Introdução à Automação Industrial: História e Conceitos Básicos

1º Aula Automação Industrial Objetivos de aprendizagem Ao término desta aula vocês serão capazes de compreender o surgimento conceitos funções e caracterizações da Automação Industrial identificar conceitos básicos e os tipos de processos industriais Prezadosas alunosas Nesta primeira aula estudaremos sobre o surgimento e a evolução da Automação Industrial no decorrer da história e alguns conceitos básicos para o entendimento do curso Boa aula Bons estudos 6 Automação Industrial Seções de estudo 1 Introdução à automação industrial 2 Processos industriais e as variáveis de processo 3 Conceitos básicos e terminologia 4 Processos industriais 1 Introdução à automação industrial Desde o início dos tempos o ser humano tem buscado evoluir no sentido de mecanismos e instrumentos a fi m de diminuir a utilização da força bruta otimizar o tempo e assim facilitar a própria vida Uma exemplifi cação destes feitos foi a criação da roda e dos animais para movimentação de cargas mais pesadas Ao passar do tempo a busca por aperfeiçoamento precisão e aumento de produção foi se tornando cada vez mais necessária No século XVIII com a chegada da Revolução Industrial a automação dos processos fi caria mais evidente O tempo foi passando novas tecnologias e metodologias na melhoria continuada dos processos foram acontecendo mas foi a partir do século XIX que a energia elétrica passou a ser utilizada em diversas áreas Então podese observar uma grande evolução nas áreas de comunicação com as invenções do telefone e do telegrafo e de logística com a expansão das estradas de ferro e linhas marítimas além da criação do motor de explosão por Nikolaus August Otto Aproximandonos dos dias atuais após o século XX tivemos a criação e evolução de computadores da eletrônica embarcada dos servomecanismos e dispositivos programáveis passaram a ser empregados na automação Conceitos como de domótica e IOT Internet of Things foram criados e a automação está presente na palma da nossa mão por meio de smartphones 2 Processos industriais e as variáveis de processo A automação industrial pode ser dividida entre duas grandes áreas quanto à quantidade de movimento em que o processo está envolvido são elas Processos Contínuos Os processos contínuos são caracterizados pela baixa movimentação mecânica de partes Podemos defi nir como sendo um processo em que existe uma entrada contínua de algum material e a sua saída também contínua do produto As grandezas físicas normalmente aferidas são o nível a pressão a vazão e a temperatura Podemos observar este comportamento em uma estação de tratamento de água em uma empresa de produção de leite etc assim como mostrado na fi gura 01 Figura 1 ETA Fonte httpswwwguiadaengenhariacomestacaotratamentoagua Acesso em 14 abr 2020 Processos da manufatura Já no processo da manufatura existe muita movimentação mecânica das partes Podemos observar este comportamento em uma indústria automobilística em que os sistemas automatizados se movimentam o tempo todo para efetuar desde a solda do veículo a pintura até o ponto de entrega da mercadoria fi nal como observado na fi gura 02 Nestes processos as grandezas físicas que são mais observadas são a força a velocidade e o deslocamento Figura 2 Indústria automobilística Fonte httpsbrasilmecanicocombr201908evolucaohistoricadaslinhasde montagens Acesso em 14 abr 2020 Existem indústrias em que coexistem os dois processos e estes devem funcionar conjuntamente como na indústria de alimentos na qual há processos contínuos no abate e corte das peças e da manufatura no seu processo de embalagem e transporte Outra forma de se classifi car os sistemas de automação é quanto ao grau de fl exibilidade em que são observados três tipos como defi nem os autores Roggia e Fuentes 2016 A posição relativa dos três tipos de automação para os diferentes volumes e variedades dos produtos podem ser observados na fi gura a seguir 7 Figura 3 A posição relativa dos três tipos de automação para os diferentes volumes e variedades dos produtos Fonte httpswwwrevistaespacioscoma15v36n1815361819html Acesso em 14 abr 2020 TIPOS DE AUTOMAÇÃO Automação rígida Está baseada em uma linha de produção projetada para a fabricação de um produto específi co Apresenta altas taxas de produção e infl exibilidade do equipamento na acomodação da variedade de produção Automação programável O equipamento de produção é projetado com a capacidade de modifi car a sequência de operações de modo a acomodar diferentes confi gurações de produtos sendo controlado por um programa que é interpretado pelo sistema Diferentes programas podem ser utilizados para fabricar novos produtos Esse tipo de automação é utilizado quando o volume de produção de cada item é baixo Automação fl exível Reúne algumas das características da automação rígida e outras da automação programável O equipamento deve ser programado para produzir uma variedade de produtos com algumas características ou confi gurações diferentes mas a variedade dessas características é normalmente mais limitada que aquela permitida pela automação programável ROGGIA FUENTES 2016 p 19 Na automação industrial temos por objetivo controlar grandezas por meio de abertura e fechamento de válvulas acionamento de atuadores dispositivos de movimentação entre outros Alguns exemplos serão abordados nas aulas subsequentes 3 Conceitos básicos e terminologia Nesta seção iremos utilizar alguns conceitos básicos defi nidos por Rafael Garlet de Oliveira 2013 utilizados frequentemente em automação industrial com o intuito de auxiliar no entendimento das aulas seguintes São eles Processo São elementos passivos eou ativos utilizados para executar uma determinada função O processo sempre irá relacionar algum tipo de operação física transformando ou transportando energia ou matéria Um exemplo de um processo pode ser observado na fi gura 04 onde Qin é a vazão de entrada Qout a vazão de saída e h é o nível do líquido Figura 4 Processo Tanque de nível Fonte httpsinstrumentacaoecontrolecombrtudosobremedicaodenivel editado pelo autor Acesso em 14 abr 2020 Sistema É a combinação dos componentes que atuam para atingir o objetivo comum em um processo Por exemplo um sistema de controle de temperatura sistema de alarme Uma forma de se caracterizar um sistema é que este possui uma relação muito bem defi nida entre entrada e saída Na fi gura 5 é apresentado um sistema que controla o nível em um tanque Figura 5 Sistema de controle de nível Fonte httpsinstrumentacaoecontrolecombrtudosobremedicaodenivel Acesso em 14 abr 2020 Variável de Processo PV A sigla vem do inglês e é defi nida por Process Variable e signifi ca qualquer quantidade física que possui um valor que pode ser alterado com o tempo Variável Controlada CV É a grandeza física que desejamos manter dentro de uma faixa de valores em outras palavras é aquela que desejamos controlar Muitas vezes a variável de processo e a variável controlada se referem a mesma variável No exemplo anterior fi gura 5 a variável controlada era o nível Variável Manipulada MV É a grandeza que é variada pelo controlador saída do controlador de modo a afetar o valor da variável controlada Na maioria dos casos MV é a entrada do processo No exemplo anterior MV pode ser um sinal de tensão ou corrente 8 Automação Industrial que vai regular a abertura da válvula e por sua vez vai afetar o nível do tanque Ponto de ajuste SETPOINT ou SP É o valor alvo que um sistema de controle automático deve tentar atingir Em um forno o setpoint é exatamente a temperatura que se ajusta para que o forno atinja Perturbação Também conhecido como distúrbio é qualquer sinal ruído ou alteração que afete adversamente o valor de alguma das variáveis do sistema Na maioria dos casos a perturbação afeta a variável controlada saída do processo mas pode também em alguns casos afetar a variável manipulada entrada do processo Erro Chamamos de erro a diferença entre o valor que foi ajustado como setpoint e o valor da variável de processo Ou seja pode ser defi nida através da relação matemática Por exemplo se você ajustou seu ar condicionado para 23C e atualmente a temperatura do seu quarto está em 27C temos que o Erro é 4C Ganho É a relação entre a saída e a entrada Podemos encontrar a partir da seguinte equação 4 Processos industriais A defi nição precisa de processos industriais pode ser observada na Wikipédia 2019 como procedimentos envolvendo passos químicos ou mecânicos que fazem parte da manufatura de um ou vários itens usualmente em grande escala Uma operação que produza o resultado que é desejado é considerada um processo No ponto de vista do tipo de operação e no tempo podemos classifi car processos em 41 Processos de tempo contínuo Um processo é defi nido de tempo contínuo quando ele não possui interrupções ou seja o processo entre a entrada da matériaprima e a saída do produto acontece de forma contínua Um exemplo prático é a produção de vapor de uma caldeira que o tempo inteiro possui alimentação Figura 6 Tempo contínuo Fonte httpwwweceufrgsbreng04006aulasaula2pdf Acesso em 14 abr de 2020 42 Processos de tempo discreto A Wikipédia 2020 defi ne como sendo o tempo não contínuo dividido em amostras discretas Por exemplo um jornal pode descrever o preço do óleo uma vez por dia ao invés da variação do preço durante o dia De forma geral o período de amostragem em sistemas de tempo discreto é constante mas em alguns contextos uma amostragem não uniforme também é usada Ainda observando a defi nição pela Wikipédia 2020 sinais de tempo discreto são geralmente escritos como uma função de n por exemplo podem representar a discretização de com amostras a cada segundos Em contraste aos sistemas de tempo contínuo em que o comportamento do sistema é geralmente descrito por um conjunto de equações diferenciais lineares sistemas de tempo discreto são descritos por relações de recorrências Figura 7 Amostra em tempo discreto Fonte httpsptwikipediaorgwikiSinaldiscreto Acesso em 14 abr 2020 Normalmente os processos por batelada possuem a alimentação relacionada a sinais discretos já processos contínuos habitualmente tem suas grandezas analógicas A discretização de um sinal acontece quando queremos aplicar um controle digital em um processo contínuo 9 Figura 8 Amostragem de um sinal Fonte httpprofessorluzernaifcedubrrafaeloliveirawpcontentuploads sites16201602ApostilaCDPcompleta050313pdf Acesso em 14 abr 2020 43 Processos do tipo batelada O processo em batelada consiste em certa quantidade de material ser processado de cada vez em forma de lotes O processo de batelada só permite que o material siga adiante quando o passo atual for completado A alimentação neste tipo de processo acontece sempre que é fi nalizado o passo ou seja ela é descontinua além disso a quantidade de material a ser inserido na alimentação é discreta O processo é alimentado a operação é executada o produto é descarregado e reiniciase outro ciclo do processo Chegamos assim ao fi nal de nossa aula Esperase que agora tenha fi cado mais claro o entendimento de vocês sobre Automação Industrial Vamos então recordar Retomando a aula 1 Introdução à automação industrial Aqui aprendemos a respeito da origem da automação industrial implementada devido à necessidade humana em diferentes épocas da história 2 Processos industriais e as variáveis de processo Neste tópico foi abordada a classifi cação do processo industrial e da automação industrial quanto a diferentes características detalhando suas diferenças 3 Conceitos básicos e terminologia Neste item aprendemos conceitos relacionados a automação industrial e a terminologia adotada no processo de controle que iremos estudar no decorrer do curso 4 Processos industriais Observamos os dois tipos de processos a batelada e o contínuo estes são importantes para o decorrer da disciplina uma vez que existem dispositivos específi cos para cada um dos tipos de processos PRÓXIMA AULA Na próxima aula daremos continuidade aos estudos conhecendo os tipos de sinais existentes e sua simbologia simbologia de instrumentos e a introdução aos sinais digitais e analógicos Até lá Disponível em httpsptwikipediaorgwiki InstrumentaC3A7C3A3oindustrial Disponível em httpsinstrumentacaoecontrolecom brinstrumentacaoindustrialguiacompleto Disponível em httpswwwautomacaoindustrial infoqualdiferencaentreautomacaoeinstrumentacao Vale a pena acessar ALVES J L L Instrumentação controle e automação de processos 2 ed Rio de Janeiro LTC 2010 BONALDO S A Técnicas digitais Santa Maria CTISM UFSM 2011 CAPELLI A Automação industrial controle do movimento e processos contínuos 2 ed São Paulo Érica 2010 DORF R C BISHOP R H Sistemas de controle moderno 12 ed Rio de Janeiro LTC 2013 Vale a pena ler Vale a pena Minhas anotações