oportunidades e inovações tecnológicas para o setor de automação industrial
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Oportunidades e Inovações Tecnológicas para o setor de Automação Industrial
Outubro/ 2013
Relatório preparado pela Cysneiros Consultores Associados para a Secretaria de Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco.
Pesquisador ResponsávelEletroeletrônica: Eduardo Peixoto
Sumário
1 Introdução........................................................................................................................5
2 Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica........................6
2.1 Análise da Tecnologia de Automação Industrial.................................................................72.1.1 Processos...........................................................................................................................................92.1.2 Dispositivos.....................................................................................................................................102.1.3 Protocolos de comunicação.............................................................................................................112.1.4 Software...........................................................................................................................................122.1.5 Redes de comunicação industrial....................................................................................................13
2.2 Macrotendências de Inovação Tecnológica em Automação Industrial...........................152.2.1 Computação em nuvem...................................................................................................................152.2.2 Comunicação sem fios.....................................................................................................................162.2.3 Segurança........................................................................................................................................172.2.4 Sustentabilidade...............................................................................................................................182.2.5 Integração com os sistemas corporativos........................................................................................182.2.6 Gerenciamento de ativos.................................................................................................................19
2.3 Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco.................................20
3 Conclusão.......................................................................................................................21
4 Referências.....................................................................................................................22
Índice de Tabelas
Tabela 1. Comparativo entre rede industrial e corporativa..................................................................................14
Tabela 2. Ataques cibernéticos a sistemas de automação industrial.....................................................................17
Índice de Figuras
Figura 1. Esquema de sistema de controle com CLP .............................................................................................8
Figura 2. Controlador Lógico Programável ..........................................................................................................9
Figura 3. Receita dos protocolos de automação industrial ..................................................................................12
Figura 4. Visão geral de uma rede de automação industrial ...............................................................................13
Figura 5. Arquitetura atual e futura da rede de automação industrial ................................................................16
Figura 6. Integração ERP e MES..........................................................................................................................19
1 Introdução
Este relatório foi produzido no âmbito no projeto CICTEC - Centro de Inteligência
Competitiva para Parques Tecnológicos, e apresenta as principais tendências de inovação
tecnológica no setor de Eletroeletrônica, apontando oportunidades de inovação para as
empresas Pernambucanas, abordando em detalhe as novas tecnologias de Automação
Industrial, a qual possui um papel importante na economia global e na vida das pessoas, ao
combinar dispositivos com ferramentas organizacionais e matemáticas para criar um sistema
complexo.
Com o crescimento das tecnologias de computação em nuvem, a arquitetura
monolítica da rede de automação industrial se altera para uma arquitetura orientada a serviço,
expandindo as oportunidades de inovação e negócios. No atual contexto de inovações na área
de automação industrial e com a reindustrialização de Pernambuco (Porto de Suape, Refinaria
Abreu e Lima, fábrica da Fiat, polo têxtil do Agreste) diversas oportunidades se apresentam
neste segmento para as empresas do ParqTel e Porto Digital.
2 Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica
A indústria representava 25% do Produto Interno Bruto (PIB) do estado de
Pernambuco nos anos 80, mas na década seguinte se iniciou um processo de decadência que
reduziu a participação do setor para 15% do PIB do estado (AgroCIM, 2011). Entretanto nos
últimos anos, começou um processo de reindustrialização em Pernambuco, com a
implantação de diversos projetos estruturadores: complexo industrial portuário de Suape, que
além do próprio porto, comporta a refinaria Abreu e Lima e o estaleiro Atlântico Sul; polo
automotivo de Goiana liderado pela fábrica da Fiat (Carvalho, 2013) (Brito, 2011). Além
desses grandes projetos, o desenvolvimento do polo de confecção do Agreste Pernambucano
no entorno dos municípios de Toritama, Santa Cruz do Capibaribe e Caruaru, que movimenta
R$ 1 bilhão por ano (SEBRAE, 2013). Segundo Jorge Corte Real, presidente da Federação
das Indústrias do Estado de Pernambuco (FIEPE), a expectativa é o PIB estadual atinja R$
170 bilhões nessa década, e que o setor industrial corresponda a 28% desse montante, com
valor aproximado de R$ 47 bilhões (FIEPE, 2013).
No entorno de cada um dos grandes empreendimentos ao norte e ao sul de Recife,
novas indústrias se instalarão nos próximos gerando demanda para produtos e serviços de
automação industrial, que poderia ser uma expansão dos produtos e serviços de algumas
empresas do ParqTel, mais especificamente TRON e Neiva’s; e uma oportunidade para
empresas do Porto Digital na área de programação de CLP e integração entre as redes de
controle industrial e as corporativas.
Nesta seção, levantamos as tecnologias de automação industrial e apresentamos uma
análise preliminar do uso dessas tecnologias pelas empresas do ParqTel e Porto Digital.
2.1 Análise da Tecnologia de Automação Industrial
A automação é o uso de equipamentos, sistemas de controle e tecnologias da
informação para aumentar a produtividade na produção de bens e na entrega de serviços. O
termo automação começou a ser utilizado a partir de 1947 quando a General Motors criou um
departamento de automação. O impacto da tecnologia vai além da manufatura, como
podemos observar na substituição das telefonistas pelas centrais telefônicas, e na substituição
dos caixas bancários pelos caixas eletrônicos ou ATMs (Wikipedia, s.d.). A automação tem
um papel importante na economia global e na vida das pessoas, ao combinar dispositivos com
ferramentas organizacionais e matemáticas para criar um sistema complexo (IEEE).
Até a década de 1940, as fábricas eram operadoras manualmente ou através de
controles pneumáticos. A partir do desenvolvimento da eletrônica analógica nas décadas de
1950 e 1960, e da eletrônica digital a partir das décadas de 1970 e 1980, o grau de automação
na indústria foi ampliado (Gutierrez & Pan, 2008). O sistema de controle industrial é uma
categoria que engloba diversos sistemas de controle utilizados na automação industrial, tais
como: Supervisory Control and Data Acquisition(SCADA), Distributed Control Systems
(DCS) e os mais simples que são os Programmable Logic Controllers (PLC), que será
referenciado doravante nesse documento como Controlador Lógico Programável – CLP. O
divisor de águas na automação industrial foi a invenção do CLP por Dick Morley em 1968
para atender a uma necessidade da General Motors para substituir o sistema de controle
baseado em reles interligados. O dispositivo deveria atender aos seguintes requisitos:
programação simples, mudanças na programação sem necessidade de alteração do
cabeamento interno, baixo custo de manutenção (The PLC Tutor, 2009) (Festo, 2002).
Segundo a IEC, o CLP é definido como:
“Um sistema eletrônico digital projetado para uso em ambiente industrial, que usa
memória interna programável para armazenar um programa com instruções para implementar
funções especificas: logicas, sequenciamento, temporização, aritmética para controlar através
de entradas e saídas digitais e analógicas diversos equipamentos e processos. O controlador e
seus periféricos associados também foram projetados para poderem ser integrados em um
sistema de controle industrial.” (IEC, 2003)
Um CLP pode ser visto como um computador robusto e especializado para tarefas de
controle, em tempo real, de acordo com um programa no qual a lógica de controle é
implementada por meio de software. Em intervalos periódicos de tempo (scan time), o
controlador realiza uma varredura das entradas, lendo os sinais provenientes do campo, e os
processa, comparando com valores de referencia predeterminados, e finalmente envia
comandos para as saídas. Pode realizar operações de conversão de sinais analógicos em
digitais e vice-versa e também comunicar-se com a interface humano-maquina, responsável
pela interação do sistema com o operador (Gutierrez & Pan, 2008). A figura abaixo exibe um
diagrama de alto nível de um sistema de controle, destacando o CLP:
Figura 1. Esquema de sistema de controle com CLP 1
1 Adaptado de ( mikroElektronika, 2003)
Na figura abaixo, temos um exemplo de CLP fabricado pela Rockwell Automation,
uma das pioneiras do setor:
Figura 2. Controlador Lógico Programável 2
2.1.1 Processos
Os sistemas de automação industrial dependem do processo de manufatura que se
deseja automatizar. Dessa forma, os sistemas de controle de processos podem ser
classificados da seguinte forma (Gutierrez & Pan, 2008):
Discretos – fabricação de produtos ou pecas que podem ser contados como unidades
individuais, como por exemplo: automóveis, brinquedos, eletroeletrônicos, vestuário,
tijolos, pneus, calçados;
Bateladas – fabricação de bens que dependem que determinadas quantidades de
matérias primas sejam combinadas de forma apropriada por um período de tempo,
como por exemplo: colas, alimentos;
Contínuos – fabricação de bens onde determinadas quantidades de matérias primas de
forma apropriada de forma contínua, como por exemplo: siderúrgicas, gás natural,
produtos químicos, plásticos, papel, celulose, cimento, açúcar e álcool.
2 (Rockwell Automation, 2013)
2.1.2 Dispositivos
A implementação de um sistema de controle na automação industrial envolve
diferentes dispositivos, tais como (Gutierrez & Pan, 2008):
Sensores – instrumento cuja função é medir o valor de uma variável;
Indicador – instrumento que apresentar o valor medido de uma variável;
Transmissor – dispositivo que converte o sinal oriundo de um sensor em um sinal
compatível com a rede de comunicação. Pode incorporar ou não a função de sensor. É
comum, o termo transmissor ser designado para dispositivos que incorporam três
funções: sensor, transdutor (conversor) e transmissor;
Transdutor – dispositivo que, a partir de um sinal de entrada, produz uma saída de
natureza distinta, por exemplo: convertendo uma variação analógica em um sinal
digital;
Controlador – dispositivo que manipula uma determinada variável de entrada do
sistema de forma a manter a variável de saída no valor de referencia definido. Pode
ser mecânico, pneumático, elétrico ou eletrônico, sendo esse analógico ou digital.
Todos tem as lógicas de controle implementadas na estrutura física, a exceção do
dispositivo digital;
Controlador programável (Programmable Automation Controller - PAC) – é um
controlador compacto que combina as funcionalidades de um computador e um
controlador (CLP).
Registrador – dispositivo que armazena os valores assumidos pela variável
controlada, seja através da impressão de um gráfico, seja pela gravação digital dos
dados;
Atuador – dispositivo que, recebendo o comando do sistema de controle, o controle
em uma ação física no sentido de alterar a variável manipulada. Os atuadores mais
utilizados na indústria são aqueles associados a válvulas de controle e a motores;
Chave – dispositivo que tem por função ligar, desligar ou transferir ligações entre
circuitos, inclusive circuitos de alarme, segurança, sinalização.
Adaptador – dispositivo utilizado para comunicação entre redes, como por exemplo:
gateway;
Interface Humano-Máquina (IHM) – dispositivo para visualização de dados do
processo, bem como para alteração de seus parâmetros e de condições de operação
das maquinas;
Comando Numérico Computadorizado (CNC) – dispositivo dedicado ao controle
automático de maquinas-ferramenta – por exemplo, tornos, fresadoras,
mandrilhadoras e retificadoras. O programa pode ser introduzido na memória do CNC
pelo operador por meio de uma IHM própria ou pode ser carregado de um sistema
CAD (Computer Aided Design) / CAM (Computer Aided Manufacture).
2.1.3 Protocolos de comunicação
Na rede de comunicação corporativa, os protocolos de comunicação estão quase
completamente baseados no padrão Ethernet. Nas redes de comunicação industrial existem
diversos protocolos, todos eles projetados para garantir que a comunicação fosse realizada no
tempo adequado. Alguns desses protocolos são proprietários, o que impedem que dispositivos
de fabricantes diferentes interajam entre si. Os protocolos abertos mais utilizados são
FieldBus (FF) e ProfiBus (Gutierrez & Pan, 2008). Nos últimos anos, o padrão Ethernet
tradicional tem sido utilizado nas aplicações onde o determinismo da latência não era um
requisito, e o padrão Ethernet modificado, o EtherNet/IP tem conquistado espaço nas
aplicações determinísticas (Industrial Automation, 2011). A figura a seguir exibe a receita
dos produtos de rede de automação industrial por tipo de protocolo no ano de 2011:
Figura 3. Receita dos protocolos de automação industrial 3
2.1.4 Software
Um sistema de controle de automação industrial envolve diversos software, tais como
(Gutierrez & Pan, 2008):
Software de supervisão – implementa a comunicação entre um computador e a rede
de automação, permitindo a visualização e operação do processa de forma
centralizada, como por exemplo o SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition);
Software de configuração – prove um ambiente para criação de aplicações de controle
baseados na lógica PID, sistemas especialistas para controle de processos e aplicativos
de execução de lógicas fuzzy e neuro fuzzy, e para definição de funções de rede de
protocolos específicos;
Manufacturing Execution System (MES) – controla o fluxo produtivo, incluindo
estoques de matérias primas, produtos em processamento e disponibilidade das
máquinas;
3 (Industrial Automation, 2011)
Plant Information Management System (PIMS) – armazena as informações relevantes
de processo, coletando informações dos sistemas de supervisão, sistemas de controle e
sistemas legados;
Enterprise Asset Management (EAM) – gerencia os equipamentos da planta.
Computerized Maintenance Management System (CMMS) – gerencia a manutenção
utilizando os dados transmitidos pela rede de automação e controle para registrar
anomalias no funcionamento dos equipamentos.
2.1.5 Redes de comunicação industrial
Os dispositivos de automação industrial podem ser integrados em uma rede de
comunicação industrial análoga a uma rede corporativa, como exibido na figura abaixo:
Figura 4. Visão geral de uma rede de automação industrial 4
4 ( mikroElektronika, 2003)
A tabela abaixo exibe um comparativo entre uma rede de comunicação industrial e
uma rede corporativa (Galloway & Hancke, 2012):
Tabela 1. Comparativo entre rede industrial e corporativa
Industrial CorporativaFunção primária Controle de equipamentos Processamento e transferência
de dadosAplicação Manufatura, distribuição de
energia, agua e gás.Empresas e residências
Hierarquia Profunda, funcionalidades separadas em níveis com diversos protocolos diferentes.
Integrada com protocolos uniformes
Severidade da falha Alta BaixaDisponibilidade requerida Alta MédiaRound trip 250 µs – 10 ms ± 50 msDeterminismo Alto BaixoComposição dos dados Pequenos pacotes periódicos e
não periódicosPacotes não periódicos grandes
Consistência temporal Requerida Não requeridaAmbiente operacional Condições hostis,
frequentemente com alto nível de poeira, temperatura e vibração.
Ambientes limpos
2.2 Macrotendências de Inovação Tecnológica em Automação Industrial
A área de automação industrial teve início em 1968, mas a área vem evoluindo
constante devido a pressão por reduções de custo. Uma fonte constante de inovação tem sido
os avanços da tecnologia da informação e comunicação (TIC) e eletrônica. A integração
dessas tecnologias na automação industrial possibilita a redução de custos, ganhos de
eficiência a e melhores serviços. A Frost & Sullivan, descreve as tendências na automação
industrial, alguns delas originadas da integração com essas tecnologias (Frost & Sullivan,
2012):
Computação na nuvem;
Comunicação sem fios;
Segurança;
Sustentabilidade;
Integração com os sistemas corporativos;
Gerenciamento de ativos.
2.2.1 Computação em nuvem
As tecnologias de computação em nuvem começam a ser integradas à automação
industrial, alterando a arquitetura monolítica da rede de automação industrial para uma
arquitetura orientada a serviço, como ilustrado na figura a seguir (Industrial Ethenert Book,
2013):
Figura 5. Arquitetura atual e futura da rede de automação industrial 5
O uso dessas tecnologias permitirão ganhos de eficiência, mobilidade, produtividade
nos negócios (Scantlebury, 2012) como podemos ver no monitoramento remoto em tempo
real de tanques industriais, utilizando protocolos padrão de mercados, sistema e sensores com
configurações simples, integrado ao correio eletrônico e serviço de mensagem curtas (SMS)
(ThomasNet News, 2013).
2.2.2 Comunicação sem fios
A grande flutuação da qualidade dos canais de transmissão quando comparado com as
soluções cabeadas; as perdas e pacotes com erro devido à reflexão, sccattering e difração das
ondas eletromagnéticas; e as flutuações do tempo de latência foram um desafio para o uso de
tecnologias de comunicação sem fio na automação industrial. Mas o desenvolvimento de
diversos padrões de comunicação sem fio e a adaptação de protocolos de comunicação para
as aplicações industriais reduziram drasticamente os problemas (Paavola & Leiviska, 2010).
As principais vantagens quando comparadas as soluções cabeadas são (Buda, Schuermann, &
Wollert, 2010):
5 (Industrial Ethenert Book, 2013)
Flexibilidade na instalação / upgrade da rede; Menor custo de instalação e manutenção; Descentralização das funções de automação; Melhor adequação as normas em ambientes restritos ou perigosos; Aplicação em equipamentos rotativos ou em movimento; Integração com rede de sensores.
As redes de sensores sem fio (Wireless Sensor Network / WSN) estão se tornando
cada vez mais comuns nas redes de automação industrial. Indústrias mais maduras, tais como
óleo e gás, água e energia já começaram a migrar das redes cabeadas para rede de sensores
sem fio. As redes de sensores sem fio consistem em uma série de nós conectados por bridges,
roteadores, switches e gateways para monitorar parâmetros físicos, tais como: pressão, nível
de líquidos, velocidade de fluxo, nível do PH, aceleração, movimento, vibração, umidade,
luz, proximidade e posição. As principais aplicações das redes de sensores sem fio são:
sistemas de controle e monitoramento, coleta de dados realtime, robôs móveis e
estacionários, detecção de eventos raros, coleta de dados periódica (Source Tech 411, 2013).
2.2.3 Segurança
A utilização de padrões abertos por um lado diminuiu os custos da automação
industrial e possibilitou integração com os sistemas corporativos, por outro lado aumentou o
risco de ataques cibernéticos como os vistos na última década (Frost & Sullivan, 2013).
Tabela 2. Ataques cibernéticos a sistemas de automação industrial
Data Local AtaqueMarço / 2000 Maroochy Shire Sewage (Austrália) Sistema SCADA comprometidoJaneiro / 2003 Davis-Besse Power Station of First
Energy (US)Ataque cibernético
Janeiro / 2008 Sistema de trem público (Polônia) Hackeado remotamenteDezembro / 2010 Planta nuclear iraniana (Iran) Ataque Stuxnet 6
Novembro / 2011 Iran Ataques Duku
O secretário de defesa dos Estados Unidos, Leon Panetta, alertou que os Estados
Unidos poderiam sofrer um ataque cibernético surpresa na infraestrutura do país, estilo Pearl
6 (Kushner, 2013)
Harbor, que poderia descarrilhar trens, envenenar suprimentos de água, e derrubar as redes de
energia (Kushner, 2013).
2.2.4 Sustentabilidade
A sustentabilidade é uma tendência que esta afetando diversos setores da economia.
No caso específico da área de automação industrial, as pressões da sociedade por o uso
eficiente de recursos favorecem a implementação de controles automáticos para evitar perdas
de energia, água e insumos.
No caso específico da produção de energia, o mercado brasileiro passa por um
momento único, pois o país está em processo de definição e implantação de padrões para
medição inteligente de energia (smart metering) (SmartGrid News, 2012) e redes inteligentes
(smart grid), que permitirão inclusive que consumidores residenciais produzam energia e
injetem a mesma na rede quando houver excesso de produção.
2.2.5 Integração com os sistemas corporativos
A integração da automação industrial com os sistemas corporativos é realizada através
Manufacturing Execution System (MES), que é o sistema de controle do fluxo de produção,
permitindo que o ERP tenha informações em tempo real, se tornado dessa forma um ERP
realtime (Hayes, 2011). O padrão IEC 62264, que é baseado na norma ISA-95, oferece um
framework para a integração entre o nível 4 e os níveis inferiores.
Figura 6. Integração ERP e MES
Os principais benefícios da utilização do MES são (Murray):
Visão integrada da empresa, pois a partir do ERP é possível ter acesso aos dados do
MES;
Tempo de resposta menor para o tratamento dos problemas ocorridos na fábrica;
Integridade dos dados, pois não é mais necessária a entrada manual de dados;
Melhoria estimativa para tempos de entrega dos produtos (Hayes, 2011).
Melhorar a capacidade de auditoria (Enterprise System Partnes);
Aumentar a capacidade de rastreamento dos insumos (Enterprise System Partnes);
Diminuição de uso de papel (Enterprise System Partnes);
2.2.6 Gerenciamento de ativos
O gerenciamento de ativos tem por objetivo aumentar o tempo de funcionamento da
planta através do gerenciamento dos ativos, geralmente identificado por Enterprise Asset
Management (EAM). A falha em um sensor de três mil dólares pode parar a produção de uma
planta, incorrendo em perda de 50 mil dólares por hora, e podendo passar dias inoperante até
que o sensor seja consertado ou um novo sensor seja comprado (Boyes, 2006). A coleta e
análise dos dados dos equipamentos permitem uma manutenção preventiva mais eficiente e
uma atuação mais rápida na correção dos problemas.
2.3 Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco
As inovações na área de automação industrial e a reindustrialização de Pernambuco
(Porto de Suape, Refinaria Abreu e Lima, fábrica da Fiat, polo têxtil do Agreste)
proporcionarão diversas oportunidades para as empresas do ParqTel e Porto Digital. Como
parte da conclusão desse trabalho, sugerimos um plano de ação preliminar:
Acompanhamento das feiras do setor, tais como: China IAS 2013 - Industrial
Automation Show 2013, Taipei International Industrial Automation Exihibition 2013.
Promover a integração entre o Porto Digital e ParqTel para buscar oportunidades
integração entre a rede de automação industrial e os sistemas de informação
corporativo;
Aproximação com as universidades de engenharia e SENAI para desenvolvimento de
recursos humanos;
Busca de recursos de inovação para desenvolvimento de serviços e produtos na área
de automação;
Elaboração de modelos de negócios nas atividades da área de automação industrial de
menor complexidade, que são propícias a entrada no segmento, tais como:
desenvolvimento do software dos PLCs, projeto da rede industrial, e a implantação do
sistema de operação;
Incorporação de controles automatizados e programas de software nos painéis de
distribuição de energia atualmente produzidos pela Neiva’s;
Incorporação de controles automatizados e programas de software nos dosímetros
fabricados pela TRON. Não foi possível perceber se os dosímetros já possuem essas
funcionalidades e se essas funcionalidades agregariam valor para os clientes da
TRON;
Um estudo mais demorado e aprofundado para ampliar o entendimento das
oportunidades e suas implicações no planejamento estratégico do ParqTel, Porto
Digital e suas respectivas empresas.
3 Conclusão
Neste documento, foram apresentadas tendências de inovação tecnológica no setor de
Eletroeletrônica, apontando a inserção de novas tecnologias para as empresas que atuam com
automação industrial.
Como exemplo, citamos que uma fonte constante de inovação tem sido os avanços da
tecnologia da informação e comunicação (TIC) e eletrônica. A integração dessas tecnologias
na automação industrial possibilita a redução de custos, ganhos de eficiência a e melhores
serviços para as empresas que fazem uso dessa tecnologia. As tecnologias de computação em
nuvem também começam a ser integradas à automação industrial. O uso dessas tecnologias
permitirá as empresas maior mobilidade e produtividade nos negócios
Outro ponto abordado foram as redes de sensores sem fio (Wireless Sensor Network /
WSN) que também estão se tornando cada vez mais comuns nas redes de automação
industrial. Indústrias mais maduras, tais como óleo e gás, água e energia já começaram a
migrar das redes cabeadas para rede de sensores sem fio.
Por fim, o texto também aborda e cita as principais oportunidades de inovação para as
empresas Pernambucanas que atuam com as tecnologias de automação industrial. Além de
sugerir para as empresas locais – em particular as empresas do ParqTel – que explorem o
crescente mercado proporcionado pelo recente ímpeto de reindustrialização no estado de
Pernambuco, Porto de Suape, Refinaria Abreu e Lima, fábrica da Fiat, polo têxtil do Agreste,
entre outros.
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