esta tendência, mostrando a pirâmide de

automação desde a camada regulatória, voltada ao controle do processo

propriamente dito até o planejamento da produção, ou gerenciamento de

14

ativos, ligado diretamente ao mercado. Esta integração entre as diferentes

camadas de controle tornou-se uma questão central da automação industrial de

processos.

Figura 1: Camadas utilizadas para organizar o controle de processos.

Fonte: Trierweiler e Farenzena, 2009

Atualmente, aponta-se que o principal motor da automação é a busca por maior

qualidade dos processos, com redução de perdas – e, conseqüentemente, de

custos – e a possibilidade de produzir bens que até então não podiam ser

fabricados. Outros pontos relevantes dizem respeito ao aumento de

flexibilidade e segurança – a qual pode ser aumentada á medida que a

automação pode minimizar a falha humana.

A evolução do setor de automação industrial depende do crescimento e/ou da

modernização do parque industrial, uma vez que é classificado como um setor

de bens de capital. Ao mesmo tempo, os equipamentos de automação induzem

a modernização da indústria, elevando patamares de eficiência e flexibilidade.

Neste contexto, torna-se fundamental o estudo do comportamento das

15

inovações tecnológicas em automação na indústria de processo, de forma a

entender as tendências futuras e os impactos que a implementação destas

novas tecnologias terá tanto na competitividade das empresas quanto no

crescimento e desenvolvimento da economia.

1.1 Objetivo e Organização do Trabalho

Devido ao aumento da demanda por sistemas automatizados, é crescente a

necessidade de atualização e formação de mão-de-obra qualificada. Em vista

disso, o PROJETO SENAI – EQ - UFRJ tem como objetivo realizar um estudo

sobre análise de mercado, difusão e prospecção tecnológica no setor de

automação industrial de processos, ficando sob a responsabilidade do NEITEC

(Núcleo de Estudos Industriais e Tecnológicos) a parte de “Estudo Tecnológico

para o Setor de Automação de Processos”.

Devido à complexidade desse estudo, a metodologia dessa pesquisa

contemplou as tecnologias, protocolos e redes da primeira camada da Pirâmide

de Automação, ou seja, a planta industrial, o chão de fábrica.

O trabalho está dividido em cinco capítulos, além desta introdução. O capítulo 2

apresenta as tendências mundiais em automação de processos, descrevendo

as principais famílias de equipamentos, sistemas de controle, tipos de controle

e redes de comunicação. O capítulo 3 aborda as questões relacionadas com a

cadeia produtiva de automação industrial, levantando aspectos do mercado

mundial e brasileiro, características da cadeia produtiva e também os desafios

modernos da automação industrial. No capítulo 4, são apresentados e

discutidos os resultados da prospecção tecnológica em artigos e patentes

realizada neste estudo. Em seguida, no capítulo 5, são apresentadas as

conclusões do trabalho e as referências bibliográficas.

17

2. Tendências Mundiais

2.1. Principais famílias de equipamentos e sistemas utilizados

A instrumentação em indústrias de processo apresenta hoje uma vasta gama

de produtos, especificados de acordo com a necessidade de cada processo

onde são aplicados. Pode-se verificar que o desenvolvimento das tecnologias

atuais favoreceu a diversificação das formas de controle, a fim de atender com

maior precisão todas as medições que se fazem necessárias, com sensores

apropriados para cada uma das aplicações específicas. De uma maneira geral,

um sistema de automação é composto de diferentes dispositivos os quais,

devem ser capazes de, em conjunto abranger as funções de aquisição de

dados, adaptação dos dispositivos ao sistema, comunicação intra-sistema,

visualização, supervisão, operação e, finalmente, definição de parâmetros e

algoritmos de otimização. Um ponto importante para o bom funcionamento do

sistema é que cada um dos dispositivos tenha seu desempenho satisfatório,

permitindo que o sistema atue de forma integrada e coordenada, com precisão,

velocidade de processamento e resposta adequados ao projeto de automação.

Neste sentido as principais famílias de instrumentos que compõem uma malha

de controle serão detalhadas a seguir.

2.1.1. Sensores ou medidores

Sensores ou medidores são instrumentos de medição com os quais é possível

detectar alterações na variável de processo. O objetivo dos sensores,

juntamente com os controladores, é manter constantes as variáveis de um

processo, alcançando assim a melhoria em qualidade, o aumento em

quantidade do produto e a segurança do processo. As principais variáveis a

serem medidas são pressão, temperatura, nível e vazão.

18

a. Sensores de Pressão

O instrumento de medição de pressão é uma das mais importantes ferramentas

em um processo, pois a partir dos dados de pressão é possível estimar valores

de nível e vazão.

O instrumento mais simples para medir pressão é o manômetro, que pode ter

vários elementos sensíveis. Alguns desses elementos são mostrados a seguir:

Tubo de Bourdon

Consiste geralmente em um tubo com seção oval, disposto na forma de arco

de circunferência, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta à pressão a

ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma

seção circular, resultando num movimento em sua extremidade fechada. Esse

movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar

uma medida de pressão.

Quanto ao formato, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes

formas: tipo C, espiral e helicoidal, conforme a figura 2. Com o avanço da

tecnologia, os manômetros de Bourdon helicoidal e espiral caíram em desuso.

Figura 2: Formatos dos tubos de Bourdon

Fonte: Gonçalves, 2003

19

Devido ao baixo custo e à boa precisão, os manômetros de Bourdon tipo C,

apresentados na figura 3, são os mais utilizados até hoje nas indústrias.

Figura 3: Manômetro de Bourdon tipo C.


Ao se aplicar uma pressão superior à atmosférica, o tubo muda seu formato

para uma seção transversal mais circular. Nos manômetros que utilizam o

Bourdon tipo C, devido ao pequeno movimento realizado por sua extremidade

livre quando submetida à pressão em medição, é necessária a utilização de um

mecanismo para amplificação deste movimento. Este mecanismo de

amplificação empregado nos manômetros é chamado de máquina. Os

materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze

fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são

recomendados pelo fabricante. A faixa de aplicação varia de 1kgf/cm2 de

vácuo até 2.000kgf/cm2 de sobre pressão. Por recomendação do fabricante, a

faixa da escala que possui maior precisão de medição é a faixa compreendida

entre 1/3 e 2/3 da escala.

Coluna de Líquido

Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de

líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser

de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U, como

mostrados na figura 4. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água

(normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na

20

coluna, o líquido é deslocado de uma altura h, sendo este deslocamento

proporcional à pressão aplicada.

Figura 4: Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U.


Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos

sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o

processo e o sensor.

Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de

uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância

total, que é medida por um circuito eletrônico.

Esta montagem, se, de um lado, elimina os problemas mecânicos das partes

móveis, de outro, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo,

principalmente à temperatura do processo. Este inconveniente pode ser

superado através de circuitos compensatórios de temperatura, montados junto

ao sensor. Na figura 5 é mostrado um sensor capacitivo.

21

Figura 5: Sensor capacitivo


O sensor é formado pelos seguintes componentes:

Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido;

Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube);

Armadura móvel (diafragma sensor).

A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pressão

(low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de

enchimento.

A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua

deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas

armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito

eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à

câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.

Piezoelétrico

Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o

titanato, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina,

quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São

elementos pequenos e de construção robusta, e seu sinal de resposta é linear,

22

com a variação de pressão, sendo capazes de fornecer sinais de altíssimas

freqüências.

O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um

potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma

cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, sendo por isso utilizado em

relógios de precisão.

A carga devido à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez

que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à

entrada de um amplificador e indicada ou convertida em um sinal de saída,

para tratamento posterior. Um sensor piezoelétrico é mostrado na figura 6.

Figura 6: Sensor piezoelétrico


Como vantagem, esse efeito apresenta uma relação linear Pressão x Voltagem

produzida e é ideal para locais de freqüentes variações de pressão. Sua

principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar redução

gradativa de potencial, além de ser sensível à variação de temperatura.

b. Sensores de Temperatura

Nos diversos segmentos de mercado, seja químico, petroquímico, siderúrgico,

cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico,

nuclear entre outros, a monitoração da variável temperatura é fundamental

para a obtenção do produto final específico.

23

Existem duas formas de medir a temperatura de um processo: medida por

dilatação/expansão e medida por termo-resistência.

Medidores de temperatura por dilatação/expansão

Termômetro à dilatação de líquido

Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão

volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.

Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico. Variam

conforme sua construção:

Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidro

É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade

desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado

na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um

líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o

termômetro no caso de a temperatura ultrapassar seu limite máximo.

Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações

deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que

se tem o topo da coluna líquida.

Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona.

Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço

metálico, e o tubo capilar, por um invólucro metálico. Por ser frágil, é impossível

registrar sua indicação ou transmiti-la à distância. O uso deste termômetro é

mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma

proteção metálica. A figura 7 mostra alguns desses termômetros.

24

Figura 7: Termômetros à dilatação de liquido em recipiente de vidro.


Termômetros à dilatação de liquido em recipiente metálico

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um

aumento de temperatura, se dilata, deformando um elemento extensível

(sensor volumétrico), como pode ser observado na figura 8.

Figura 8: Termômetro à dilatação de liquido em recipiente fechado.


25

As características dos elementos básicos deste termômetro são:

Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e

principalmente com a sensibilidade desejada. Os líquidos mais utilizados são

mercúrio, xileno, tolueno e álcool;

Capilar: Suas dimensões são variáveis, devendo o diâmetro interno ser o

menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, e não

oferecer resistência à passagem do líquido em expansão;

Elemento de medição: O elemento usado é o tubo de Bourdon. Normalmente

são aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registro, pois permitem

leituras remotas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição

de temperatura.

Termômetros à pressão de gás

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um

bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.

O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão.

Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme

aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição

operando como medidor de pressão. Observa-se que as variações de pressão

são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Uma

representação deste termômetro pode ser vista na figura 9.

26

Figura 9: Termômetro à pressão de gás.


Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bi-metálicos)

Este tipo de termômetro baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais

com a temperatura. O termômetro bi-metálico consiste em duas lâminas de

metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só

peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento

que é proporcional à temperatura. Na prática a lâmina bi-metálica é enrolada

em forma de espiral ou hélice, como mostra a figura 10, o que aumenta

bastante a sensibilidade.

Figura 10: Termômetro bi-metálico.


O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, que consiste em um tubo

bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo. Este eixo, por sua

vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

27

A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de –

50°C a 800°C, sendo sua escala bastante linear. Possui precisão na ordem de

± 1%.

Medição de temperatura com termopar

Um termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na

forma de metais puros ou de ligas homogêneas, conforme mostra a figura 11.

Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou

junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de

medição de FEM (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui

a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao

instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

Figura 11: Termopar.


O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma FEM.

Este princípio, conhecido por efeito Seebeck2, propiciou a utilização de

termopares para a medição de temperatura.

Medição de temperatura por termorresistência

Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura

iniciaram-se por volta de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se

2 O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando notou que em um

circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente

enquanto existir uma diferença de temperatura T entre as suas junções.

28

elaborarem as mesmas para utilização em processos industriais a partir de

1925.

Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas

condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação,

baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.

Devido a estas características, tal sensor é padrão internacional para a

medição de temperaturas na faixa de –270°C a 660°C em seu modelo de

laboratório.

Os bulbos de resistência, mostrados na figura 12, são sensores que se

baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura.

Figura 12: Bulbo de resistência.


Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a

platina, o cobre ou o níquel, metais com características de:

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor;

Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura;

Rigidez e ductilidade para serem transformados em fios finos.

29

Vantagens e desvantagens dessa medição

Vantagens:

Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos

de sensores;

Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação;

Dispensa utilização de fiação especial para ligação;

Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente;

Tem boas características de reprodutibilidade;

Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem.

Desvantagens:

É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa;

Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura

máxima de utilização;

Temperatura máxima de utilização de 630°C;

É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura

equilibrada para fazer a indicação corretamente.

c. Sensores de Nível

O nível é a altura do conteúdo, que pode ser sólido ou líquido, no interior de um

reservatório.

Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos

contínuos, pois através da medição de nível torna-se possível:

Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento;

30

Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam

volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações,

mistura, etc;

Manter segurança e controle de alguns processos onde o nível do

produto não pode ultrapassar determinados limites.

Existem três métodos de medição de nível: direto, indireto e descontínuo.

Medição de nível direta

É a medição para a qual toma-se como referência a posição do plano superior

da substância medida. Neste tipo de medição é possível utilizar réguas ou

gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

Régua ou Gabarito

Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para

ser introduzida no reservatório a ser medido.

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento

molhado na régua pelo líquido, como mostrado na figura 13.

Figura 13: Régua.


31

Visores de nível

Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por

um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada

acompanhando o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta.

Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados, como os da

figura 14.

Figura 14: Tanques para medição.


Nessa medição pode-se usar vidro reflex, para produtos escuros sem

interfaces, ou vidro transparente, para produtos claros e sua interface.

Bóia ou Flutuador

Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um

contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o

nível em uma escala. Este sistema está mostrado na figura 15. Esta medição é

normalmente encontrada em tanques abertos.

32

Figura 15: Bóia ou flutuador.


Medição de nível indireta

Neste tipo de medição, o nível é medido indiretamente em função de

grandezas físicas, tais como: pressão, empuxo, radiação e propriedades

elétricas.

Medição de nível por pressão hidrostática

Neste tipo de medição utiliza-se a pressão exercida pela altura da coluna

líquida, para estimar indiretamente o nível. Essa técnica permite que a medição

seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja

pressurizado. A figura 16 exemplifica este método.

Figura 16: Medição de nível indireta.


33

Medição de nível com borbulhador

Com o sistema de borbulhador (figura 17) pode-se detectar o nível de líquidos

viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

Figura 17: Sistema borbulhador.


Neste sistema necessita-se de um suprimento de ar ou gás e uma pressão

ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este

valor em geral é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima

pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma

válvula agulha, um recipiente com líquido, no qual o ar ou gás passará, e um

indicador de pressão. Um tubo levará a vazão de ar ou gás até o fundo do

vaso. Ocorrerá então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido

que terá seu nível medido. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, fica

instalado um indicador de pressão que mostra um valor equivalente à pressão,

devido ao peso da coluna líquida.

Medição de nível descontínua

Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o

nível atinge certos pontos desejados, como, por exemplo, em sistemas de

alarme e segurança de nível alto ou baixo.

34

Medição de nível descontínua por condutividade

Nos líquidos que conduzem eletricidade, pode-se mergulhar eletrodos

metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os

eletrodos, existirá a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo

alcançado pelo líquido (figura 18).

Figura 18: Nível descontínuo por condutividade.


Medição de nível descontinua por bóia

Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma

simples bóia acoplada a contatos elétricos, até sensores eletrônicos do tipo

capacitivo ou ultra-sônico, que se diferenciam pela sensibilidade, tipo de fluido,

características operacionais de instalação e custo (figura 19).

Figura 19: Nível descontínuo por bóia.


35

d. Sensores de Vazão

A medição de vazão inclui, no seu sentido mais amplo, a determinação da

quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um local específico na

unidade de tempo.

Existem dois tipos de medidores de vazão: medidores de quantidades e

medidores volumétricos.

Medidores de quantidade

São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber a quantidade de fluxo

que passou, mas não a vazão do fluxo que está passando, como por exemplo,

as bombas de gasolina, os hidrômetros, as balanças industriais e etc.

Medidores de quantidade por pesagem

São as balanças industriais, utilizadas para medição de sólidos.

Medidores de quantidade volumétrica

São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo

mecanismo de medição, aciona o mecanismo de indicação.

Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de

gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo: tipo pistão rotativo, tipo pás

giratórias, tipo engrenagem etc.

Medidores volumétricos

São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Alguns exemplos

seguem abaixo:

36

Rotâmetros

São medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua

posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Na

Figura 20 pode-se observar um rotâmetro.

Figura 20: Rotâmetro.


Placa de Orifício

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão

diferencial, o mais simples e mais comumente empregado é o da placa de

orifício, conforme mostra a figura 21.

Figura 21: Placa de Orifício


37

Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada

perpendicularmente ao eixo da tubulação.

É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se

forem imprecisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será

comprometida. Costumeiramente, essas bordas são fabricadas com aço inox,

latão etc., dependendo do fluido a ser medido.

Tubo Venturi

A figura 22 apresenta o tubo Venturi, que combina, dentro de uma unidade

simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas. É

usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito

acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática.

Figura 22: Tubo Venturi. Fonte: Gonçalves, 2003

A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente. Seu uso é

recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e

quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um

diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro

igual à sua garganta.

38

2.1.2. Instrumentos de atuação

Define-se por atuador todo instrumento capaz de atuar no sistema provocando

alteração em alguma condição de operação ou variável de processo. Os

atuadores podem ser elétricos, eletromecânicos, pneumáticos e hidráulicos.

As principais aplicações de válvulas no processo industrial são serviço de liga e

desliga, serviço de controle proporcional, prevenção de vazão reversa, controle

e alívio de pressão e algumas aplicações especiais. De todas estas aplicações,

a mais importante se relaciona com controle automático e contínuo do

processo.

As válvulas podem ser divididas nas seguintes categorias:

Bloqueio – destinam-se apenas a estabelecer ou interromper o fluxo, ou

seja, só devem trabalhar completamente abertas ou completamente

fechadas, são elas: válvula de gaveta, válvulas macho, válvulas de

esfera, válvulas de comporta.

(a) (b)

Figura23: (a) Válvula de gaveta e (b)Válvula macho Fonte: http://www.sasvendas.com.br/produtos/mna/

Regulagem – São destinadas especificamente para controlar o fluxo,

podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial, são elas:

39

válvulas de globo, válvulas de agulha, válvulas de controle, válvulas de

borboleta, válvulas de diafragma.

(a) (b)

Figura 24: (a)Válvula borboleta e (b)Válvula globo Fontes: (a) http://www.cvvapor.com.br / (b) http://www.sasvendas.com.br/produtos/mna/

As operações das válvulas podem ser divididas em:

Operação manual: por meio de volante, alavancas, engrenagens e

parafusos.

Operação motorizada: pneumática, hidráulica e elétrica.

Operação automática: pelo próprio fluido ou por meio de molas e

contrapesos.

Em uma malha de controle, a válvula é o elemento final de controle que pode

ser manual ou automático. Quando o sinal de controle é proveniente de um

controlador tem-se o controle automático da válvula enquanto o controle

manual pode ser remoto ou local.

O atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o

converte em abertura modulada da válvula, o atuador pneumático à diafragma

recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte em uma

força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado ou obturado

que irá abrir continuamente a válvula de controle.

40

Figura 25: Atuador pneumático

Fonte: http://www.nei.com.br/lancamentos/lancamento.aspx?i=13323

Os principais problemas para os atuadores são: abrasividade, acúmulo de

material, agarramento e entupimentos.

2.1.3. Transmissores

Os transmissores são os instrumentos responsáveis pelo envio da informação

da variável de processo medida pelo sensor correspondente até um receptor,

que pode ser um registrador ou um controlador, ou simplesmente indicador. Os

primeiros transmissores criados foram desenvolvidos com envio de sinal

pneumático. Os transmissores eletrônicos possuem sinal de saída em 4 a 20

mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V, mais comumente. Há transmissores a 2 fios e a 4

fios. Os transmissores a 2 fios possuem um cabo com 2 condutores e uma

malha de terra, que servem tanto para transmitir o sinal de corrente de 4 a 20

mA quanto para alimentar o instrumento em 24 VCC. Para instrumentos que

requerem uma alimentação em 110 Vac ou 220 Vac, utiliza-se transmissores a

4 fios, com um cabo de alimentação independente. (TEIXEIRA E MOTA LTDA.,

2008)

Esses instrumentos são denominados convencionais, em cujas funcionalidades

são limitadas. As informações enviadas se resumem às variáveis de processo

medidas e o instrumento não tem capacidade de processar as informações e

executar funções de controle. Normalmente, esses instrumentos convencionais

utilizam envio de valores das variáveis de processo medidas padronizadas em

41

4-20 mA, como valores de temperatura, pressão, nível, que possuem ranges de

valores que correspondem a um sinal de corrente entre 4 e 20 mA. Para o

envio ou comando de valores binários, do tipo aberto/fechado ou liga/desliga,

como botoeiras locais, chaves de fim de curso para informar se a válvula está

aberta ou fechada e acionamento/bloqueio de válvulas, utiliza-se sinais entre 0

e 24 VCC.

2.2. Sistemas de Controle

Os sistemas de controle na indústria operam em paralelo à linha de produção e

são utilizados para coordenar, monitorar, alterar e registrar as condições de

máquinas, produtos e processos. Têm como principais requisitos, que devem

ser atendidos simultaneamente, a minimização da intervenção humana, a

manutenção de condições de segurança operacional e a garantia de respostas

em tempo real. Na automação de um processo produtivo, é necessário

empregar dispositivos mecânicos, elétricos e eletrônicos que desempenhem

funções equivalentes às humanas nas atividades de supervisão e controle, tais

como coleta e análise de dados e correção de rumos. Conforme citado

anteriormente, para o atributo dos sentidos humanos, foram desenvolvidos os

sensores ou instrumentos de medição, que medem e informam os dados sobre

o andamento do processo. Para as funções executadas pelo cérebro humano,

foram criados dispositivos denominados controladores, que recebem e

processam as informações fornecidas pelos sensores, calculando as medidas a

adotar e emitindo instruções para os atuadores. Esses são os dispositivos que

executam as ações que seriam realizadas pelos membros humanos para

corrigir variações detectadas pelos outros dispositivos ou alterar as respostas

do processo. O controlador é um dispositivo que monitora e pode alterar as

variáveis de saída de um sistema dinâmico por meio do ajuste das variáveis de

entrada do sistema. Por essa razão, as variáveis de saída recebem o nome de

controladas e as variáveis de entrada são chamadas de manipuladas. Podem

ser variáveis, seja de entrada ou de saída, temperatura, pressão, nível, vazão,

densidade, tempo, velocidade, potência, tensão (elétrica), corrente, freqüência,

estado (ligado ou desligado), peso, dimensão e posição.(BNDES,2009)

42

Pode-se imaginar um tanque de água alimentado por uma bomba simples, no

qual o líquido deve manter-se entre os níveis mínimo e máximo. Tem-se, então,

como variável controlada a altura do líquido e como variável manipulada o

estado da bomba (ligada desligada). Sempre que a água atinge o nível mínimo,

um sensor detecta essa condição e informa ao controlador, o qual aciona a

bomba. Quando a água atinge o nível máximo, outro sensor envia essa

informação ao controlador, que desliga a bomba. Esse exemplo ilustra um

sistema de controle simples, no qual apenas uma variável é manipulada e pode

assumir somente dois estados discretos.

Denomina-se malha de controle ao circuito composto pelos sensores,

controladores e atuadores, que realiza o ciclo de ações básicas necessárias ao

controle automático de um processo produtivo. Uma máquina ou uma planta

industrial completa pode ser composta por apenas uma ou por centenas de

malhas de controle que, em conjunto, executam a automação total da máquina

ou unidade produtiva.

Um conceito básico na teoria de controle é o de malha fechada, com

realimentação (feedback), na qual a variável de saída é realimentada ao

controlador. Este compara o nível da saída como valor de referência definido

(set point) e, em função da diferença (erro), aumenta ou diminui o valor da

entrada, até que o valor da saída alcance o valor ideal. Casos imprevistos são

detectados e tratados pelo controlador, porém, caso haja um desvio muito

grande do valor de referência, pode ser necessário certo tempo para que seja

recobrado o equilíbrio do sistema. (BNDES,2009)

Outro conceito importante é o de malha aberta, ou seja, que não possui

realimentação, caso em que o controle é conhecido como antecipativo

(feedforward). Tal controle é adequado aos processos em que seria muito

longo o período de tempo necessário para que as variáveis de saída

apresentassem mudanças em função da realimentação. Contudo, é

43

fundamental que o comportamento do processo controlado seja perfeitamente

conhecido para que as respostas possam ser adequadamente antecipadas. Ao

ser detectado qualquer distúrbio que afete a variável de entrada,

imediatamente é tomada uma ação corretora. O inconveniente da malha aberta

é que, caso ocorram variações imprevistas, não há como o sistema corrigir sua

atuação.

Os sistemas de controle de processos podem ser classificados da seguinte

forma:

• Discretos. Referentes à fabricação de produtos ou peças que podem ser

contados como unidades individuais e na qual predominam as atividades

discretas. São exemplos desse tipo de processo a produção de placas de metal

estampadas, de automóveis, aviões, bens de capital, brinquedos,

eletroeletrônicos, computadores, vestuário, tijolos, pneus e calçados.

• Bateladas. Relativos a bens cuja produção requer que determinadas

quantidades de matérias-primas sejam combinadas de forma apropriada

durante um dado período de tempo. Apesar de intermitentes (descontínuos),

tais processos têm natureza contínua durante o período de atividade. São

exemplos a fabricação de colas ou de alimentos, em que a mistura de insumos,

em proporções calculadas, precisa ser mantida aquecida durante um tempo

preestabelecido. Também podem ser classificadas nessa categoria as

indústrias farmacêuticas, de bebidas, de produtos de limpeza, de alimentos,

cerâmica, fundição e de embalagens.

• Contínuos. Referentes a sistemas em que as variáveis precisam ser

monitoradas e controladas ininterruptamente. É o caso, por exemplo, de

siderúrgicas, da produção de combustíveis, gás natural, produtos químicos,

plásticos, papel e celulose, cimento e açúcar e álcool.(BNDES, 2008)

Em síntese, os sistemas de controle mantêm a variável controlada no valor

especificado, comparando o valor da variável medida, ou a condição de

44

controlar, com o valor desejado (ponto de ajuste, ou set point), e fazendo as

correções em função do desvio existente entre estes dois valores (erro ou

offset), sem a necessidade de intervenção do operador. (TEIXEIRA E MOTA

LTDA., 2008). Os mais empregados na indústria são os Sistemas Digitais de

Controle Distribuído (SDCD) e o Computador Lógico Programável (CLP), que

serão detalhados a seguir.

2.2.1. SDCD

O SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) é um sistema de controle

industrial micro processado, criado em 1970 pela Honeywell3, inicialmente para

efetuar especificamente o controle das variáveis analógicas, e foi sendo

expandido em suas aplicações até abranger praticamente todas as aplicações

de controle usuais, incluindo variáveis discretas, controle de bateladas, controle

estatístico de processo, geração de relatórios, etc. O SCDC utiliza as

informações de forma automática, fazendo com que os controles se adaptem a

qualidade instantânea do processo, das medições e dos elementos finais do

controle, tomando inclusive ações de segurança, como abertura ou fechamento

de válvulas ou mudança no controle de automático para manual.4 O SDCD se

compõe de três elementos básicos: a interface com o processo, que integra os

controladores e as unidades de aquisição de dados, a Interface Homem-

Máquina (IHM) e a via de dados que interliga as primeiras. Sua grande

vantagem é permitir aos operadores uma melhor visualização da operação da

unidade, permitindo também melhor operá-la (BEGA, 2006).

3Honeywell é uma empresa fundada em 1906, inicialmente chamada Honeywell Heating Specialty Co.

Hoje é uma das líderes do mercado de automação e está presente em diversos setores da indústria e tecnologia. 4 Dois exemplos recentes de planta digital ligadas a Petroquímica podem ser citados, em São Paulo: A

refinaria da Petrobras e a planta de polipropileno da Braskem. (Petro& Química, 2009)

45

2.2.2. CLP

O CLP é um equipamento de controle industrial micro processado, criado

inicialmente para efetuar especificamente o controle lógico de variáveis

discretas e atualmente é usado em diversos tipos de controle. Foi criado para

substituir os relés de um circuito lógico seqüencial ou combinatório para

controle industrial. O CLP funciona seqüencialmente, olhando o estado dos

dispositivos ligados às suas entradas, operando a lógica de seu programa

interno e determinando o estado dos dispositivos ligados às suas saídas. O

usuário carrega o programa, geralmente via software, que produz os resultados

desejados. (BEGA, 2006)

A origem do CLP data de 1968, criado por Richard Morley, em uma

especificação da divisão de hidramáticos da General Motors Co., com o nome

de MOdular DIgital CONtroler, de onde derivou o nome MODICON (BEGA,

2006). A sua função original era de simplesmente substituir os grandes

gabinetes de lógica a relés em algo menor, mais confiável e, principalmente,

mais flexível à programação, robusto. Os antecessores, os relés, eram muito

complexos e inviabilizavam a modificação das suas lógicas e a pronta detecção

de erros cometidos durante a execução das mesmas. (BEGA, 2006)

Muitos avanços tecnológicos ocorreram nos CLPs. Melhorias de interface com

o operador, inserção de algoritmos e medidas corretivas automáticas, memória,

melhorias de desempenho, dentre tantas outras, tornaram ampla a aplicação

desses equipamentos nas indústrias.

Os CLPs recebem as entradas e saídas dos instrumentos de campo em

módulos, comunicam-se com as Unidade Centrais de Processamento (UCPs),

que executam as lógicas armazenadas em sua memória. Os CLPs também se

comunicam em outra camada com equipamentos micro processados, como

outros CLPs, SDCDs e microcomputadores de interface homem-máquina

(IHMs).

46

Em algumas das aplicações menos críticas, o CLP pode ser substituído por um

microcomputador (PC), usando as mesmas linguagens de programação e,

freqüentemente, os mesmos módulos de entrada e saída fabricados pelos

fornecedores de CLP mais tradicionais (BEGA, 2006). O uso dos CLPs ainda é

muito comum, e inclusive exigido, em sistemas críticos como os

intertravamentos lógicos de segurança.

É importante estar ciente que a automação tem associação direta com a

instrumentação industrial. A escolha do tipo de comunicação entre os

instrumentos de campo e a camada de automação depende de diversos

fatores, como o custo de instalação, de manutenção, segurança e

confiabilidade da informação enviada por cada uma das tecnologias. Além

disso, vale ressaltar que a evolução destes dispositivos levou a redução de

seus tamanhos e preços, devido ao aumento de suas escalas de produção e

avanços científicos em pesquisa.

Hoje os processos são bem mais complexos, devido as transformações

tecnológicas ocorridas ao longo dos anos. Paralelamente, a necessidade de

controle também foi sendo alterada, passando de manual para mecânico e

hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico, controle

digital e atualmente, controle em redes.

2.3. Tipos de Controle Automático

2.3.1. Controle Automático por Transmissão Pneumática

As necessidades de se obter um controle automático das variáveis de processo

são um tanto óbvias. As ações executadas pelo sistema de controle automático

são as mesmas executadas pelo operador quando fazendo controle manual

(medir, comparar, computar e corrigir). Entretanto, muitas vantagens são

adquiridas. As falhas diminuem, pois o controlador automático é totalmente

programado para executar estas tarefas, diferentemente da mente humana.

47

Processos onde o contato humano é impedido como, por exemplo, controle de

temperaturas muito altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se

tornam possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de

velocidade de controle e diminuição de riscos de acidentes.

Por todas essas necessidades, foi iniciado o controle automático, onde a

medição é feita pelo sensor de temperatura, que é conectado a um transmissor

de temperatura (TT), a comparação do valor medido pelo TT com o set point

dado pelo operador para obtenção do valor do erro e a computação (ação que

considera os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas

pelo controlador de temperatura (TRC) e a correção é efetivada pela válvula de

controle (TV), com base no sinal recebido do TRC.

Em 1788, James Watt criou o primeiro dispositivo de feedback mecânico com

funções de controle proporcional. Mas somente em 1933, a Taylor Instrument

Company, agora parte da ABB5, desenvolveu o primeiro controlador

pneumático com todas as capacidades de controle proporcional (VANDOREN,

2003).

Os transmissores pneumáticos geram sinal variável, linear, de 3 a 5 psi, que

são calibrados de acordo com um range de 0 a 100% da variável. Essa faixa de

transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatus Makers Association),

a Associação de Fabricantes de Instrumentos, composta pela grande maioria

dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos.

(ONOFRE, 2009)

Vale ressaltar que, com o advento da instrumentação pneumática, surgiram

não apenas os transmissores, mas também válvulas de controle automáticas,

válvulas de bloqueio, e muitos outros instrumentos foram completamente

modificados para se adequarem a esta tecnologia.

5 A ABB foi formada em 1988, quando a sueca Asea e a suíça Brown Boveri BBC uniram-se adotando o

nome ABB. É a empresa líder em faturamento no setor de automação industrial

48

Para concentrar todos os controladores em um só ambiente, obtendo assim

uma visão geral da planta, criou-se a Sala de Controle Central. Isto representou

um avanço da automação, já que os sinais de campo de todas as variáveis de

processo podem ser facilmente acessados, detectando assim os problemas e

desvios operacionais da planta e possibilitando ao operador visualizar

possíveis focos de acidentes e locais onde se necessita manutenção, tudo isso

em tempo real.

2.3.2. Controle Automático por Transmissão Eletrônica

A instrumentação pneumática demandava um abastecimento enorme de ar de

instrumento, o que ao longo dos tempos se tornou um pouco inviável

operacionalmente. Além do fato de ter perda de pressão ao longo do trajeto

Controlador – Instrumento, influindo em alguns casos no valor da variável

medida. Com o advento dos circuitos eletrônicos, essa tecnologia foi

substituída, até a transmissão pneumática ser praticamente extinta. Algumas

malhas pneumáticas ainda se encontram em operação, e o sinal pneumático

continua sendo empregado na atuação de válvulas de controle (BEGA, 2006).

O advento da instrumentação eletrônica formou uma geração de

instrumentação e automação bem mais próxima à existente nos dias de hoje.

Na década de 50 datam os primeiros controladores eletrônicos. (VANDOREN,

2003). Os instrumentos eletrônicos analógicos chegaram ao mercado no

mesmo período e até hoje são muito utilizados.

O surgimento dos transmissores eletrônicos permitiu que os sinais de campo

fossem enviados para Controladores Lógicos Programáveis (CLPs).

49

2.3.3. Controle Automático em Redes

O caminho para criação das tecnologias de redes iniciou-se na década de 70

com a primeira atenção dada à funcionalidade do controle distribuído na

camada de campo. Com a introdução do SDCD, tornou-se possível distribuir

controle inteligente nos instrumentos das plantas de processo.

Antes da criação das redes, dispositivos de campo não se comunicavam entre

si e enviavam uma quantidade mínima de dados ao SDCD. A maioria dos

dispositivos comunicavam aos controladores usando sinais pneumáticos ou

analógicos 4-20 mA. Informações reais do processo eram limitadas e

freqüentemente obtidas por interpolação, inferência ou por CLPs que eram

muito caros e utilizavam aquisição de dados proprietária, isto é, comunicavam-

se com protocolos próprios de cada fabricante. Os custos e a complexidade

para obtenção de dados eram enormes (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008).

Nos anos 80, um avanço considerável aconteceu com o desenvolvimento da

comunicação digital para instrumentos de campo. Nesta década, foi criado o

comitê de membros da ISA-SP50. A The Instrumentation, Systems, and

Automation Society, ISA, é uma organização sem fins lucrativos, que foi criada

com o intuito de desenvolver padronizações para automação, dar suporte para

solucionar dificuldades técnicas e promover capacitações técnicas, como

treinamentos, publicações de livros e artigos técnicos e conferências técnicas

das mais respeitadas por todos os profissionais de automação. O ISA-SP50 é

um comitê de membros da ISA, que foi criado com o intuito de desenvolver as

normas e padronizações para sinais analógicos e digitais usados nos

processos de medição e controle (ISA Home). Esse comitê foi responsável

inclusive pela especificação 4-20 mA como range de sinal da transmissão de

dados analógica, e gastou anos definindo requisições técnicas e construindo

um consenso para a rede de campo digital.

50

Nesse momento, vários fornecedores de instrumentos de controle de processo

começaram a criar seus protocolos de comunicação próprios. Iniciou-se a

criação de vários protocolos competidores, que não operavam juntos.

É imprescindível nas indústrias atuais que se tenha um controle eficiente da

produção, da qualidade do produto, e de todos os parâmetros de processo, em

tempo real. A velocidade do trânsito das informações é requisito fundamental.

A evolução da informática permitiu a implantação do conceito de inteligência

distribuída em ambientes industriais, que ainda hoje envolve diversas

inovações.

Para que haja uma completa automação, é preciso que os instrumentos

convencionais sejam trocados por instrumentos inteligentes para controle ou

simples aquisição de dados, além da conseqüente interligação destes

dispositivos, construindo um sistema de aquisição de informações para

acompanhamento da produção ou estado do processo em tempo real.

A instalação e manutenção dos sistemas de controle convencionais trazem

consigo custos muito altos, principalmente quando se deseja fazer expansões

de sistemas. Isto se deve, além dos custos de projeto, aos custos com

cabeamento dos instrumentos de campo à sala de controle. O conceito de rede

trouxe como principais vantagens a redução de custos e o aumento na

operacionalidade, devido à grande melhoria na tecnologia aplicada. Por conta

disso, desde 1972 não ocorrem inovações técnicas na área, e a tendência é

que os sistemas convencionais sejam movidos gradualmente para a

transmissão digital Fieldbus.

A rede de comunicação para sistemas de automação é um conjunto de

sistemas independentes, autônomos e conectados de forma a permitir a troca

de informações entre si. A rede possui meios físicos e lógicos que integram o

sistema através da troca de informações. As Redes industriais são

padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela

51

conexão de diferentes tipos de instrumentos com suas próprias características

de informação, conforme ilustra a figura 26.

O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador

central que processa o escalonamento da produção da planta e permite

operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado,

geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o

protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) é o mais

comumente utilizado neste nível. As redes desse nível são chamadas Redes

de Gerenciamento.

O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na

planta incorporando CLPs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste

nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que

realizam a supervisão da aplicação. As redes desse nível são chamadas

Redes de Controle.

O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações

físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os instrumentos de

baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os

sensores discretos, contatores e blocos de I/O. As redes desse nível são

chamadas Redes de Campo.

52

Figura 26: Hierarquia das redes industriais

Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008

As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento

conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser

em bits, bytes ou blocos. As redes Sensorbus, com dados em formato de bits,

normalmente transmitem sinais discretos contendo condições ON/OFF. As

redes Devicebus, com dados no formato de byte podem conter pacotes de

informações discretas ou analógicas. As redes Fieldbus, com dados em

formato de blocos, ou pacotes de mensagens, transmitem pacotes de

informação com tamanhos variáveis.

Alguns exemplos de Redes Sensorbus são ASI, LonWorks e Seriplex. Algumas

Redes Devicebus existentes são CAN, DeviceNet, LonWorks, Profibus DP e

Interbus. No que diz respeito às Redes Fieldbus existentes, Foundation

Fieldbus, Profibus PA, HART e Modbus são as mais utilizadas. As redes

citadas possuem suas particularidades, e as principais serão descritas ao longo

deste trabalho.

A rede Sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à

rede. Utiliza-se este tipo de rede quando são necessárias comunicação rápida

em níveis discretos e instalação de conexões de baixo custo. Utiliza sensores e

atuadores normalmente baratos.

53

As redes Devicebus podem cobrir distâncias de até 500m, valor intermediário

entre os Sensorbus e Fieldbus. Instrumentos conectados a esta rede terão

mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou ambos. Algumas redes até

permitem transferência de blocos. Possuem os mesmos requisitos de

transferência rápida de dados das redes Sensorbus, porém é possível

gerenciar mais instrumentos e dados.

As redes Fieldbus utilizam instrumentos inteligentes e fazem a interconexão

destes com os sistemas de controle, responsáveis pelo comportamento das

variáveis de processo industriais. Fisicamente, essas redes ligam os

instrumentos de campo ao sistema de controle. Cobre distâncias maiores que

as outras redes.

A figura 27 mostra os principais equipamentos utilizados por cada um dos tipos

de rede, sendo os principais previamente descritos na seção 2.1.

Figura 27: Tipos de Equipamentos usados em cada Rede


Devido à grande importância e maior aplicabilidade das redes Fieldbus na

automação de processos industriais, maiores informações acerca destas redes

serão descritas abaixo.

54

2.3.3.1. Redes Fieldbus

Como anteriormente fora citado, a tecnologia Fieldbus na automação industrial

é muito complexa, em função da variedade de aplicações. As opções de

arquitetura também são numerosas e as padronizações internacionais são

fixas, pois os sistemas sempre envolvem sensores, atuadores e controladores

conectados em rede.

A partir de concepções históricas, pode-se entender a origem das redes

Fieldbus. Na década de 80 iniciou-se a pesquisa dessas redes de campo.

Havia necessidades dos usuários finais para a otimização dos processos

industriais e obtenção de maior controlabilidade e segurança para a Planta.

Além disso, eram necessárias mais informações acerca dos dispositivos de

medição. Por outra vertente, também havia capacidades tecnológicas para que

esse desenvolvimento pudesse suceder.

Uma das necessidades dos usuários finais era a Padronização. As redes mais

utilizadas na época eram Modbus, da Modicon Bus, e Westinghouse

Distributed Processing Family (WDPF), da Westinghouse. Eram redes sólidas,

maduras e garantidas pelas suas funcionalidades e aceitação mundial. Outras

redes também existiam, mas sem muita notoriedade eram aplicadas em

situações específicas como, por exemplo, a Alliance Research Centre Network

(ARCNET), criada em 1977 e utilizada a princípio em escritórios e depois

usada para aquisição de dados. Outra rede específica era a Military Standard

1553, usada para aviões e aplicações do espaço aéreo. Na instrumentação

nuclear, a rede CAMAC, criada na década de 60, foi considerada a primeira

rede de instrumentação. Muitas redes proprietárias conviviam e eram usadas

no final da década de 70 para conectar controladores lógicos programáveis

(CLPs), tanto quanto nos processos industriais (THOMESSE, 2005).

A integração desses diferentes sistemas era dificultada por conta das

diferenças de padronizações, e pelos custos com gateways, adaptadores e

55

conversores de protocolo. A partir de então se iniciou o processo de criação de

um perfil de padronização da comunicação. Duas companhias iniciaram dois

projetos. A Boeing Company lançou o Technical and Office Protocol (TOP) e a

General Motors o Manufacturing Automation Protocol (MAP). O primeiro deles

tinha aplicação em projetos de escritórios e indústrias e de máquinas e robótica

e o segundo tinha aplicação em manufatura, com o objetivo de ligar todos os

instrumentos sem o desenvolvimento de hardware ou software específico

(THOMESSE, 2005).

Esses sistemas foram então integrados e surgiu o conceito de Arquitetura

Hierárquica. As tecnologias de computação foram aproveitadas em todos os

níveis, tanto na automação do processo quanto no transporte de peças e

materiais no caso das indústrias de manufatura, aumentando o controle da

qualidade do produto gerado. Cada rede gerencia as funções relativas à sua

camada, e serve como interface para a camada acima. Em processos

industriais, a primeira camada é a automação, a segunda a supervisão e a

terceira a otimização.

Outra grande necessidade era a redução dos cabos. Anteriormente, cada sinal

digital ou analógico em 4-20 mA era enviado individualmente, ponto a ponto, do

campo até os controladores. Os custos com cabeamento, tanto na compra

quanto no detalhamento de instalação, bem como a manutenção, eram

altíssimos.

No começo dos anos 80, diversos projetos iniciaram na Europa depois do

projeto MAP ter inicio nos Estados Unidos. Na França, o projeto Fieldbus FIP

iniciou em 1982 sob o apoio do Ministro da França para Pesquisa e Indústria.

Um processo similar a esse aconteceu com o projeto Fieldbus chamado

Process Field bus (PROFIBUS) na Alemanha, em 1984 e com o P-Net na

Dinamarca em 1983. Neste mesmo ano a Bosch desenvolveu as

especificações do Controller Area Network (CAN) (THOMESSE, 2005).

56

O processo de padronização iniciou neste momento em diversos países e em

nível internacional, com a IEC TC 65/SC65C/WG6 e simultaneamente com a

ISA SP50, pertencente à The Instrumentation, Systems, and Automation

Society (ISA), nos Estados Unidos. Atualmente é possível encontrar diversas

especificações técnicas que dão informações específicas e importantes para o

projeto de automação em rede, pois o sistema está bem consolidado.

Podemos observar algumas características das redes Fieldbus nas indústrias

atuais:

Redução dos custos de cabeamento e facilitação da engenharia

de detalhamento. Essa é a principal vantagem.

Todos os instrumentos são inteligentes, facilitando a calibração,

manutenção e acompanhamento da qualidade da informação enviada.

Os instrumentos desempenham funções específicas de controle, como

loops PID, controle de fluxo de informações e processos.

Interoperabilidade.

Possibilidade de conexão com vários dispositivos.

Tempos de transferência longos, mas a rede tem capacidade de

comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros,

programas e informações do usuário)

Velocidade pode atingir até 1 Mbps.

A opção pela implantação das redes é feita analisando quais os tipos de rede

disponíveis no mercado, as vantagens principais de cada uma delas e a

compatibilidade da maioria dos dispositivos nesta plataforma (TEIXEIRA E

MOTA LTDA., 2008).

Além disso, deve-se atentar para o desenvolvimento tecnológico de recursos,

permitindo que as necessidades das plantas sejam atendidas de maneira

simples e eficiente, tanto as tarefas básicas como as complexas. Tratando-se

de tecnologias de ponta, é extremamente necessário que haja, além do

desenvolvimento tecnológico, o desenvolvimento humano, afim de que todos

57

os recursos existentes sejam bem utilizados, executando projetos de maneira

natural e de alta qualidade.

Uma parte importante no desenvolvimento das tecnologias de rede é a

compatibilidade das diversas versões de instrumentos, garantindo a

interoperabilidade dos instrumentos existentes em campo com as novas

aquisições.

Para tanto, havia uma necessidade grande de arquiteturas de sistemas

abertos, permitindo ao usuário encontrar em mais de um fabricante a solução

procurada e colocando em comunicação, dispositivos de vários fabricantes

distintos. A substituição dos sistemas proprietários pelos sistemas abertos

possibilitou um crescimento tecnológico bem maior, ocasionado pelo aumento

da concorrência e do compartilhamento de informações necessárias às

correções de sistema e updates.

Essa substituição dos sistemas proprietários ocorreu na maior parte dos

instrumentos de controle. Entretanto, existem certos equipamentos críticos das

plantas que são fornecidos por empresas detentoras da tecnologia, que

possuem operação controlada em unidades específicas, mas sempre

conectadas ao SDCD da planta. Seus painéis de controle são locados em

campo. Isso ocorre para que os fornecedores desses “pacotes” se

responsabilizem pelo bom funcionamento do equipamento.

Como essas unidades pacote possuem sua automação em um controlador

separado do restante da planta, mas que se comunica com o sistema de

controle da unidade. Muitas vezes esses pacotes operam com redes

proprietárias diferentes da filosofia do restante da planta, a exemplo do sistema

de controle e monitoração de máquinas críticas como bombas e compressores.

58

a. Protocolo HART

O protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) é um sistema a 2

fios, mestre escravo, com taxa de comunicação de 1200 BTS e modulação

FSK (Frequency Shift Key). Foi uma das primeiras implementações de

barramento de campo. Embora digital, aceita também comunicação analógica

no padrão 4-20mA, o que o torna compatível com a enorme base instalada

analógica existente no mundo.

Desenvolvido pela empresa Rosemount6 (EUA) em meados da década de

1980 como um protocolo proprietário, o HART tornou-se pouco depois um

padrão aberto e tem evoluído desde então. (GUTIERREZ & PAN, 2008)

Esse sistema digital aumenta a confiabilidade sobre o sinal de corrente em mA

enviado pelo transmissor, além de permitir que outras informações do

instrumentos sejam enviadas. Usa o mesmo par de cabos para o sinal de

corrente e para a comunicação digital. Este cabo é o mesmo usado na

instrumentação analógica.

Esse protocolo de comunicação tem sido muito utilizado, por isso todos os

instrumentos podem ser encontrados em diversos fabricantes. Os principais

motivos de ainda ser muito utilizado nas indústrias em geral são o baixo custo

dos instrumentos em relação aos instrumentos de outras tecnologias e a alta

velocidade de tráfego da informação medida. Além disso, a tecnologia HART

encontra-se bem consolidada nas indústrias, o que facilita a busca de

instrumentos nesta tecnologia relacionados a medições de todos os tipos de

processo, inclusive as não tão usuais, bem como existência de mão-de-obra

qualificada para manutenção e detecção de problemas encontrados na

instalação.

6 Rosemount é uma das maiores empresas fabricantes de instrumentos de medição para indústrias de

processo, associada a Emerson Process Management.

59

Por ser mais maduro, esse protocolo de comunicação se apresenta mais

confiável que os demais que ainda precisam ser adaptados aos sistemas das

indústrias já existentes.

b. Rede DeviceNet

DeviceNet é uma rede de dispositivos, comumente usada para interligar

instrumentos de campo tais como sensores, partidas de motor, atuadores,

drives e CLPs a uma rede com maior capacidade, reduzindo o número de

cabos. Industrialmente, normalmente é usado em dispositivos não muito

críticos. A figura 28 apresenta um esquema representativo de uma rede

DeviceNet.

Figura 28: Topologia da rede DeviceNet – Barramento


A transferência de dados se dá pelo modelo produtor-consumidor, em

velocidades ajustáveis em 125, 250 e 500 Kbps. Nesse modelo, o dado é

identificado pelo seu conteúdo. Não necessariamente necessita explicitar o

endereço da fonte e destino dos dados. Também não existe um mestre na

rede. Qualquer nó pode iniciar a transmissão.

60

No caso particular do DeviceNet, o protocolo de comunicação é o chamado

Controller Area Network, CAN. Este identificador da rede define graus de

prioridade dos nós no processo de arbitragem, mantendo a ordem da

transmissão, e é usado pelos nós que recebem a mensagem, filtrando as

mensagens de interesse.

Há também a designação de mensagens de entrada/saída e mensagens

explícitas. As mensagens de entrada e saída são dados de tempo crítico

orientados ao controle. Por isso, são mensagens de alta prioridade. As

mensagens explícitas são referentes aos dados de configuração e diagnóstico

ponto a ponto. São mensagens de baixa prioridade.

No nível físico, tem como características uma topologia básica do tipo linha

principal com derivações, barramentos separados para sinal e alimentação 24

Vcc no mesmo cabo (4 fios), inserção e retirada de nós à quente, em uma

ligação de troncos e droplines.

O CAN foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóveis europeus,

substituindo os chicotes de cabo por um cabo em rede, diminuindo o custo do

sistema, além de ter uma alta confiabilidade para aplicações como controle de

freios ABS e Air bags. Nas indústrias tem maior aplicação em sensores

específicos de equipamentos como motores, além de interligação entre CLPs,

dentre outros.

c. Redes Profibus

O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto, i.e., independente de

fornecedor. Foi criado em 1989 na Alemanha por um consórcio de companhias

e indústrias, a PROFIBUS User Organization. Hoje é uma tecnologia sólida e

apresenta-se com grande peso nas plantas de produção em todo o mundo.

61

Esse padrão é regido pelas normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de

2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, nas divisões

DP e PA, ao lado de mais sete outras redes de campo. Mundialmente, os

usuários podem se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo

desenvolvimento tem como objetivos a redução de custos, flexibilidade,

confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações,

interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

Atualmente é considerado o protocolo mundial líder em número de nós

instalados (jan/fev de 2008). Estima-se que haja mundialmente 20 milhões de

nós PROFIBUS, e mais de 1000 plantas com a tecnologia PROFIBUS PA, com

uma projeção de atingir 30 milhões de nós em 2010. (PADOVAN, s.d.)

Hoje são mais de 2800 produtos e 2000 fornecedores, presentes em toda a

área da indústria, nos mais diversos segmentos e em variadas aplicações nas

indústrias de processo e manufatura, nas variações descritas a seguir.

Profibus DP (Descentralized Peripheria)

É um protocolo otimizado para alta velocidade em conexões de baixo custo.

Essa versão de Profibus foi criada especialmente para sistemas de controle e

automação e dispositivos de campo que necessitam de respostas rápidas do

sistema. Muito aplicado em módulos de I/O digitais e analógicos, drivers para

motores, IHMs e dispositivos críticos como válvulas de bloqueio motorizadas

para isolamento de unidades de processo.

Esta rede possui as seguintes características:

Utiliza o meio físico de transmissão rápida RS-485 ou fibra ótica

com velocidade de até 12 MBps;

Comunicação mestre-escravo;

Capacidade de até 128 dispositivos divididos em 4 segmentos;

62

Distância de 100 a 120 m de acordo com o número de

instrumentos;

Possui 3 versões V0, V1 e V2. A versão V0 corresponde à

comunicação cíclica, a versão V1, comunicação acíclica e V2

comunicação direta de escravo para escravo. É imprescindível para a

interoperabilidade, que todos os componentes da malha possuam uma

mesma versão;

Profibus PA (Process Automation)

Foi criado com o intuito de substituir os tradicionais sinais analógicos (4-20

mA), sendo muito aplicado em transmissores (de pressão, vazão, temperatura

e nível) e analisadores industriais.

Atendendo às normas FISCO, podem ser aplicados em áreas classificadas

com categoria de proteção IS (Segurança Intrínseca). Essa substituição

alcança uma economia de custo de aproximadamente 40% nas etapas de

engenharia de detalhamento, cabeamento, partida e manutenção, além das

vantagens de aumentar a praticidade e a segurança (TEIXEIRA E MOTA

LTDA., 2008).

Tudo isto se deve ao fato de o Profibus PA utilizar apenas um par de fios para

transmitir tanto as informações do dispositivo de campo quanto à alimentação.

A alimentação pode ser feita utilizando fontes intrinsecamente seguras, ou

utilizando-se barreiras e isoladores de rede. Além de poupar custos e aumentar

a segurança nas áreas classificadas, esse tipo de alimentação da rede permite

que o operador faça manutenção, conexão e desconexão dos instrumentos

durante a operação normal da planta, mesmo em áreas potencialmente

explosivas.

63

Esta rede possui as seguintes características:

Utiliza o meio físico de transmissão IEC61158-2 H1, com

velocidade de 31,25 KBps;

Capacidade de até 32 dispositivos sem alimentação e 12 com

alimentação por rede;

Distância de até 1900 metros por segmento, de acordo com o

número de instrumentos;

Necessita de aterramento, afim de que haja proteção contra

ruídos e interferências eletromagnéticas. Um projeto feito sem

aterramento compromete a transmissão do sinal e o conseqüente

controle da planta.

Profidrive: Perfil do Profibus para controle de movimentos

(controle de motores), utilizando o meio de transmissão RS-485, na

versão do Profibus DP-V2;

Profisafe: É o perfil do Profibus utilizado para aplicações com

segurança, como por exemplo, botoeiras manuais de alarme de incêndio

em campo. Pode ser utilizado no meio físico RS-485 ou IEC61158-2 H1,

nas 3 versões (V0, V1 e V2).

Com toda essa diversificação, observa-se que esta tecnologia é preparada

para ser aplicada em diversas áreas da indústria, desde a automação de

pequenas máquinas até o controle total da planta. Essa é uma grande

vantagem, visto que o controle total da planta feito no mesmo sistema atinge

alto nível de integração entre as diversas partes da planta, já que toda a

configuração e manutenção da planta são feitas no mesmo ambiente,

diminuindo assim tempo de configuração, ajustes e manutenção da automação.

Obviamente esta não é uma conquista fácil, já que na grande maioria dos

casos o que é feito é uma expansão ou adaptação do sistema de uma indústria

às novas tecnologias. Sendo assim, apenas parte do sistema de automação

sofre modificações. Além disso, para o projeto de uma planta nova, ou nova

64

unidade de uma planta, normalmente são utilizados sistemas já em operação

de outras plantas/unidades semelhantes. Dificilmente todo o controle é dado

em uma única tecnologia, mas são usadas as tecnologias já aplicadas a fim de

evitar que no momento da implantação, ou ao longo da operação da planta,

sejam encontradas dificuldades desconhecidas. Prefere-se confiar no que já foi

implantado e testado em campo, tendo assim maior garantia de funcionalidade.

d. Redes Foundation Fieldbus

No final de 94, dois consórcios de fornecedores paralelos, o InterOperable

Systems Project (ISP) e o WorldFIP North America, uniram-se para criar

Fieldbus Foundation. A nova organização organizou programas de

desenvolvimento, treinamentos de condutores de campo, e estabeleceu o mais

rigoroso programa para teste e registro de instrumentos de campo (Fieldbus

Foundation, 2009).

Assim, muitos fornecedores se interessaram pela tecnologia e se tornaram

membros da Fieldbus Foundation e desenvolveram as especificações desse

protocolo aberto e não-proprietário.

Essa solução de comunicação digital avançada foi designada pelo grupo para

ser aplicável a aplicações de controle críticas, tomando o mercado de redes

incompatíveis, operando com arquitetura aberta completamente integrada para

distribuir e agrupar as informações em tempo real. A tecnologia garante ganhos

de potência, velocidade e qualidade da informação.

Atualmente tem sido fortemente aplicada em Sistemas de Controle de

Processos nas Refinarias e Plantas em geral. Por esse motivo, o trabalho

contém informações mais detalhadas desta tecnologia, a fim de que sejam

conhecidas as principais características e vantagens que motivaram a sua

aplicação.

65

A arquitetura Foundation, aberta, não-proprietária, disponibiliza um protocolo

de comunicação para sistemas de controle que operam em uma rede de

múltiplos instrumentos inteligentes que são conectados por um sistema de

comunicação digital e bidirecional, pelo modelo mestre-escravo, conforme

mostrado na figura 29.

Figura 29: Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus

Fonte: http://www.endress.com/

Alguns conceitos são importantes para o conhecimento da arquitetura desta

rede:

Ramal (spur):

Cabo que interliga um instrumento de campo à caixa de junção. O

comprimento máximo do ramal em cabo tipo “A” é de 30 m para áreas

classificadas ou de 120 m para áreas não-classificadas.

Tronco (trunk):

Cabo principal de comunicação Fieldbus, que faz o suprimento

dos ramais. Interliga a gateway às caixas de junção. Os cabos dos

ramais e troncos são diferenciados apenas pelo nível de potência, já que

o tronco possui segurança aumentada (Ex e) e o ramal possui

segurança intrínseca (Ex i).

66

Segmentos:

Uma seção Fieldbus que compreende um cabo e dispositivos

instalados entre um par de terminadores. O comprimento do segmento

corresponde ao comprimento total do tronco e dos ramais.

As topologias aplicáveis ao Fieldbus podem ser:

Topologia tronco e ramais:

Um barramento tronco único é usado e ramais são conectados

diretamente ao tronco, conectando assim os instrumentos aos

segmentos.

Topologia ponto a ponto:

Ligação em série dos instrumentos de um segmento. O cabo é

ligado de instrumento em instrumentos em um mesmo segmento, e

interconectado nos terminais de cada instrumento.

Topologia em árvore:

Utiliza caixas de junção em campo para a ligação de vários

instrumentos.

Topologia fim para fim:

Faz a conexão de apenas dois equipamentos. Pode ligar

instrumento de campo ao Host, bem como conectar dois Hosts.

Topologia mista:

É possível encontrar as três topologias mais comuns juntas:

ramos, ponto a ponto e árvore.

Quanto ao meio físico, IEC 61158-2, para que seja feita a análise dos tipos de

ligações possíveis com cabos, conexões, terminadores, características

elétricas e outras informações, é necessário conhecer a especificação técnica

67

internacional que padroniza a linguagem, a Norma ANSI/ISA-S50.02-1992.

Algumas características são relevantes:

Transmissão de dados somente digital

Self-clocking

Comunicação bidirecional

Código Manchester

Modulação de voltagem

Velocidades de transmissão de 31,25 kbit/s e 100 Mbit/s

Barramentos com ou sem energia, intrinsecamente seguro ou não

Para instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade usada

é de 31,25 kbps e as outras velocidades são comumente usadas para

interligação de gateways em alta velocidade.

A norma possui informações detalhadas, e informa o número de

instrumentos conectados para cada tipo de aplicação: com ou sem

segurança intrínseca, com alimentação separada ou não. Cada valor é

estimado levando em conta o consumo de cada dispositivo, a tensão de

alimentação dos mesmos, a existência de barreiras de segurança intrínseca

e sua corrente máxima de saída.

Seguem algumas imposições da norma:

• Quanto ao número de dispositivos por segmento

Entre 2 e 32 instrumentos em ligação sem segurança

instrínseca e alimentação a 4 fios (alimentados em voltagem

superior a 20VCC);

Entre 2 e 6 instrumentos alimentados em um mesmo fio

com segurança instrínseca;

Entre 1 e 12 instrumentos alimentados em um mesmo fio

sem segurança instrínseca;

68

• Quanto à distância máxima por cabo

Um barramento carregado com o número máximo de

instrumentos na velocidade de 31,25 Kbps não deve ter a soma

dos trechos do tronco e todos os ramais maiores que 1900m,

conforme figura 30.

Figura 30: Comprimento máximo do segmento


• Quanto aos Sistemas com meio físico redundante

Cada canal deve atender as regras de configuração de

redes;

Não existir um segmento não redundante entre dois

redundantes;

Números dos canais mantidos no Foundation Fieldbus

• Quanto ao Aterramento

O “shield” dos cabos não deve ser usados como

condutores de energia.

Essas e outras especificações contidas nessa norma visam a segurança da

aplicação, e a padronização para os projetos nesta tecnologia, fazendo com

que as instalações sejam feitas de forma que problemas de instalação, de

ruído, má operação, dentre outros, sejam minimizados.

69

Nos sistemas tradicionais, o volume de informações é reduzido à praticamente

apenas informações de controle. Já no Sistema Foundation Fieldbus o volume

de informações é bem maior, devido à facilidade de comunicação entre os

instrumentos da rede.

Isto ocorre pelo seguinte fato: o tempo de ciclo em um barramento é dividido

em Período Cíclico e Acíclico. No Período Cíclico são publicadas as

informações de controle e no Período Acíclico são publicadas as informações

que não são de controle. O Período Acíclico compõe 70% do Tempo de

Macrociclo, que é o tempo gasto para que todos os instrumentos dos

barramentos publiquem seus dados de controle e monitoração do processo.

Devido ao sistema ser mestre-escravo, o sistema é programado para que os

instrumentos críticos informem suas informações de controle com maior

prioridade e em ciclos determinados, e nos intervalos essas informações extras

dos instrumentos inteligentes podem ser enviadas.

Temos informações extras muito importantes, como o diagnóstico do

instrumento, o envio da confiabilidade do valor da variável de processo

informado pelo instrumento, dentre diversas outras.

Outra grande vantagem do Foundation Fieldbus é que, sendo os instrumentos

inteligentes, eles podem exercer as funções de controle dentro do próprio

instrumento sem depender do controlador situado no SDCD. E como a

alimentação dos instrumentos é distinta, caso haja uma falha de alimentação

no SDCD o controle da planta continua funcionando em operação normal.

A inclusão de novas malhas de controle ou de instrumentos de monitoração a

esta rede também é facilitada, pois o cabo não precisa percorrer toda a

distância do campo até a Sala de Controle, mas pode ser incluída na forma de

ramais a segmentos já anteriormente instalados.

70

Devido às grandes vantagens da tecnologia Foundation Fieldbus, o SDCD

tradicional não é recomendado em novos projetos. E nos sistemas já existentes

a substituição dos instrumentos representa altos custos. Além disso, como o

sistema de controle fica obsoleto, a vida útil do SDCD é abreviada e a

tecnologia Foundation Fieldbus pode ser introduzida através da introdução de

gateways7 com cartões com portas convencionais para os pontos já existentes

e Foundation Fieldbus para os novos pontos.

2.3.3.2. Redes Ethernet

Um sensor pode ter interface com o protocolo Ethernet facilmente e com baixo

custo, através da utilização de um micro controlador que adapta o sinal

recebido à comunicação internet. Essa vantagem possibilitou a utilização de

sensores internet para automação industrial.

A proposta do sensor internet requer cerca de 15 kbytes de C-code e 1 kbyte

de Memória RAM, suporta fragmentação IP, gerencia simultaneamente duas

conexões TCP (com velocidades distintas) e troca informação com browsers

comerciais em web Page.

Algumas vantagens desse sistema podem ser estabelecidas:

Velocidade superior aos sistemas de baixa velocidade como o

protocolo Modbus RTU via RS-485;

Quantidade de ferramentas capazes para detecção de problemas

e otimização da rede;

Ampla base de suporte e produtos competitivos;

Grande número de pessoas treinadas e familiarizadas com a

tecnologia.

7 Gateways, ou hosts, são equipamentos responsáveis pela transposição de camadas de rede, que

traduzem o protocolo FF H1 das redes de campo para o protocolo HSE das redes de controle.

71

Embora não tenha sido projetada para redes de automação industrial, a

tecnologia Ethernet apresenta-se viável devido ao desempenho elevado,

interoperabilidade e baixo custo. É uma das mais recentes redes de campo

com fio. A facilidade de configuração e a variedade de equipamentos

disponíveis contribuíram para a sua popularização. Entretanto, as redes

Ethernet ainda compartilham um mesmo problema das outras redes industriais:

cabeamento e mobilidade. O alto custo do cabeamento em alguns cenários e

as interrupções na rede para a realocação de instrumentos ou ampliação da

rede e necessidade de dispositivos móveis são os pontos fracos para o uso da

mesma, visto a tendência mundial da aplicação de redes sem fio. (DRAGO,

2008)

2.3.3.3. Wireless - Redes de campo sem fio

2.3.3.3.1. Motivações para implantação da tecnologia

A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na

automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de

custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral,

pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanecem, tais como ruído,

má instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a

sala de controle, altos custos, dentre outros.

Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível

encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo,

onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de

petróleo. Outro exemplo é a presença de sensores em regiões muito distantes.

No passado, apenas era resolvido cavando trincheiras ou correndo conduítes e

puxando fios para adquirir os sinais. Por essas e outras limitações tornou-se

interessante o estudo de redes sem fio na automação industrial.

72

Como resultado, agora as indústrias podem usufruir do verdadeiro potencial

dos seus ativos de produção, com a ascensão dessa infra-estrutura Wireless

de campo, tendo acesso seguro a informações oportunas para obter e manter

um excelente retorno das informações de produção em virtude das melhorias

dramáticas em freqüência e confiabilidade, também gerando economias de

custo substanciais e mensuráveis tanto em engenharia como instalação e

logística.

Mas qualquer nova tecnologia passa por um período de sedimentação, quando

seus princípios, limites e contornos ficam obscuros para o mercado. A

tecnologia Wireless passa por esse momento e iremos entender o motivo

conhecendo suas características.

2.3.3.3.2. Wireless – Conceitos

O Wireless é uma camada física pela qual sinais analógicos (4-20mA, 1-5VCC e

similares), sinais discretos e sinais brutos fazem transmissões via rádio a partir

do dispositivo de uma central de processamento, como o SDCD, um CLP ou

uma UTR (Unidade Terminal Remota) (SAVELLS & ADAMS, 2008).

O Wireless imita a comunicação com fio numa aplicação já existente. Não é

exigida mudança na arquitetura do sistema. Os links Wireless transmitem os

mesmos dados que os fios físicos um dia transportaram. Além da monitoração

remota, a funcionalidade de controle remoto também pode ser usada através

do Wireless.

É uma tecnologia livre de licença no espectro de rádio 2.4 GHz, 5.4 GHz ou

900 MHz, projetada, especificamente, para integração de ativos remotos e

sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). A maioria dos

sistemas é oferecida na faixa de 2.4 GHz, e é nessa faixa que os padrões

SP100 e Wireless Hart se concentram. Essa tecnologia tem sido muito usada

73

na automação de óleo e gás por cerca de 20 anos, aumentando sua

confiabilidade ao longo desses anos (ALIPERTI, 2008). No mercado, é possível

encontrar vários tipos de implementações Wireless, não existindo ainda um

padrão. Usualmente, encontram-se dois protocolos: um baseado no IEEE

802.118 (normalmente 802.11 a/b/g) e outro baseado em protocolos

proprietários desenhados especificamente para ambientes industriais.

As redes Wireless em ambientes industriais são padronizadas pela norma ISA

SP100, que considera suporte para as seguintes aplicações (ALIPERTI, 2008):

Operador Móvel: a possibilidade de dar suporte a um operador

de campo munido de um palmtop que se comunica com o sistema

central através da rede Wi-Fi;

Rede de Sensores: transmissores de campo que se comunicam

de volta para um sistema central, atualmente através de sistemas

proprietários;

Monitores de Equipamentos: CLPs locais que executam lógicas

de sistemas específicos, como por exemplo, monitores de vibração de

máquinas rotativas críticas, que podem se comunicar ou pela rede Wi-Fi

ou pela rede proprietária dos sensores, servindo como uma extensão

dessa rede.

A arquitetura de uma rede Wireless é composta normalmente por vários

dispositivos que distribuem sinal, conforme representado na figura 31. Cada

dispositivo possui no mínimo um rádio e uma interface Ethernet. Sistemas mais

modernos contam com dois rádios, um para a interligação de equipamentos e

outro para a cobertura de determinada área.

8 A norma IEEE 802.11 (ISO/IEC 8802-11) é um padrão internacional que descreve as características de

uma rede local sem fios (WLAN). As redes sem fio IEEE 802.11, que também são conhecidas como redes Wi-Fi (Wireless Fidelity) ou wireless, foram instauradas por membros do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

74

Figura 31: Arquitetura de uma rede Wireless

Fonte: Aliperti, 2008

Os dispositivos de campo se comunicam de volta com um sistema central, o

SDCD. Este sistema recebe as informações dos dispositivos de campo pela

sua gateway. Em função das grandes distâncias a serem percorridas entre os

dispositivos e a central, é criada uma malha de cobertura sem fio, através da

qual os sinais de campo transitam. Isto é denominado backbone, a espinha

dorsal.

Este backbone, diferentemente dos instrumentos que não possuem fios, possui

diferentes graus de fiação para se comunicar, variando de conexões opcionais

para alimentação ou conexões de comunicação (por fibra ótica ou cabo

coaxial), ou pode não ter fio algum, nos casos de não serem alimentados e das

transmissões de comunicação via rádio (ALIPERTI, 2008).

Em todos os sistemas disponíveis no mercado, apesar das diferentes filosofias

de comunicação dos sensores com a central, podem-se encontrar os mesmos

problemas de contorno para definir sua eficácia, como o tempo de resposta e o

número de dispositivos que a rede consegue comportar.

Como todas as tecnologias, o Wireless também possui limitações. A escolha da

solução de rede sem fio requer a análise da transmissão de dados e das

características operacionais dos equipamentos. A seguir, algumas limitações e

75

características da rede serão descritas, para um melhor entendimento dessa

tecnologia.

2.3.3.3.3. Limitações da Rede Wireless

A faixa de operação de 2.4 GHz é uma faixa em que não é necessária uma

licença para operar. Essa faixa se estende de 2.4 GHz até 2.483 GHz, com 83

MHz de largura. É a faixa liberada pela Anatel no Brasil e pela FCC nos EUA.

Com isso, vários outros tipos de comunicação a utilizam, como a Wi-Fi, por

exemplo. Isso pode trazer congestionamentos, dependendo dos canais

utilizados (ALIPERTI, 2008).

Os dispositivos possuem acesso a todos os canais, livremente. Para minimizar

as interferências e bloqueios, o transmissor e o receptor alternam freqüências

em uma seqüência, tornando a rede mais resistente, já que os bloqueios não

costumam ocorrer em todo o espectro, mas em canais isolados. Também

aumenta a segurança, pois a seqüência é pré-determinada e somente o

transmissor e o receptor a detém. Esse é o chamado Frequency Hoping. Essa

técnica impede que um intruso na rede interrompa, capte ou falseie as

comunicações (ALIPERTI, 2008).

Os dispositivos que se comunicam nessa faixa competem pela transmissão,

através do CSMA-CD (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection).

Carrier Sense, pela escuta e detecção. Multiple Access, pelos diversos

dispositivos que podem acessar a rede. O rádio do dispositivo opera “na

escuta” e liga o portador de transmissão, anunciando que a informação será

enviada, sempre que não há tráfego. Se dois dispositivos tentam acessar a

rede simultaneamente, ocorre a colisão. O Colision Detection surge porque

esses dispositivos descansam em tempos randômicos e depois voltam a tentar

transmitir (ALIPERTI, 2008).

76

No ambiente industrial, vários são os fatores que interferem na propagação de

sinal de RF (RadioFrequência) gerando atenuação no sinal, como a reflexão de

sinal de RF face à movimentação de pontes rolantes e indução

eletromagnética. Em áreas abertas, ainda há o problema do “Efeito Chuva”,

que é um fenômeno de interferência na propagação dos sinais de RF por

reflexão, gerado pela chuva, afetando o desempenho do sistema e chegando

até a travá-lo (DRAGO, 2008). Esse problema ocorre para os padrões 802.11g

ou 802.11a (10 ou 54 Mbps). Não existe solução técnica para esse problema,

pois a solução seria o aumento de potência dos rádios nos terminais móveis

(coletores) e APs (Acess Points), mas há uma limitação na EIRP (potência

irradiada) pela Anatel. Infelizmente, esses problemas na propagação do sinal

de RF diminuem velocidade e a confiabilidade desse sistema.

2.3.3.3.4. Capacidade da rede

O tempo de resposta e a quantidade de dispositivos na rede são determinados

pelas freqüências usadas. Em geral, e de acordo com a necessidade de

atualização das informações, os tempos de transmissão são programados,

geralmente entre 1 segundo e 1 minuto. Dependendo dos tempos de

atualização, a carga da rede varia, e pode-se compor uma rede de poucos

instrumentos em tempos mais rápidos ou de mais instrumentos em tempos

mais lentos. Mas a capacidade da rede só pode ser determinada a partir de

uma análise estatística.

Em primeiro lugar, é avaliado o desempenho. Costuma-se obter 95% de

sucesso nas transmissões na primeira tentativa. Chega-se a estimar

estatisticamente, baseado neste valor, a capacidade da rede em números

muito altos, como 30 mil dispositivos a cada meio minuto ou 1 mil a cada

segundo. Entretanto, esses valores absolutos não levam em consideração os

dispositivos fora da rede analisada, que também competem à rede. É muito

comum que um rádio receba interferência de outra rede de dispositivos que

77

esteja ao seu alcance. Quando essas interferências ocorrem, a malha não

consegue comportar mais que algumas centenas de dispositivos (ALIPERTI,

2008).

O conjunto de fatores como freqüência de operação, localização geográfica em

relação a outros sistemas que competem pela mesma faixa de transmissão e

tempo de atualização desejada são denominados air space, e definem os

contornos do sistema.

2.3.3.3.5. Extensão dos canais

A SP100.11A da ISA comporta a extensão dos canais em 4 MHz. Essa é a

maneira mais convencional de usar o air space, e é empregada inclusive por

tecnologias do tipo Wireless Hart. Os rádios que praticam o Frequency Hopping

nessa faixa são chamados de fat hoppers, pois a largura dos canais é bem

grande. Mas hoje existem rádios que fazem divisão dos 83 MHz em 80 canais.

E cada canal é subdividido em 4 bandas de 20 canais, e são chamados narrow

hoppers. A vantagem dos sistemas que utilizam narrow hoppers é que

possuem mais de quatro vezes a capacidade de sistemas com fat hoppers,

com desempenho de 20 a 30 % maior (ALIPERTI, 2008).

Enxerga-se nitidamente que o Wireless ainda caminha em seus primeiros

passos, visto que esses sistemas ainda não estão padronizados na SP100,

bem como muitas outras otimizações da tecnologia, que ainda não foram

ratificadas em padronização, dificultando assim o desenvolvimento da

tecnologia.

2.3.3.3.6. Transmissão de dados

A transmissão dos dados é feita de maneira automática (self routing), sem a

necessidade de intervenção do usuário. Na medida em que é formada uma

78

malha, os próprios dispositivos automaticamente destinam seus dados pelo

encaminhamento que for mais conveniente. Caso um instrumento não consiga

se comunicar diretamente com o sistema central, o sinal é enviado para outro

instrumento da malha, e se este também não conseguir efetuar comunicação,

ele se comunica com outro instrumento, e segue até que o sinal seja

transmitido para a central. No self routing, se houver um bloqueio, caminhos

alternativos são traçados (self healing) e o ajuste é feito automaticamente (self

configuring), conforme mostrado na figura 32.

Embora esta seja uma vantagem em relação à facilidade operacional, em

alguns casos pode ser uma desvantagem, já que os sinais possuem tempos

determinados para serem atualizados. Sinais que passam por muitos

instrumentos, além de consumir energia da bateria de vários dispositivos,

podem chegar ao sistema central com defasagem grande. Uma alternativa para

isso é que um dispositivo seja usado como concentrador dos sinais que não

conseguem alcançar a rede de imediato. Este terá desempenho afetado, mas

diminui o problema da defasagem de sinal. O ideal é que o estudo da

localização dos nós (ou portais) seja feito corretamente, para que todos os

sinais cheguem à central na primeira tentativa. Os nós são efetivamente

projetados para receber esses sinais e comunicarem entre si até enviar os

dados para a central, pois na maioria das vezes são alimentados por fontes

convencionais e trafegam dados em velocidades superiores às dos

dispositivos. É imprescindível que a locação deles seja bem prevista.

79

Figura 32: Self Routing

Fonte: Aliperti, 2008

Outro problema é o efeito Multi Path Fade, que acontece quando várias cópias

de um mesmo sinal chegam ao receptor através da reflexão por diversos

caminhos, o que pode resultar em uma interferência destrutiva, reduzindo a

força do sinal, a cobertura efetiva e a taxa de transferência, conforme

representado na figura 33. Uma solução para isso é o uso de duas antenas de

recepção no mesmo cartão Wireless, para que o equipamento decida qual

deles possui melhor recepção.

Figura 33: Interferência destrutiva por reflexões de sinal.

Fonte: Drago, 2008

Desafios ainda maiores são impostos para a rede Wireless no ambiente

industrial, haja vista o ambiente em que trabalham os equipamentos, sujeitos a

80

pó, poeira, calor, umidade, etc. Os índices MTBF (tempo médio entre falhas)

devem ser altos e o MTRR (tempo médio entre reparo) deve ser o menor

possível. Além disso, equipamentos que operam na mesma freqüência também

são fontes de interferência, como fornos microondas, aquecedores industriais e

equipamentos de solda. Além destes, praticamente todos os equipamentos que

produzem interferência eletromagnética e de rádio freqüência contribuem

negativamente para o fluxo da rede Wireless.

2.3.3.3.7. Instalação e evolução da comunicação

Para a concepção de um projeto de rede Wireless, é realizado o Site Survey,

que é uma simulação da situação próxima a real. Nessa fase é definida a

topologia da rede: quantidade de Acess Points (AP), tipo de antena, tipo e

comprimento dos cabos e configuração do sistema.

Atualmente, a indústria de equipamentos Wireless tem evoluído bastante,

minimizando os problemas em ambientes industriais. Alguns mecanismos

foram criados de forma a contornar problemas como interferência e falha

repentina de um equipamento.

No início da tecnologia, toda a inteligência e processos eram realizados nos

APs. Surgiu a necessidade do gerenciamento centralizado. Com isso,

introduziram-se os controladores, que recebem informações dos APs,

monitoram e gerenciam a rede.

Foram implementados os mecanismos de Auto-RF, que consistem na

identificação por parte do Controlador de interferência em algum canal usado

por um AP, e a conseqüente troca automática por outro canal com ruído menor,

mantendo a qualidade das informações (DRAGO, 2008).

Os Controladores também possuem a capacidade de identificar queda de sinal

em algum AP da rede, causando um buraco na cobertura. O Controlador envia

81

um aviso ao administrador, que aumenta a potência dos outros APs vizinhos

para compensar e cobrir as regiões afetadas.

A segurança das redes Wireless também evoluiu. O primeiro mecanismo

estudado foi implantado em 1999, o chamado WEP (Wired Equivalent Privacy).

Os instrumentos atuais utilizam o WPA2 (Wi-Fi Protected Access), que

substituiu o WEP, tornando o sistema menos vulnerável. Este sistema possui

autenticação usando um servidor 802.1X. Ainda que este servidor opcional não

seja utilizado o sistema tem segurança pessoal com uma chave de acesso.

Enquanto uma chave WPA com 21 caracteres leva em torno de 4 x 1020 anos

para ser quebrada, uma chave WEP pode ser quebrada em menos de 10

minutos. Além disso, existe o IPSec, que identifica ameaças por rádio

freqüência ou pela rede cabeada, e as bloqueia automaticamente(DRAGO,

2008).

Também existem Controladores que possuem o Sistema de detecção de

intrusos (IDS), que busca na rede alguns padrões pré-definidos de ataques,

tanto os simples quanto os mais complexos, como seqüências de operações

em múltiplos Hosts.

Evoluções ocorreram também no tráfico de voz sobre IP (VoIP). As chamadas

de voz podem ser feitas através da rede W ireless sem interrupções na ligação,

pois os Controladores fazem balanceamento de carga entre APs, negando a

conexão a um AP que esteja em seu limite de carga, redirecionando

automaticamente a ligação (DRAGO, 2008).

Todos esses avanços na tecnologia permitem que hoje o sistema esteja bem

mais seguro, confiável e imune a ataques e interferências externas. Pode-se

observar que o Wireless hoje apresenta maior robustez e pode ser aplicado

nas indústrias com confiabilidade, mantendo a qualidade do controle e

monitoração das variáveis de processo.

82

2.3.3.3.8. Vantagens sobre as redes com fio

• Economias na instalação:

Essa é a vantagem mais clara, há redução de custos de materiais

relativos a instalação dos cabos e da mão-de-obra empregada. Os

custos do cabeamento são ainda mais elevados nas regiões de área

classificada, com riscos de explosão e conseqüente necessidade de

blindagem dos cabos e de isolamento para proteção contra agentes

químicos.

Em projetos com cronogramas apertados, esta tecnologia apresenta a

vantagem do tempo de montagem, que é bem menor que em sistemas

com fio.

• Economia de escala:

As ampliações em uma indústria são situações comuns, que devem ser

analisadas desde as instalações iniciais. Nas redes com fio, cada ponto

individual deve ser encaminhado ao SDCD, passando por toda planta.

As redes Fieldbus facilitaram muito o encaminhamento, levando os

cabos do instrumento até o tronco do barramento apenas. Entretanto,

não eliminaram o problema do cabeamento. Nas redes sem fio, a

instalação dos novos instrumentos é facilitada, pois só é necessária a

adição de um escravo compartilhando o mestre comum da rede. Não é

necessária a previsão de reserva instalada como acontece nos projetos

das redes com fio, o que diminui ainda mais os custos com instalação.

• Segurança contra falhas:

A instalação dos cabos de instrumentação necessita de muitos cuidados

para que a transmissão dos dados seja feita sem interferências. É muito

83

comum problemas como fios cortados durante instalações ou

manutenções de rotina. Ações do tempo como ferrugem, corrosão,

dentre outras, podem danificar os cabos, e a causa da ausência de sinal

não consegue ser detectada pelo Controlador. Sabe-se que qualquer

sistema está sujeito a perda de sinal, porém os links Wireless possuem

alarmes que permitem a identificação da perda de sinal em algum

instrumento.

Além disso, na condição de falha na comunicação o escravo controla

suas saídas com base na condição de segurança contra falhas pré-

programada, isto é, aberta, fechada, ou permanecendo na última

posição.

• Flexibilidade:

Wireless pode ser implantado lentamente e integrado a sistemas já

existentes, sem que seja preciso substituir a infra-estrutura. Qualquer

dispositivo que anteriormente enviava sinais através de protocolos via

cabos pode ser adicionado à rede sem fio pela adição de um link. A

ausência dos cabos também facilita a realocação dos instrumentos.

• Confiabilidade:

Três fatores determinam a confiabilidade do sinal: perda de rumo,

interferência RF e energia transmitida. Visando identificar e potencializar

ao máximo e a confiabilidade do sinal, é necessário um levantamento do

site do RF ou um estudo de rumo. Para este estudo, a mão-de-obra

deve ser altamente qualificada, o que encarece a instalação.

• Monitoração de diagnóstico:

Outra vantagem é a monitoração do diagnóstico da confiabilidade do

sinal dentro do sistema de rádio. Essa atividade de diagnóstico pode ser

84

alimentada em um pacote de software segregado, que permite ao

usuário conhecimento de qualquer anormalidade de operação, como

barulho, temperatura, voltagem, energia refletida, etc. (SAVELLS &

ADAMS, 2008).

Conclui-se acerca das redes Wireless que a tecnologia ainda precisa evoluir

muito para que sua confiabilidade seja comprovada em ambientes industriais.

Toda tecnologia tem um período de sedimentação, que normalmente dura

cerca de 30 anos. Nesse período são feitas as melhorias na tecnologia,

aumento na segurança e correção das falhas.

Outro ponto importante desse período transiente é a tomada de conhecimento

a fundo da tecnologia, para que seja bem projetada, operada e aproveitadas

todas as suas funcionalidades. Sabe-se seguramente que mais de 90% de

falhas da aplicação de protocolos digitais ocorrem devido ao mau-

dimensionamento ou instalação e, na grande maioria das vezes, devido ao

desconhecimento dos profissionais envolvidos no projeto. Essas falhas

acarretam danos enormes, gerando atrasos na partida da planta, degradação

do sinal da rede, fazendo com que a mesma trabalhe abaixo da faixa ideal de

velocidade e estabilidade (PADOVAN, s.d.). Isso ocorre muito nas redes

cabeadas, e nas redes Wireless isto não está isento de ocorrer, já que a má

projeção dos APs pode acarretar falhas na transmissão. Portanto, enquanto os

profissionais não estiverem habituados à tecnologia não adianta implantá-la.

2.3.3.3.9. Aplicações industriais atuais

Atualmente verifica-se larga aplicação em mineração e Produção de Petróleo.

Nas mineradoras, é usado em Stacker rotativo e Reclaimers, aplicados na

África do Sul. Sua grande vantagem nessa aplicação é devido às grandes

distâncias da Sala de Controle. Um esquema da automação é representado na

Figura 34.

85

Figura 34: Automação Wireless em Mineração

Fonte: Drago, 2008

A Produção de Petróleo é o setor pioneiro no uso das redes Wireless, sendo o

grande responsável pelo sucesso da implementação da tecnologia. Sua

aplicação se deve à impossibilidade de lançar cabos em instrumentos

localizados em poços.

87

3. Estrutura da cadeia produtiva

3.1. Mercado Mundial

A importância da automação na indústria de processos cresceu muito nos

últimos anos. Ela tomou força nas indústrias químicas de óleo & gás e

biotecnologia. Sistemas de instrumentação inovadores foram introduzidos,

garantindo segurança e confiabilidade dos processos e fornecendo uma base

para estratégias avançadas de gerenciamento. Controles de processos

garantem que os ativos da planta operem continuamente com os mais

lucrativos ranges esperados guiando às melhores saídas de produtos,

rendimento e qualidade usando pouca energia. (BENSON, 1997)

Apesar do desaquecimento da economia americana, os negócios passaram por

um bom período em 2007 para os fornecedores e para os usuários de

tecnologias de automação. A demanda por automação permanecia forte. A

construção de novas plantas acelerada na Ásia e os preços ascendentes do

óleo e gás viabilizaram a exploração, a produção, e novos projetos de refinarias

em todo o mundo, o que torna o momento atual também propício ao

desenvolvimento mediante o andamento dos projetos já fechados. A

modernização necessária da infra-estrutura industrial norte-americana, o

crescimento do setor dos hidrocarbonetos, e a expansão em outras indústrias

como as de ciências da vida e de metais básicos alavancaram o crescimento

total na América do Norte no ano de 2008.

Estudos mais elaborados do ano de 2003 feitos pela ARC9, com previsões até

2011, mostram que se espera uma continuação desse crescimento, conforme

podemos observar na figura 35. Entretanto, com a crise mundial que se iniciou

no ano passado, as previsões tendem a ser um pouco menos otimistas.

9 ARC Advisory Group é uma empresa fundada em 1986, e presta serviços de consultoria na análise de

estratégias mercado e de tecnologias industriais.

88

Figura 35: Mercado mundial de automação

Fonte: ARC, 2009

Mesmo com a retração da economia, o desenvolvimento das tecnologias de

automação tende a continuar. Há espaço para a coexistência das diversas

tecnologias, mas nesta fase os usuários tendem a se retrair à inserção de

novos sistemas, o que deve atrasar um pouco a implantação efetiva de

tecnologias como Wireless. Também se pode sugerir que neste momento a

escolha de soluções mais econômicas e com menor custo de mão-de-obra

também ganhe preferência.

3.1.1. Evolução do Mercado de Automação para Indústrias

de Processos

Análise por Indústria

A empresa de consultoria Intechno Consulting realizou um estudo de projeção

de mercado em 2003 (SCHRODER, 2003). Segundo este estudo, o setor de

automação de processos iria crescer em uma taxa anual de 5,1% entre 2005 e

2010, alcançando US$ 94,2 bilhões em 2010. Estes valores se referem à

indústria de processo em sua definição mais ampla, que engloba o setor de

extração de materiais primários (carvão, urânio, petróleo e gás), indústrias

básicas (produção de vidro, cerâmica, metais e papel e celulose), geração de

energia e tratamento de resíduos, além da indústria de processo em seu

sentido mais restrito (química, farmacêutica, petroquímica, alimentos e

bebidas). Através da figura 36 é possível observar que a indústria de processos

predomina frente as demais no que concerne a automação.

89

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Extração de

materiais

primários

Indústrias

básicas

Processos

Industriais

Geração de

energia

Tratamento

de resíduos

US$

Bilh

õe

s

2000

2010

Figura 36: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 – segmentação

por indústrias

Fonte: Schroder, 2003

Análise por regiões

Em termos geográficos, a América do Norte lidera o mercado de automação de

processos. A Ásia e a Europa Oriental estão ganhando mercado da Europa

Ocidental e América do Norte, principalmente devido ao potencial de

crescimento para automação na China, que apresenta baixos níveis de

automação de suas indústrias. A Índia também está ganhando mercado

mundialmente. A figura 37 mostra o desenvolvimento do mercado mundial por

regiões.

90

Figura 37: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 – segmentação por regiões

Fonte: Schroder, 2003

Análise por produtos e serviços

Cerca de 40% dos hardwares de automação adquiridos em 2000 foram para

controles de processos, e 61% para instrumentação de campo, incluindo os

sensores, equipamentos de medidas e atuadores integrados. A previsão para

2010 é que a participação dos hardwares no nível de controle caia para 35,8%.

A inteligência está sendo movida para os níveis de campo e a camada dos

controladores e sistemas está se tornando mais barata, caminhando para

produtos com características de commodities. A previsão de crescimento nos

componentes de comunicação Fieldbus e Ethernet é de 8,2% e 17% ao ano,

respectivamente.

As expectativas em relação à participação dos gastos em engenharia também

são de crescimento, de 13,9% em 2000 para 15,5% em 2010. As tendências de

racionalização e otimização das plantas, acompanhadas pela adoção da

integração dos sistemas de automação com os sistemas de informação do site

de produção e da camada de operação adicionarão para a engenharia parte

dos custos totais do projeto. A figura 38 retrata o cenário descrito.

2000US $ 61,3 bilhões

27,5%

4,5%

35,3%

4,4%

25,2%

3,2%

2010

US $ 94,2 bilhões

25,9%

4,9%

33,0%

4,9%

27,6%

3,7%E uropa Oc idental

E uropa Oriental

Améric a do norte

Améric a do S ul

Ás ia - P ac ífic o

R es to do mundo

91

Figura 38: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 – segmentação por produtos e serviços externos

Fonte: Intechno, 2003

3.1.2. Empresas Internacionais

Apesar dos efeitos da crise financeira internacional, os fornecedores de

automação continuaram obtendo forte crescimento nos resultados no final do

ano de 2008, impulsionados pela robusta construção de novas plantas em

regiões em desenvolvimento e pela forte atividade de projetos no setor de óleo

& gás. Os fornecedores reportaram a entrada de grandes pedidos nos setores

de óleo & gás, refino, petroquímica e de mineração. A demanda por produtos

de automação tende a permanecer forte graças à modernização da infra-

estrutura industrial necessária para que os fabricantes melhorem a

produtividade e aumentem a segurança de suas fábricas. Neste sentido, é

importante ressaltar que a motivação para a adoção de automação industrial

varia entre países com graus de desenvolvimento diferentes. Em países

altamente industrializados, a automação de processos é incorporada com o

objetivo de melhora da qualidade do produto, aumento da segurança do

processo redução de emissões de gases poluentes e uso eficiente dos

recursos. Por outro lado, empresas de países em desenvolvimento são

motivadas pela possibilidade de aumento no volume de produção, apesar de

aspectos relacionados à qualidade e ao meio ambiente estarem ganhando

importância (JAMSA-JOUNELA, 2007).

2000

US$ 61,3 bilhões

23,8%

36,9%4,7%

13,9%

9,6%

11,1%

2000

US$ 94,2 bilhões

20,5%

36,7%5,4%

15,5%

10,8%

11,0% Hardware - nível decontrole

Hardware - nível decampo

Software padrão

Engenharia

Instalação e partida

Manutenção

92

A Tabela 1 apresenta as principais empresas de automação no mundo,

mostrando seu faturamento e gastos com P&D, que são bastante elevados

neste setor.

Empresa Faturamento em

2007 (US$ Bilhões)

% do faturamento

em automação

industrial

Dispêndios em

P&D (% do total do

faturamento)

ABB 29,2 27,0 3,9

Emerson 22,0 45,0 1,8

GE Fanuc n.d. n.d. n.d.

Honeywell 34,1 36,6 4,2

Invensys 5,1 45,2 2,8

Rockwell 5,0 100,0 2,4

Schneider 25,5 28,5 2,4

Siemens 102,0 22,9 4,9

Yokogawa 5,0 100,0 7,0

Tabela 1: Principais Fabricantes Internacionais Ligados à Automação Industrial Fonte: Gutierrez & Pan, 2008

Vale à pena ressaltar que a dinâmica competitiva deste setor é bastante

característica. Nos mercados de cada tipo de sistema de controle, existe o

predomínio de um grupo ou outro de empresas, certamente por causa da

origem e do histórico de atuação. Assim, o mercado de SDCDs é liderado pelas

empresas Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Já o mercado de CLPs é

liderado pela Siemens e pela Rockwell (GUTIERREZ E KOO PAN, 2008)

Observa-se um crescimento generalizado na grande maioria das empresas de

automação mundiais. Isso comprova a grande demanda mundial no setor e o

conseqüente aquecimento nas vendas de produtos para suprir a necessidade

das indústrias operantes de otimizarem sua produção e das novas indústrias

em implantarem sistemas modernos de controle e aquisição de dados.

93

3.2. Caracterização da cadeia produtiva10

Por ter uma natureza multidisciplinar, a automação industrial incorpora

conhecimentos de diferentes áreas, como mecânica, eletrônica, elétrica, física,

química e informática. Atualmente, é um setor com grande dinamismo

tecnológico, onde o aparecimento de novas tecnologias e produtos acontece

com freqüência e a incorporação dessas tecnologias pelas indústrias de

processo tem forte efeito sobre o aumento de sua competitividade. Segundo a

Abinee (2009) este é um setor com uma dinâmica de inovação peculiar, mais

voltado para inovações de aplicação do que inovação de produtos

propriamente ditos, sendo estes fortemente influenciados por desenvolvimentos

em elos da cadeia a montante.

A Figura 39 apresenta um esquema da cadeia produtiva de automação

industrial. Alguns padrões dominantes deste setor são: ciclo de vida curto dos

produtos do tipo commodity; progressiva segmentação para soluções

específicas e importância da marca, associada à confiabilidade. Esta última

característica configura-se como uma importante barreira à entrada de novos

concorrentes, fortalecendo os produtores já atuantes no mercado.

10 Para maior detalhamento e profundidade deste item será necessário que seja realizado uma

continuação dessa pesquisa, com uma etapa denominada “pesquisa de campo”, onde poderão ser elaborados questionários e visitas aos diversos atores do setor.

94

Figura 39: Representação da cadeia produtiva de automação industrial

Fonte: Elaboração própria

É possível identificar basicamente duas modalidades de contrato em

automação industrial: o formato tradicional e o chamado Main Automation

Contractor (MAC) ou Contrato Global de Automação (CGA) (BOSCO, 2009).

No primeiro, empresas diferentes ficam responsáveis pelo fornecimento dos

instrumentos dos sistemas de controle, e da configuração do sistema, sendo

que esta etapa pode ficar a cargo da equipe da própria contratante caso haja

expertise para tal. No segundo caso, a empresa responsável pela solução em

automação responde pela gestão e fornecimento de hardware, licenças de

software do sistema de controle e de segurança de processo e instrumentação

de campo. Além disso, fica responsável pela interface do sistema de controle

da planta com os fornecedores de equipamentos e unidades que tenham

solução de automação separadas, e por prestar assistência técnica em todas

as fases da obra. Ou seja, um único fabricante responde pelas diferentes

etapas da cadeia produtiva até a implantação do sistema no processo

industrial.

A relação entre os diferentes elos da cadeia, desde o produtor dos dispositivos

até o usuário final, a indústria de processo, é bastante estreita. Todas as

atividades de assistência técnica e treinamento ficam a cargo do fornecedor do

95

dispositivo, ou seja, existe uma relação direta entre o elo final e os

fornecedores de hardware, que passam pelos elos de projeto e construção. No

caso dos fornecedores de software, em caso de desenvolvimento sob

encomenda, a relação também se dá de maneira direta, sendo a firma de

engenharia uma ponte para esta relação.

Existe uma tendência de adaptar produtos de uso geral aos requisitos de

automação das diversas plantas industriais, numa tentativa de conciliar o

universal com o específico. Empresas menores têm conseguido sucesso em

nichos do mercado internacional, integrando produtos de terceiros através do

fornecimento de soluções de automação e de processo.

Os equipamentos de automação podem ser utilizados de forma autônoma ou

interligados em sistemas. Para as atividades de integração, o hardware é

considerado commodity e a diferenciação acontece no software e na

sistemática de integração. O conceito de computer integrated manufacturing

(CIM) prevê a integração dos sistemas de automação e de informática com o

uso de redes de comunicação de dados com protocolos padronizados.

No que diz respeito aos dispositivos e protocolos de comunicação, há uma

tendência de padronização, o que leva a redução dos custos de implantação de

sistemas de automação e aumento da competitividade entre os fabricantes. Há

de se ressaltar também que a convergência tecnológica, ocorrida a partir da

utilização da eletrônica digital, vem permitindo uma integração entre os

sistemas de controle de processos e as ferramentas de gestão corporativa.

3.3. O mercado de automação industrial no Brasil

Segundo estudo recentemente publicado pela Arc (2009), são crescentes as

oportunidades em automação de processos na América Latina e,

conseqüentemente, no Brasil. Desenvolvimento em infraestrutura,

industrialização, forte investimento nos setores de petroquímico, mineração e

96

outros mercados estão combinados com uma visão de valorização da

automação industrial. Ao mesmo tempo, existe uma forte demanda global por

engenheiros qualificados e profissionais de automação de processos cuja

ausência representa um obstáculo a ser superado.

Considerando o mercado latino americano como um todo, o mercado de

automação de processo vem oferecendo ótimas oportunidades de crescimento

para as empresas fornecedoras desse segmento. Após muitos períodos de

economia e política instáveis, muitos países latinos americanos estão

novamente em um caminho para a estabilidade e crescimento a longo prazo.

Um exemplo de como a demanda latino-americana por produtos e soluções em

automação tem crescido é o aumento de importação de produtos voltados para

comunicação Fieldbus, mostrado na figura 40.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

2006 2007 2008 2009 2010 2011

Ano

Milh

ões d

e d

óla

res

Figura 40: Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América Latina.

Fonte: ARC, 2009

O mercado de automação de processo da América Latina é em grande parte

guiado pelas práticas das companhias líderes. Em muitos casos, essas

companhias determinam os padrões das melhores práticas em automação de

processo para toda a América Latina. No Brasil, por exemplo, a Petrobras

controla uma porção significativa do setor de petroquímico e é uma das líderes

mundiais em tecnologia de águas profundas e ultra profundas. Os avanços na

abordagem da Petrobras em automação influenciam o resto do Brasil e

certamente toda a América Latina.

97

No Brasil, mercado de automação industrial tem crescido nos últimos anos.

São vários os fatores que vêm influenciando o desempenho positivo desse

setor. Entre eles, está a necessidade de atualização tecnológica dos

instrumentos de controle, tendo possibilitado a inserção de novos sensores,

transmissores, meios de comunicação entre equipamentos, sistemas de

supervisão e controle, além de muitos softwares aplicativos que vão do setor

de produção ao planejamento e gerenciamento global da empresa. (ABINEE,

2009)

Segundo a ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica), o

faturamento de 2006 foi de pouco acima de R$ 2,7 bilhões. Segundo a mesma

entidade, o faturamento em 2007 aumentou em 14% e em 2008, o aumento foi

de 11%, tendo alcançado R$ 3,45 bilhões, como mostrados na figura 41. Isso

prova que o setor cresceu em volume de negócios, impulsionado pelo aumento

da atividade industrial nos últimos anos no país e aos investimentos em setores

específicos como petróleo, açúcar e álcool, mineração e siderurgia, indústria

automobilística e papel e celulose. (ABINEE, 2009)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

2006 2007 2008 2009 (previsão)

Ano

Bil

hõ

es d

e r

eais

Figura 41 – Faturamento Anual do Setor de Automação no Brasil.

Fonte: ABINEE, 2009

O bom resultado alcançado em 2007 e 2008 está relacionado aos

investimentos em modernização e ampliação de fábricas já existentes. Com

isso, o parque instalado de sistemas de automação e controle tornou-se grande

98

o suficiente para gerar uma demanda estável e significativa para manutenção,

renovação e melhoria. Os setores que mais contribuíram para este resultado

foram os de petróleo, álcool e energia. (ABINEE, 2009)

Mesmo com a gravidade da crise econômica, a perspectiva de crescimento do

setor ainda é otimista, prevendo um lucro de R$ 3,55 bilhões para 2009,

representando um aumento de 3% em relação a 2008. Esta previsão otimista

se deve principalmente ao setor de Petróleo e Gás, que vem ampliando os

investimentos, gerando importantes negócios, o que vem garantindo um nível

razoável de atividade para parcela apreciável das empresas do setor. Também

vêm sendo mantidos novos investimentos nos setores cujos equipamentos são

destinados à infra-estrutura de Telecomunicações e de Geração, Transmissão

e Distribuição de Energia Elétrica. (ABINEE, 2009)

Devem ser consideradas as diferenças entre projetos de automação e controle

na instalação de uma fábrica totalmente nova e na atualização de indústrias já

existentes. No Brasil, por exemplo, ainda existem muitas empresas químicas

de médio porte que não utilizam sistemas de controle, onde a operação

depende da intervenção direta dos operadores. Portanto existe um mercado

amplo a ser explorado (FAIRBANKS, 2008).

Os investimentos em atualização de plantas costumam ser feitos por etapas,

tanto para diluição de custos de investimentos quanto para evitar paradas

longas no processo. O primeiro passo se dá, na maioria das vezes, pela

instalação da sala de controle e de alguns instrumentos de campo,

aproveitando-se ao máximo os recursos existentes. Posteriormente, implanta-

se a instrumentação e a malhas digitais de campo. Em seguida já podem ser

feitas as primeiras incursões em controle avançado, gerenciamento de ativos e

até modelos de simulação e treinamento virtual. Durante as etapas de

substituição de sistemas, é comum a convivência entre diferentes concepções

de produtos e de protocolos de comunicação, exigindo a colocação de

conversores para estabelecer uma comunicação mínima. A utilização desses

99

conversores não é necessária quando se trata do sistema de uma fábrica nova.

(FAIRBANKS, 2008).

O setor petroquímico e as refinarias de petróleo sempre se destacaram por

manter atualizados os sistemas de controle. As grandes empresas de celulose

e papel e as siderúrgicas nacionais, também operam com sistemas modernos

de última geração. Até mesmo setores considerados conservadores, como

açúcar e álcool, estão adotando sistemas digitais. (FAIRBANKS, 2008)

3.3.1. A divisão nacional do setor de automação

O setor de automação industrial é pequeno na economia brasileira, mas é uma

área estratégica que contribui ativamente para todas as empresas. Segundo a

ABINEE, em 2008 o faturamento total da indústria eletroeletrônica foi de R$

123,1 bilhões, conforme pode ser observado na tabela 2. Desse total, cerca de

3% são referentes ao setor de automação. No entanto, a representatividade do

setor de Automação se torna mais perceptível quando se analisa a taxa de

crescimento anual, pois apesar de baixa representatividade em termos de

faturamento anual, a sua taxa de crescimento é bastante relevante, quando

comparada com outros setores com maior faturamento anual. Entre 2007 e

2008, o setor cresceu 11% frente à 12% de Informática e 23% de

Telecomunicações, que são os setores que mais lucraram em 2008. Isso

demonstra que, no Brasil, o setor de Automação se apresenta em forte

expansão, oferecendo boas oportunidades de negócios.

100

Faturamento total por área

(R$ milhões)

2006 2007 2008 Crescimento

2007/2008

Automação Industrial 2.708 3.097 3.446 11%

Componentes Elétricos e Eletrônicos 9.409 10.150 9.500 -6%

Equipamentos Industriais 13.322 15.541 18.369 18%

GTD* 9.169 10.599 11.919 12%

Informática 29.418 31.441 35.278 12%

Material Elétrico de Instalação 6.755 7.646 8.323 9%

Telecomunicações 16.742 17.465 21.546 23%

Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 16.560 15.773 14.710 -7%

Total 104.083 111.711 123.092 10%

*Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

Tabela 2: Faturamento Total por Área Fonte: ABINEE, 2009

A mesma observação pode ser feita em relação à exportação, pois conforme

pode ser observado na tabela 3, a taxa de exportação do setor de Automação

(12%) para o período 2007-2008, também é relevante se comparada com

outros setores.

Exportação de produtos por setor

(US$ milhões)

2006 2007 2008 Crescimento

2007/2008

Automação Industrial 239 280 314 12%

Componentes Elétricos e Eletrônicos 2.708 3.151 3.304 5%

Equipamentos Industriais 918 1.013 1.141 13%

GTD 516 657 865 32%

Informática 411 338 313 -7%

Material Elétrico de Instalação 308 289 325 13%

Telecomunicações 3.115 2.491 2.540 2%

Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 1.035 1.081 1.088 1%

Total 9.249 9.300 9.891 6%

Tabela 3: Exportação de Produtos por Setor Fonte: Abinee, 2009

Até setembro de 2008, o setor de Automação apresentava uma taxa de

crescimento de importação de 15%, e a partir de outubro esta taxa caiu para

5%. Esta queda se deve ao agravamento da crise econômica mundial.

101

De acordo com a ISA, cerca de 1,5 mil empresas de variados portes atuam em

automação de controle de processos industriais no Brasil. (GUTIERREZ &

PAN, 2008).

No Brasil, as empresas que participam do segmento de automação industrial

podem ser divididas nos seguintes perfis:

grandes empresas internacionais, equivalentes a aproximadamente 30%

das empresas brasileiras, que oferecem amplo espectro de produtos e

soluções completas de automação;

micro e pequenas empresas integradoras, formadas em muitos casos

por ex-funcionários de empresas internacionais, que atuam de forma

independente ou associadas a fabricantes de equipamentos;

pequenas e médias empresas, formadas com capitais internos, que

oferecem um espectro limitado de produtos – hardware e/ou software –,

desenvolvidos com tecnologia própria, e raramente oferecem sistemas

completos de automação.

O mercado brasileiro é fortemente competitivo e dominado por gigantes

internacionais líderes em automação industrial. Este grupo é formado pelas

empresas ABB, Emerson, GE Fanuc, Honeywell, Invensys, Rockwell,

Schneider, Siemens e Yokogawa. Todas estão presentes no país e oferecem

soluções completos, fornecendo hardware, software e serviços. As estratégias

das empresas internacionais não contemplam o desenvolvimento nem a

fabricação local de dispositivos, os quais são por elas importados. As

atividades que realizam no país restringem-se ao desenvolvimento e à

integração das soluções finais (aplicações) para as plantas industriais. A

utilização de mão-de-obra local limita-se às etapas de comercialização e

implantação dos sistemas e produtos nos clientes.

Abaixo estão alguns exemplos de como estas empresas estão investindo para

acompanhar a expansão do mercado: (FAIRBANKS, 2008)

102

A empresa japonesa Yokogawa tem mantido expansão de negócios na

média de 20% ao ano. A empresa investe para aumentar sua capacidade de

produção e atendimento. As equipes também foram reforçadas para

acompanhar a expansão dos negócios.

A americana Emerson Process Management, outra gigante da área de

automação e controle, obteve forte crescimento em 2008, tendo sua filial

brasileira ultrapassado o volume de vendas da filial mexicana, onde existem

mais fábricas do grupo. Este fato pode ser justificado pela proximidade com o

mercado americano. Entre seus projetos, estão a implementação do sistema

SDCD em uma refinaria da Petrobrás e uma planta de polipropileno da

Braskem, ambas em Paulínia, São Paulo (BOSCO, 2009).

A suíça ABB foi reestruturada e reforça sua participação no segmento,

especialmente nas refinarias de petróleo. Em 2008, firmou um contrato com a

Petrobrás no valor de US$ 61 milhões para fornecer sistemas de automação e

controle de processos em oito refinarias. O contrato também prevê o

gerenciamento do projeto e a parte de engenharia. Um exemplo é a

implementação de controladores e Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED)

na Refinaria de Duque de Caxias (BOSCO, 2009).

A empresa alemã Siemens aumentou sua participação no mercado de

controle de processos industriais desde que unificou as linhas de SDCS e CLP

em 1995. O maior destaque da empresa sempre foi ligado ao gerenciamento

de energia nas fábricas. A partir de 2000, a companhia ampliou o leque de

segmentos atendidos, oferecendo o controle integrado do processo e dos

sistemas de energia, além de apresentar a linha completa de instrumentos de

campo.

Por outro lado, existe um grupo de empresas nacionais, na maioria de pequeno

e médio portes, que vem conseguindo manter-se há anos nesse mercado

ofertando produtos inteiramente desenvolvidos no país com capacitação

própria.

103

De forma geral, as empresas nacionais possuem um portfólio de produtos

limitado. Poucas são as empresas que fornecem um leque amplo de soluções

completas, competindo diretamente com as grandes marcas internacionais.

Isso leva a uma atuação predominante no mercado de reposição e de

fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos particulares, como o das

usinas de açúcar e de álcool.

Contudo, essas empresas têm conseguido não apenas se manter no mercado

interno como também se internacionalizar, criando bases próprias de

comercialização e assistência técnica em vários países.

A empresa mais dinâmica e avançada em termos de desenvolvimento de

tecnologia é, sem dúvida a SMAR. Dessa forma, o estudo dessa empresa se

torna bem interessante para avaliar os mais altos níveis de desenvolvimento

tecnológico em que se encontra o Brasil.

O conhecimento mais profundo da SMAR, devido a sua grande importância no

mercado brasileiro como indústria nacional, nos leva a crer que o patamar

tecnológico em que se encontra o país está ao nível das redes Fieldbus, e que

as redes sem fio estão tomando força neste momento. Até o ano passado,

nenhum produto associado a redes Ethernet ou mesmo Wireless era produzido

por essa empresa, pois as soluções Wireless foram apresentadas no evento

ISA Show 2008.

Nesse mesmo evento, muitas empresas ampliaram seu portfólio Wireless. A

National Instruments11 apresentou os recém lançados dispositivos de dados

sem fio NI Wi-Fi DAQ, aptos para receber sinais de variáveis como

temperatura, vibração, deformação, tensão, correntes, entre outros. Possuem

taxa de aquisição de dados de até 50 mil amostras por segundo por canal. São

ideais para aplicações de condicionamento de máquinas, monitoração

11 A National Instruments foi criada em 1976, e fornece softwares e hardwares de automação e controle.

104

estrutural, ambiental e remota. Atuam na banda padrão IEEE 802.11g e

possuem segurança WPA2 de nível corporativo.

Tais fatos nos permitem as seguintes conclusões. Primeiramente, os produtos

fornecidos pela empresa são tecnologicamente atualizados e comercialmente

competitivos, em função dos seus investimentos constantes em P&D. Caso

contrário, a inserção dos seus produtos no mercado internacional não seria

possível. Posteriormente, os principais produtos da SMAR têm enfoque no

mercado nacional, visto que aproximadamente dois terços da sua produção

são para eles destinados.

As empresas mais conhecidas deste mercado são Altus, ATAN, Atos, BCM,

Coester, Ecil, Elipse, Presys, Sense, SMAR, Trisolutions e WEG. (Gutierrez e

Koo Pan,2008). Abaixo está uma breve descrição destas empresas:

Altus

A Altus Sistemas de Informática S/A, é líder no Brasil dentre as empresas que

utilizam tecnologia própria no setor de automação e controle de processos

industriais. Em 2008 foi recebeu o Prêmio FINEP de Inovação na região sul.

Seus serviços incluem a avaliação técnica de propostas de grandes sistemas e

do projeto ao serviço de pós-venda, software; projetos elétricos,

instrumentação e civil; fabricação de painéis elétricos; elaboração de propostas

e soluções técnicas de grandes sistemas; execução de montagens e

instalações em campo; posta-em-marcha dos sistemas desenvolvidos; revenda

de produtos e equipamentos de terceiros; assistência técnica e suporte aos

sistemas desenvolvidos.

Dentre os produtos oferecidos, pode-se citar:

Ampla variedade de controladores e SDCDs com interface dos

instrumentos de campo nas redes ALNET, Profibus DP, Modbus-RTU e

105

Modbus-TCP, além de entradas analógicas em 4-20 mA, 0-20 mA e digitais em

0-20Vcc;

Unidades Terminais Remotas (UTRs) como objetivo a automação de

subestações de energia e centrais elétricas, permitindo a execução de funções

de supervisão, telecomando e intertravamento. Entradas e Saídas analógicas e

digitais;

Interface Homem-Máquina (IHMs);

Softwares de configuração de controladores.

A empresa oferece ainda cursos de introdução à automação e programação e

treinamento no uso de equipamentos.

Suas áreas de atuação incluem: siderurgia, petroquímica, geração de energia,

distribuição de energia, saneamento, máquinas especiais e operatrizes,

plásticos, alimentos, embalagens, transportes e comunicações.

Dentre seus principais clientes, estão: Petrobras, CHESF, STEMAC, ALSTOM,

SABESP, CESP, Gerdau, Ipiranga, COSIPA, COPESUL, Metrô SP, CTMP,

Tramontina, INFRAERO, SANEPAR, entre outros.

ATAN

Fornecedora de soluções de engenharia, projeto, montagem e manutenção,

além de software e soluções para monitoramento de sistemas. Realiza serviços

de engenharia de instrumentação e controle, desenvolvimento de sistema

SCADA, implantação e manutenção.

Entre seus produtos, pode-se citar:

Aplicação de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) de fabricantes

high-techs: Siemens, Ge-Fanuc, Allen Bradley, Schneider, Reliance, Altus entre

outros;

106

Softwares Supervisórios (SCADA) para controle de processos, tais

como: iFIX e Cimplicity da GE-Fanuc, Rockwell Scada, FactoryLink da USData,

Wizcon da PC Soft, InTouch da Wonderware, RealFlex, entre outros;

Sistemas baseados em computadores nas plataformas Pentium, PC-AT,

VAX, RISC, etc;

Ambiente de comunicação com uma grande variedade de redes

Ethernet, R/Net, Arcnet, Token Ring e protocolos TCP/IP, DECnet, IBM Lan

Server, Netware, etc.;

Ambientes de softwares, tais como: Microsoft Windows, IBM OS/2, QNX

e VMS.

A empresa oferece também treinamentos básicos e avançados na área de

automação. Possui parceria com as empresas ABB, GE Fanuc, GE Supply,

Siemens, e Rockwell Automation. Em abril de 2008 foi incorporada pela

Accenture. Entre seus clientes estão: Chocolates Garoto, CRVD, Unilever,

Votorantim Metais, Votorantim Cimentos, Souza Cruz, Petrobrás, Holcim e

Rhodia.

Atos

Fornece serviços em engenharia, projeto, implantação e assistência técnica.

Entre seus produtos, estão:

Interface Homem-Máquina (IHM);

Controladores Lógicos com entradas digitais e analógicas e

possibilidade de inserção de módulos de entradas e saídas em comunicação

Modbus RTU;

Fontes de alimentação;

Ferramentas de programação.

A Atos, através da Schneider, oferece cursos regulares e operacionais para a

utilização dos produtos. Os cursos são nas áreas de CLP´s, redes,

107

programação e configuração de interface homem maquina e softwares de

supervisão.

Entre seus clientes, destacam-se: Sabesp, Petrobrás, Tractebel Energia, Arno,

Mercedez Benz, Lorenzetti, TV Globo, e Centro Tecnológico da Aeronáutica.

Esta empresa foi incorporada pela Schneider em 2007.

BCM

Desde a sua fundação em 1980, a BCM trabalha desenvolvendo produtos e

soluções em automação em diversas áreas, como processos industriais,

petroquímica, álcool e açúcar, energia elétrica, coureiro calçadista e metalurgia

e siderurgia. Utiliza tecnologia 100% nacional e soluções tecnológicas próprias.

Alguns dos produtos que a empresa oferece são:

Interface Homem-Máquina (IHM);

CLPs de pequeno, médio e grande portes, com entradas digitais e

analógicas;

Software de programação.

Entre seus clientes, estão: Cemig, CESP, CVRD, Eletrobrás, Gerdau, Sadia,

Sabesp, AGCO, Grendene, Embrasul, Areva, Grupo Avipal e Casan.

Coester

Essa empresa possui um nicho de mercado menos abrangente, atuando no

ramo de fornecimento de atuadores elétricos para acionamento de válvulas e

dampers.

Como atua em um ramo especifico, tende a explorar melhor as tecnologias

mais usadas no mercado. Por isso possui como top de sua linha os atuadores

inteligentes. Os atuadores inteligentes disponibilizam os mais avançados

recursos para controle de processos. Além da motorização precisa e segura, o

equipamento traz informações extremamente úteis ao usuário e potencializa a

108

redução de perdas na manutenção da planta. O controle e informação são

disponibilizados através de interfaces abertas de comunicação com os

barramentos de campo Fieldbus.

Classificada como “Empresa de Base Tecnológica” pela FINEP -Financiadora

de Estudos e Projetos- ligada ao Ministério da Ciência e Tecnologia, passou a

contar com o apoio integral a Agência, para seu Plano de Negócios 2003/2009,

que tinha entre outros objetivos, o de acelerar a internacionalização da

empresa.

É uma das empresas nacionais inovadoras que tem recebido incentivos

governamentais. E, visto que seu plano de negócios que visa a

internacionalização da empresa ainda está em andamento, pode-se concluir

que grande parte das vendas da empresa se dão em âmbito nacional. Com

isso, verifica-se que há uma forte demanda pelos barramentos Fieldbus em

controle de processos no mercado brasileiro.

Além de seus serviços e produtos, oferece cursos básicos e avançados

focados na automação de válvulas com a utilização de atuadores elétricos.

Ecil

A Ecil Informática nasceu em 1992, e fornecia sistemas de automação

industrial para grandes empresas, das áreas petroquímica, química e

siderurgia. Em 1994 iniciou o desenvolvimento de plataformas para automação

de subestações e redes públicas de distribuição de energia.

A empresa desenvolve simultaneamente soluções para 3 segmentos distintos,

mas que possuem sinergia tecnológica. Esses segmentos são: Energia e

Utilidades, Telecomunicações e Automação Industrial.

109

Produtos:

Computadores industriais;

Cartões de entradas e saídas digitais e analógicas.

Elipse

A Elipse Software atua há mais de 20 anos no mercado de automação,

desenvolvendo soluções HMI/SCADA e interfaces para os mais variados

sistemas. Líder no mercado nacional de software para supervisão e controle, a

Elipse oferece soluções de fácil configuração e rápida implementação para

criação de aplicações HMI/SCADA.

Os aplicativos E3 e Elipse SCADA são utilizados por importantes empresas,

nos mais diversos ramos de atividades.

Oferece cursos básicos e avançados em E3 e Elipse SCADA, além de

certificação em E3. Entre seus principais clientes podemos citar: Banco Itaú,

Elektro, Brasil Telecom, Michelin, General Motors, Mercedes Benz, Fiat,

Vokswagen, Ford, Dana Albarus, Petrobrás, Stihl, Sadia, Ceval, Perdigão,

Nestlé, Batavo, Gerdau, CSN, CVRD, Usiminas, Sabesp e Copel.

Presys

A Presys produz instrumentos e sistemas que abrangem duas linhas: Controle

de Processos e Calibração. Os produtos feitos pela Presys são totalmente

desenvolvidos por engenheiros e técnicos brasileiros. A empresa possui o

certificado ISO 9001, além de dispor de laboratórios totalmente equipados, com

profissionais treinados e padrões comparáveis ao INMETRO.

A empresa também possui uma estrutura de desenvolvimento, produção,

vendas, assistência técnica, laboratório de calibração, treinamento e suporte.

110

Entre seus produtos, estão:

Software para monitoração e registro de variáveis de processo;

Indicadores digitais, módulos de aquisição de dados e módulos de

controle;

Calibradores de pressão, temperatura e malha;

Software para calibração.

Sense

Fundada em 1976, a SENSE conquistou, ao longo de mais de três décadas o

título de umas das mais renomadas empresas brasileiras do mercado de

automação industrial. Com profissionais qualificados e equipamentos

especializados, a empresa gera soluções por meio de tecnologia de ponta,

processos automatizados e serviços.

Produtos:

Sensores Industriais;

Produtos para Atmosferas potencialmente explosivas;

Redes Industriais nos padrões DeviceNet, AS-Interface e Profibus DP

Sinalizadores de Válvulas.

SMAR

A SMAR foi fundada em 1974 com objetivo de prestar serviços de campo para

turbinas à vapor da indústria açucareira brasileira. A empresa cresceu

rapidamente, impulsionada por uma iniciativa bem sucedida do governo

federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como

combustível de veículos automotores. Em 1988 a SMAR tornou-se o maior

fabricante de instrumentos para controle de processos no Brasil, sendo que sua

atuação nesta área só começou em 1982. Atualmente, mais de um terço da

produção da empresa são vendidos no mercado internacional.

111

Alguns produtos de sua linha são:

Instrumentação de campo como transmissores, medidores de vazão,

atuadores e analisadores nas tecnologias Foundation Fieldbus, 4-20mA, 4-

20mA+HART, Modbus e Profibus;

Todos os equipamentos necessários para a implantação das redes

Fieldbus, tais como fontes de alimentação, terminadores, acopladores,

barreiras de segurança intrínseca, dentre outros;

Fornece SDCD com possibilidade de interligação de dispositivos em

redes Fieldbus;

Softwares de configuração, integração e gerenciamneto;

Soluções completas e Planos de Automação.

Oferece cursos em sistemas de controle Smar SYSTEM302, sistemas para

medição de tanques e em 4-20mA Hart.

As principais áreas de atuação da empresa são nos setores de Açúcar e

Álcool, Alimentos e Bebidas, Papel e Celulose, Petróleo e Gás, entre outros.

Sua lista de clientes inclui: Klabin, COPEL, COSIPA, Cervejarias Kaiser, Tetra

Pak, Sadia, Petrobrás, Continental Produtos Automotivos, entre outros.

TriSolutions

A TriSolutions é uma empresa que alia a prestação de serviços com o

desenvolvimento de software nas áreas de modelagem, otimização e controle

avançado para a indústria de processos. Dentre seus projetos, estão a

instalação de controladores preditivos não-lineares em reatores da Braskem e

Quattor, ambos realizados em 2008.

112

Seus principais produtos são:

TriCLPM: monitoramento e auditoria de desempenho de malhas de

controle em tempo real;

TriNMPC: Controlador preditivo não- linear. Este software foi

desenvolvido em parceria com a Petrobras, Braskem e UFRGS;

Control Performance Monitor (CPM): Ferramenta para monitorar,

identificar, diagnosticar e corrigir os problemas relacionados a todos os ativos

de controle, desde a instrumentação até aplicações de controle avançado de

processos;

Alarm Manager (AM): gerenciamento de alarmes e eventos.

Oferece cursos para turmas fechadas e abertas em controle básico e

avançado. Entre seus clientes, encontram-se: Ipiranga, Braskem, Refap,

Revap, Petrobrás e Quattor.

WEG

A WEG fornece serviços de engenharia de aplicação, projetos de automação,

supervisão de montagem, manutenção e treinamento.

Produtos:

Inversores de freqüência;

CLPs de pequeno, médio e grande portes;

Relés programáveis compactos para pequenos empreendimentos;

Soluções completas em automação.

Oferece cursos na área de automação industrial, visando capacitar os

profissionais da área a especificar e aplicar conceitos básicos de hardware e

software para controladores lógicos programáveis de pequeno porte.

Estas empresas possuem uma linha de produtos limitada, em função do

pequeno porte ou de origem em outros setores, como é o caso da WEG,

113

fabricante de máquinas elétricas, motores e geradores. Devido ao limitado

leque de soluções completas, essas empresas atuam predominantemente no

mercado de reposição e de fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos

particulares, como o setor de açúcar e álcool (Gutierrez e Koo Pan, 2008).

3.3.2. Tipos de sistemas de controle mais utilizados nas

empresas

Com relação aos tipos de sistemas de controle utilizados, pode-se citar o

SDCD e CLP. O mercado de SDCDs no Brasil é dominado pelas internacionais

Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Vale citar que nenhuma empresa

brasileira fornece SDCDs. (Gutierrez e Koo Pan,2008)

Quando se trata de CLPs, as líderes de mercado são a Rockwell, Siemens,

Altus e Schneider. Neste setor, as empresas brasileiras tem uma participação

de cerca de 25% do mercado nacional. Dentre as nacionais, destacam-se a

Atos, SMAR, BCM e Novus. (Gutierrez e Koo Pan,2008)

114

3.4. Desafios Modernos da Automação Industrial

A área de automação industrial está sendo repensada em função do grande

desenvolvimento experimentado pelas técnicas digitais. No contexto industrial,

há algumas décadas os problemas de automação são cada vez mais

importantes. A sociedade depara-se com o avanço da tecnologia e com os

seus desafios, que não são poucos. No entanto, observa-se que algumas

perguntas precisam ser respondidas para melhor encaminhar esta importante

área do conhecimento: como as instituições podem formar profissionais

capazes de ter uma capacitação técnica suficiente para contornar suas próprias

dificuldades? E garantir uma relação técnica com a sociedade sem assustá-la?

O assunto é diversificado, pois abrange desde tópicos relativos à arquitetura de

hardware e software, programação de controladores lógicos programáveis,

controle de malhas contínuas até o gerenciamento estratégico de uma

empresa, passando pela supervisão dos processos industriais e pela logística

da produção. (NEVES et al, 2007)

As técnicas desenvolvidas para o tratamento desses problemas atingiram hoje

um relativo grau de sofisticação tecnológica e formal, exigindo pessoal técnico

com formação específica para sua aplicação adequada.

Os cursos de engenharia elétrica, engenharia mecânica, engenharia de

produção, engenharia de controle e automação vêm se colocando na

contingência de munir seus estudantes de ferramentas que os possibilitem de,

no menor tempo possível, se adequarem ao cotidiano técnico de uma empresa

e, pelo maior tempo possível, estarem preparados para se atualizar

tecnicamente. Estes objetivos, em parte conflitantes, conduzem para a seguinte

questão: qual o compromisso ideal entre profundidade e abrangência quando

se leciona uma disciplina de automação industrial? De fato, as limitações de

tempo num curso de engenharia obrigam que se opte ou por aprofundar certos

tópicos da matéria, deixando o aluno sem visão de conjunto, ou por dar uma

idéia geral do problema, deixando lacunas na formação do estudante que

115

tornarão mais lento o acompanhamento dos avanços de seu campo de

trabalho. E assim, a formação de engenheiros qualificados para o futuro é

necessária equilibrando estas decisões sobre profundidade e abrangência.

O atual desenvolvimento da tecnologia e, em termos mais específicos, da

automação, levou ao surgimento de novas técnicas de implementação de

funcionalidades de forma a aperfeiçoar a produção industrial, a operação de

equipamentos, construção de dispositivos simples e baratos em larga escala e,

em último caso, fornecer um benefício ao usuário final. O aumento da

capacidade computacional dos dispositivos de processamento, o surgimento de

novas formas de comunicação industrial, com protocolos bem definidos e de

desempenho eficiente, o desenvolvimento de sistemas embarcados e

implementação em hardware, as novas formas de gerenciamento de

informações de produção, através de sistemas especializados, enfim, a

tecnologia evoluiu bastante e, a serviço da automação dispõe uma variedade

de alternativas para a implementação de formas mais eficazes na resolução de

problemas.

A seguir, serão discutidos alguns itens primordiais para a automação moderna:

1) Segurança e Confiabilidade em Sistemas Críticos

Ao avaliar este tema, identifica-se um sistema crítico em automação quando

está intimamente ligado ao risco de vida humana, desastres ambientais e

perdas econômicas. Para isso, há necessidade de o sistema de automação ser

avaliado até para situações que poderiam ser consideradas impossíveis de

acontecer. Nestas condições, estão os serviços de emergências hospitalares,

aviões, fábricas (do ponto de vista da economia), etc. (CABRAL,1999)

A segurança e confiabilidade decorrem da exaustiva execução das tarefas.

Porém, a segurança e a confiança ainda perpassam pela boa qualificação do

profissional que responde pela área específica do sistema. Em sistemas

críticos é essencial a busca por falhas que podem ocorrer e suas devidas

116

soluções no momento da ocorrência ou em tempo real. Não obstante disso

está a realização de redundância para todas as tarefas que o sistema irá

realizar. Isto caracteriza um Sistema de Tempo Real que pode ser classificado

em função das conseqüências oriundas de uma falha no cumprimento dos

limites de tempo especificados. Tal classificação está diretamente relacionada

com a natureza do elemento (objeto ou sistema) a ser controlado. Segundo

este ponto de vista, tem-se a seguinte classificação: Soft Real Time e Hard

Real Time (ou Sistema de Tempo Real Crítico) (CABRAL, 1999). Soft RealTime

são os sistemas em cuja falha no cumprimento dos limites de tempo não

acarreta em danos e/ou prejuízos significativos, tais como: sistemas que

envolvem compartilhamento de voz e de imagem, transações bancárias on-line,

dentre outros. Por outro lado, os sistemas ditos Hard RealTime (Tempo Real

Crítico) são aqueles cujas conseqüências de uma falha no cumprimento dos

limites de tempo podem ser catastróficas, ou melhor, o custo de tais falhas é de

uma ordem de grandeza que é superior à da própria utilidade do sistema, tais

como: controle de processos industriais, controladores de vôo, dentre outros. É

importante ressaltar que apesar da velocidade de execução freqüentemente

ajudar na construção de um eficiente Sistema de Tempo Real Crítico, este tipo

de sistema não deve necessariamente ser associado à velocidade (tempos de

resposta reduzidos).

A ordem de grandeza do tempo de resposta necessário para o sistema está

diretamente relacionada com o tipo de equipamento, processo ou sistema a ser

controlado. Além do escalonamento de tarefas, outro campo de interesse, a fim

de se garantir a confiabilidade de um Sistema de Tempo Real Crítico, é a

tolerância a falhas. Uma alta confiabilidade somente pode ser atingida com um

alto grau de tolerância a falhas. O sistema deve ser capaz de tolerar

determinados tipos de falhas e ainda concluir uma operação com sucesso. Isto

pode ser atingido usando redundância de hardware e/ou software,

escalonamento tolerante a falhas e estratégias de recuperação.

117

2) Otimização de Informações, no Sentido de Fornecer uma Interface

Homem Máquina Apropriada

O tempo de realização de uma determinada tarefa com rapidez e confiabilidade

é característica da sociedade moderna. Neste sentido a otimização de

informação, através de estudo da otimização, passa a ser um ponto de

destaque entre os desafios da automação. Ainda hoje existe ainda

compatibilidade de interface causando transtornos para os usuários que

dispõem de pouco conhecimento na área tecnológica, além de outros tipos de

conseqüências de um mal projeto de interface como perdas industriais,

econômicas, ecológicas e até de vidas humanas. A pesquisa na busca de

otimizar a automatização entre as interfaces é percebida no momento da

utilidade do equipamento de automação.

As empresas de grande reconhecimento no mercado de Hardware atuam na

compatibilidade de interfaces. Isso facilita para o mercado, pois o usuário pode

escolher com segurança e confiabilidade de interfaces compatíveis. Porém,

neste artigo, busca-se uma maneira de otimizar as informações sem a

interferência de hardware ou software. Neste sentido, há necessidade de

estabelecer um critério de detectar como estabelecer a otimização das

informações.

3) A questão do desemprego e a Qualificação de mão de obra

A complexidade crescente dos sistemas de automação, associada à

necessidade constante de novos desenvolvimentos, faz com que os seus

efeitos sobre o emprego tenham sido objeto de diversos debates. Desde o

início do século XIX, quando do surgimento dos primeiros teares automáticos,

muito se tem falado sobre a ameaça da substituição da mão-de-obra por

sistemas automáticos. Segundo tal ponto de vista, níveis crescentes de

automação conduzem a níveis também crescentes de desemprego. Sob outra

ótica, pode-se argumentar que a implantação e a manutenção de um processo

118

automatizado geram grandes necessidades de emprego, embora com um grau

de qualificação superior ao do trabalho substituído. O efeito líquido é de difícil

quantificação, pelo menos no curto prazo. Entretanto, há que se perguntar qual

a possibilidade de um trabalhador substituído pela automação vir a ser

empregado no novo processo, uma vez que isso pode significar uma mudança

completa em sua atividade original. (DEITOS, 2006).

Inicialmente, a implantação de processos automatizados na indústria tinha o

objetivo de alcançar maior produtividade e redução de custos. Contudo, a

experiência revelou que isso nem sempre é verdadeiro. O investimento para

implantação de sistemas automáticos é elevado e, além disso, a nova

instalação requer recursos, inclusive humanos, dispendiosos para sua

manutenção.

Atualmente, o principal motor da automação é a busca de maior qualidade dos

processos, para reduzir perdas (com reflexo em custos) e possibilitar a

fabricação de bens que de outra forma não poderiam ser produzidos, bem

como do aumento da sua flexibilidade.

Outra justificativa para os pesados investimentos em automação que têm sido

feitos é a segurança de processos industriais e de infra-estrutura críticos, pois a

automação tem sido vista como uma forma de minimizar o erro humano.

Entretanto, alguns acidentes graves em plantas químicas e nucleares têm

chamado a atenção para a possibilidade de ocorrência de eventos não

previstos pelos projetistas dos sistemas de controle. Nesses casos, a farta

disponibilidade de informações não-relevantes, ocupando tanto os sistemas

quanto seus operadores, fez com que irregularidades rapidamente evoluíssem

para catástrofes. Verificou-se também que nem sempre os operadores

possuem um conhecimento sobre o processo coerente com quem o projetou.

No antigo caso do tear, houve uma migração da inteligência do operador, que,

por meio de várias operações, produzia desenhos no tecido, para “dentro” da

máquina. É um caso semelhante ao dos tornos mecânicos, em que o

119

conhecimento do operador é “internalizado” na máquina-ferramenta por meio

de um programa, gerado autonomamente ou na atividade de projeto da peça. A

montagem de placas eletrônicas, necessariamente automática por causa das

minúsculas dimensões manuseadas, obedece a programas gerados durante o

projeto dessas placas.

A multiplicação dos exemplos leva sempre ao fato de que, independentemente

da natureza do processo ou do produto, o conhecimento está “embutido” no

sistema de controle automático e seus dispositivos. Isso é particularmente

importante na elaboração de políticas de atração de investimentos produtivos,

pois o fomento também às atividades de engenharia de produtos ou processos

associadas a esses investimentos é o primeiro passo no sentido do seu

“enraizamento”.

Por outro lado, as indústrias e atividades associadas à automação do controle

de processos podem representar um importante papel na geração de

empregos altamente qualificados em física, química, engenharia, software e

eletrônica e microeletrônica. Mais, a automação industrial pode contribuir para

canalizar atividades científicas para a criação de produtos com elevado

conteúdo tecnológico e alto valor agregado. Contudo, para que estes efeitos

benéficos se tornem realidade, é fundamental incrementar o valor agregado no

país aos produtos e serviços de automação que aqui são consumidos.

4) Os desafios das variáveis

Um dos grandes desafios da automação consiste em determinar com precisão

quais são as variáveis que devem ser manipuladas e em que magnitude, para

que as variáveis controladas se mantenham nos valores desejados. Os

cálculos efetuados com esse objetivo são incorporados aos algoritmos

executados pelos controladores, para emissão das ordens enviadas aos

atuadores. O procedimento mais adotado para esses cálculos e também o mais

tradicional é o denominado controle PID (Proporcional – Integral– Derivativo),

que se baseia nos desvios já ocorridos. Contudo, a pesquisa nesse campo é

120

intensa e outros procedimentos vêm sendo testados e implementados, como

sistemas especialistas e os baseados em lógica fuzzy, que incorporam a

experiência humana nos modelos de determinação das respostas de controle.

5) Desempenho de cada componente crítico

Como o sistema de automação precisa atuar de forma interativa, coordenada e

integrada, o desempenho de cada componente é crítico para a eficiência do

conjunto, o que, por sua vez, pode afetar o desempenho de toda a planta.

Entre os vários fatores que podem afetar o desempenho do sistema de controle

automático, podem ser citados os seguintes:

• a qualidade dos dispositivos sensores, controladores e atuadores, pois deles

dependem diretamente a precisão e a velocidade de resposta do sistema;

• as estratégias de controle adotadas, inseridas nos algoritmos executados pelo

controlador, as quais determinam as ações a serem executadas;

• as velocidades de processamento e de resposta do controlador;

• a qualidade da rede de comunicação de dados intra-sistema.

As novas redes, denominadas redes de campo, ou redes industriais

(Fieldbuses), trouxeram vários benefícios para a automação, tais como:

redução de custos de instalação da rede, pois técnicas como a multiplexação

fazem com que a mesma infra-estrutura seja capaz de transportar uma

quantidade de dados centenas de vezes superior; acesso remoto a dispositivos

para configuração, diagnóstico e detecção precoce de falhas, fornecendo

elementos para manutenção preditiva; distribuição de tarefas de controle a

dispositivos de campo sob supervisão central; e troca de informações entre

dispositivos como sensores, controladores e atuadores, todos conectados ao

mesmo barramento de controle, em tempo real. (PEREIRA, 2001).

Como desvantagens, podem ser citadas a necessidade de maior qualificação

dos usuários e das equipes de manutenção e o preço mais elevado dos

121

componentes individuais, que precisam incorporar elementos de comunicação

mais poderosos.

As redes industriais distinguem-se das redes de comunicação corporativas por

precisarem atender a requisitos mais rigorosos de resistência mecânica, por

serem compatíveis com ambientes agressivos e corrosivos, com operação em

temperaturas elevadas, e por possuírem maior imunidade a interferências

eletromagnéticas.

6) A questão da Concepção e projeto de dispositivos

É a etapa com maior conteúdo de trabalho criativo, que requer a participação

de equipe multidisciplinar constituída por pessoal especializado das áreas de

ciências dos materiais, ciências da computação, engenharia mecânica,

eletrônica e elétrica. Suas atividades incluem:

Elaboração de normas e protocolos de automação;

Desenvolvimento de software produto;

Elaboração de estratégias de automação e controle. As estratégias são

determinadas por atuação conjunta da engenharia de controle e da

engenharia de processo, que conhecem as variáveis relevantes e suas

relações de causa e efeito;

Especificação e dimensionamento dos sistemas de Instrumentação;

Projeto de detalhamento do sistema de automação;

Desenvolvimento e implantação de novas técnicas de controle

avançado. Envolve a utilização de sistemas especialistas, programação

de MPC (controlador preditivo multivariável) etc;

Fabricação de dispositivos de automação;

Desenvolvimento da aplicação de software;

Projeto da rede industrial. Projeto da rede de comunicação de dados

entre os instrumentos de campo e os equipamentos de controle e

supervisão, com definição da forma de transmissão de dados, de

protocolos de comunicação e dimensionamento e especificação do

122

cabeamento e dos dispositivos e/ou equipamentos de transmissão e

recepção;

Implantação e operação do sistema de automação. Envolve seleção,

aquisição, instalação, adaptação, ajuste,configuração e teste dos

instrumentos, dispositivos, equipamentos e software que constituem a

plataforma de automação, bem como da rede de comunicação de

campo, e a sua integração.

7) As redes Fieldbus

A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na

automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de

custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral,

pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanece, tais como ruído, má

instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a

sala de controle, altos custos, dentre outros.

Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível

encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo,

onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de

petróleo.

Da ultima década até os dias atuais, os sistemas de automação de processos

das plataformas de petróleo e gás do Brasil incorporaram muitas novas

tecnologias. Uma das mais importantes foram os sistemas de controle de

processo baseados na tecnologia Foundation Fieldbus – FF. As exigências,

cada vez maiores, de dados precisos de produção de segurança obrigam as

unidades offshore de prospecção de petróleo e gás a seguir normas cada vez

mais rígidas. Nesse cenário, a busca por novas tecnologias que possam

agregar confiabilidade, eficiência, otimização, redução de custo e menor tempo

de manutenção, é um caminho sempre seguido por esse segmento de

mercado.

123

VANTAGENS: O menor tempo para implantação, a grande flexibilidade, o

grande numero de fornecedores para a tecnologia, a possibilidade de controle

distribuído no campo e a rapidez para diagnostico e resolução de problema são

algumas características que podem fazer da FF um padrão para os sistemas

de controle de plataforma no Brasil.

125

4. A Prospecção Tecnológica Como Ferramenta de

Competitividade

A necessidade de aumento da competitividade por parte de organizações e

países pode ser explicada, em parte, pelo grande desenvolvimento das

tecnologias da informação. Isso tem levado o mundo ao que se denomina

“aldeia global”, fazendo com que os países e as organizações se encontrem

frente a um mercado global altamente competitivo. Esse aumento nos níveis

competitivos faz com que a antecipação das mudanças tecnológicas se torne

um fator importante, levando a que a capacidade de uma empresa, indústria ou

país em identificar novas tecnologias e tomar ações apropriadas seja de vital

importância.

O comportamento dinâmico e as inter-relações entre os componentes de uma

sociedade provocam modificações nas demandas por tecnologia, sendo esta

considerada um importante componente para a sobrevivência das

organizações e, de certa forma, para o crescimento da sociedade como um

todo, trazendo a possibilidade de se criar novas oportunidades. Neste contexto,

fazem-se mais do que necessário os estudos de prospecção tecnológica,

fundamentados principalmente por quatro fatores:

• o crescimento dos mercados, e o conseqüente aumento da produção

necessitam cada vez mais de sistemas estruturados de inovação e

organizações e serviços baseados no conhecimento. Isto tem

aumentado a relevância dos investimentos em ciência e tecnologia.

Como tais investimentos são, a princípio, elevados e de certa forma

arriscados, a utilização de ferramentas que possam auxiliar no

direcionamento desses investimentos tem se tornado cada vez mais

freqüente entre países e organizações;

126

• a restrição e a justificativa aos gastos públicos têm se tornado comum

em vários países, independente de seu grau de desenvolvimento.

Assim, todo investimento público, além de justificado, deve mostrar seu

grau de relevância ao país ou setor;

• as modificações sofridas pela gestão da produção, no que se refere ao

aumento de flexibilidade nas tomadas de decisões, trabalho em equipe e

maior enfoque nas relações empresa-cliente, bem como maior ênfase

nos processos de “aprendizagem” e “conhecimento” suscitam a maior

necessidade de se desenvolverem “visões compartilhadas sobre o futuro

da organização e os fatores sociais que afetam sua criação”;

• as mudanças sofridas no processo de geração do conhecimento, que

se caracteriza por uma maior interdisciplinaridade e heterogeneidade de

áreas. Sua construção se dá através da contextualização de aplicação,

onde se espera que ocorram parcerias e da criação de redes de

informações entre pesquisadores e usuários, que de alguma forma se

beneficiam com a pesquisa.

A análise prospectiva é uma importante ferramenta de gestão que se apóia na

premissa da complexidade e na necessidade de explorar e entender uma teia

de relações complexas, para se estabelecer possíveis alternativas de futuro.

Entre muitos possíveis usos, a prospecção tecnológica pode indicar

oportunidades e ameaças ao desenvolvimento tecnológico, setorial e regional,

apontando gargalos, limitações, oportunidades e demandas por tecnologias.

Entre várias definições de prospecção tecnológica, pode-se citar que é um

meio sistemático de mapear desenvolvimentos científicos e tecnológicos

futuros capazes de influenciar de forma significativa uma indústria, a economia

ou a sociedade como um todo.

Diferentemente das atividades de previsão clássica, que se dedicam a

antecipar um futuro suposto como único, os exercícios de prospecção são

127

construídos a partir da premissa de que são vários os futuros possíveis e são

conduzidos de modo a “construir conhecimento”, ou seja, buscam agregar valor

às informações do presente, de modo a transformá-las em conhecimento e

subsidiar os tomadores de decisão e os formuladores de políticas destacando

rumos e oportunidades para os diversos atores sociais.

Fazer prospecção significa identificar quais são as oportunidades e

necessidades mais importantes para a pesquisa no futuro, sem perder de vista

que os desenvolvimentos científicos e tecnológicos são resultantes de

complexa interação entre diferentes fatores, da existência e ação de atores

sociais diversos, de trajetórias tecnológicas em evolução e competição, de

visões de futuro conflitantes, de urgentes necessidades sociais, de

oportunidades e restrições econômicas e da crescente consciência ambiental.

Os processos sistemáticos de analisar e produzir julgamentos sobre

características de tecnologias emergentes, rotas de desenvolvimento e

impactos potenciais no futuro estão inseridos no conceito de Technology Future

Analysis, que incorpora uma grande variedade de métodos de prospecção

tecnológica. Neste sentido, TFA busca integrar conceitos de technology

foresight e assessment studies, predominantes no setor público, e de

technology forecasting e intelligence, mais ligados à demandas do setor

privado.

Um estudo prospectivo envolve o uso de múltiplos métodos ou técnicas,

quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade. Uma vez

que não faz sentido definir uma fórmula pronta para uma metodologia de

prospecção, a escolha dos métodos e técnicas e seu uso dependem

intrinsecamente de cada situação. São considerados aspectos tais como

especificidades da área de conhecimento, aplicação das tecnologias no

contexto regional ou local, governamental ou empresarial, abrangência do

exercício, horizonte temporal, custo e objetivos. Mesmo que nenhuma técnica,

em específico, possa eliminar as incertezas sobre o futuro, um processo

128

estruturado que permita se previr o futuro tecnológico e avaliar as tecnologias

emergentes pode ser de grande ajuda para a tomada de decisão tecnológica.

Dentro do contexto da inovação, a prospecção tecnológica auxilia no sentido de

1) promover canais e linguagens comuns para a circulação de informação e

conhecimento de caráter estratégico para a inovação; 2) Fornecer mais

inteligência antecipativa inserida no processo de tomada de decisão em

ciência, tecnologia e inovação; 3) Incorporar visões de futuro no pensamento

dos atores sociais envolvidos no processo de tomada de decisão e de criação

de redes; e 4) Apoiar as decisões relativas ao estabelecimento de prioridades

para P&D, gestão dos riscos das inovações tecnológicas, melhoria da

competitividade tecnológica de produtos, processos e serviços.

Quanto às estratégias de execução, de modo geral, consideram-se dois

grandes pontos de partida simultaneamente, uma vez que são essencialmente

complementares:

Evolução Tecnológica: busca-se, a partir do referencial tecnológico, estudar

as características das trajetórias tecnológicas consolidadas e identificar

possíveis desdobramentos e principais condicionantes, além de identificar

trajetórias emergentes e/ou alternativas. Neste caso, por meio da gestão da

informação se pode visualizar o estado-da-arte e as tendências de determinado

setor ou tema, com o objetivo de gerar informações sobre a sua trajetória

passada e sobre as perspectivas futuras, bem como emitir a percepção sobre

tendências inovadoras não consensuais.

Evolução Sócio-Institucional: busca-se examinar as maneiras pelas quais a

ciência e a tecnologia se relacionam com a evolução da sociedade em distintos

cenários. Para isso busca-se avaliar os possíveis impactos de diferentes

estratégias de C&T no desenvolvimento, identificar incentivos e restrições

sociais, políticas, econômicas e institucionais para as diferentes trajetórias de

C&T, além de identificar e analisar a opinião pública e seu conjunto de valores.

129

As principais variáveis que compõem o escopo dos estudos de prospectiva

tecnológica podem ser assim consideradas:

• comunicação entre diferentes grupos: pesquisadores de diferentes

campos científicos, tecnológicos, mercadológicos e etc, usuários e

financiadores.

• concentração em um futuro de longo prazo, o que de certa forma não é

um processo rotineiro comum.

• coordenação entre pesquisadores e usuários, das atividades científicas

e tecnológicas futuras.

• consenso sobre os futuros mais prováveis, desejáveis e tendências e

as prioridades para a pesquisa e desenvolvimento.

• compromisso dos participantes com os resultados obtidos e na

tentativa de converter em ação as informações obtidas no estudo

prospectivo.

Métodos e Técnicas:

As diferentes abordagens, métodos e técnicas podem ser consideradas

como um meio para aperfeiçoar a atividade prospectiva e seus resultados. A

lista de campos de estudo relacionados com a temática de explorar o futuro é

grande e tende a crescer ainda mais. Uma simples revisão dos termos na

literatura identifica diferentes denominações para grupos e estruturas

conceituais, tais como: technology forecast, technology foresight, social

foresight, technology assessment, monitoring (environmental scanning, veille

technologique, vigilância tecnológica), prospective studies, roadmapping,

scenarios studies, multicriteria decision analysis, competitive intelligence, etc.

Métodos e técnicas tendem a diferir em abordagens e em habilidades

requeridas. Podem ser classificados como "hard" (quantitativos, empíricos,

numéricos) ou "soft" (qualitativos, baseados em julgamentos ou refletindo

130

conhecimentos tácitos). Muitos métodos e técnicas atualmente em uso se

originam de outros campos do conhecimento, tais como modelagens e

simulações e se valem das facilidades aportadas pela tecnologia da informação

coletando e tratando grandes quantidades de dados disponíveis de forma

eletrônica para identificar tendências através de processos de "mineração de

dados".

131

4.1. Metodologia

A metodologia adotada nesse projeto, baseada na demanda especificada pelo

SENAI foi organizada em duas partes, análise de artigos e de patentes

organizada da seguinte forma:

Foi realizada uma análise de artigos e patentes na base de dados SCIRUS,

que é uma máquina de procura especializada em ciência

(http://www.scirus.com). Foram determinados os critérios de busca e a

metodologia de acordo com a demanda especificada pelo SENAI. Inicialmente,

realizou-se uma pesquisa na literatura e uma busca preliminar de artigos e

patentes, visando identificar possíveis palavras-chaves relevantes para o

projeto. Norteados pelo artigo “Future Trends in Process Automation”, de

Sirkka-Liisa Jamsa-Jounela, da Helsinki University of Technology, Laboratory of

Process Control and Automation de 2007, as palavras-chave específicas

escolhidas foram os grupos de tecnologias: “Fieldbus”, “Ethernet” e “Wireless”,

que, posteriormente, foram individualmente cruzadas com a expressão

“Industrial process automation”.

Em relação ao intervalo temporal, utilizaram-se os limites que a base de dados

oferece, ou seja, de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para

artigos quanto para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a 2009. Em

relação às áreas relacionadas, com o intuito de filtrar os documentos que

possivelmente fugiriam do assunto, restringimos em: Chemistry and Chemical

Engineering; Computer Science; Economics, Business and Management;

Engineering, Energy and Technology; e Material Science. E, para os artigos, foi

dada ênfase na fonte da Science Direct.

Todos os artigos e patentes identificados foram organizados e analisados de

acordo com o assunto predominante, como por exemplo: Equipamentos,

quando o foco do material é algum equipamento, como sensores e

132

controladores; Sistemas, quando se trata de algum método ou sistema

específico de controle ou transmissão de dados. Os outros grupos podem ser

conferidos a seguir, nas análises de assuntos dos artigos e patentes.

4.2. Análise de Artigos

Seguindo a metodologia acima descrita, no tocante a artigos, foram

encontrados 56 para tecnologia “Fieldbus”, 183 para tecnologia “Ethernet” e

344 para tecnologia “Wireless”. Após análise preliminar, excluindo-se os artigos

irrelevantes, os repetidos ou aqueles sem informações (apenas o título), foram

analisados respectivamente 42, 72 e 80 para cada palavra-chave, cruzando

ainda com o termo “industrial process automation”.

Tabela 4 – Metodologia de busca de artigos Fonte: Elaboração Própria

4.2.1. Análise Temporal

Através dos resultados obtidos, foi realizada uma análise temporal dos artigos,

que é capaz de mostrar a evolução e o estado-da-arte das tecnologias.

Inicialmente, temos que, para a tecnologia “Fieldbus”, o primeiro pico em

número de publicações foi atingido em 2001 e, após um leve decréscimo nos

anos posteriores, voltou a ser atingido em 2007, em níveis maiores. Esse

comportamento pode ser observado na figura 42.

Cruzamentos de palavras-chave

utilizadas na busca

N° de

Artigos

encontrados

N° de

Artigos

relevantes

“industrial process automation” x “Fieldbus” 56 42

“industrial process automation” x “Ethernet” 183 72

“industrial process automation” x “Wireless” 344 80

TOTAL 583 195

133

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 abr/09

Ano

Nú

me

ro d

e A

rtig

os

Figura 42 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


Observando-se a figura 43, nota-se que para a tecnologia “Ethernet”, a

quantidade de publicações seguiu em níveis crescentes desde o primeiro ano,

1995, tendo os ápices em 2002, 2005 e 2007 e um decréscimo a partir de

2008.

Figura 43 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


134

Em “Wireless”, na figura 44, percebe-se que o comportamento é mais

oscilatório, intercalando, anualmente, entre quedas e aumentos na quantidade

de publicações, tendo o máximo sido atingido em 2007, tal qual o ocorrido para

“Fieldbus”.

Figura 44 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


4.2.2. Distribuição dos artigos por país

Com relação à distribuição do número de artigos por país do autor, tem-se que,

para “Fieldbus” e “Ethernet”, a parceria entre pesquisadores de países

diferentes obteve maior destaque e, em “Wireless”, o maior número de

publicações advém dos Estados Unidos, que também merece menção nas

outras duas tecnologias, onde obteve o 2o lugar no ranking. Para o Brasil, o

maior número de artigos publicados foi em “Fieldbus”, onde está logo abaixo

dos Estados Unidos; nas demais tecnologias, há uma grande lacuna entre o

número de publicações brasileiras e a quantidade das nações que estão nas

135

primeiras posições do ranking. Todo este comportamento pode ser observado

nas figuras 45, 46 e 47 a seguir.

Figura 45 – Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


136

Figura 46– Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


137

Figura 47 – Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


138

4.2.3. Distribuição dos artigos por fonte de informação

(periódicos, congressos, conferências, teses)

Quando se está delineando o estado-da-arte de uma tecnologia, um fator

relevante a ser estudado é onde as informações estão sendo divulgadas, ou

seja, quais são os periódicos que abordam determinado assunto. Neste

sentido, para “Fieldbus” e “Wireless” observa-se que os principais periódicos

são “Annual Reviews in Control”, seguida da “Computers in Industry”. Os

mesmos periódicos merecem destaque para “Ethernet”, todavia com

posicionamento invertido, “Computers in Industry”, seguida de “Annual Reviews

in Control”. Nas figuras 48, 49 e 50 a seguir, podem-se observar outras fontes

de informação que merecem destaque.

Figura 48 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


Tabela 5 – Fontes de informação com menor destaque e com apenas 1 artigo

do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus” Fonte: Elaboração própria

139

Figura 49 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”



do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet” Fonte: Elaboração própria

140

Figura 50 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”



do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


141

4.2.4. Distribuição dos artigos por origem do autor

Além das fontes de publicações, é importante delinear onde estão as fontes de

conhecimento, ou seja, universidades, empresas, centro de pesquisas ou

associações entre estas partes. Para todas as tecnologias, o conhecimento

advém, em grande parte, das universidades. Para “Fieldbus” são 76%, para

“Ethernet”, 83% e, para “Wireless”, 75%. Para “Fieldbus” e “Ethernet”, o

segundo destaque são parcerias entre empresas e universidades e, para

“Wireless”, as pesquisas são oriundas das empresas. Este comportamento

pode ser observado nas figuras 51, 52 e 53 a seguir.

Figura 51 – Análise da origem dos autores dos artigos

do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus” Fonte: Elaboração própria

142


do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet” Fonte: Elaboração própria


do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless” Fonte: Elaboração própria

143

4.2.5. Objetivo dos artigos

Quanto aos objetivos dos artigos, de uma maneira geral, estão o “Diagnóstico

de falhas”, “Descrição de sistemas e estabelecimento de novas arquiteturas”,

“Otimização”, “Interoperabilidade de redes”, “Estabelecimento de redes

híbridas”, “Aumento de escala de sistemas”, “Teste de algoritmos”, “Simulação

de modelos matemáticos”, “Redução de custos de redes” e “Estabelecimento

do estado-da-arte da automação industrial”.

4.2.6. Distribuição dos artigos por assunto

Visando aprofundar nossa análise, todos os artigos de cada grupo (Fieldbus,

Ethernet e Wireless) foram classificados de acordo com o assunto

predominante: “Sistema”, quando o foco principal do artigo é o aprimoramento,

o teste, a descrição ou diagnóstico de falhas de sistemas, ou redes de

automação; “Software” quando o foco principal do artigo é o desenvolvimento

ou estudo de softwares de automação; “Equipamento”, quando o foco principal

do artigo é a utilização, o aprimoramento, o teste ou o diagnóstico de falhas de

sensores e/ou outros equipamentos de automação; “Algoritmo” quando o foco

principal do artigo é um algoritmo alternativo ao tradicional binário; “Aplicação”

quando o foco principal do artigo é a aplicação específica de um sistema ou

equipamento em automação; “Análise de tendências” quando o foco principal

do artigo é delinear o panorama atual da automação industrial e, portanto,

tange todos os demais assuntos; “Simulação” quando o foco principal do artigo

é a simulação de modelos matemáticos que descrevem determinado sistema

ou algoritmo. A tabela 8 sintetiza a classificação dos artigos para cada grupo de

tecnologias estudadas.

144

Tabela 8 – Distribuição dos artigos por assunto


Observa-se na tabela 8 que, para todas as tecnologias, o destaque na

classificação de assuntos é para “Sistema”. Em segundo lugar tem-se, para

“Ethernet”, o estudo de “Equipamento” e, para “Fieldbus” e “Wireless”, a

“Análise de Tendências”.

A categoria “Sistema”, onde está se destacando os subgrupos de tecnologias,

será melhor detalhada no item 4.4 do presente trabalho.

Dentre a categoria “Equipamento” estudada nos artigos, pode-se destacar, na

tecnologia “Fieldbus”, aqueles para registro de imagens médicas. No caso de

“Ethernet”, temos a concepção de “narizes eletrônicos” compostos de sistemas

multi-sensores para detecção de gases poluentes e estudo de sensores de

gás, de maneira geral. Já para “Wireless”, tem-se o estudo de sensores,

protótipos e fibra ótica.

Na categoria “Software”, em “Ethernet” tem-se os seguintes estudos:

desenvolvimento de sistemas de software, seguido de testes destes por

simulação para componentes “object-oriented”; design e desenvolvimento de

interface para sistemas “real-time” distribuídos; pontos críticos do sistema

Assunto Fieldbus Ethernet Wireless

Sistema 70,7% 61,8% 44,0%

Análise de tendências 9,8% 7,4% 24,0%

Equipamento 7,3% 8,8% 12,0%

Software 0,0% 5,9% 8,0%

Algorítmo 4,9% 4,4% 2,7%

Aplicação 2,4% 5,9% 6,7%

Sistema/Equipamento 4,9% 1,5% 0,0%

Simulação 0,0% 4,3% 2,6%

145

“DataMining Grid” (flexibilidade, extensibilidade , escala, eficiência, simplicidade

conceitual e facilidade de uso); estudo evolutivo de métodos computacionais

em engenharia de software de teste; e, mudança de plataforma que podem

afetar o comportamento do software determinístico e portátil do sistema “real-

time”; já em “Wireless”, destaca-se a descrição de um software de tomada de

decisão.

Na categoria “Algoritmo”, pode-se destacar tanto em “Fieldbus” quanto em

“Ethernet”, aquele que se baseia na lógica fuzzy que se trata de uma lógica

multi-valores derivada da teoria “fuzzy set”.

Por fim, para tecnologia “Fieldbus”, na categoria “Aplicação” o monitoramento

de corrosão geral ou localizada em canos e vasos.

4.2.7. Setores de atuação

Ao se analisar todo o conteúdo dos 195 artigos, encontrou-se uma diversidade

de setores de atuação que foram analisados e organizados de acordo com sua

maior relevância.

Foi possível detalhar, para todas as tecnologias estudadas ( Fieldbus, Ethernet

e Wireless), os principais setores de atuação de seus respectivos artigos. De

uma maneira geral o principal setor de atuação são as indústrias

automatizadas.

Pode-se observar que nas três tecnologias estudadas, a maior parte dos

artigos analisados apontou para “Aplicações industriais em geral”, não sendo

específico para um segmento industrial propriamente dito.

Além disso, cabe destacar que apareceram, ao longo das pesquisas, diferentes

setores de atuação para as tecnologias estudadas, que não se enquadram no

146

escopo do presente trabalho, como por exemplo, setores “Comércio e

Financeiro”, “Construção Civil”, e “Aplicações Militares”.

Quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x

Fieldbus”, observa-se um ranking em relação aos setores de automação, de

acordo com a tabela 9.

Tabela 9 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Fieldbus

O maior número de artigos específicos foi para “Aplicações industriais em

geral”, onde os principais assuntos são “Arquitetura de controles metamórficos

para sistemas de fábrica” e “Sistemas de controle”.

Em segundo lugar temos a “Indústria Química e Petroquímica” que teve o total

de 15%, dentre os principais assuntos tratados neste setor estão “As futuras

tendências na automação de processos”, “Arquitetura de hardwares de

sistemas operacionais” e “Controle de plantas químicas e petroquímicas”.

Em terceiro lugar estão os “Sistemas Mecatrônicos e Robótica” onde os artigos

citam a apresentação da estrutura de comunicação necessária para desenhar e

implementar a arquitetura de robôs e apresentação de um layout de estrutura

padrão, estruturados através do modelo de sistema de operação multiuso, de

forma a desenvolver um bom entendimento e mecanismo genérico.

Setor Número de artigos

Aplicações Industriais em Geral 40,0%

Indústria Química e Petroquímica 15,0%

Sistemas mecatrônicos e Robótica 10,0%

Medicina 5,0%

Comunicação 5,0%

Manufatura 5,0%

Metalurgia 5,0%

Aplicações Militares 5,0%

Indústria de Energia 5,0%

Indústria Biotecnológica 5,0%

147

Já quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x

Ethernet”, observa-se a seguinte tabela 10.

Tabela 10 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra -chave Ethernet

Quando a palavra-chave é Ethernet, observa-se que grande parte dos artigos

focou em “Sistemas Mecatrônicos e Robótica”, no entanto muitos ainda

apresentaram características genéricas e foram alocados em “Aplicações

industriais em geral”. Essa generalização se deve ao fato de Ethernet ser uma

arquitetura de interconexão de computadores em rede de alta velocidade, que

define tipos de cabos, conectores, sinais elétricos, ópticos e protocolos de

comunicação que são conceitos fundamentais nesses setores.

Em terceiro lugar observa-se “Sistemas de Automação”, onde os principais

assuntos são a construção de sistemas no complexo de automação baseado

na simulação de componentes básicos e diagnósticos de falhas no sistema de

controle.

Quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x

Wireless”, pode-se observar a seguinte tabela 11.

148

Tabela 11 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Wireless

Para a análise dos artigos do cruzamento “Industrial process automation x

Wireless”, é possível observar que o maior número de artigos foi para

“Aplicações Industriais em geral”, corroborando com o fato que as redes locais

sem fio constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio,

fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível de fácil

configuração e com boa conectividade e dessa forma se encaixam bem na

maioria dos setores.

Além disso, é possível observar que a maior diversidade de setores específicos

foi obtida através da palavra-chave Wireless. “Comércio e Financeiro” foi o que

obteve maior freqüência com 12,3% dos artigos.

4.2.8. Subgrupos de tecnologias

Alguns dos artigos analisados continham subgrupos de tecnologias, isto é,

derivações das tecnologias estudadas. Estas derivações tanto podem ter sido

desenvolvidas pelo próprio autor, como podem ser citações de subgrupos de

domínio público. A figura 54 mostra a alocação destes subgrupos nas

149

tecnologias estudadas que, conforme citado anteriormente, serão melhor

detalhados no item 4.4 deste trabalho.

Figura 54 – Subgrupos de Tecnologias


TIPPtool

OPNET

ATM´s QoS Control

Fieldbus Foundation

CORBA

NCS

MCS

Fieldbus Ethernet

Wireless

DCS LonWorks Profibus

CAN WATM CSMA/CD

FMS-Profibus

FoundationTM Protocol

Simplebus

PLC

CAN

WATM

CNC

STEP-NC

NCS Distributed Embedded System

ERP SCM PCDS

Rtnet

FLEXICON

PDA

CORBA

CAN WATM

Neuro fuzzy controller

CBM

Wireless sensor networks

WiMax

Wireless mesh networks

CIM DRES

NCS

PDA

Wireless LAN

WiMax

Wireless sensor networks

Wireless mesh networks

OPNET

ATM´s QoS Control

Wireless LAN

TDL CIDER

DCS

Distributed Real-time system

CSMA/CD

LonWorks

Profibus

TCP/IP

LAN-TCP

MMS

CAN-bus

CIM

DOC

CAD

IMS

LAN

FMS

AEM

FMFNNs

ERP

SCM

Profibus

LonWorks

FMS

PLM

Real-time system

Embedded system

DCS

CAP

WLANs WPANs

WMANs

150

4.3. Análise de Patentes

Com relação à análise das patentes, foram realizadas as buscas de acordo

com a metodologia descrita anteriormente. No total, foram encontradas 388

patentes, sendo que, retirando as repetidas e as que não eram pertinentes,

fica-se com um total de 305 patentes. A tabela 12 apresenta os resultados das

buscas para cada cruzamento.

Tabela 12 – Metodologia de busca de patentes Fonte: Elaboração Própria

4.3.1. Análise Temporal

Através dos resultados obtidos pela busca, foi realizada uma análise temporal

das patentes, que é capaz de mostrar a evolução das tecnologias. Lembrando

que a busca foi feita em todos os limites que a base de dados oferece, ou seja,

de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para artigos quanto

para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a 2009. Os gráficos a seguir

mostram os resultados para cada um dos três cruzamentos: Fieldbus, Ethernet

e Wireless.

Cruzamentos de palavras-chave

utilizadas na busca

N° de

Patentes

encontradas

N° de

Patentes

relevantes

“industrial process automation” x “Fieldbus” 42 32

“industrial process automation” x “Ethernet” 126 104

“industrial process automation” x “Wireless” 220 169

TOTAL 388 305

151

Figura 55 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


Figura 56 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


Figura 57 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


152

Com os resultados anteriores, pode-se destacar que no primeiro cruzamento,

“industrial process automation x Fieldbus”, o ano que obteve destaque foi o de

2006, com o maior número de depósitos de patentes, seguido de um relativo

declínio nos anos seguintes. No segundo grupo de patentes, relativo ao

cruzamento “industrial process automation” com “Ethernet”, o ano de 2006 é

também o que apresenta maior destaque. Pode-se perceber que o período com

o maior número de patentes vai de 2003 até 2007. Finalmente, na análise do

último cruzamento com a palavra-chave “Wireless”, é possível perceber que o

surgimento de depósitos de patentes ocorre no ano de 2001, mostrando ser a

tecnologia mais recente de todas e, o ápice recai sobre o ano de 2005, com

mais de 30 patentes.

4.3.2. Países depositantes de patentes

A análise dos países depositantes das patentes é importante, visto que com ela

pode-se perceber a origem das tecnologias e inovações. No caso dos três

grupos, os Estados Unidos se destaca com mais de 50% das patentes em cada

caso.

Alemanha6% Arábia

Saudita3%

Austrália / Estados Unidos

6%

Canadá10%

Dinamarca / Estados Unidos

3%

Estados Unidos

69%

Grã-Bretanha

3%

Figura 58 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


153

Alemanha8%

Austrália / Estados Unidos

2%

Coréia do Sul2%

Estados Unidos

71%

Grã-Bretanha

2%

Japão4%

Taiwan3%

Outros (Com 1

patente) 8%

Figura 59 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


Alemanha7%

Áustria1%

China 1% Coréia

do Sul7%

Estados Unidos

58%

Estados Unidos /

Grã-Bretanha

2%

Finlândia2%

Japão7%

Rússia1%

Suécia1%

Suécia / Alemanha

1% Taiwan3%

Outros (Com 1

patente) 9%

Figura 60 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


Outros pontos a se destacar são algumas parcerias entre países,

principalmente dos Estados Unidos com Grã-Bretanha, Austrália e Dinamarca.

Pode-se perceber também no primeiro grupo de patentes há um número de 7

países envolvidos nos depósitos das mesmas, no segundo grupo, um número

um pouco maior e, no terceiro grupo, há 16 países no grupo de depositantes

das patentes do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”, o que

154

mostra uma expansão do interesse mundial em inovações a respeito de

controle de processos industriais.

4.3.3. Depositantes das Patentes

A partir das informações das patentes selecionadas, foram listados os

depositantes de cada grupo, como se pode observar nas tabelas 13, 14 e 15.

A empresa que se destacou no primeiro grupo de patentes oriundas do

cruzamento de “industrial process automation” com “Fieldbus” foi a “Rosemount

Inc”, uma empresa especializada em desenvolver instrumentos de medição de

variáveis de processo, tais como: pressão, temperatura, vazão, nível e

controles de intertravamentos de segurança (são lógicas de segurança

implementadas fisicamente ou através de linguagem de programação que

garantem a segurança em aplicações de risco). A “National Instruments

Corporation”, empresa que comercializa softwares gráficos e hardwares que

auxiliam a otimização de diversos sistemas, inclusive automação de processos,

ficou em segundo lugar em depósitos de patentes neste grupo.

155

Tabela 13 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus” Fonte: Elaboração própria

Após uma análise das atividades das empresas depositantes deste primeiro

grupo, chega-se aos resultados da Figura 61. A maioria delas com 46% exerce,

principalmente, um trabalho de pesquisa, desenvolvimento e comercialização

de equipamentos de controle e automação de processos, tais como: válvulas,

sensores, controladores, transmissores, entre outros. Em seguida, ficam as

empresas desenvolvedoras de sofwares e interfaces gráficas, responsáveis

pela otimização e gerenciamento dos controles de processos.

Depositantes N° de Patentes País de Origem Atividades

Rosemount Inc 8 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

National Instruments

Corporation 5 Estados Unidos

Softwares / Interfaces

Gráficas

Rockwell Automation Tech

Inc 3 Estados Unidos

Equipamentos de Controle e

Automação

Husky Injection Molding 3 Canadá Equipamentos de Controle e

Automação

Tridium Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces

Gráficas

Saudi Arabian Oil Co 1 Arábia Saudita Petrolífera

Phoenix Contact GmbH &

Co. 1 Alemanha


Automação

Ncapsa Ltd 1 Reino Unido Softwares / Interfaces

Gráficas

Micro Motion Inc 1 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Invensys Sys Inc 1 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Fieldbus Foundation 1 Estados Unidos Arquiteturas / Sistemas

Cooley Godward, LLP 1 Estados Unidos Outros

ABB Patent GmbH 1 Alemanha Outros

Próprio Inventor 3 - -

156

Figura 61 – Classificação das Empresas depositantes das patentes

do cruzamento “industrial process automation x Fieldbus”


No segundo grupo de patentes, o maior número foi daquelas depositadas pelos

seus próprios inventores, não estando ligadas a alguma empresa ou instituição.

Em segundo lugar aparece a “Rockwell Automation Tech Inc”, empresa de

tecnologia que fornece equipamentos de controle e automação industrial,

consultoria para soluções de problemas e softwares para otimização de

sistemas.

157

Tabela 14 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet” Fonte: Elaboração própria

De acordo com a Figura 62, que mostra a classificação da atividade das

empresas deste segundo grupo, a maioria delas, com 59%, também é referente

a Equipamentos de Controle e Automação e em segundo, com 33%, as

desenvolvedoras de softwares e interfaces gráficas.

Depositantes N° de Patentes País de Origem Atividades

Rockwell Automation Tech Inc 9 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Siemens 8 Alemanha Equipamentos de Controle e

Automação

Microsoft Corporation 7 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas

Rosemount Inc 6 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

National Instruments

Corporation 5 Estados Unidos

Softwares / Interfaces Gráficas

Applied Systems Intelligence,

Inc 2 Estados Unidos


Automação

Chipcon AS 2 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Lg Electronics Inc 2 Coréia do Sul Outros

Schneider Automation Inc 2 França Equipamentos de Controle e

Automação

Sun Microsystems Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas

Tridium, Inc 2 Estados Unidos Softwares / Interfaces Gráficas

VIA Technologies, Inc 2 Taiwan Equipamentos de Controle e

Automação

Empresas com 1 depósito

somente 27

- -


158


do cruzamento “industrial process automation x Ethernet”


No último grupo, de acordo com a Tabela 15, o resultado anterior se repete,

tendo o maior número de patentes depositadas pelos próprios inventores. A

“Rockwell Automation Tech Inc” aparece também em segundo lugar e a

“Siemens” em terceiro.

Pode-se destacar a presença de empresas especializadas em equipamentos e

sistemas de controle de processos, tais como a: “Rockwell Automation Tech

Inc”, “Rosemount Inc” e a “National Instruments Corporation”, bem como o

surgimento do interesse em controle de processos de empresas como a

“Microsoft Corporation” e a “Lg Eletronics”, líderes em desenvolvimento de

tecnologias para eletroeletrônicos e eletrodomésticos de consumo.

59%

33%

8%

Equipamentos de Controle e Automação Softwares / Interfaces Gráficas

Outros

159

Tabela 15 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


Quanto à classificação das empresas em relação as suas atividades, o maior

destaque permanece para aquelas especializadas em equipamentos de

controle e automação, com 37%, seguidas pelo grupo de empresas de

eletroeletrônicos e telecomunicações, com 26%.

Depositantes N° de

Patentes País de Origem Atividades

Rockwell Automation Tech Inc 14 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Siemens 11 Alemanha Equipamentos de Controle e

Automação

Atomate Corp 7 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Microsoft Corporation 5 Estados Unidos Sofwares / Interfaces Gráficas

Amerasia Internat Technology I 4 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Abb Ab 3 Suécia Equipamentos de Controle e

Automação

Abb Patent GmbH 3 Alemanha Outros

Entek IRD Intern Corp 3 Estados Unidos Outros

Matsushita Electric Ind Co Ltd 3 Japão Eletroeletrônicos /

Telecomunicações

Abb Research Ltd 2 Suíça Outros

Canon Kabushiki Kaisha 2 Japão Eletroeletrônicos /

Telecomunicações

Chipcon AS 2 Estados Unidos Equipamentos de Controle e

Automação

Lg Electronics Inc 2 Coréia do Sul Eletroeletrônicos /

Telecomunicações

Metso Automation Networks Oy 2 Finlândia Equipamentos de Controle e

Automação

Mitsubishi Denki Kabushiki

Kaisha 2 Japão Outros

Samsung Electronics Co, Ltd. 2 Coréia do Sul Eletroeletrônicos /

Telecomunicações

Sk Telecom Co Ltd 2 Coréia do Sul Eletroeletrônicos /

Telecomunicações

Sun Microsystems Inc 2 Estados Unidos Arquiteturas / Sistemas

Taiwan S Manufacturing Co Ltd 2 Taiwan Arquiteturas / Sistemas

Empresas com 1 depósito

somente 51 - -


160


do cruzamento “industrial process automation x Wireless” Fonte: Elaboração própria

Após uma análise geral das informações dos depositantes para os três grupos

de tecnologias (Fieldbus, Ethernet e Wireless), pode-se destacar a presença da

empresa “Rockwell Automation Tech Inc”. Já as empresas “Siemens” e

“Microsoft Corporation” aparecem em destaque nos grupos “Ethernet” e

“Wireless”, não aparecendo em “Fieldbus”. Outro dado que merece ser citado é

o fato de que, nos três grupos, uma grande parte das patentes de cada um

deles foram depositadas pelos próprios inventores, sem vínculos, a princípio,

com qualquer empresa.

4.3.4. Classificação e Análise dos Assuntos das Patentes

A automação de processos é um assunto muito discutido atualmente. A maioria

das empresas percebeu que para se manterem competitivas, assegurarem a

sua sobrevivência e desenvolverem-se na economia global, tem que, de forma

contínua e incremental, mapear e gerir os seus processos de negócio,

viabilizando desta forma uma melhoria continuada. Isto envolve de forma

indiscutível a adoção de processos de fabricação e gestão automatizados.

As patentes analisadas foram divididas em categorias denominadas “Sistema”,

“Software” e “Equipamento”. Essa mesma classificação foi utilizada no item

161

“Análise de Artigos”, onde, cabe ressaltar, foi encontrada uma variedade maior

de categorias. Na análise dos dados obtidos foram citados os grupos de

tecnologias que mais apareceram, estes serão definidos mais a frente no item

4.4 do presente trabalho.

Patentes que tratam de desenvolvimento, inovação ou estudo de algum

equipamento foram alocadas na categoria “Equipamento”. A categoria

“Sistema” englobou patentes cujo objetivo é registrar metodologias, ações ou

sistemas propriamente ditos para automação de processos. Já a categoria

“Software” foi criada exclusivamente para as patentes que tratam de

desenvolvimento e/ou análise de softwares.

A Figura 64 sintetiza o resultado obtido para a classificação das patentes em

cada categoria no cruzamento das palavras “industrial process automation” x

“Fieldbus”.

Figura 64 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


Para o cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”, observa-se que

a maioria (53%) das patentes trata de assuntos relacionados a ”Sistema”.

Esse domínio se dá justamente porque a palavra Fieldbus está diretamente

relacionada com sistemas interoperáveis, ou seja, sistemas desenvolvidos para

que equipamentos trabalhem com troca de dados contínua. Dentro da

162

classificação de sistemas, foi possível observar várias patentes tratando de

sistemas de controle, comunicação e transmissão de dados, reafirmando esta

relação. Além disso, foram identificadas tecnologias como “Foundation Fieldbus

TM”, “PLC (Programmable Logic Controller)” e “DC Link”. A outra metade das

patentes analisadas neste cruzamento dividiu-se entre “Equipamento” (25%)

e “Software” (22%). Na categoria “Equipamento” as tecnologias mais citadas

foram “Conversor A/D (analogic to digital)”, “Transmissores de Pressão

específicos”.

Na Figura 65 é possível observar os resultados obtidos com o cruzamento das

palavras “industrial process automation” x “Ethernet”.

Figura 65 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


Com relação às patentes encontradas no cruzamento “industrial process

automation” x “Ethernet” a categoria “Sistema” se mantém em primeiro lugar

com 60%. Umas das tecnologias mais citadas foi EtherCAT, que será explicada

no item 4.4 sobre tecnologias. Já no segundo lugar, com 25%, ficaram as

patentes sobre “Software”. Nas patentes analisadas para essa categoria

destacaram-se softwares de atualização de aplicativos de sistemas,

programados para evitar que falhas ou perda de informações ocorram no

processo de atualização do sistema; softwares de interface gráfica para

visualização dos bens em um sistema de gestão de ativos e outros que visam

163

exclusivamente a melhoria da qualidade de controle do sistema em questão

citado na patente. Já a categoria “Equipamento” obteve apenas 15% das

citações, a maioria dessas patentes tratou de métodos de transmissão de

dados através de dispositivos de controle e se basearam no TCP

(Transmission Control Protocol).

A Figura 66 sintetiza a classificação das patentes para cada categoria no

cruzamento das palavras “industrial process automation” x “Wireless”.

Figura 66 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”


Conforme mostrado na figura 66, no resultado obtido pelo cruzamento das

palavras “industrial process automation” x “Wireless”, 49% das patentes

trataram de sistemas. Foram registrados patentes que propunham sistemas

para diversos fins, no entanto a maioria delas fazia referência à melhoria,

controle ou ajuste de algum processo específico. Observou-se desde patentes

mais específicas como a que fez menção a sistemas de controle remoto de

inflamabilidade em células combustíveis até outras mais abrangentes como a

que propunha um sistema para o monitoramento de qualquer produto no

processo de exportação.

Após “Sistema”, a categoria que mais se destacou, com 43% das citações, foi

“Equipamento”. Os mais citados foram sensores, chips ou placas para

aplicações em tecnologias de controle remoto de processos. Na maioria dos

164

casos a patente foi utilizada para registrar alguma melhora na fabricação de

equipamentos já existentes, pouco se observou sobre registros de tecnologias

totalmente novas.

O restante das patentes analisadas registrou assuntos referentes à categoria

“Software”, estes foram citados em 8% delas. Qualquer patente que registrou

o desenvolvimento de programas de computadores para automação processos,

análises de softwares, geração de cenário para simulação dos mesmos, estão

inseridos nesta categoria.

4.3.5. Objetivo das Inovações

A análise das patentes revelou que o estudo da automação em processos

industriais resulta em tecnologias aplicáveis para diversos fins. No entanto, a

maioria delas converge para objetivos similares.

No cruzamento com a palavra Fieldbus foi observado que 100% das

tecnologias têm como objetivo a melhoria da qualidade do processo industrial.

Todos os sistemas, equipamentos ou softwares descritos nas patentes tinham

a finalidade de melhorar a qualidade do processo em questão ou de processos

genéricos. Na maior parte delas essa otimização refere-se à maior facilidade de

controle resultando em um processo operado com mais segurança. Além disso,

a diminuição dos gastos com energia e uma maior agilidade na obtenção de

respostas também foram objetivos citados.

Da mesma forma, quando o foco é Ethernet, o desenvolvimento de novas

tecnologias visa à melhoria da qualidade do processo. Neste caso, além das

patentes sobre a otimização de processos visando o maior controle e

conseqüente segurança, também foram observadas muitas que tratavam da

simplificação na transferência, recolhimento e tratamento de dados através de

circuitos integrados por Ethernet.

165

No cruzamento com a palavra Wireless foi encontrada uma diversidade maior

de objetivos. Muitas dessas patentes registram o projeto e modelagem de

nanoestruturas e dispositivos diversos, como por exemplo, dispositivos

pneumáticos para controle de fluidos industriais, dispositivos de segurança, e

de armazenagem de dados. Além disso, sistemas para controle remoto de

processos e a implementação de conjuntos de programas utilizados para

introdução da informática na integração de módulos industriais, também foram

observados.

4.3.6. Principais Setores

As patentes também foram analisadas quanto aos principais setores envolvidos

e/ou beneficiados com as pesquisas.

A Figura 67 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o

cruzamento das palavras “industrial process automation x Fieldbus”.

Figura 67 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”


Quando a palavra chave é Fieldbus, fica claro que, a maior parte dos

equipamentos, softwares, análises ou sistemas registrados em patentes

poderiam ser utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria.

166

Isso se deve ao fato dessas serem tecnologias que gerariam respostas

genéricas em qualquer processo automatizado.

Neste cenário é importante destacar que o número de patentes específicas

para o setor petrolífero é significativo. Neste setor ainda são muito utilizadas

redes Fieldbus para transferência de dados, por ser considerada uma

tecnologia mais confiável.

A Figura 68 ilustra os resultados obtidos para o cruzamento “industrial process

automation x Ethernet”.

Figura 68 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”


Já quando a palavra chave é Ethernet, 85% das patentes registradas

apresentam tecnologias nas indústrias automatizadas em geral, podendo ser

utilizada na maioria dos processos automatizados. Essa característica também

se apresenta marcante aqui porque Ethernet trata, justamente, da interconexão

para redes locais, baseada no envio de pacotes, um conceito básico na

automação de processos. No entanto neste cruzamento foi observada uma

variedade maior de patentes voltadas para setores específicos.

O setor de biotecnologia, por exemplo, apareceu em segundo lugar com 6%

das citações. Nessas patentes foram registradas principalmente o uso de

167

sistemas automatizados para controlar as condições de cultivo de bactérias e

outros microrganismos.

Outros setores menos citados foram petrolífero, com 4%, computação/

informática com 2% e financeiro, telecomunicações e meio ambiente

empatados com 1%.

A Figura 69 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o

cruzamento das palavras “industrial process automation x Wireless”.

Figura 69 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation x Wireless”


Para o cruzamento das palavras “industrial process automation x Wireless”,

“Aplicações industriais em geral” englobam 72% das patentes analisadas.

Nestas os equipamentos, softwares e sistemas registrados poderiam ser

utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria. Ainda sim, foram

observadas algumas patentes nas quais as tecnologias registradas atenderiam

apenas setores específicos.

168

Por ser um setor em plena atividade, financiador de muitas pesquisas e

gerador de novas tecnologias, o setor de química e petroquímica foi o que

obteve mais patentes, dominou com 7% sendo seguido pelo setor comercial e

financeiro e pelo setor de informática, ambos com 5%.

4.4. Subgrupos de Tecnologias destacadas na Prospecção de

Artigos e Patentes

Ao se analisar o material das patentes e, principalmente, dos artigos (conforme

mostrado na figura 54 da página 145) de cada grupo, algumas tecnologias se

destacaram. Elas podem ser algum equipamento específico, algum sistema ou

algum tipo de software. As tecnologias que se destacaram no geral são as

seguintes12:

AEM (Abnormal Event Management): O AEM lida com a detecção

dinâmica, diagnóstico e correção de condições anormais ou de falhas

em um processo. A detecção e diagnóstico de falhas para uma planta

operando em uma região controlável pode ajudar a evitar a progressão

de eventos anormais e redução na perda de produtividade. Em operação

normal, uma unidade industrial possui estatística conhecida para as

variáveis operacionais importantes. A ocorrência de uma falha causará

no mínimo um resíduo que mudará as estatísticas e assim a detecção

pode ser realizada pela inspeção de mudanças no valor médio desses

resíduos.

AMS (Asset Management System): São aplicativos que trabalham

para reunir informação de sistemas conectados em sua rede. Cada

usuário pode checar o sistema e obter informações sobre o inventário da

rede. Isto permite conhecer a localização de cada componente da rede,

mesmo que este tenha sua localização alterada dentro de ambiente.

12 As informações referentes a esse item foram buscadas nas diversas referências listadas ao longo do

texto, com destaque ao dicionário “Automation, Systems, and Instrumentation Dictionary”.

169

APIs (Application Program Interfaces) ou Interfaces para Programas

de Aplicação: são interfaces para programadores usando diretamente

os serviços da camada de transporte. Seu objetivo é facilitar a

implementação de programas de aplicação que fazem uso dos serviços

de comunicação da rede. APIs são usualmente oferecidas para alguns

sistemas operacionais (ex.: LINUX) e algumas linguagens (ex.: C).

ASIC (Application-specific Integrated Circuit): É um circuito integrado

(CI) personalizado para um determinado uso, e não destinados à

utilização para fins gerais.

Associated Motion Control Interface Card: aparelho para realizar o

interfaceamento de equipamentos e controladores, permitindo a

comunicação entre eles.

Associated Fieldbus Interface Card: aparelho que permite o

interfaceamento de equipamentos que se comunicam através de

diferentes linguagens dentro de uma rede fieldbus.

AWT (Autonomous Wireless Transmitter): Transmissor de sinal

wireless dentro de uma rede aberta.

BACnet (Building Automation and Control NETworks): É um

protocolo de comunicação de dados voltado para atuomação predial.

Este protocolo foi definido primeiramente pela associação americana

ASHRAE, depois se tornado um protocolo padrão da ANSI e ISO.

BAS (Building Automation System): É um exemplo de um sistema de

controle distribuído. O sistema de controle é informatizado, dispositivos

eletrônicos de rede inteligente, destinada a acompanhar e controlar os

sistemas de iluminação e mecânica em um edifício.

Bus Loop Power Interface: Equipamento que compreende um módulo

de controle de voltagem que recebe um loop de voltagem e distribui

voltagem com impedância pré-determinada.

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=ASHRAE&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/ANSI

http://pt.wikipedia.org/wiki/International_Organization_for_Standardization

170

CAD (Computer Aided Design): É o uso de tecnologia computacional

para desenvolver objetos reais ou virtuais. CAD envolve mais que

formatos de objetos. CAD pode trabalhar com informação simbólica,

processos, dimensões e tolerâncias, de acordo com as especificações.

Pode ser utilizado para trabalhos em 2D, duas dimensões, e 3D, três

dimensões. Este sistema tem sido utilizado em diversas áreas, desde

animação até indústria aeroespacial.

CAN (Controller Area Network): As redes CAN, as quais são um tipo

de NCS (Network Controller System), consistem em redes que

abrangem um espaço geográfico de uma Personal Area Network às

LAN (Local Area Network) dependendo do propósito a ser utilizado. Pelo

fato das CANs basearem-se na aplicação de sistemas real-time

(sistemas em que as informações são transmitidas em tempo real) é

necessário um controle rígido de erros e garantia de recebimento de

mensagens. As CANs baseam-se no conceito do uso de mensagens

geradas por broadcast contendo um dispositivo central controlador de

mensagens.É também um padrão de barramento que possibilita a

comunicação de microcontroladores e dispositivos entre si sem a

necessidade de um computador host.

CBM (Condition-based maintenance): Este sistema foi criado para

tentar manter o equipamento correto na hora certa. CBM é baseada no

uso de dados em tempo real para priorizar e otimizar recursos de

manutenção. Observar o estado do sistema é conhecido como condição

acompanhamento. Esse sistema irá determinar a saúde do equipamento

e agir apenas quando a manutenção é realmente necessária.

CIM (Computer-Integrated Manufacturing): Em engenharia CIM é um

método de fabricação em que todo o processo produtivo é controlado

por computador. O tradicional método de processos separados é unido

através de um computador pelo CIM. Esta integração permite que os

processos troquem informações entre si e são capazes de iniciar ações.

Através deste, a integração dos processos de fabricação pode ser mais

http://pt.wikipedia.org/wiki/Host

171

rápido e com menos erros, embora a principal vantagem é a capacidade

de criar processos de fabricação automatizados. Tipicamente CIM

depende de processos de controle de ciclo fechado, com base em

tempo-real de entrada a partir de sensores. É também conhecido como

desenho e fabricação flexível. A figura 70 apresenta um exemplo de

CIM.

Figura 70: Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM)

Fonte: Jean-Baptiste Waldner, John Wiley & Sons, 1992

Closed-loop control feedback system: Neste sistema um sensor

monitora a saída e alimenta os dados para um computador que ajusta

continuamente o controle de entrada quando necessário, para manter o

controle do erro para um mínimo.

CLPM (Control Loop Performance Monitoring): Sistema utilizado para

controle da qualidade, minimização de custos e detecção rápida de

anomalias de uma planta industrial.

CNC (Comando Numérico Computadorizado): é um equipamento

eletrônico capaz de receber informações, compilar essas informações e

transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz, fazendo com

que esta realize as operações na sequência programada, sem a

intervenção do operador.

172

Controle Automático por transmissão pneumática: é um sistema de

controle automático são as mesmas executadas pelo operador quando

fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir).

Entretanto, muitas vantagens são adquiridas. As falhas diminuem, pois o

controlador automático é totalmente programado para executar estas

tarefas, diferentemente da mente humana. Processos onde o contato

humano é impedido como, por exemplo, controle de temperaturas muito

altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se tornam

possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de velocidade

de controle e diminuição de riscos de acidentes.

Conversor A/D: Conversor de sinal de analógico para digital.

CORBA (Common Object Request Broker Architecture): é a

arquitetura padrão criada pelo Object Management Group para

estabelecer e simplificar a troca de dados entre sistemas distribuídos

heterogêneos. Em face da diversidade de hardware e software que

encontra-se atualmente, a CORBA atua de modo que os objetos

(componentes dos softwares) possam se comunicar de forma

transparente ao usuário, mesmo que para isso seja necessário

interoperar com outro software, em outro sistema operacional e em outra

ferramenta de desenvolvimento. CORBA é um dos modelos mais

populares de objetos distribuídos, juntamente com o DCOM, formato

proprietário da Microsoft.

CRPTA (Constraint Programming for Solving Real-Time Allocation):

É baseada em constrangimento de programação para resolver um

problema de alocação estática de tarefas pesadas em tempo real. Este

problema consiste na atribuição de tarefas periódicas a transformadores

distribuídos no âmbito da prioridade fixada na preferência programação.

CPRTA é construído sobre a dinâmica de constrangimento da

173

programação juntamente com um método de aprendizagem para

encontrar um processador de atribuição viável sob condicionalismos.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection): É

um conjunto de regras que determinam como dispositivos de rede

devem responder quando dois dispositivos tentam utilizar um canal de

dados simultaneamente (chamado de uma colisão). CSMA / CD é um

tipo de protocolo de discórdia, Redes utilizando o procedimento CSMA /

CD são simples de implementar, mas não têm características

determinísticas de transmissão, pois é um método é padronizado.

Data Mining System: Processo para extração de padrões escondidos

em dados. A medida que a quantidade de dados aumenta, o Data

Mining System tem ganhado grande importância em transformar dados

em informação. Normalmente é utilizado em detecção de fraude,

pesquisa científica, sistemas de vigilância, etc.

Data Processing System: Sistema computadorizado que realiza

operações matemáticas (manipulações) em dados de entrada para

transformá-los em dados de saída (audio/video, gráfico, numérico ou

texto) como desejado pelo usuário.

DCS (Distributed Control System): Um sistema de controle distribuído

(DCS) se refere a um sistema de controle geral de um sistema de

produção, processo ou qualquer tipo de sistema dinâmico, em que o

controlador não são elementos centrais no local (como o cérebro), mas

estão distribuídos ao longo de todo o sistema, com cada componente do

sub-sistema controlado por um ou mais controladores. Todo o sistema

de controladores está ligado por redes de comunicação e

acompanhamento. DCS é um termo muito usado em uma ampla

variedade de indústrias, para monitorar e controlar equipamentos

distribuídos, como redes de energia elétrica, produção de energia,

174

sistemas de controle ambiental, sistemas de gestão da água, refino de

petróleo, indústria farmacêutica, sensor redes, etc.

Devicenet: É uma rede aberta no topo do controle de rede local. Foi

criada por Allen Bradley, agora pertence e é operada pela Open

DeviceNet Vendors Association.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): É um protocolo de

serviço TCP/IP que oferece configuração dinâmica de terminais, com

concessão de endereços IP de host e outros parâmetros de

configuração para clientes de rede. Resumidamente, o DHCP opera da

seguinte forma:

1. Um cliente envia um pacote UDP em broadcast (destinado a

todas as máquinas) com um pedido DHCP;

2. Os servidores DHCP que capturarem este pacote irão responder

(se o cliente se enquadrar numa série de critérios) com um pacote

com configurações onde constará, pelo menos, um endereço IP,

uma máscara de rede e outros dados opcionais, como o gateway,

servidores de DNS, etc.

O DHCP usa um modelo cliente-servidor, no qual o servidor DHCP

mantém o gerenciamento centralizado dos endereços IP usados na rede.

Distributed real-time system: Um sistema em tempo real é aquele no

qual o tempo é expressamente considerado nos requisitos, na

especificação, na concepção e na execução. Eles necessitam de

respostas cronometradas para eventos mesmo sob condições fracasso

e mesmo sob condições extremas de carga. A figura 71apresenta um

exemplo de Distributed real-time System.

175

Figura 71: Exemplo de Distributed real-time system

Fonte: Hermann Kopetz, 1997

DOC (Distributed Object Computing): Utilizado para construir

aplicativos com interface com componentes. Componentes são

tipicamente desenvolvidos para distribuição através de redes para uso

em sistema computacionais. Como os componentes são de uso

distribuído, padronização de interface e métodos de comunicação são

importantes.

DRES (Distributed real-time embedded systems): Os principais

desafios em desenvolvimento de DRES incluem a composição segura

dos componentes do sistema, mapeamento e as especificações

funcionais para a plataforma alvo. Modelos baseados em verificações

técnicas fornecem um caminho para a análise do tempo de design de

sistemas que permitam rápida avaliação das alternativas em relação as

dadas medidas de desempenho antes de se comprometer a uma

determinada plataforma.

DSP (Digital Signal Processor): São microprocessadores utilizados

para processamento digital de sinal usado para processar sinais de

áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line. Um dos usos do

DSP que chamaram a atenção da mídia foi a proposta do cancelamento

de ruídos: através do sistema proposto, um dispositivo captaria o ruído

ambiente e geraria um "anti-ruído", com as ondas simétricas: a cada

vale corresponderia um pico e vice-versa. Assim poderia se cancelar o

ruído de um ambiente, por exemplo, dentro de um automóvel.Outra

grande característica do DSP é sua alta velocidade comparada a outros

176

microcontroladores. Os DSPs ganharam popularidade na eletrônica em

aparelhos como os teclados, que sintetizam os sons de diversos

instrumentos, como por exemplo os órgão de tubos, o piano e o violão.

EIB OPC: O servidor EIB-OPC foi desenvolvido pela EIBA e é usado por

usuários da Software Informer. A versão mais popular deste produto é a

2.0. Em breve existirá uma nova versão.

Eletric Double Layer Capacitor: Também conhecidos como super-

capacitores, são capacitores eletroquímicos que possuem alta

densidade de energia quando comparados com capacitores comuns.

Embedded System: É um objeto específico de sistema de computador

projetado para executar uma ou algumas funções específicas, muitas

vezes condicionalismos de computação em tempo real. É normalmente

embutido como parte de um dispositivo completo, incluindo hardware e

peças mecânicas. Em contraste, um computador de uso geral, como um

computador pessoal, pode fazer várias tarefas diferentes, dependendo

da programação. Embedded systems controlam muitos dos dispositivos

comuns em uso hoje. A figura 72 apresenta um exemplo de Embedded

System.

Figura72: Exemplo de Embedded System

Fonte: Eurasip Journal on Emdedded Systems

ERP (Enterprise Resource Planning): ERP (Enterprise Resource

Planning) ou SIGE (Sistemas Integrados de Gestão Empresarial, no

Brasil) são sistemas de informação que integram todos os dados e

processos de uma organização em um único sistema. A integração pode

177

ser vista sob a perspectiva funcional (sistemas de: finanças,

contabilidade, recursos humanos, fabricação, marketing, vendas,

compras, etc) e sob a perspectiva sistêmica (sistema de processamento

de transações, sistemas de informações gerenciais, sistemas de apoio a

decisão, etc). Os ERPs em termos gerais, são uma plataforma de

software desenvolvida para integrar os diversos departamentos de uma

empresa, possibilitando a automação e armazenamento de todas as

informações de negócios.

EtherCAT: é o sistema Ethernet em tempo real para a automação

industrial, que se destaca entre outros devido a sua topologia flexível e o

manuseio fácil. O desempenho extremamente alto permite concepções

de controle e regulagem que não podem ser realizados com sistemas

clássicos. Visto que além da porta padrão de Ethernet não há

necessidade de placas encaixáveis específicas, o EtherCAT também

pode ser utilizado especialmente em um nível de controle baixo e médio.

O sistema EtherCAT também pode ser conectado com o cabo CAT-5

padrão, permitindo ainda a integração vertical.

Fast Ethernet: Em Rede de computadores, Fast Ethernet é um termo

dentre vários para padrões de Ethernet que levam o tráfego de dados à

taxa nominal de 100 Mbit/s, contra a taxa de transmissão de 10 Mbit/s de

Ethernet original. O padrão mais comum de Ethernet de 100 megabit é o

100BASE-TX sendo utilizado por muitos dos os fabricantes de placa de

rede. Fast Ethernet foi introduzido em 1995 e permaneceu a versão mais

rápida de Ethernet durante três anos até ser substituído pelo Gigabit

Ethernet.

FDA (Field Device Acess): O agente FDA permite que serviços FMS

(Fieldbus message specification) e de gerenciamento usados em

dispositivos H1 sejam transportados na Ethernet usando TCP

(transmission control protocol) e UDP (user datagram protocol).

Permitindo dispositivos HSE se comunicarem com dispositivos H1

conectados por um dispositivo de enlace. O agente FDA é também

178

usado pelos blocos de função locais em dispositivos HSE. Assim, o

agente FDA habilita aplicações remotas a acessar dispositivos H1 e HSE

através de uma interface comum.

Fibre Bragg Gratings: Sensor de fibra ótica que tem várias vantagens

sobre os sensores tradicionais, por isso, tornou-se uma das mais

populares. Os setores de aplicação são os mais diversos:

monitoramento de turbinas a vento, exploração de petróleo e saúde.

FLEXICON: Flexible Control Systems Development and Integration

Environment for Control Systems – Conjunto de ferramentas para

integração de sistemas de controle abertos, de alta performance,

voltados para controle de falhas em escala de tempo reduzida e baixo

custo.

FMFNN (Fuzzy membership function-based neural networks): Rede

que utiliza lógica fuzzy. Usada para monitoramento e detecção de

elementos de um ambiente.

FMS–Profibus (Fieldbus message specification network-Process

Field Bus): é um padrão para a comunicação na tecnologia de

automatização e foi promovido primeiro em 1989 pelo BMBF

(departamento alemão de educação e pesquisa). O objetivo foi o de

implementar e disseminar a utilização de um serial de bits Fieldbus

baseado nos requisitos básicos do campo dispositivo de interfaces. Para

este propósito, os membros das respectivas companhias concordaram

em apoiar um conceito técnico comum para a produção e processo de

automação, sendo o protocolo do complexo de comunicação Profibus

FMS (especificação de mensagem Fieldbus) adaptado para tarefas de

comunicação exigentes especificadas. Na figura 73 é possível visualizar

um conector elétrico Profibus

179

Figura 73: Exemplo de conector elétrico Profibus

Fonte: Associação Brasileira Profibus

Foudation Fieldbus TM: A rede Foundation Fieldbus (FF) é uma rede

digital cuja padronização levou mais de dez anos para ser concluída.

Existem duas redes FF, uma de baixa velocidade concebida para

interligação de instrumentos (H1 - 31,25 kbps) e outra de alta velocidade

utilizada para integração das demais redes e para a ligação de

dispositivos de alta velocidade como CLPs (HSE - 100 Mpbs). Deve-se

tomar cuidado para não confundir o nome da rede FOUNDATION

Fieldbus com o da fundação que a criou e a mantém, esta sim

denominada Fieldbus Foundation.

GEC (Generic Embedded Controller): Originalmente desenvolvido e

instalado para sistemas de detecção em sistemas biológicos, foi

estendido a outras áreas e tornou-se uma solução flexível para controles

internos. O que torna o GEC tão impressionante é sua facilidade de

configuração, possibilitando uma instalação personalizada e econômica

em tempo e dinheiro.

Globus Toolkit: é um conjunto de serviços que facilitam a computação

em grade. Esses serviços podem ser usados para a submissão e

controle de aplicações, movimentação de dados, segurança no ambiente

do grid (grade) e descoberta de recursos. Atualmente, é a solução de

maior impacto na comunidade da computação de alto desempenho.

Globus e os protocolos definidos em sua arquitetura tornaram-se um

padrão como infraestrutura para computação em grade.

180

GRC (Generic Remote Controller): É uma instrumentação usada em

redes wireless. Pode automaticamente detectar um controlador e

dinamicamente fazer o download de informações do controlador.

GUI (Graphical User Interface): É um tipo de interface de usuário que

permite que as pessoas a interajam com dispositivos eletrônicos, tais

como computadores, dispositivos de mão como MP3 Players, Portable

Media Players ou dispositivos de jogos, aparelhos e equipamentos de

escritório com imagens em vez de comandos de texto. A GUI oferece

ícones gráficos e indicadores visuais, em oposição ao texto base de

interfaces de comando digitado, rótulos de texto ou navegação para

representar plenamente as informações e ações disponíveis para um

usuário. As ações são normalmente realizadas através de manipulação

direta dos elementos gráficos.

Hardware-in-the-loop Simulation: É uma técnica que é utilizada no

desenvolvimento e teste de sistemas complexos incorporados em tempo

real. A simulação fornece uma plataforma eficaz, adicionando a

complexidade da planta sob controle para o ensaio de plataforma. A

complexidade da planta sob controle é incluído no teste e

desenvolvimento, acrescentando uma representação matemática de

todos os sistemas dinâmicos. Estas representações matemáticas são

referidas como a "simulação de plantas".

HART (Highway Addressable Remote Transducer): Protocolo aberto

para instrumentação de campo desenvolvido pela empresa Rosemount

que foi adotado por muitas outras empresas, criando assim um padrão

para fieldbus.

Host Computer System: Um sistema de computador que é acessado

por um usuário que trabalha em um local remoto. Normalmente, o termo

é usado quando existem dois sistemas de computadores ligados através

de modems e linhas telefônicas. O sistema que contém os dados é

chamado de hospedeiro, enquanto o computador no qual o usuário está

é chamado de terminal remoto.

181

HSE (High-speed Ethernet): Ethernet com 1000mbit/seg. Protocolo de

rede industrial, baseado em Ethernet comercial. Utiliza TCP/IP e UDP

para comunicação no nível dos controladores, e contém todas as

funções da camada fieldbus.

HTTP (Hypertext Transport Protocol): Código de comunicação de

computadores via Internet, padronizado para troca de dados através da

Web.

ICC - Integrated Circuit Card: Um smart card, cartão chip, ou carão

com circuito integrado (ICC), é um cartão com circuitos integrados

embutidos, que pode processar dados. Esses dados podem ser

armazenados e transferidos por meio de contato com suporte fixo

integrado a rede. Exemplo cartões de crédito e SIMs para telefones

móveis.

ILC (Iterative Learning Control): Método de manter o controle em

sistemas que trabalham em modo repetitivo. Exemplos destes sistemas

são braços de robôs, processos químicos em batelada e testes de

confiança de torres de perfuração. Em cada um desses casos, o sistema

tem que realizar a mesma ação várias vezes com alta precisão.

Utilizando infprmação das repetições anteriores, a ação de controle pode

ser encontrada iterativamente, podendo alcançar uma condição de

controle ótima.

IMS (Intelligent Manufacturing System): Sistema que incentiva a

formação de consórcios de investigação internacional para abordar os

desafios organizacionais e de produção industrial no século 21.

Estabelece um quadro para a indústria e o meio acadêmico para a

identificação de parceiros em todo o mundo e para o co-operar ao longo

de todo o ciclo da inovação. Oferece ampla base de tecnologia e

ensaios, garantindo a aplicabilidade geral da tecnologia desenvolvida e

182

proporcionando uma melhor compreensão dos mercados globais através

de uma melhoria do mercado de inteligência.

Internet: Rede de comunicação digital que conecta muitas outras redes.

Literalmente, uma “rede de redes”, a Internet é global. Utiliza o protocolo

HTTP como meio de comunicação entre os usuários.

Internet Based Virtual Private Networks: Rede privada baseada em

protocolos de Internet. Semelhante a Intranet, mas não permite acesso

externo à rede.

ISC (Innervated Stochastic Controller): Desenvolvido para otimizar

decisões de gerência sob condições instáveis. O Innervated Stochastic

Controller utiliza um algoritmo de aprendizagem para tratar multiplos

dados e otimizar a tomada de decisão.

Java: linguagem de programação orientada a objeto desenvolvida na

década de 90 por uma equipe de programadores chefiada por James

Gosling, na empresa Sun Microsystems. Diferentemente das linguagens

convencionais, que são compiladas para código nativo, a linguagem

Java é compilada para um “bytecode” que é executado por uma

máquina virtual. A linguagem de programação Java é a linguagem

convencional da Plataforma Java, mas não sua única linguagem.

LAN (Local Area Network): LAN é a sigla inglesa da expressão Local

Area Network e é uma rede de computadores que abrange uma

pequena área física, como uma casa, escritório ou pequeno grupo de

edifícios, tais como uma escola, ou um aeroporto. As características

definidoras de LANs, em contraste com a ampla área de redes (WANs),

incluem geralmente suas maiores taxas de transferência de dados, o

fato de ocupar um espaço físico menor e a falta de uma necessidade de

183

linhas alugadas de telecomunicações. A figura 74 mostra um exemplo

de LAN.

Figura 74: Exemplo de LAN

Fonte: http:\\wally.cs.iupui.Edu

Lonworks: Padrão de protocolo de rede especificamente dirigida ao

desempenho e confiabilidade de aplicações de controle. A plataforma é

construída em um protocolo de baixa largura de banda criado pela

empresa americana Echelon Corporation na década de 90 para

dispositivos de controle funcionarem sobre par trançado, transmissão de

dados sobre a rede elétrica, cabo de par trançado, fibras óticas e radio

freqüência.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): É a integração de

elementos mecânicos, sensores, atuadores, e eletrônica em um

substrato de silício comum através de uma tecnologia de micro

fabricação. Enquanto os eletrônicos são fabricados utilizando circuito

integrado (IC) seqüências processo (por exemplo, CMOS, Bipolar, ou

BICMOS processos), os componentes micro mecânicos são fabricados

utilizando processos compatíveis "micromachining" que seletivamente

adicionam novas camadas estruturais para formar os dispositivos

mecânicos e eletromecânicos.

NCS (Networked Control System): É um sistema de controle onde o

controle de loops é fechado através de uma rede em tempo real. A

característica que define um NCS é que o controle e os sinais de

184

feedback são trocados entre os componentes do sistema, sob a forma

de pacotes através de uma rede de informações. A funcionalidade de

um típico NCS é estabelecida através da utilização de quatro elementos

básicos: Sensores, para adquirir informações, Controladores de decisão

e para fornecer comandos, Atuadores, para executar comandos de

controle e Rede de comunicação, para permitir a troca de informações.

A característica mais importante de um NCS é que ele se conecta ao

ciberespaço, portanto, espaço físico, permitindo execução de várias

tarefas de longa distância. Eles também podem ser facilmente

modificados ou atualizados, adicionando sensores, atuadores e

controladores para eles com um custo relativamente baixo e sem

grandes alterações em sua estrutura. Além disso, com eficiente partilha

de dados entre os seus controladores, NCS são capazes de fundir

facilmente informação global para fazer decisões inteligentes sobre

grandes espaços físicos.

Neuro Fuzzy Controller: Controladores Fuzzy pertencem à classe de

sistemas baseados no conhecimento. O seu principal objetivo é

implementar know-how humano ou regras heurísticas sob a forma de um

programa de computador. A lógica fuzzy fornece um formalismo

matemático para este objetivo. A figura 73 mostra um esquema de

Neuro Fuzzy Controller.

Figura 75: Exemplo de Neuro Fuzzy Controller

Fonte: www.stowa-nn.ihe.nl

185

NMS (Network management system): Um Sistema de Gestão de Rede

que é uma combinação de hardware e software usado para monitorar e

administrar uma rede. Redes de elementos individuais em uma rede são

geridas por um elemento do sistema de gestão.

PCD (Plataformas de Coletas de Dados): As PCDs são equipamentos

completamente automáticos, dispondo de sensores eletrônicos capazes

de medir precipitação, pressão atmosférica, radiação solar, temperatura

e umidade do ar, direção e velocidade do vento e nível de corpos de

água. Os dados são coletados através dos satélites brasileiros SCD1 e

SCD2, e transmitidos para o Centro de Recepção do INPE em Cuiabá -

MT e Natal - RN, sendo então retransmitidos para o Centro da Missão

de Coleta de dados do INPE, em Cachoeira Paulista - SP, de onde são

divulgados aos usuários, via Internet: www.cmcd.inpe.br. Esse sistema

de aquisição de dados via satélite permite coletar informações a cada

100 minutos, estando os dados disponíveis aos usuários de 3 a 6 horas

após sua coleta, com a vantagem de não necessitar de intervenção

humana.

PCDS (Production Control Decision Support): É um sistema

desenvolvido, o qual é composto de uma freqüência de rádio de

identificação de base tecnológica e um sistema de captação de dados,

um modelo PCDS compreende um bi-nível genético e um processo de

otimização heurística.

PDA (Personal Digital Assistant): Personal Digital Assistants (PDAs ou

Handhelds), ou Assistente Pessoal Digital, é um computador de

dimensões reduzidas (tamanho aproximado de uma folha A6), dotado de

grande capacidade computacional, cumprindo as funções de agenda e

sistema informático de escritório elementar, com possibilidade de

interconexão com um computador pessoal e uma rede informática sem

fios (wi-fi) para acesso a correio eletrônico e internet. Os PDAs de hoje

186

possuem grande quantidade de memória e diversos softwares para

várias áreas de interesse. Os modelos mais sofisticados possuem

modem (para acesso à internet), câmera digital acoplada (para fotos e

filmagens), tela colorida, rede sem fio embutida. Guardam das agendas

eletrônicas somente as dimensões, pois sua utilidade e aplicabilidade

estão se aproximando cada vez mais rapidamente dos computadores de

mesa. Através da figura 76 é possível visualizar um PDA.

Figura 76:Exemplo de PDA Fonte: http:\\www.unm.edu

PID fuzzy: Controlador PID baseado em lógica fuzzy. As vantagens

desses controladores sobre os sistemas convencionais é que são mais

baratos para desenvolver, cobrem grandes condições de operabilidades

e podem ser programados numa linguagem mais simples.

PLC (programmable logic controller) ou Controlador Lógico

Programável: 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 e

aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo

utilizado no controle de Sistemas Automatizados. PLC’s estão sendo

usados para controlar processos como a produção química, produção de

papel, produção de aço, e processamento de alimentos. Em processos

tais como estes, PLC’s são usados para controlar a temperatura,

pressão, mistura, concentração, e assim por diante. São usados também

187

controlar a posição e a velocidade em muitos tipos de processos de

produção. Por exemplo, podem controlar sistemas automatizados

complexos de armazenamento e de fornecimento assim como

equipamentos tais como robôs e máquinas-ferramenta.

PLM (Product Lifecycle Management): É o processo de gestão de

todo o ciclo de vida de um produto desde a sua concepção, até o design

e manufatura, para serviço e disposição. PLM integra pessoas, dados,

processos e sistemas empresariais e fornece informações sobre

produtos, uma espinha dorsal para as empresas.

Profibus: é um padrão aberto de rede de comunicação industrial,

utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da

manufatura, de processos e predial. Sua total independência de

fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e

EN50254. Com o Profibus, dispositivos de diferentes fabricantes podem

comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.

PROMCALC - Software de analise matemática para mapeamento de

possibilidades de decisões.

Protocolo TCP: Um dos protocolos de transporte do conjunto de

protocolos Inter Rede é o Transmission Control Protocol (TCP). O uso do

protocolo TCP é indicado para transferências de dados. O mesmo

oferece um serviço com garantia de entrega baseado em conexão. Ou

seja, deve ser estabelecida uma conexão entre os elementos TCP

participantes da transmissão. O TCP irá solicitar retransmissões quando

necessário, realizando o controle de erros. Também será realizado o

controle de fluxo – normalmente o TCP colabora com a rede reduzindo

sua taxa de transmissão quando são identificados problemas de

congestionamento. O TCP permite a transmissão “full duplex” de

inúmeras sessões simultâneas.

188

RF Wireless Interface: A RF (Radio Frequency) Wireless Interface

prevê a comunicação, por freqüência de rádio, entre os controladores e

outros componentes no interior do controlador ou externos ao

controlador. Essas informações são gravadas e podem ser

compartilhadas nessa interface através de uma rede, em especial, uma

rede on-line, como a Internet.

RMS (Reconfigurable Manufacturing System): É aquele desenvolvido

em princípio para uma rápida mudança em sua estrutura, bem como

seus componentes de hardware e software de forma a ajustar

rapidamente a sua capacidade de produção e de funcionalidade dentro

de um âmbito familiar em resposta a mudanças repentinas no mercado

ou mudanças intrínsecas no sistema. Um esquema de um RMS é

mostrado na figura 77.

Figura 77: Exemplo de RMS

Fonte: Journal of Intelligent Manufacturing, 2000

Rtnet: é um protocolo de rede em tempo real, é usado em Ethernet

padrão e em muitos chipsets que é um conjunto de chips usado na placa

mãe. Implementa UDP/IP, ICMP e ARP de uma maneira determinística.

Algumas aplicações possíveis são: substituição de Fieldbus, distribuição

de computação em tempo real. RTnet foi originalmente desenvolvida por

Ulrich Marx em sua tese no Institute for Systems Engineering, Real-Time

Systems Group, University of Hannover (Germany).

SCM (Supply chain management): É a gestão de uma rede interligada

de empresas envolvidas no fornecimento do produto final e pacotes de

189

serviços exigidos por clientes finais. Supply Chain Management abarca

todos os movimentos e armazenagem de matérias-primas, trabalhos em

processo de inventário, e de produtos acabados, desde o ponto de

origem até a ponto de consumo.

SDP (Service Discovery Protocol) ou SSDP (Simple Service

Discovery Protocol): Foi um projeto expirado, desenvolvido pela

Microsoft e Hewlett-Packard. SSDP é a base do protocolo universal

plug-and-play. SSDP possui um mecanismo em que usuários podem

utilizar serviços de rede com pouca ou nenhuma configuração.

Simplebus: Sistema para gerar um sinal para unir áudio, vídeo e sinais

de dados em forma comprimida e transmitir via rede.

STEP-NC (Standard for the Exchange of Product - Numerical

Control): Apesar do desenvolvimento que tem melhorado a arquitetura

do software e das máquinas ferramentas a CNC (Computer Numeric

Control), os fabricantes e usuários continuam a procura de uma infra-

estrutura comum para sistemas CAD, CAPP, CAM e CNC que integre e

traduza o conhecimento de cada um dos estágios da cadeia. É com o

propósito de prover um padrão consistente e de qualidade para a

manufatura baseada em CNC, que a STEP-NC vem sido desenvolvida.

Ao contrario da ISO 6983, conhecida pelos códigos G/M, a ISO 14649

não é um método de programação nem descreve os movimentos da

ferramenta para uma máquina CNC. O que a ISO 14649 provê é um

modelo de dados orientado a objetos para CNC, com uma estrutura

detalhada de interface de dados que incorpora a programação baseada

em Features, onde há uma gama de informações tais como a Feature a

ser usinada, tipo de ferramentas a usar, as operações a realizar, e o

plano de trabalho. Um exemplo de STEP-NC é mostrado na figura 78.

190

Figura 78: Exemplo de STEP-NC Fonte: http:\\www.stepools.com

TCP/IP Ethernet device: Equipamento desenvolvido pela Siemens,

especificamente para uso com o servidor KEPServerEXOPC, utilizado

para interfaceamento entre rede Ethernet e protocolo de comunicação

TCP/IP.

TIPPtool: Ferramenta que nasceu a partir do projeto TIPP, e tem como

objetivo criar um protocolo básico que contenha especificações

funcionais e performance em um único formato de processo algébrico.

UDP (User Datagram Protocol): É um protocolo simples da camada de

transporte. O UDP é uma escolha adequada para fluxos de dados em

tempo real, especialmente aqueles que admitem perda ou

corrompimento de parte de seu conteúdo, tais como vídeos ou voz.

Aplicações sensíveis a atrasos na rede, mas poucos sensíveis a perdas

de pacotes, como jogos de computadores, também podem se utilizar do

UDP.

VMD (Virtual Manufacturing Device): Usado no controle de robôs e

utilizando elementos abstratos do MMS (Manufacturing Message

Specification), possui uma estrutura de dados, que permite sua

utilização em arquiteturas de controle de robôs.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Protocolo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Camada_de_transporte

http://pt.wikipedia.org/wiki/Camada_de_transporte

191

WAN (Wide Area Network): A Wide Area Network (WAN), rede de área

alargada ou rede de longa distância, também conhecida como rede

geograficamente distribuída, é uma rede de computadores que abrange

uma grande área geográfica, com freqüência de um país ou continente.

Difere, assim, da LAN.

Watchdog Timer: É um dispositivo eletrônico temporizador que dispara

um reset ao sistema se o programa principal falhar, devido a alguma

condição de erro, tais como hang.

WATM (Wireless ATM): Wireless ATM é uma tecnologia emergente que

combina a rede multi-serviços, capacidades multimídia de ATM com

mobilidade do usuário e livre acesso. O usuário final e os requisitos de

operação para Wireless ATM indicam que devem ser integrados com

redes fixas ATM. Wireless ATM é, sobretudo considerada como uma

questão de "Acesso a uma rede ATM". Dependendo sobre que tipo de

rede ATM está para ser acessada, diferentes aspectos de rede sem fio

precisam ser abordados.

WiMAX (Worlwide Interoperability for Microwave Acess): é uma

tecnologia padronizada de rede sem fio que permite substituir as

tecnologias de acesso de banda larga por cabo e ADSL.O WiMAX

permite a comunicação fixa entre um ou mais pontos, comunicação

portátil e, eventualmente, comunicação móvel sem fio sem a

necessidade de visada direta com a estação base.

WMN (Wireless Mesh Network): Em uma malha WMN, não só cada

extremidade nó pode transmitir a sua própria informação (ou seja,

informações recolhidas a partir de seu próprio sensor), mas também

pode transmitir informação gerada a partir de outros nós. Em WMNs, os

nós são compostos de malha de roteadores e malha clientes. Cada nó

funciona não só como um anfitrião, mas também como um roteador,

encaminhando pacotes em nome de outros nós que podem não estar

diretamente dentro da transmissão sem fio na gama dos seus destinos.

Um WMN é dinamicamente auto-organizado e auto-configurado, com

http://pt.wikipedia.org/wiki/Reset

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Hang&action=edit&redlink=1

192

nós na rede automaticamente, que institui a manutenção da malha e a

conectividade entre si. Este característica traz muitas vantagens, tais

como a WMNs up-front baixo custo, fácil manutenção da rede, robustez

e serviço de cobertura.

WSN (Wireless Sensor Network): É constituído por uma rede sem fio

autônoma espacialmente distribuída utilizando dispositivos de sensores

para monitorar cooperativamente condições físicas ou ambientais, como

temperatura, som, vibração, pressão, movimento ou poluentes, em

locais diferentes. Redes de sensores sem fios são hoje usados em

muitas áreas de aplicação industrial e civil, incluindo a vigilância e

controle de processos industriais, máquinas, saúde, meio ambiente e

monitoramento do habitat. A figura 79 exemplifica uma WSN.

Figura 79: Exemplo de WSN

Fonte: Adi Mallikarjuna Reddy V

194

5. Conclusões

A automação industrial, cada vez mais, busca abranger não apenas a

automação do processo, no chão de fábrica, mas abre suas fronteiras,

abrangendo a automação do negócio como um todo. Surgem então sistemas

de gerenciamento de produção, de materiais, de vendas e da cadeia de

suprimentos. No entanto, o presente trabalho teve como foco as mudanças

tecnológicas da camada supervisora, conforme Figura 1, ou seja, buscou-se

entender as tendências especificamente da indústria de processo, suas

trajetórias de mudança, paradigmas tecnológicos e especificidades. As demais

camadas de automação não foram exploradas, apesar de aparecerem nas

buscas realizadas em patentes e artigos científicos. Estas camadas de

automação têm características comuns a aplicações em outras indústrias e

setores e econômicos, os quais não eram alvos dessa pesquisa.

O negócio de automação ainda cresce nos países em desenvolvimento.

Observa-se em projetos de engenharia atuais que algumas tecnologias

coexistem na arquitetura de automação das indústrias. Não existe uma

tecnologia que seja aplicada em todos os equipamentos. Isto ocorre em função

de diversos motivos.

O principal deles é que cada protocolo possui suas vantagens e desvantagens,

e relações custo-benefício que levam a aplicações variadas para cada padrão.

Outro motivo é a existência de empresas específicas que detêm a tecnologia

de automação de equipamentos críticos, que operam com os mesmos

protocolos há anos no mercado, que dificilmente serão substituídos facilmente

por padrões mais atuais.

E por outro lado, existem os sistemas Instrumentados de Segurança,

responsáveis por todas as ações mais críticas da planta, que exigem

velocidade no tráfego de dados e confiabilidade das lógicas de intertravamento,

195

processadas em CLPs específicos que demandam exigências de integridade e

que em alguns casos não são encontrados em tecnologias mais recentes.

Todas essas peculiaridades causam impedimentos para inserção de novas

tecnologias em algumas aplicações dentro da indústria. Por isso, cada

tecnologia nova leva um tempo para ser utilizada industrialmente, em função

das diversas adaptações que precisam sofrer até que cheguem a um patamar

de confiabilidade. Elas também precisam apresentar muitas vantagens

operacionais, inclusive de qualidade das informações processadas, que

compensem a substituição dos sistemas convencionais por estas tecnologias.

No âmbito comercial, mediante as análises feitas das empresas nacionais de

automação, podemos ratificar estas expectativas, e obter algumas conclusões

acerca do mercado nacional.

A primeira delas é que, visto que os fabricantes nacionais de sistemas

automação hoje fornecem um grande portfólio de instrumentos e equipamentos

associados a redes Fieldbus, pode-se verificar que há uma oferta nacional

muito grande desses sistemas na automação industrial, principalmente nas

tecnologias Fieldbus Foundation e Profibus. A avaliação das empresas

nacionais também dá indícios sobre que tipos de tecnologias possuem

demanda no mercado nacional, visto que a maior parte da produção dessas

empresas é destinada a suprir demanda interna.

Entretanto, esses sistemas estão em início de modificação, com a inserção das

redes sem fio. Os negócios envolvendo as redes sem fio despontam como os

de maior perspectiva de crescimento, apesar da crise econômica mundial

agravada em outubro de 2008. Até 2010, segundo a ARC Advisory Group, o

segmento deverá apresentar taxas superiores a 32% de incremento e deverá

atingir uma receita de US$ 1,18 bilhão. Em 2005, segundo o BNDES, esses

valores foram de apenas US$ 325 milhões (LOBO, 2009).

196

No quesito “Redes sem fio na automação industrial”, constata-se que no Brasil,

fisicamente as redes industriais ainda são construídas com cabos metálicos –

par trançado e cabo coaxial – e fibras ópticas. O uso da rede Wireless, ainda

não é freqüente, apesar de já existirem algumas implementações no país.

Apesar de suas diversas limitações, inclusive de confiabilidade da rede, a

grande vantagem da inexistência de cabos se sobrepõe em muitos casos a

falta de confiabilidade, em virtude das limitações físicas. No momento, essas

redes sem fio estão sendo amplamente aplicadas nos sistemas que não

requerem respostas em tempo real, como manutenção de equipamentos e

monitoramento de redes de distribuição de água, energia e combustíveis.

Também é muito aplicada onde é inviável transmitir informação via cabos,

como áreas de extensões muito longas, monitoração de instrumentos isolados,

monitoração de locais onde não é possível trafegar cabos, como nos casos de

instrumentos localizados em poços de petróleo. Essa grande vantagem, a

ausência de limitações físicas, tem feito com que os estudos da tecnologia

cresçam rapidamente e sejam foco de muitas inovações.

Assim, espera-se que as redes Wireless nos próximos anos comecem a ser

inseridas em maior escala no ambiente industrial, não apenas nas aplicações

onde existem impedimentos para a existência de cabos, mas também como

inovações, substituindo as atuais redes com fio aplicadas a monitoração e

controle de variáveis de processo.

A tendência à padronização de elementos e de protocolos de comunicação

vem reduzindo os custos associados à implantação dos sistemas de controle,

naturalmente quando se comparam sistemas com especificações idênticas,

porém produzidos em épocas diferentes. A convergência tecnológica, originada

na utilização da eletrônica digital, vem aproximando os sistemas de controle da

TI (tecnologia da informação) e de seus paradigmas, no sentido da interligação

desses sistemas com os sistemas de gestão integrada das empresas e o

acesso a informações e relatórios de controle pela Internet e terminais

197

portáteis. Os dispositivos de controle vêm se apropriando das mais modernas

conquistas da eletrônica, por meio da utilização de componentes com maior

velocidade e capacidade de processamento, o que se reflete imediatamente na

miniaturização dos dispositivos e no aumento da sua funcionalidade,

sensibilidade e precisão, assim como na diminuição do seu tempo de resposta.

Têm sido intensos os investimentos em desenvolvimento de software, tanto no

software embarcado em dispositivos de controle, que aumentam a facilidade e

flexibilidade do seu uso, quanto de produtos voltados à otimização de sistemas

e controle avançados de processo.

Quanto à análise das principais empresas nacionais relacionadas ao ramo da

automação, pode-se avaliar que a maioria delas ainda se encontra distante das

expectativas de mercado e apresentam soluções e produtos isolados. A

principal causa das empresas líderes internacionais estarem em um patamar

superior às empresas nacionais é o diferencial do fornecimento de soluções

completas. À medida que as especificações de projeto exigem que as

empresas fornecedoras da automação se responsabilizem pela instalação dos

equipamentos e instrumentos, pelo fornecimento dos softwares, pela colocação

dos mesmos em operação e pela manutenção dos sistemas, as empresas que

não possuem soluções integradas não conseguem obter a mesma

lucratividade.

Dadas às diferenças entre os competidores acima mostrados são as empresas

multinacionais dominantes que normalmente fornecem os principais pacotes de

automação, ou seja, são elas as responsáveis pela totalidade do fornecimento

da solução de automação das grandes plantas industriais. Isso é verdadeiro

tanto para os novos projetos quanto para os projetos de modernização de

unidades completas de plantas já existentes. Nesse caso, a participação de

qualquer outro fornecedor, na qualidade de subcontratado, é eventual e ocorre

caso haja uma exigência do cliente, ou pelo uso de um produto em particular,

ou pela redução de custo em um dado dispositivo. Isso porque nem sempre o

fornecedor do pacote dispõe, entre seus produtos, de dispositivos que atendam

à totalidade dos requisitos especificados, inclusive a relação custo/benefício.

198

No que diz respeito à difusão tecnológica, é possível afirmar que a falta de

mão-de-obra qualificada torna-se uma barreira para o aumento na utilização

das novas tecnologias de automação industrial. É fundamental que o

aprendizado acerca dessas novas tecnologias, do projeto à instalação e

operação dos sistemas esteja presente nos cursos de formação dos

profissionais que irão trabalhar em áreas direta ou indiretamente envolvidas na

automação de processo industriais. O projeto e a manutenção desses sistemas

requerem uma grande demanda de mão de obra especializada, o que torna

necessária uma nova abordagem no ensino dos cursos responsáveis pela

formação desses profissionais, de forma a desenvolver as habilidades

necessárias e prover os conhecimentos práticos que estas novas tecnologias

demandam.

As tecnologias encontradas na prospecção em artigos e patentes foram

classificadas em cinco grupos. Através da análise de artigos e patentes, foi

possível construir as tabelas 16 a 20 seguir, onde é possível perceber com

mais clareza as tecnologias em destaque de cada grupo:

Instrumentação: dentro de um ambiente automatizado, além dos

computadores, existem sensores, atuadores, controladores e servidores.

Todos estes se encontram neste grupo.

Protocolo: neste grupo se encontram as tecnologias utilizadas para

comunicação dentro de redes. Protocolo é a linguagem com que os

equipamentos e computadores vão se comunicar dentro de uma

determinada rede;

Rede: as tecnologias classificadas como rede, são as que permitem a

conexão de equipamentos e computadores de forma física. Através de

uma rede, é possível dar e receber ordens, monitorar equipamento e

variáveis entre outras operações. Toda a informação que circula dentro

de uma rede é através de protocolos;

199

Software: aplicativos de computador e linguagens de programação

estão neste grupo. As linguagens de programação permitem a criação

de aplicativos e estes, por sua vez, a arquitetura e configuração e

controle de uma rede;

Sistema: neste grupo estão as tecnologias que controlam todo um

ambiente automatizado. Estão neste grupo as estratégias de controle,

sistema de automação, etc. Essas tecnologias estão no nível acima das

outras descritas anteriormente, funcionando como um elemento

integrador de todo o ambiente automatizado.

Tabela 16 – Instrumentação Fonte: Elaboração Própria

Instrumentação

Fieldbus Ethernet Wireless

Associated Motion

Control Interface Card

Associated Fieldbus

Interface Card

Bus Loop Power

Interface

Conversor A/D

(analogic to digital)

DSP

EIB OPC

PID-fuzzy

Transmissor de

pressão

WATM

PDA – Personal Digital

Assistant

PCDS

TCP/IP Ethernet

device

ASIC - application-

specific integrated

circuit

AWT – autonomous

wireless transmitter

EDLC - Electric

double layer

capacitor

FBG - Fibre Bragg

Gratings

GEC - Generic

embedded controller

GRC - Generic

remote controller

ICC - Integrated

Circuit Card

ILC - Iterative

Learning Control

Innervated

Stochastic Controller

Neuro fuzzy

controller

PDA – Personal

Digital Assistant

RF Wireless

Interface

Wireless sensor

networks

200

Protocolos


CIM - Computer-

Integrated

Manufacturing

HSE FDA - Ethernet

Field Device Access

Foundation ™ Protocol

HSE

HART

STEP-NC – Standart

for the Exchange of

Product – Numerical

Control

CIM - Computer-

Integrated

Manufacturing

LonWorks

Service discovery

protocol

Rtnet

HTTP

STEP-NC – Standart

for the Exchange of

Product – Numerical

Control

TCP

CAPP - Computer-

aided process

planning

CIM - Computer-

Integrated

Manufacturing

DHCP - Dynamic

Host Configuration

Protocol

HTTP

LonWorks

Tabela 17 – Protocolos Fonte: Elaboração Própria

Redes


Fast Ethernet

High Speed Ethernet

Internet

DeviceNet

Profibus

Simplebus

EtherCat Network

LAN

Profibus

Wireless LAN

Wireless mesh

Network

WAN Wireles Area

Network

Wireless Network

Real-Time Ethernet

WIMAX – Worldwide

Interoperability for

Microwave Acess

FMFNN - Fuzzy

membership

function-based

neural networks

Internet based Virtual

Private Networks

LAN

Profibus

Wireless Network

Wireless Mesh

Network

WIMAX – Worldwide

Interoperability for

Microwave Acess

Tabela 18 – Redes Fonte: Elaboração Própria

201

Software


CPRTA – Constraint

Programming for

Solving Real-Time

Allocation

CORBA – Common

Object Request Broker

Architecture

JAVA

TIPPtool

Data Processing

System

API – Application

Programming Interface

CAD – Computer

Aided Design

CORBA - Common

Object Request Broker

Architecture

Data Mining System

DOC – Distributed

Object Computing

FLEXICON - Flexible

Control Systems

Development and

Integration

Environment for

Control Systems

Globus Toolkit

Java

VMD – Virtual

Manufacturing Device

Asset Management

Systems

API – Application

Programming

Interface

CAD – Computer

Aided Design

PROMCALC

Tabela 19 – Software Fonte: Elaboração Própria

Sistema


BACnet

Block-Oriented

Control System

CAN - Controller

Area Network

CLP

CLPM – Control

Loop Performance

Monitoring

Controle

Automático por

Transmissão

Pneumática

CSMA/CD –

Carrier Sense

Multiple

Access/Collision

Detection

Centralised Scan-

Based Control

Asset

Management

System

BACnet

BAS

CAN – Controller

Area Network

CLP

DCS – Distributed

Control System

Distributed Real-

Time System

DRES

ERP – Enterprise

Resource Planning

Graphical User

Interface

IMS – Intelligent

Manufacturing

AEM – Abnormal

Event

Management

Controle

Automático por

Transmissão

Pneumática

Closed-loop

feedback

CBM - Condition-

based

maintenance

CNC

DRES

MEMS

NMS

NCS -

Networked

Control System

202

Systems

Distributed Real-

Time System

DCS – Distributed

Control System

DRES

Graphical User

Interface

Hardware-in-the-

loop Simulation

Host Computer

System

MCS –

Manufacturing

Control System

NCS – Networked

Control System

RTO – Real Time

Optimization and

Dynamic

Optimization

System

NMS

NCS – Networked

Control System

PCDS –

Production Control

Decision Support

Watchdog Timer

PLM - Product

Lifecycle

Management

SCM - Supply

chain

Management

Tabela 20 – Sistema Fonte: Elaboração Própria

Em linhas gerais, entende-se que as tecnologias coexistem ao longo dos anos.

Pode-se observar que várias indústrias ainda utilizam atualmente,

instrumentação tipicamente convencional, sinalizando que o advento das

tecnologias sem fio não traz a eliminação completa das demais tecnologias. Ao

longo de muitos anos ainda teremos a coexistência de redes como Foundation

Fieldbus, Profibus, Hart, Wireless, dentre tantas outras, participando dos

sistemas de automação industrial.

203

6. Referências Bibliográficas

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