visÃo geral sobre automaÇÃo industrial
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VISÃO GERAL SOBRE
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Prof. Francisco R. Lima Jr.
Roteiro da Aula
Razões para a automação
Sistemas de produção: trabalho manual, homem-máquina e automatizado
Sistemas de apoio à produção
Classificação dos sistemas automatizados (automação rígida, programável e flexível)
Níveis de automação
Elementos básicos de um sistema automatizado
• Energia para realização do processo
• Programa de instruções
• Sistemas de controle (contínuo e discreto)
Funções avançadas de automação
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Razões para a automação
• Algumas das razões mais comuns para justificar a automação são:
Aumentar a produtividade;
Reduzir os custos do trabalho;
Reduzir ou eliminar as rotinas manuais e das tarefas administrativas;
Aumentar a segurança do trabalhador;
Melhorar a qualidade do produto;
Diminuir o tempo de produção;
Realizar processos que não podem ser executados manualmente;
Evitar o alto custo da não automação.
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Sistemas de Produção
• Um sistema de produção é um conjunto de pessoas, equipamentos e procedimentos organizados para realizar as operações de produção de uma empresa (ou outra organização).
• Os sistemas de produção podem ser divididos em:
• Instalações: incluem as fábricas, as máquinas e as ferramentas, o equipamento para tratamento de materiais, os equipamentos de inspeção e os sistemas computadorizados que controlam as operações de produção.
• Sistemas de apoio à produção: conjunto de procedimentos utilizados pela empresa no gerenciamento da produção e na solução de problemas.
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• Em termos da participação humana no processo executado pelos sistemas de produção, três categorias básicas podem ser listadas:
(a) sistemas de trabalho manual;
(b) sistemas trabalhador-máquina;
(c) sistemas automatizados.
• Sistemas de trabalho manual: formados por um ou mais trabalhadores, que executam uma ou mais tarefas sem a ajuda de ferramentas motorizadas(costumam demandar o uso de ferramentas manuais). Exemplos de atividades de produção que envolvem o trabalho com ferramentas manuais incluem:
Um mecânico utilizando uma lixa para arredondar as pontas de uma peça retangular;
Um inspetor de qualidade utilizando um micrômetro para medir o diâmetro de um eixo;
Um trabalhador responsável por manusear um carrinho que movimenta caixas em um depósito.
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Sistemas de Produção:trabalho manual
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Sistemas de Produção:trabalhador-máquina
• Um trabalhador humano opera um equipamento motorizado, tal como uma máquina-ferramenta ou outra máquina de produção.
• Esse é um dos sistemas de produção mais utilizados, e inclui combinações de um ou mais trabalhadores e um ou mais equipamentos. Trabalhadores e máquinas se combinam de modo a tirar vantagem de seus pontos fortes e de seus atributos.
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Sistemas de Produção:trabalhador-máquina
• Exemplos de sistemas trabalhador-máquina incluem:
Um trabalhador operando um torno mecânico para produzir parte de um produto encomendado;
Um montador e um robô industrial trabalhando juntos em uma célula de trabalho de soldagem a arco elétrico;
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Sistemas de Produção:Sistemas automatizados
• Sistemas automatizados: um processo é executado por uma máquina sem a participação direta de um trabalhador humano.
• Nem sempre existe distinção clara entre os sistemas trabalhador-máquina e os sistemas automatizados, pois muitos sistemas trabalhador-máquina operam com certo grau de automação.
• Vamos distinguir dois níveis de automação: semiautomatizado e totalmente automatizado.
• Uma máquina semiautomatizada executa parte do ciclo de trabalho sob algum tipo de controle de programa, e um trabalhador humano opera a máquina durante o restante do ciclo, carregando-a e descarregando-a ou executando algum outro tipo de tarefa a cada ciclo.
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Sistemas de Produção:Sistemas automatizados
• Uma máquina totalmente automatizada se difere da anterior por sua capacidade de operar por períodos mais longos sem a atenção humana. Períodos mais longos significam mais do que um ciclo de trabalho (a cada dez ou cem ciclos).
• Um exemplo desse tipo de operação é encontrado em muitas fábricas de moldagem por injeção, nas quais as injetoras funcionam em ciclos automáticos, mas que precisam que as peças fabricadas sejam periodicamente coletadas por um trabalhador.
• https://www.youtube.com/watch?v=mOT_S4citFs
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Sistemas de Produção:Sistemas automatizados
• Em determinados processos totalmente automatizados, um ou mais trabalhadores devem estar presentes para monitorar continuamente a operação e certificar-se de que a máquina opera conforme as especificações.
• Os trabalhadores não participam ativamente do processo, exceto para fazer ajustes ocasionais nas configurações dos equipamentos, executar manutenções periódicas e entrar em ação quando algo dá errado.
Exemplos: processos químicos complexos, refinarias de petróleo e usinas nucleares.
• A maior parte desses sistemas de apoio não trava contato direto com o produto, mas planeja e controla seu progresso pela fábrica.
• O apoio à produção envolve um ciclo de atividades de processamento de informação, conforme ilustra a Figura.
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Sistemas de Produção:Sistemas de apoio à produção
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• Funções de negócio: são o principal meio de comunicação com o cliente. Representam o início e o fim do ciclo de processamento de informações. Incluídos nessa categoria estão vendas e marketing, previsão de vendas, registro do pedido, contabilidade de custos e cobrança ao cliente.
• Projeto do produto: Os departamentos da empresa organizados de forma a executar o projeto do produto podem envolver pesquisa e desenvolvimento, engenharia de projetos e, talvez, uma oficina de protótipos.
• Planejamento da produção: planejamento do processo, do plano-mestre, dos requisitos do projeto e do planejamento da capacidade.
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Sistemas de Produção:Sistemas de apoio à produção
• Controle da produção: controle do chão de fábrica(monitoramento do progresso do produto sendo processado, montado, movimentado), do estoque e da qualidade.
Automação dos sistemas de produção da fábrica: classificação
• Os sistemas automatizados de produção podem ser classificados em três tipos básicos: (1) automação rígida; (2) automação programável; (3) automação flexível.
• Automação rígida: Sistema no qual a sequência das operações de processamento (ou montagem) é definida pela configuração do equipamento.
• Normalmente, cada operação na sequência é simples e talvez envolva um movimento linear plano ou rotacional, ou uma combinação simples dos dois, tal como a alimentação de um carretel em rotação.
• A integração e a coordenação de muitas dessas operações em um único equipamento é o que torna o sistema complexo.
• Algumas características da automação rígida são: (1) alto investimento inicial em equipamentos com engenharia personalizada; (2) altas taxas de produção; (3) inflexibilidade do equipamento para acomodação da variedade de produção;
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Automação dos sistemas de produção da fábrica: automação rígida
• O alto custo do equipamento pode ser diluído na grande quantidade de unidades(altas taxas de produção), o que torna o custo unitário mais atrativo.
• Exemplos de automação rígida incluem a linha transfer de montagem e as máquinas de montagem automatizadas.
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• Automação programável: o equipamento de produção é projetado com a capacidade de modificar a sequência de operações de modo a acomodar diferentes configurações de produtos.
• Novos programas podem ser preparados e inseridos nos equipamentos para fabricarem novos produtos. Algumas das características da automação programável incluem:
(1) alto investimento em equipamentos de propósito geral;
(2) baixas taxas de produção se comparada à automação rígida;
(3) flexibilidade para lidar com variações e alterações na configuração do produto;
(4) alta adaptabilidade para a produção em lote.
• A cada novo lote, a configuração física da máquina também deve ser alterada (ex. ferramentas devem ser carregadas, acessórios devem ser fixados à mesa da máquina). Esse procedimento de alterações toma tempo.
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Automação dos sistemas de produção da fábrica: automação programável
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• Exemplos de automação programável incluem máquinas-ferramenta numericamente controladas (ex. uma fresa controlada numericamente que produz peças diretamente de instruções criadas por um programa de CAD)
• Controladores lógicos programáveis.
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Automação dos sistemas de produção da fábrica: automação programável
• É uma extensão da automação programável. O primeiro desses sistemas foi instalado no fim da década de 1960.
• Um sistema automatizado flexível é capaz de produzir uma variedade de peças (ou produtos), quase sem perda de tempo (enquanto é reajustado) e com modificações de um modelo de peça para outro.
• O sistema pode produzir diferentes variações e planos de peças e produtos sem exigir que eles sejam produzidos em lotes.
• O que viabiliza a automação flexível é que a diferença entre as peças processadas pelo sistema não é significativa e, portanto, o volume de alterações exigidas entre os modelos é mínimo.
• Dentre as características da automação flexível estão:
(1) alto investimento em um sistema com engenharia personalizada;
(2) produção contínua de um conjunto variado de produtos;
(3) taxas médias de produção;
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Automação dos sistemas de produção da fábrica: automação flexível
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• Exemplos de automação flexível incluem os sistemas flexíveis de manufatura para execução de operações de máquinas.
• https://www.youtube.com/watch?v=jC5Yvj3GWUg
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Automação dos sistemas de produção da fábrica: automação flexível
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Estratégia de migração para a automação
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Níveis de automação• O conceito de sistemas automatizados pode ser aplicado a diferentes níveis de
operações de fábrica. Podemos identificar cinco níveis possíveis de automação em uma planta de produção:
• Nível do dispositivo – Esse é o nível mais baixo. Inclui atuadores, sensores e outros componentes de hardware incluídos no nível da máquina. Os dispositivos são combinados em loops individuais de controle, por exemplo, na malha de controle por realimentação para um eixo de uma máquina CNC ou uma articulação de um robô industrial.
• Nível da máquina – Nesse nível, as funções de controle incluem a execução da sequência de etapas no programa de instruções na ordem correta e a certificação de que cada etapa foi adequadamente executada.
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Níveis de automação
• Nível da célula ou do sistema – As linhas de produção estão incluídas nesse nível. As funções incluem a expedição da peça e o carregamento da máquina, a coordenação das máquinas com os sistemas de manuseio de materiais e a coleta e avaliação dos dados de inspeção.
• Nível da fábrica – Recebe instruções do sistema de informações corporativas e as traduz em planos operacionais para a produção. Funções semelhantes incluem processamento de pedidos, planejamento de processos, controle de estoque, aquisição, planejamento de requisitos de materiais, controle do chão de fábrica e controle de qualidade.
• Nível do empreendimento – Formado pelo sistema de informações corporativas. Ele se preocupa com todas as funções necessárias ao gerenciamento da empresa: marketing e vendas, contabilidade, projeto, pesquisa, entre outros.
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Elementos básicos de um sistema automatizado
• Um sistema automatizado é composto por três elementos:
(1) energia para concluir os processos e operar o sistema;
(2) um programa de instruções que direcione os processos
(3) um sistema de controle que execute as instruções.
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Energia para realização do processo automatizado
• Nos sistemas automatizados, a principal fonte de energia é a eletricidade.
• A energia elétrica apresenta muitas vantagens tanto nos processos automatizados como naqueles não automatizados:
Está amplamente disponível a um custo moderado. Ela é parte importante de nossa infraestrutura industrial.
A energia elétrica pode ser prontamente convertida em formas alternativas de energia: mecânica, térmica, luminosa, acústica, hidráulica e pneumática.
Em níveis baixos, a energia elétrica pode ser utilizada na realização de tarefas como a transmissão de sinal, processamento de informações, comunicação e armazenamento de dados.
A energia elétrica pode ser armazenada em baterias de longa duração para utilização em locais nos quais não estão disponíveis fontes externas de energia.
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Energia para realização do processo automatizado
• Fontes alternativas de energia:
Combustíveis fossilizados
Energia solar
Água
Vento
• Entretanto, seu uso exclusivo é raro em sistemas automatizados. Em muitos casos, quando fontes alternativas de energia são utilizadas na condução do processo em si, a energia elétrica é empregada nos controles que automatizam a operação.
• Por exemplo, na moldagem ou no tratamento térmico, o forno pode ser aquecido por combustíveis fossilizados, mas o sistema de controle para regular a temperatura e tempo de ciclo é elétrico. Em outros casos, a energia dessas fontes alternativas é convertida em energia elétrica para operar tanto o processo como sua automação.
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Energia para realização do processo automatizado
• Além de conduzir os processos de produção, a energia também é necessária nas seguintes operações de manuseio de materiais:
• Carga e descarga da unidade de trabalho: Todos os processos listados na Tabela são realizados sobre peças discretas. Essas peças devem ser colocadas na posição e orientação adequadas para que o processo seja executado, e a energia é necessária nessa função de transporte e posicionamento. Após a conclusão do processo, a peça de trabalho deve ser removida. Se o processo for completamente automatizado, então algum tipo de energia mecânica é utilizado. Se o processo for operado manualmente ou de forma semiautomatizada, a energia humana pode ser empregada no posicionamento e na localização da peça de trabalho.
• Transporte de material entre as operações – Além de serem carregadas e descarregadas em uma operação, as peças de trabalho devem ser movidas entre as operações.
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Energia para realização do processo automatizado
• A energia para automatização é utilizada nas seguintes funções:
• Unidade controladora – baseiam-se em computadores digitais, que demandam energia elétrica para ler o programa de instruções, realizar os cálculos de controle e executar as instruções por meio da transmissão dos comandos adequados aos dispositivos em funcionamento.
• Energia para enviar sinais de controle – Os comandos enviados pela unidade controladora são executados por meio de dispositivos eletromecânicos, tais como comutadores e motores, denominados de atuadores. São transmitidos por meio de sinais de controle de baixa tensão elétrica. Para executar os comandos, os atuadores precisam de mais energia.
• Coleta de dados e processamento de informações – Na maioria dos sistemas de controle, os dados devem ser coletados do processo e utilizados como entradas nos algoritmos de controle. Além disso, pode ser que o processo demande a manutenção de registros de desempenho do processo ou da qualidade do produto. Essas funções de coleta de dados e manutenção de registros demandam energia, ainda que em montantes modestos.
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Programa de instruções
• As ações realizadas por um processo automatizado são definidas por um programa de instruções.
• Cada peça ou cada produto feito envolve uma ou mais etapas de processamento que são únicas da peça ou do produto manipulado.
• Essas etapas de processamento são executadas durante um ciclo de trabalho.
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• Geralmente, uma nova peça é concluída a cada ciclo (em algumas operações de produção, mais de uma peça é produzida durante um ciclo; por exemplo, uma operação de moldagem por injeção plástica pode produzir múltiplas peças a cada ciclo utilizando diversos moldes).
O que é Controle Industrial? É a regulação automática das operações da unidade e de seus equipamentos
associados, bem como a integração e a coordenação dessas operações no sistema de produção maior.
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Sistemas de controle
• O elemento de controle em um sistema automatizado executa o programa de instruções, faz com que o processo execute sua função de forma a realizar alguma operação de produção.
• Os controles de um sistema automatizado podem ser tanto de malha fechadacomo de malha aberta.
• Um sistema de controle de malha fechada (também conhecido como sistema de controle por retroalimentação) é aquele no qual a variável de saída se compara a um parâmetro de entrada e qualquer diferença entre eles é ajustada para fazer com que a saída esteja em conformidade com a entrada.
• O parâmetro de entrada, normalmente chamado de valor desejado. Em um sistema doméstico de controle de temperatura, o valor-alvo é o valor de configuração do termostato.
• A variável de saída é alguma variável do processo, uma medida crítica de desempenho no processo tal como temperatura, força ou vazão.
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Sistemas de controle
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• Um sensor é utilizado para medir a variável de saída e fechar a malha entre a entrada e a saída, e é responsável pela função de retroalimentação em um sistema de controle de malha fechada.
• O controlador compara a saída com a entrada e faz os ajustes necessários no processo para reduzir as diferenças entre elas.
• O ajuste é alcançado utilizando-se um ou mais atuadores, que são os dispositivos de hardware que fisicamente executam as ações de controle, tais como motores elétricos ou válvulas de controle de vazão.
• A maioria dos processos industriais demanda múltiplas malhas – uma para cada variável de processo a ser controlada.
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Sistemas de controle:Sistema de malha fechada
• Em contraste com o sistema de controle de malha fechada, temos o sistema de controle de malha aberta, que opera sem uma malha por retroalimentação.
• Os controles operam sem medir a variável de saída e, portanto, não há comparação entre o valor de saída e o parâmetro de entrada desejado.
• O controlador confia em um preciso modelo do efeito de seu atuador sobre a variável do processo.
• Com um sistema de malha aberta, existe sempre o risco de o atuador não causar o efeito esperado no processo e essa é a desvantagem desse tipo de sistema de controle.
• https://www.youtube.com/watch?v=od4Eu569yNA
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Sistemas de controleSistema de malha aberta
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Controle Contínuo versus Controle Discreto
• Há dois tipos básicos de controle:
(1) controle contínuo: variáveis são contínuas/analógicas;
(2) controle discreto: variáveis são discretas, em sua maioria discretas binárias.
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Variáveis contínuas
• Uma variável contínua (ou parâmetro) é a que se mantém ininterruptaconforme o tempo procede, pelo menos durante a operação de produção.
• De modo geral, pode assumir qualquer valor dentro de um determinado intervalo (analógica). Ela não é restrita a um conjunto discreto de valores.
• Exemplos: força, temperatura, vazão, pressão e velocidade.
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Manômetros
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Variável discretas binárias
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• Uma variável discreta (ou parâmetro) pode assumir apenas certos valores em um dado intervalo.
• O tipo mais comum de variável discreta é a binária, o que quer dizer que ela pode assumir um de dois valores possíveis, ligado ou desligado, aberto ou fechado e assim por diante.
• Exemplos: interruptor aberto ou fechado, motor ligado ou desligado
e peça de trabalho presente ou ausente.
• Outras variáveis (discretas não-binárias) podem assumir mais de dois valores possíveis, porém não infinitos.
• Exemplo: contagem diária de peças em uma operação de produção e a exibição na tela de um tacômetro digital.
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Variáveis discretas não binárias
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Controle Contínuo• O objetivo comum é manter o valor de uma variável de saída em um nível
desejado, como na operação de um sistema de controle por realimentação (feedback).
• A maioria dos processos contínuos na prática consiste em muitas malhas de realimentação separadas, das quais todas devem ser controladas para manter a variável de saída com o valor desejado.
• Exemplos: Controle da saída de uma reação química que depende de temperatura, pressão e vazão de entrada de vários reagentes. Todas essas variáveis e/ou parâmetros são contínuos.
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Sistemas de controle discretos
• O controle discreto é muito usado.
• Na produção discreta, é usado para controlar sistemas de transporte de material, sistemas de armazenamento automatizado, máquinas de produção independentes, linhas de transferência automatizadas, sistemas de montagem automatizados e sistemas flexíveis de manufatura.
• Nas indústrias de processos, o controle discreto é mais associado ao processamento em lote do que aos processos contínuos. No controle de processamento em lote, o objetivo é gerenciar a sequência e a cronometragem das etapas de processamento, bem como regular os parâmetros do processo em cada etapa.
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Controle discreto: Controle Numérico (CN)
• Envolve a utilização do computador para dirigir uma ferramenta de usinagem por meio de uma sequência de etapas de processamento.
• A característica distintiva do CN é o controle da posição relativa de uma ferramenta em relação a um objeto (peça de trabalho) sendo processado.
• Cálculos devem ser feitos para determinar a trajetória que será seguida pela ferramenta de corte para dar forma à geometria da peça. Dessa forma, o CN requer que o controlador execute não apenas controle sequencial, mas também cálculos geométricos.
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Controle discreto: Robótica Industrial
• A robótica industrial tem estreita relação com o CN; nela as juntas do manipulador (braços do robô) são controladas para mover o final do braço por uma sequência de posições durante o ciclo de trabalho.
• Como no CN, o controlador deve realizar
cálculos durante o ciclo de trabalho para
implementar interpolação do movimento
e outras funções.
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Controle discreto: CLP• Podemos definir um controlador lógico programável como um controlador
baseado em microprocessador que usa instruções guardadas na memória programável para implementar funções de lógica, sequenciamento, tempo, contagem e controle aritmético a fim de controlar as máquinas e processos.
• Os CLPs atuais são usados tanto para aplicações de controle contínuo como para as de controle de processo, tanto nas indústrias de processo como nas de produção discreta.
46https://www.youtube.com/watch?v=3oEQ3A30Qxs
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Controle discreto: controle supervisório
• No contexto da produção discreta, o controle supervisório pode ser definido como o sistema de controle que direciona e coordena as atividades de vários equipamentos interagindo entre si em um sistema ou célula de manufatura.
• Em quase todos os casos, os sistemas de controle supervisório são projetados para permitir a interação com operadores humanos, e a responsabilidade pelo controle é dividida entre os controladores e os homens.
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Funções avançadas de automação
• Além de executar os programas dos ciclos de trabalho, um sistema automatizado pode ser capaz de executar funções avançadas não específicas de uma unidade de trabalho em particular.
• Funções avançadas incluem:
(1) monitoramento da segurança
(2) manutenção e diagnósticos de reparação
(3) detecção de erros e recuperação
• As funções avançadas de automação são viabilizadas por sub-rotinas especiais incluídas no programa de instruções.
• Em alguns casos, as funções somente oferecem informações e não envolvem quaisquer ações físicas por parte do sistema de controle.
• Ex.: relatar uma lista de tarefas de manutenção preventiva a ser realizada.
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Vídeo de apoio
• Telecurso 2000 (Sistemas flexíveis de manufatura):
• https://www.youtube.com/watch?v=7FpunfgphcU&t=2s
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Com base no vídeo sobre o processo de produção da coca-cola, responda:
1. Classifique os processos quanto ao tipo de automação
(rígida, programável, flexível)
2. Liste possíveis razões que justificam a automação desses processos.
3. Cite os parâmetros de controle utilizados no ciclo de trabalho (para cada processo). Aponte se são contínuos ou discretos.
4. É realizada alguma função avançada de automação?
https://www.youtube.com/watch?v=ZuIg6cD4cHw
• Utilize o modelo de resposta disponível na página do professor.
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