Memória da eletricidade Por Weruska Goeking

Da máquina a vapor aos softwares de automação

70 O Setor Elétrico / Maio de 2010

Entenda de que forma a automação foi incluída como parte fundamental dos processos

industriais e sua influência no desenvolvimento fabril

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O Setor Elétrico / Maio de 2010

Aautomaçãosurgiucomoocaminhoparaa

reduçãodaparticipaçãoda“mãohumana”sobre

osprocessosindustriais.Partindodesseconceito,

podemosdizerqueautilizaçãoemlargaescalado

moinhohidráulicoparafornecimentodefarinha,no

séculoX,foiumadasprimeirascriaçõeshumanas

comoobjetivodeautomatizarotrabalho,ainda

quedeformaarcaica.Essedesenvolvimentoda

mecanizaçãoteriaimpulsionadomaistardeo

surgimentodaautomação.

Adisseminaçãodomoinhohidráulicopela

EuropaOcidentallevouaumcrescimentoda

produçãodealimentosnuncaantesobservado.

Naépoca,ummoinhoeracapazdesubstituiro

trabalhodedezavintehomens.Desdeentãoo

homemtemdirecionadoseuconhecimentopara

odesenvolvimentodetecnologiasquedesonerem

suasatividadesbraçais.Umexemploéamáquinaa

vapor,quecomeçouaserutilizadaparamovimentar

equipamentosindustriaisem1775efezummartelo

de60quilosdar150golpesporminuto.

Anecessidadecadavezmaiordeproduzir

maisemelhorculminounaRevoluçãoIndustrial,

ocorridaapartirdasegundametadedoséculoXVIII.

Grandemarcodasubstituiçãodotrabalhobraçal

pormáquinasqueexecutavamamesmatarefacom

maioreficiênciaequalidade,aRevoluçãoacelerou

oprocessodetransformaçãoedesenvolvimentode

tecnologias.

MasfoicomaajudadoinventorJamesWatt

queamáquinaavaporsetornoumaiseficiente,com

aimplantaçãodoreguladordevelocidade.Assim,

estavacriadoosistemaqueuniaastecnologias

pneumáticaehidráulica.

AsmodificaçõesfeitasporWatttiveramtanta

importânciaparaoparquefabrildaépocaque

levaramofilósofoalemãoKarlMarxaconsiderara

máquinaavaporcomooitemmaisimportanteda

grandeindústria.Ascompanhiasdefabricaçãotêxtil

foramasmaisbeneficiadas,masapenasAlemanha,

EstadosUnidoseInglaterraseequiparavamem

capacidadedeproduçãonesseprimeiroperíododa

revoluçãoindustrial.

Asprimeirasmáquinasmovidasaeletricidade

surgiramemmeadosdoséculoXIX,graçasaesforços

dediversospesquisadores–entreelesMichael

FaradayeAndré-MarieAmpère–queestudaram

autilizaçãodaeletricidadeedomagnetismoem

conjunto,levandoaodesenvolvimentodemotores

que,conectadosasistemaselétricos,acionavam

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alavancas.NofinaldoséculoXIX,essetipodemotor

começouaficarobsoletoedeulugaràsmáquinas

queusavamacorrenteelétricaemcirculaçãoem

condutoresparainteragircomocampomagnético

produzidoporimãsoueletroímãs.

ASegundaGuerraMundial(1939-1945)também

contribuiuparaahistóriadocontroleautomático

–aindaquecomobjetivosmenosnobres–com

odesenvolvimentodesistemasparaaplicaçãono

lançamentodemísseis.

Deacordocomoprofessordeautomação

industrialegestãodeprojetosdaFundação

MunicipaldeEnsinodePiracicaba(Fumep),Marcelo

EurípedesdaSilva,adesvantagemdorelénaépoca

eraanecessidadedefixá-loemalgumpontoe

suatransiçãoparaoutroslocaisdemandavamuito

trabalho,alémdamanutençãoconstantedos

equipamentos.

Evolução

Oconceitodeautomaçãofoiinstituídonos

EstadosUnidosapenasem1946,nasfábricas

automotivase,atualmente,otermosignificaqualquer

sistemaqueutilizecomputaçãoequesubstitua

otrabalhohumanocomointuitodeaumentara

velocidadeeaqualidadedosprocessosprodutivos,

asegurançadosfuncionários,alémdeobtermaior

controle,planejamentoeflexibilidadedaprodução.

Acriação,em1947,dotransistorajudoua

impulsionarodesenvolvimentodaautomação,

poissetratavadeumcomponenteeletrônico

capazdecontrolarapassagemdacorrenteelétrica

emdeterminadossistemas.“Otransistoréabase

paraqualquerprocessadormoderno”,explicao

especialistaemmanutençãodesistemaselétricos

egerentetécnicodaAdimarco,MarceloPaulino.

Comousodotransistoredaeletrônica,foipossível

odesenvolvimentodosprimeiroscomputadores

industriais.Emboraomicroprocessamentotenha

sidocomercializadoapenasapartirdosanos

1960,foinesseperíodoquesurgiramosprimeiros

robôsmecânicosaincorporarsistemasde

microprocessamentoeunirtecnologiasmecânicase

elétricas.

Atéofinaldadécadade1960,asempresas

automobilísticasproduziamemmassa,comrapidez

equalidade,masnãoofereciammuitasopções

paraosclientes,jáquealinhadeproduçãonãoera

flexível.Asolicitaçãodeumcarrocomacessórios

específicosoucomumacordiferentedadisponível

paraprontaentregapoderialevarmuitosmesespara

serproduzida,porexemplo.

Percebendoanecessidadedomercado,aGeneral

Motors(GM),nosEstadosUnidos,solicitouàempresa

Allen-Bradleyqueconfeccionasseumprodutoque

conferisseversatilidadeàprodução.Aempresa,

quejáproduziacontatoresedispositivoselétricos,

desenvolveu,em1968,oequipamentochamado

ControladorLógicoProgramável(CLP),quesubstituiu

osantigosrelésepermitiufazermodificaçõesrápidas

noprocessoprodutivo.

ComoCLP,asalteraçõeseramfeitasapenas

mudandosuaprogramação,enquantoqueos

sistemasarelésimplicavammodificaramontagem

dosequipamentose,muitasvezes,substituiros

hardwares.OCLPfoiintroduzidonaplantadaGM

em1969eosEstadosUnidoseaEuropaforamos

primeirosbeneficiadoscomatecnologiaquesó

chegouaoBrasilmaistarde,nosanos1980.

OsCLPssãodispositivosdigitaisquepermitem

controlaroprocessofabrilgraçasaumamemória

programávelquereúneasinstruçõesquedevem

serrepassadasparaasmáquinasresponsáveis

pelaproduçãoindustrial.ÀmedidaqueoCLPfoi

incorporadonasindústrias,evoluiueadquiriunovas

funçõeseéhojecapazdeexecutarsequenciamento,

temporização,contagem,energização/desenergização

emanipulaçãodedados,regulaçãoPID,lógicafuzzy,

entreoutrasfunções.OsCLPspodemserprogramados

pormeiodecomputadores,sãoadequadosparaos

ambientesindustriais–muitasvezesinóspitos–e

possuemlinguagemamigável.

Aautomaçãofoiaplicada,aprincípio,em

indústriasautomobilísticasepetroquímicas.De

láparacáatecnologiasedisseminouparaoutras

áreas,comoindústriasalimentícia,química,

petroquímica,siderúrgica,automotivaeassociadas

(pneus,borracha,etc.).

Foitambémnadécadade1980quesurgiua

“pirâmidedaautomação”.Essapirâmidedivide

osníveisdosequipamentosenvolvidosnessa

tecnologiadeacordocomsuaatuaçãonaindústria

emostracomoasinformaçõessãofiltradasdo

nível1atéchegaraoseutopo.Emcontrapartida,

asordensvindasdosníveisadministrativos(4e5)

sãorepassadasparaonível3,quegarantequeas

tarefassejamrealizadaspelosníveisoperacionais.

Atualmente,apirâmidedaautomaçãobaseia-seno

modeloaseguir,queconstanolivro“Engenhariade

AutomaçãoIndustrial“,dosautoresCíceroCoutode

MoraesePlíniodeLauroCastrucci.

Memória da eletricidade 72 O Setor Elétrico / Maio de 2010

Níveis de pirâmide

Administração de recursos da empresa. Neste nível encontram-se os softwares para gestão de vendas financeiras

Nivel 5:Gerenciamento

corporativo Mainframe

Nivel 4:Gerenciamento de

planta

Workstation

Nivel 3:Supervisão

Workstation,PC,IHM

Nivel 2:Controple

CLP,PC,CNC,SDCD

Nivel 1:Dispositivos de campo, sensores e atuadores

Sensoresdigitaiseanalógicos

Nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção, realizando o controle e a logística de suprimentos

Nível onde se encontram os equipamentos que executam o controle automático das atividades da planta

Nível das máquinas dos dispositivos e dos componentes da planta

Permite a supervisão do processo. Normalmente possui banco de dados com informações relativas ao processo

Protocolos

EthernetMAC

TCP/IP

EthernetMAC

TCP/IP

ControlNetProfibus FMSFieldbus HSE

Fieldbus H1CAN

Profibus DP, PAHartAsl

LonWorksInterBus

A “pirâmide da automação”, criada nos anos 1980 divide os níveis dos equipamentos envolvidos de acordo com sua atuação no processo industrial.

CLP: o Coração da automação

AsdiferençasentreoCLPutilizadohojeeospioneirosdadécada

de1960são:tamanhoreduzido,desempenhodemaisfunçõesemaior

capacidadedeprocessamentodedados.Atualmente,oCLPpodeaté

executarfunçõesdeoutrosequipamentos–donível1–,casoelesvenham

afalhar.

ParacomplementaraatuaçãodoCLP,éutilizadoosistemade

supervisãoSupervisoryControlandDataAcquisition(SCADA),que

tambémfazpartedonível2.Osistemaprodutivoémostradoemuma

telaespecíficapelaInterfaceHomem-Máquina(IHM),ouquandoas

informaçõessãorepassadasdiretamenteparaumcomputadorSCADA

compondoosistemasupervisório.

Entretanto,antesdodesenvolvimentodossistemassupervisórios,os

dadosdonível1apareciamemquadrossinóticos,emqueofuncionamento

adequadodasmáquinaseramostradopormeiodeLedselâmpadasque

sinalizavamaoperaçãodasmáquinas.

Atualmente,emsubstituiçãoaoCLPeaoScada,podeserutilizadoo

SistemaDigitaldeControleDistribuído(SDCD),quereúneasfunçõestanto

dosoftwarequantodohardware.Foidesenvolvidoemmeadosdadécada

de1970pelasempresasHoneywelleYokogawaeécapazdesuportarmais

informaçõeserealizarmaisprocessos,comosupervisionargrandesmalhas

complexasdecontrole,comoéocasodaindústriadepetróleo.

Inicialmente,oSDCDeraespecialmenteaplicadoemindústriasde

processos,comoapetrolífera,comcustobemmaiselevadoqueoCLP,

que,porsuavez,eramaisutilizadoporempresasautomotivas.Hojeem

dia,nãoexisteessadistinção,deformaqueosCLPsrealizammuitasdas

tarefasexecutadaspeloSDCD.

Achamada“indústriahíbrida”,porexemplo,podeempregartanto

SCDCquantooCLPnoprocesso,ouatémesmoosdoisconjuntamente,

poisjásãocapazesdesecomunicar.

OutrasubstituiçãoaoCLPsurgiuem2002comoProgrammable

AutomationControler(PAC),queexecutaaindamaisfunçõesqueo

primeiroeécapazdetrocarinformaçõescomdiversosequipamentosda

pirâmideeexecutarprogramascomplexos.Apropostadesseequipamentoé

realizarasmesmasfunçõesdeumSDCD,mascomopreçoeasimplicidade

doCLP.

Aprincipaldiferençaentreapirâmideatuale

autilizadanosanos1980équeosníveis1e2não

estavamintegradosaosníveis4e5atravésdonível

3.Assim,asinformaçõestécnicassobreaprodução

obtidasnosníveis1e2precisavamserexplanadas

paraosníveisadministrativospormeioderelatórios.

Domesmomodo,oscontroladoresdomesmo

níveldapirâmidenãotrocavamqualquertipo

deinformação,oquelimitavaosbenefíciosda

automação,poisoscomputadoressóexistiamno

nível4datecnologia.Qualquernecessidadede

integraçãodedadosparaanáliseouparamelhora

noprocessoprodutivoerafeitapormeiodelongos

relatórios.Issoperdurouatéosanos1980,quando

surgiramasredesdecomunicação,ouseja,eraa

primeiravezqueosequipamentosdediversosníveis

daautomaçãopoderiamtrocardados.

Porém,mesmocomosurgimentodasredes

decomunicação,apenasosequipamentosdeuma

mesmamarcaconseguiamsecomunicar,poiscada

fabricantetinhaseuprópriosistema.Aintegraçãode

linguagens–conhecidacomointeroperabilidade–

sósurgiuem1993comapublicaçãodanormaIEC

61131-3,quepadronizouaprogramaçãodecontrole

industriale,posteriormente,comaintroduçãoda

ISA95,queéopadrãointernacionalparaintegração

deempresasesistemasdecontrole.

Atualmente,alémdaintegraçãoentreosníveis

operacionaiseadministrativos,jáépossívelintegrar

diversaspirâmides,ouseja,váriasindústriasdeum

mesmogrupo,porexemplo,podemsecomunicar.

“Éaglobalizaçãodaintegraçãotrazidapela

automação”,afirmaoprofessordocursodeMBAem

automaçãoindustrialnaUniversidadedeSãoPaulo

(USP),MarcosYukioYamagushi.

Hojehácomunicaçãowireless,massóéutilizada

paratransmissãodedadosentrecomputadores.De

acordocomYamagushi,aredewirelessHART(que

podeserutilizadaparacomunicaçãoentretodosos

equipamentosdaautomação),porexemplo,nãoé

muitoaplicadaporque,apesardeserconfiável,émuito

lenta.Paraseterideia,atransmissãoviacabosentreo

CLPeaIHMlevamilissegundos,enquantoviawireless

HARTpodelevaraté15segundos,diferençadetempo

que,emumprocessoindustrial,édegranderelevância.

Por que automação?

Asprincipaisvantagensdaautomaçãoconsistem

emproduzirmaisprodutos,emmenortempoecom

Memória da eletricidade 74 O Setor Elétrico / Maio de 2010

O Controlador Lógico Programável (CLP) é um dos equipamentos mais antigos e mais importantes utilizados na automação industrial

No início do século XX, os relés temporizados, juntamente com os controles, já eram utilizados na indústria automobilística Ford, cuja linha de produção automatizada levou à produção em massa, que ficou conhecida como Fordismo.

O Setor Elétrico / Maio de 201075

maiorqualidade,comamenorintervençãohumana

possível.Tambémépossívelotimizarosprocessos

usandoosequipamentosresponsáveispelaprodução,

deformaaobterseumelhorrendimentoediminuira

cargaemhoráriosdeponta,quandoaenergiaémais

cara,ediminuirosgastoscomaconcessionária.

“Aintroduçãodaautomaçãofoimuito

importanteparaosprocessosprodutivosporque

seminimizouavariabilidadederesultadosque

eramuitoaltacomainterferênciadohomem.

Agoratemosrepetiçãodeprocessoscomqualidade

assegurada”,afirmaocoordenadordoCentrode

PesquisaeCapacitaçãoTecnológicaemAutomação

Industrial(EPUSP)–convênioentreoDepartamento

deEnergiaeAutomaçãoElétricas(PEA)da

UniversidadedeSãoPaulo(USP)eaRockwell–,

CíceroCoutodeMoraes.

Tambémemcasodecorteinesperadono

fornecimentodeenergia,aautomaçãotambém

podeserútil.Épossívelfazerumaprogramação

doCLP(quedelegaasorientaçõesparaosdemais

equipamentoseconseguediagnosticarproblemas

mesmoantesdainterrupçãodaoperação)paraque

cargasvitaiscontinuemareceberalimentaçãopor

meiodegeradoresoufontesalternativas.

Contudo,osgeradoreslevamatédezsegundos

paraentraremoperaçãoealgunsprocessosnão

podemsofrerqualquerinterrupçãodeenergia.

Nessescasos,aautomaçãosupervisionanobreaks

quegarantemofuncionamentodascargasatéque

osgeradoresentrememoperação.Sistemascomo

essesforamdesenvolvidospararedesdetelevisão,

hospitais,centraisdeprocessamentosdedados,entre

outros.Muitosdelestrabalhamcomapossibilidade

defaltadeenergiadeumsegundoacadacincoanos

naalimentaçãodascargasconsideradasvitais,mas

essecritériodependedaespecificaçãodoprojeto.

Aautomaçãotambémpermitiuainclusãode

práticasfabrisquevisammelhorarosprocessos,

comoprogramadoSixSigma.Asindústriasque

seguemessemodelodequalidadegarantemapenas

umdefeitoacadaumbilhãodeprodutosfabricados,

padrãoestedequalidadeinseridonoBrasilhá

aproximadamente15anos.

Amanutençãoéoutroitemquepodeser

beneficiadocomaimplantaçãodeprocessos

automatizados,jáque,comomonitoramento

completodasmáquinasépossívelverificar

seufuncionamentoerealizarosprogramasde

manutençãopreditiva.Antesdaautomaçãoas

manutençõespredominanteseramacorretivaea

preventiva.Atémesmoestaúltimafoimelhorada,

porque,antesdaautomação,asmáquinaseram

paralisadasperiodicamenteetinhamsuaspeças

trocadas,mesmoqueaindanãoapresentassem

problema.

Comonemtudosãoflores,umadas

desvantagensdaautomaçãoéque,aoimplementá-

la,problemasrepentinospodemocorrere,muitas

vezes,seelesnãoforemprevistos,aintervençãodo

homempodenãoserpermitida,levandoaerrose

outrasconsequênciaspiores.

Outraquestãosemprelevantadaquandosefala

emautomaçãoéoeventualaumentododesemprego.

Deacordocomoengenheiroeletrônico,diretorde

treinamentoepresidenteeleitodaInstrumentation

SocietyofAutomation(ISA–Sociedade

InternacionaldeAutomação),JorgeRamos,não

hádemissõesemmassa,massimumamudança

noperfildavagadetrabalho.“Aprogramação

éhumana,sóaatuaçãonãoémais”,completa.

Porisso,anecessidadeconstantedeatualização

dosprofissionaisenvolvidosnestaáreadeforma

queconsigamacompanharaevoluçãodasnovas

tecnologias.

ÉoquepensaoprofessordoDepartamentode

EngenhariadeEnergiaeAutomaçãoElétricas(PEA),

daUSP,SérgioLuizPereira.Segundoele,épreciso

tercuidadonaaplicaçãodatecnologiaparaqueela

tragabenefíciosparatodasascamadasdasociedade.

“Aautomaçãoéumapoderosíssimaferramentaeo

empregodelaéquepodeserbomouruime,dentro

deumdesenvolvimentosustentável,devehavera

inclusãosocial.Issoporqueseelaforempregada

apenasparasubstituiçãodoserhumanoeoresultado

nãoforinvestidonelemesmoparaquepossaexercer

outrasatividadesmaisnobres,aautomaçãopode

levaraumdesemprego.Eesseaumentodeprodução

serárevertidoparaquem?”,conclui.

Principais equipamentos

Onível1da“pirâmidedaautomação”éo

chamado“chãodefábrica”,poiséonívelem

queestãoasmáquinasdiretamenteresponsáveis

pelaprodução.Écompostoprincipalmentepor

relés,sensoresdigitaiseanalógicos,inversoresde

frequência,conversores,sistemasdepartidaeCentro

deControledeMotores(CCMs).

Onível2éresponsávelpelocontroledetodosos

Memória da eletricidade 76 O Setor Elétrico / Maio de 2010

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Inversores de frequência recebem orientações do CLP e rapassam os comandos para as máquinas fabris

equipamentosdeautomaçãodonível1eenglobaos

controladoresdigitais,dinâmicoselógicos,comoos

CLPs,edesupervisãoassociadaaoprocessofabril.

Essesequipamentostambémsãoresponsáveispor

repassaroscomandosdosníveissuperioresparaas

máquinasdaplantadafábrica(nível1).SãoosCLPs

que“delegam”astarefasparaosequipamentosdo

nível1.

Nonível3dapirâmide,podemserencontrados

osbancosdedadoscominformaçõessobrequalidade

daprodução,relatórioseestatísticas.Ossistemas

supervisóriosconcentramasinformaçõespassadas

pelosequipamentosdosníveis1e2easrepassam

paraosníveisadministrativos(níveis4e5).

Onível4éresponsávelpeloplanejamentoe

programaçãodaplantafabril,passandoastarefas

quedevemserrealizadasparaonível3que,porsua

vez,distribuiotrabalhoparaosníveisinferiores.

Tambéméonívelresponsávelpelocontrolee

logísticadesuprimentos.Jáaadministraçãode

todososrecursosdaempresaestãononível5,onde

égerenciadotodoosistema.

Oscomputadoreslocalizadosnosníveis4e5

precisamseraltamenteconfiáveisepossuirmuita

memóriaparaoarmazenamentodedadosegrande

capacidadedeprocessamento.Devemcontarcom

redundânciademáquinaedediscorígido,alémde

restritoacessoparagarantirasegurançadetodoo

sistemadeautomação.

Asmaisrecentestecnologiasparaautomação

donível3sãooManufactoryExecutionSistem

(MES),sistemadegerenciamentodeoperações,eo

EnterpriseResourcePlanning(ERP),programaque

realizaoplanejamentodenegócioselogística.

Investimentos

DeacordocomocoordenadordoEPUSP,Cícero

Couto,paraarealizaçãodeumbomprojetode

automação,éprecisoqueaempresadeintegração

responsávelpeloprojetoentendaperfeitamente

comoaindústriacontratantedesenvolveseu

processoprodutivo.Asespecificidadesdecada

parqueindustrialpedemsempresuasolução

particular,mesmoqueacontratadatenhafeito

automaçãodeprocessossimilares.

Porisso,édeextremaimportânciaquea

indústriacontratantedetalhetodooseuprocesso

demanufaturaeoqueeladesejaobtercom

aautomação.Umexemplodessecasoentrea

indústriaeaempresaresponsávelpelaautomação

édeumafábricadeprodutosdelimpezaque

precisavareduziropreçodeumsabãoempópara

manter-secompetitivanomercado.Aautomação

foitotalmentedesenvolvidacomesseobjetivo:

minimizaroscustosdoprocessoefazeroproduto

chegaraoconsumidorfinalcomopreçoalmejado

pelaindústria.

Onumerárioinvestidonatecnologiadependerá

dotipoedaamplitudedaautomaçãonafábricae

oretornodoinvestimentoocorreentretrêsecinco

anos.Aprincipalfontedesseretornoéaquedano

custodefabricaçãodoprodutocomocrescente

aumentodaprodução.Comisso,aindústriapode

escolherentreaumentarsuamargemdelucrosobre

cadamercadoriaoubaixarseupreçocomoaumento

dasvendas.

Amanutençãodaautomaçãoéfeitaanualmente

e,em90%doscasos,pelosprópriosfuncionários

daindústria,quesãodevidamentetreinadospela

empresaresponsávelpelaautomatização.Acadacinco

anoséprecisotrocarosequipamentoseossoftwares

responsáveispelaautomação,sendonecessáriaa

atuaçãodaempresaqueimplantouatecnologia.

O Setor Elétrico / Maio de 201077

Energia Saídas / Entradas

Painel: Inversores e softstarters

Motor 3Motor 6 Motor 5Motor 1 Motor 4Motor 2

IHM

CLP

Ilustração dos níveis 1 e 2 da automação industrial