Redes Industriais e Comunicação Industrial - Sistemas a Eventos Discretos

Redes Industriais Redes de Comunicação Industriais Conteúdo do instrumento avaliativo Sistemas a eventos discretos Modelamento e controle de processo Dispositivos escravos Inversores de Frequência controladores dispositivos de monitoramento e atuadores Meios físicos de comunicação Protocolos de comunicação Orientações e Descrição da Tarefa Com base nos tópicos estudados na disciplina até o momento o aluno irá realizar uma pesquisa sobre redes de comunicação industriais encontradas nas industrias com foco em suas funcionalidades recursos conectividade capacidade e interação com o controlador lógico REDES INDUSTRIAIS REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL Professor Alunos Nomr matricula cidade MG 7 de junho de 2023 Lista de Figuras 1 Controle malha aberta x controle malha fechada 4 2 Controle PID 5 3 rede de dispositivos mestre escravo 7 4 rede de dispositivos com sensores escravos 8 5 inversor de frequência 9 i Lista de Tabelas Sumário 1 Sistemas a eventos discretos 1 2 Modelamento e controle de processo 2 21 Controle malha aberta 2 22 Controle malha fechada 3 23 Controle PID 4 3 Dispositivos escravos 6 4 Inversores de frequência controladores dispositivos de monitoramento e atuadores 9 41 Inversores de frequência 9 42 Controladores 11 43 Dispositivos de monitoramento 13 44 Atuadores 14 5 Meios físicos de comunicação 17 51 Meios físicos em redes industriais 18 6 Protocolos de comunicação 19 61 Protocolos de comunicação Redes industriais 19 7 Referências Bibliográficas 23 1 Sistemas a eventos discretos Sistemas a eventos discretos também conhecidos como sistemas discretos ou sistemas de eventos dis cretos são sistemas em que os eventos ocorrem em momentos específicos e são tratados de forma discreta ou seja são considerados individualmente um de cada vez Esses sistemas são amplamente utilizados em diversas áreas como automação industrial engenharia de controle logística telecomunicações ciência da computação e muito mais Aqui estão alguns conceitos e características importantes relacionados aos sistemas a eventos discretos 1 Eventos discretos Os eventos são ocorrências específicas que acontecem em momentos distintos Eles podem ser ativados por alguma condição como um tempo específico um sinal de entrada uma mudança de estado etc Exemplos de eventos discretos incluem a chegada de um produto em uma linha de produção uma requisição em um sistema de atendimento ao cliente ou a transição de um estado para outro em um sistema de controle 2 Modelagem Os sistemas a eventos discretos podem ser modelados usando diferentes abordagens como redes de Petri autômatos finitos diagramas de estados grafos de eventos entre outros Esses modelos ajudam a descrever o comportamento do sistema as relações entre os eventos e as possíveis transições de estado 3 Estados Os sistemas a eventos discretos geralmente têm um conjunto finito de estados possíveis Os estados representam as diferentes condições em que o sistema pode se encontrar em um determi nado momento As transições de estado ocorrem quando certas condições são atendidas e eventos específicos ocorrem 4 Simulação e análise A simulação é uma ferramenta importante para analisar o comportamento de sistemas a eventos discretos Ela permite estudar o sistema em diferentes cenários e analisar seu desempenho eficiência tempo de resposta gargalos entre outros aspectos A análise também pode ser feita de forma teórica ou usando métodos de otimização 5 Aplicações práticas Sistemas a eventos discretos são amplamente aplicados em diversas áreas Na automação industrial eles são usados para controlar linhas de produção roteamento de materiais e sistemas de manufatura flexíveis Na logística são utilizados para otimizar rotas de transporte e o gerenciamento de estoques Em sistemas de comunicação são usados para controlar o acesso a recursos compartilhados Esses são apenas alguns exemplos e a aplicação desses sistemas é vasta e diversificada 1 2 Modelamento e controle de processo Modelamento e controle de processos referemse a técnicas utilizadas para descrever matematicamente o comportamento de sistemas físicos e implementar estratégias de controle eficientes para otimizar o desempenho desses processos Modelamento de Processo O modelamento de processo envolve a criação de um modelo matemático que descreve o compor tamento dinâmico do sistema Esses modelos podem ser baseados em equações diferenciais equações de estado funções de transferência ou outras representações matemáticas dependendo da natureza do processo Os modelos de processo são desenvolvidos com base em princípios físicos análise de dados expe rimentais ou uma combinação de ambos Eles descrevem as relações entre as variáveis de entrada e saída do sistema e podem incluir características como atrasos inércia ganhos não linearidades e outras propriedades específicas do processo em questão Os modelos de processo são valiosos porque permitem uma compreensão detalhada do comportamento do sistema auxiliando no projeto e na análise de estratégias de controle Controle de Processo O controle de processo envolve a aplicação de técnicas e algoritmos para ajustar as variáveis de entrada de um sistema de forma a alcançar um desempenho desejado O objetivo principal é manter as variáveis controladas saídas do processo próximas aos valores de referência ou metas estabelecidas apesar das perturbações externas ou variações nas condições operacionais Existem diferentes estratégias de controle de processo sendo as mais comuns Controle em malha aberta Controle em malha fechada e Controle PID 21 Controle malha aberta Controle em malha aberta também conhecido como controle em circuito aberto é um método básico de controle em que as ações de controle são determinadas apenas com base nas informações sobre as entradas do sistema sem levar em consideração as saídas ou o desempenho real do sistema No controle em malha aberta as ações de controle são prédeterminadas e fixas sem ajustes em tempo real com base nas condições reais do sistema O controlador simplesmente emite comandos de controle com base em uma programação préestabelecida Isso significa que não há feedback do sistema para corrigir erros ou ajustar as ações de controle Características do controle em malha aberta 1 Ausência de feedback Nesse método não há medição ou monitoramento das saídas do sistema para fazer ajustes ou correções O controlador não recebe informações sobre o estado atual do sistema ou sobre qualquer erro entre a saída desejada e a saída real 2 Estrutura fixa As ações de controle são determinadas antecipadamente e não são alteradas durante a operação do sistema Isso significa que o controlador opera de acordo com um programa pré determinado independentemente das condições atuais do sistema 2 3 Sensibilidade a perturbações O controle em malha aberta não leva em consideração perturbações externas ou variações nas condições do sistema Portanto qualquer perturbação que afete o sistema pode resultar em uma saída não desejada pois o controlador não pode fazer ajustes com base em feedback em tempo real 4 Menos complexidade O controle em malha aberta é geralmente menos complexo em comparação com o controle em malha fechada Não há necessidade de sensores de feedback ou algoritmos de correção de erro o que simplifica a implementação Embora o controle em malha aberta possa ser adequado para alguns sistemas simples e bem definidos ele apresenta algumas desvantagens significativas A ausência de feedback torna o sistema suscetível a perturbações e variações nas condições operacionais o que pode levar a resultados indesejáveis Pequenos erros de modelagem ou perturbações não consideradas podem causar grandes desvios nas saídas do sistema Em resumo o controle em malha aberta é um método básico de controle em que as ações de controle são determinadas antecipadamente e não são ajustadas com base em feedback em tempo real Embora seja menos comum em aplicações complexas pode ser útil em situações simples e bem definidas 22 Controle malha fechada Controle em malha fechada também conhecido como controle em circuito fechado é um método de controle que utiliza feedback para ajustar as ações de controle com base nas saídas reais do sistema Nesse tipo de controle as informações sobre a saída são comparadas com um valor de referência desejado e em seguida são aplicadas correções para minimizar qualquer desvio entre a saída real e a desejada Características do controle em malha fechada 1 Feedback O controle em malha fechada utiliza informações de feedback para monitorar o desem penho do sistema em tempo real Sensores medem as saídas do sistema e fornecem esses dados para o controlador permitindo que ele tome decisões com base nas informações reais sobre o estado do sistema 2 Comparação de saída A saída real do sistema é comparada com um valor de referência ou um conjunto de metas prédeterminadas Essa comparação gera um sinal de erro que indica a diferença entre a saída desejada e a saída real do sistema 3 Ações corretivas Com base no sinal de erro o controlador calcula e aplica ajustes nas variáveis de entrada do sistema Esses ajustes têm o objetivo de corrigir o erro e levar a saída real do sistema para mais próximo da saída desejada 4 Estabilidade e precisão O controle em malha fechada é projetado para fornecer estabilidade e precisão no sistema As ações corretivas com base no feedback permitem que o sistema responda a perturbações e variações nas condições de operação minimizando erros e mantendo a saída do sistema próxima à referência 3 5 Redução de perturbações O controle em malha fechada é capaz de lidar com perturbações externas ou internas que afetam o sistema Como o feedback é usado para ajustar as ações de controle o sistema pode responder e corrigir automaticamente os efeitos das perturbações mantendo a saída controlada dentro dos limites desejados O controle em malha fechada é amplamente utilizado em diversas aplicações industriais e de engenha ria incluindo sistemas de controle de processos robótica automação sistemas de controle de temperatura sistemas de controle de velocidade entre outros Ele oferece maior precisão estabilidade e capacidade de resposta em comparação com o controle em malha aberta tornandoo uma escolha comum em situações em que a qualidade a segurança e o desempenho do sistema são importantes Figura 1 Controle malha aberta x controle malha fechada Em resumo o controle em malha fechada é um método de controle que utiliza feedback para ajustar as ações de controle com base nas saídas reais do sistema Ele fornece maior precisão estabilidade e capacidade de resposta em comparação com o controle em malha aberta permitindo uma melhor adaptação a perturbações e requisitos específicos do sistema 23 Controle PID O controle PID ProporcionalIntegralDerivativo é uma técnica amplamente utilizada em sistemas de controle projetada para ajustar e estabilizar o comportamento de um sistema em relação a uma variável de referência O controle PID utiliza três componentes principais proporção P integral I e derivativo D 1 Proporcional P O termo proporcional responde ao erro atual entre a saída real e a saída desejada Ele calcula um sinal de controle proporcional ao erro multiplicandoo por um ganho proporcional O controle proporcional ajusta a ação de controle de forma linear proporcionando uma resposta rápida a pequenos desvios mas pode não corrigir completamente erros persistentes 2 Integral I O termo integral corrige o erro acumulado ao longo do tempo Ele integra o erro ao longo do tempo e multiplicao por um ganho integral O controle integral é usado para eliminar erros em regime 4 permanente corrigindo desvios constantes entre a saída real e a desejada Ele também ajuda a eliminar pequenos desvios que não são corrigidos pelo controle proporcional 3 Derivativo D O termo derivativo reage à taxa de variação do erro Ele calcula a taxa de mudança do erro ao longo do tempo e multiplicao por um ganho derivativo O controle derivativo antecipa as mudanças futuras no erro e permite uma resposta rápida a alterações bruscas na saída Ele ajuda a reduzir oscilações e melhorar a estabilidade do sistema Figura 2 Controle PID A combinação dos três termos proporcional integral e derivativo no controle PID permite um controle preciso e eficiente de sistemas dinâmicos O ganho de cada termo é ajustado para atingir um desempenho ótimo do sistema levando em consideração os requisitos específicos e as características do processo controlado Para ajustar o controle PID é comum utilizar técnicas de sintonia como o método de ZieglerNichols que envolve testes experimentais para determinar os ganhos adequados para cada termo Além disso existem variações do controle PID como o PID incremental e o PID modificado que incorporam melhorias e ajustes para atender a requisitos específicos de aplicação O controle PID é amplamente aplicado em várias indústrias e sistemas de controle como controle de temperatura controle de velocidade controle de nível controle de posicionamento em sistemas de automação e robótica entre outros Ele oferece uma resposta rápida estabilidade e a capacidade de lidar com perturbações e incertezas nos sistemas controlados 5 Em resumo o controle PID é uma técnica de controle amplamente utilizada que combina os termos proporcional integral e derivativo para ajustar e estabilizar o comportamento de um sistema em relação a uma variável de referência Ele oferece uma resposta precisa e eficiente em uma ampla variedade de aplicações industriais e de controle Além dessas estratégias básicas há outras técnicas avançadas de controle como controle preditivo controle otimizado controle adaptativo entre outras Cada uma tem suas vantagens e é selecionada com base nas características específicas do processo e nos requisitos de desempenho Em resumo o modelamento e controle de processos são atividades fundamentais para entender e otimizar o comportamento de sistemas físicos e alcançar os objetivos desejados O processo de modelagem permite a representação matemática do sistema enquanto o controle visa ajustar as variáveis de entrada para obter o comportamento desejado do sistema Uma vez que um modelo adequado tenha sido desenvolvido várias técnicas de controle podem ser aplicadas dependendo da complexidade e dos requisitos do processo Essas técnicas podem envolver desde controladores simples como o controle proporcional até técnicas mais avançadas como controle preditivo baseado em modelo ou controle adaptativo O controle de processos geralmente envolve o uso de sensores para medir as variáveis de interesse do sistema como temperatura pressão vazão nível entre outras Esses sensores fornecem feedback em tempo real para os controladores permitindo que eles ajustem as variáveis de entrada e corrijam qualquer desvio em relação aos valores de referência Além disso o controle de processos frequentemente lida com perturbações externas e incertezas ine rentes ao sistema Estratégias de controle robusto são projetadas para lidar com essas perturbações e garantir a estabilidade e o desempenho adequado do sistema mesmo em condições variáveis As técnicas de controle de processos são amplamente aplicadas em várias indústrias incluindo manu fatura petróleo e gás química alimentos e bebidas automação entre outras Elas são utilizadas para melhorar a eficiência a segurança e a qualidade dos processos reduzir custos minimizar desperdícios e maximizar o desempenho global do sistema É importante ressaltar que o modelamento e o controle de processos são áreas de estudo e pesquisa contínuos À medida que novas tecnologias e abordagens surgem novas técnicas de modelagem e controle são desenvolvidas para enfrentar os desafios complexos encontrados nos processos industriais e em outras aplicações Em resumo o modelamento e o controle de processos são disciplinas essenciais para entender analisar e otimizar o comportamento de sistemas físicos Eles desempenham um papel fundamental na melhoria do desempenho dos processos industriais e na busca de eficiência e qualidade em diversas aplicações 3 Dispositivos escravos Em sistemas de comunicação um dispositivo escravo é um dispositivo que recebe comandos ou so licitações de um dispositivo mestre e responde a essas solicitações realizando as operações solicitadas Em outras palavras o dispositivo escravo é controlado pelo dispositivo mestre e opera de acordo com as 6 instruções recebidas Figura 3 rede de dispositivos mestre escravo Os dispositivos escravos são comumente encontrados em várias tecnologias de comunicação como barramentos industriais redes de sensores sistemas de automação e controle entre outros Eles desem penham um papel importante na troca de informações e no compartilhamento de dados entre dispositivos em um sistema Em um sistema de barramento como o Modbus por exemplo o dispositivo mestre é responsável por iniciar a comunicação e enviar comandos ou solicitações para os dispositivos escravos Os dispositivos escravos por sua vez respondem aos comandos ou fornecem as informações solicitadas de acordo com seu papel e função no sistema Os dispositivos escravos podem ter diferentes funcionalidades dependendo da aplicação específica Por exemplo em um sistema de automação industrial um dispositivo escravo pode ser um atuador que recebe comandos de um controlador para realizar uma ação física como ligar um motor abrir ou fechar uma válvula entre outros Outro exemplo é em redes de sensores onde os dispositivos escravos são sensores que coletam da dos ambientais como temperatura pressão umidade etc Esses sensores respondem às solicitações do dispositivo mestre enviando os dados coletados para análise ou tomada de decisão Veja a figura abaixo 7 Figura 4 rede de dispositivos com sensores escravos Os dispositivos escravos são projetados para serem confiáveis eficientes e interoperáveis com o disposi tivo mestre Eles seguem protocolos de comunicação específicos garantindo a troca correta de informações e o correto funcionamento do sistema como um todo Em resumo os dispositivos escravos desempenham um papel importante em sistemas de comunicação onde recebem comandos ou solicitações de um dispositivo mestre e respondem executando as operações solicitadas Eles são usados em uma ampla gama de aplicações como automação industrial redes de sensores e sistemas de controle permitindo o compartilhamento de informações e o funcionamento eficiente do sistema 8 4 Inversores de frequência controladores dispositivos de moni toramento e atuadores 41 Inversores de frequência Inversores de frequência também conhecidos como conversores de frequência ou drives de velocidade variável são dispositivos eletrônicos utilizados para controlar a velocidade e o torque de motores elétricos de indução Eles convertem a frequência da alimentação elétrica para uma frequência variável permitindo um controle preciso da velocidade do motor Os inversores de frequência são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais como sis temas de bombeamento ventilação compressores transportadores máquinasferramenta entre outros onde o controle preciso da velocidade do motor é necessário Figura 5 inversor de frequência Princípio de funcionamento Os inversores de frequência operam convertendo a alimentação elétrica de corrente alternada AC em corrente contínua DC e em seguida reconverter a corrente contínua de volta em corrente alternada mas com uma frequência variável Esse processo é conhecido como conversão ACDCAC O inversor de frequência possui um retificador que converte a corrente alternada de entrada em corrente contínua usando diodos retificadores Em seguida essa corrente contínua é filtrada e convertida em uma tensão contínua estável usando capacitores Após a etapa de retificação e filtragem a corrente contínua é alimentada a um circuito chamado inversor que consiste em transistores de potência tipicamente IGBTs Transistores Bipolares de Porta Isolada Os transistores controlam a frequência e a amplitude da corrente alternada de saída permitindo o controle da velocidade e do torque do motor 9 Recursos e benefícios dos inversores de frequência 1 Controle de velocidade Os inversores de frequência permitem o controle preciso e variável da velo cidade do motor atendendo aos requisitos específicos de cada aplicação Isso resulta em economia de energia e maior eficiência operacional 2 Controle de torque Além do controle de velocidade os inversores de frequência também permitem o controle do torque do motor Isso é útil em aplicações onde um torque constante ou variável é necessário como em sistemas de transporte e elevação 3 Partida suave Os inversores de frequência proporcionam uma partida suave ao motor elétrico reduzindo o estresse mecânico e elétrico no equipamento Isso aumenta a vida útil do motor e dos componentes associados 4 Proteção do motor Os inversores de frequência oferecem proteção ao motor contra sobrecarga sobretensão subtensão sobrecorrente curtocircuito e outros problemas elétricos Eles monitoram as condições do motor em tempo real e podem interromper a operação em caso de falhas 5 Eficiência energética O controle preciso da velocidade do motor proporcionado pelos inversores de frequência permite o uso eficiente de energia reduzindo o consumo em comparação com métodos tradicionais de controle de velocidade como a utilização de válvulas de controle de fluxo 6 Redução do desgaste mecânico A operação com velocidade variável controlada pelos inversores de frequência reduz o desgaste mecânico do motor e do equipamento associado 7 Controle de aceleração e desaceleração Os inversores de frequência permitem um controle suave e preciso da aceleração e desaceleração do motor Isso é especialmente útil em aplicações que exigem movimentos delicados ou rápidas mudanças de velocidade 8 Flexibilidade de operação Os inversores de frequência oferecem a flexibilidade de operar o motor em diferentes direções de rotação bem como a capacidade de programar e armazenar diferentes configurações de velocidade e controle 9 Redução de ruído e vibração O controle preciso da velocidade proporcionado pelos inversores de frequência ajuda a reduzir o ruído e a vibração do motor melhorando o conforto do ambiente de trabalho 10 Monitoramento e diagnóstico Muitos inversores de frequência possuem recursos de monitoramento e diagnóstico integrados permitindo que operadores e técnicos monitorem o desempenho do motor identifiquem problemas e realizem manutenção preventiva É importante observar que os inversores de frequência devem ser selecionados e configurados correta mente para cada aplicação específica A escolha adequada do inversor de frequência juntamente com a programação e ajustes adequados garantirá o desempenho ideal e a proteção do motor elétrico Os inversores de frequência têm se tornado cada vez mais populares devido aos seus benefícios em termos de controle de velocidade economia de energia e prolongamento da vida útil do motor Eles são 10 amplamente utilizados em indústrias edifícios comerciais setor de transporte e muitas outras aplicações que requerem controle preciso e eficiente de motores elétricos 42 Controladores Controladores são dispositivos ou sistemas que são projetados para monitorar e regular o compor tamento de um sistema ou processo com o objetivo de manter uma variável controlada dentro de um determinado intervalo ou alcançar um objetivo específico Eles desempenham um papel fundamental em uma ampla variedade de aplicações desde automação industrial até controle de temperatura em eletrodomésticos Existem diferentes tipos de controladores cada um com suas características e métodos de operação Alguns dos tipos mais comuns são 1 Controlador OnOff Também conhecido como controlador de dois pontos é um tipo básico de controlador que liga ou desliga um dispositivo de controle quando a variável controlada atinge um determinado limite Por exemplo um termostato residencial que liga o sistema de aquecimento quando a temperatura cai abaixo de um valor definido e desliga quando a temperatura atinge o valor desejado 2 Controlador Proporcional P O controlador proporcional ajusta a saída proporcionalmente ao erro entre a variável controlada e o valor desejado Quanto maior o erro maior será a saída do controlador No entanto o controle proporcional sozinho pode resultar em oscilações em torno do valor desejado sem alcançar a estabilidade 3 Controlador Integral I O controlador integral calcula a integral do erro ao longo do tempo e ajusta a saída de acordo Ele ajuda a reduzir o erro em regime permanente e a eliminar desvios constantes entre a variável controlada e o valor desejado 4 Controlador Derivativo D O controlador derivativo reage à taxa de variação do erro Ele calcula a derivada do erro e ajusta a saída de acordo O controle derivativo ajuda a prever a tendência futura do erro e permite uma resposta rápida a mudanças bruscas na variável controlada 5 Controlador PID O controlador PID combina os três termos proporcional integral e derivativo para proporcionar um controle mais preciso e estável O ganho de cada termo é ajustado para otimizar o desempenho do sistema O termo proporcional fornece uma resposta rápida a pequenos desvios o termo integral corrige erros em regime permanente e o termo derivativo ajuda a reduzir oscilações e melhorar a estabilidade 6 Controlador Lógico Programável CLP O CLP é um dispositivo eletrônico programável usado para controlar máquinas e processos em automação industrial Ele permite a implementação de lógica complexa e controle sequencial usando uma linguagem de programação específica O CLP é amplamente utilizado em aplicações industriais desde controle de máquinas até sistemas de automação de fábricas inteiras 11 7 Controlador Avançado Além dos controladores básicos mencionados acima existem controladores avançados que incorporam algoritmos mais sofisticados como controle preditivo controle adapta tivo controle otimizado entre outros Esses controladores utilizam técnicas avançadas de modela gem e análise para oferecer um desempenho superior e otimizado em sistemas complexos A seleção do controlador adequado depende das características do sistema dosdos requisitos de con trole e das especificações de desempenho desejadas Alguns fatores a serem considerados ao escolher um controlador são 1 Dinâmica do sistema É importante entender as características de resposta do sistema que está sendo controlado Isso inclui o tempo de resposta a estabilidade a presença de atrasos ou não linearidades e outras características relevantes Essas informações ajudarão a determinar o tipo de controlador mais adequado 2 Requisitos de desempenho Os requisitos de desempenho variam dependendo da aplicação Por exemplo em alguns casos o objetivo pode ser alcançar uma resposta rápida com pouca oscilação enquanto em outros casos pode ser mais importante reduzir o erro em regime permanente É importante identificar esses requisitos para selecionar o controlador apropriado 3 Sintonia do controlador A sintonia do controlador envolve ajustar os parâmetros do controlador como o ganho proporcional o tempo integral e o tempo derivativo para otimizar o desempenho do sistema Existem várias técnicas de sintonia disponíveis como ZieglerNichols CohenCoon sintonia por resposta em frequência entre outras 4 Complexidade do sistema Em sistemas complexos onde há múltiplas variáveis controladas ou interações entre diferentes componentes pode ser necessário o uso de controladores avançados como controle preditivo ou controle adaptativo Esses controladores podem lidar com sistemas mais complexos e oferecer um melhor desempenho em situações específicas 5 Integração com outros sistemas Em alguns casos é necessário considerar a integração do controla dor com outros sistemas como sistemas de supervisão e aquisição de dados SCADA sistemas de comunicação em rede ou outros dispositivos de automação A compatibilidade e a capacidade de integração com esses sistemas devem ser levadas em conta durante a seleção do controlador É importante mencionar que a seleção e a configuração do controlador podem exigir conhecimentos especializados em controle de sistemas Em muitos casos engenheiros de controle e automação são res ponsáveis por essa tarefa aplicando técnicas de projeto e sintonia de controle para atender aos requisitos específicos do sistema Em resumo os controladores desempenham um papel crucial no controle e na regulação de sistemas e processos Eles variam em complexidade e funcionalidades desde controladores básicos até controladores avançados A escolha do controlador correto depende das características do sistema dos requisitos de de sempenho e das condições operacionais específicas A configuração e a sintonia adequadas do controlador são essenciais para garantir um desempenho eficiente e estável do sistema controlado 12 43 Dispositivos de monitoramento Dispositivos de monitoramento são dispositivos eletrônicos ou sistemas que são utilizados para medir e registrar informações sobre um sistema processo ou variável específica Eles desempenham um papel fundamental em diversas áreas desde a monitorização de temperatura em um ambiente até o acompa nhamento de parâmetros críticos em processos industriais Existem vários tipos de dispositivos de monitoramento disponíveis cada um projetado para atender a uma finalidade específica Alguns exemplos comuns incluem 1 Sensores Os sensores são dispositivos que convertem um fenômeno físico como temperatura pres são nível umidade luz entre outros em um sinal elétrico mensurável Eles podem ser dispositivos simples como termopares ou termistores ou sensores mais complexos como transdutores de pressão ou sensores de gás Os sensores fornecem informações em tempo real sobre a variável monitorada 2 Medidorestransmissores Os medidores são dispositivos que exibem e registram valores medidos de uma ou mais variáveis Por exemplo medidores de temperatura medidores de vazão medidores de nível entre outros Eles podem ser analógicos mostrando uma leitura em uma escala física ou digitais exibindo os valores em formato numérico Além da exibição em tempo real alguns medidores também têm recursos de registro de dados 3 Registradores de dados Esses dispositivos registram e armazenam dados de medição em intervalos regulares ao longo do tempo Eles podem ser dispositivos autônomos com memória interna ou podem estar conectados a um sistema de aquisição de dados DAQ ou a um sistema de controle Os registradores de dados são úteis para análise posterior rastreamento de tendências e identificação de padrões em um processo ou sistema 4 Analisadores de gás Os analisadores de gás são dispositivos usados para medir e monitorar a composição de gases em um ambiente ou processo Eles são amplamente utilizados em aplicações industriais como monitoramento de emissões controle de qualidade do ar análise de combustão entre outros Esses dispositivos fornecem informações detalhadas sobre a concentração de diferentes gases e podem alertar sobre a presença de substâncias perigosas ou indesejáveis 5 Sistemas de monitoramento remoto Esses sistemas permitem monitorar e controlar remotamente sistemas ou processos Eles envolvem a coleta de dados de sensores ou dispositivos de monitoramento distribuídos em uma área ampla e a transmissão desses dados para um local centralizado Os sistemas de monitoramento remoto são amplamente utilizados em aplicações como monitoramento ambiental monitoramento de infraestrutura monitoramento de segurança entre outros 6 Sistemas de monitoramento de saúde Esses sistemas são usados principalmente na área da saúde para monitorar sinais vitais e condições de pacientes Eles podem incluir monitores cardíacos monitores de pressão arterial monitores de oxigênio no sangue entre outros Esses dispositivos fornecem informações essenciais para avaliar a saúde e o bemestar de um indivíduo e ajudam no diagnóstico e tratamento de doenças 13 Esses dispositivos e sistemas de monitoramento desempenham um papel crucial em diversas áreas fornecendo informações em tempo real registrando dados e permitindo o controle e a análise de variá veis importantes Eles são fundamentais para a segurança eficiência e tomada de decisões em muitos processos desde aplicações industriais até monitoramento ambiental e monitoramento da saúde 44 Atuadores Atuadores são dispositivos utilizados para converter sinais de controle em ações físicas ou movimento em um sistema automatizado Eles desempenham um papel crucial na execução das ações desejadas com base nos comandos recebidos de um controlador Existem vários tipos de atuadores cada um projetado para uma finalidade específica Alguns exemplos comuns incluem Atuadores elétricos Os atuadores elétricos convertem sinais elétricos em movimento linear ou rotacional Eles podem ser solenoides motores elétricos motores de passo entre outros Os atuadores elétricos são amplamente utilizados em diversas aplicações como acionamento de válvulas movimentação de atuadores mecânicos e controle de posicionamento Atuadores hidráulicos Os atuadores hidráulicos utilizam fluidos pressurizados para gerar força e movimento Eles são compostos por cilindros hidráulicos que convertem a pressão do fluido em movimento linear Os atuadores hidráulicos são comumente encontrados em sistemas de automação industrial como prensas máquinas de moldagem e equipamentos pesados Atuadores pneumáticos Os atuadores pneumáticos também utilizam fluidos nesse caso ar com primido para gerar movimento Eles são constituídos por cilindros pneumáticos que convertem a pressão do ar em movimento linear Os atuadores pneumáticos são amplamente utilizados em sistemas de auto mação como robótica industrial sistemas de transporte e manipulação de materiais Atuadores eletromagnéticos Os atuadores eletromagnéticos utilizam campos magnéticos para gerar força e movimento Um exemplo comum é o solenoide que é um dispositivo eletromagnético que converte a corrente elétrica em força linear ou movimento angular Os solenoides são amplamente utilizados em diversas aplicações como válvulas solenoides travas elétricas acionadores de portas entre outros Atuadores piezoelétricos Os atuadores piezoelétricos são baseados no efeito piezoelétrico que é a capacidade de certos materiais gerarem uma carga elétrica quando submetidos a uma tensão mecâ nica Eles são utilizados em aplicações que exigem movimentos precisos e rápidos como posicionamento nanométrico sistemas ópticos de foco automático e dispositivos de controle de vibração Atuadores de motores de passo Os motores de passo são atuadores elétricos que convertem pulsos elétricos em movimento angular discreto Eles são amplamente utilizados em aplicações que requerem posicionamento preciso como impressoras 3D máquinas CNC Controle Numérico Computadorizado robótica e equipamentos de automação industrial Atuadores lineares Os atuadores lineares são dispositivos que convertem movimento rotacional em movimento linear Eles podem ser elétricos hidráulicos ou pneumáticos dependendo da fonte de energia utilizada Esses atuadores são usados em uma variedade de aplicações como abertura e fechamento de 14 portas movimentação de gavetas acionamento de mecanismos de elevação e sistemas de ajuste de altura Atuadores de válvulas Os atuadores de válvulas são projetados especificamente para controlar a abertura ou fechamento de válvulas em sistemas de tubulações Eles podem ser elétricos pneumáticos ou hidráulicos dependendo das necessidades do sistema Os atuadores de válvulas são amplamente utilizados em processos industriais sistemas de controle de fluidos sistemas de aquecimento ventilação e ar condicionado HVAC entre outros Atuadores de controle de fluxo Esses atuadores são usados para controlar o fluxo de fluidos em sistemas de tubulações Eles podem ser encontrados em válvulas de controle de fluxo dampers elementos de controle de fluxo de ar e outras aplicações similares Os atuadores de controle de fluxo são essenciais em indústrias como petróleo e gás tratamento de água processos químicos e sistemas de refrigeração Atuadores de robótica Os atuadores de robótica são projetados especificamente para aplicações robóticas Eles podem ser elétricos hidráulicos ou pneumáticos dependendo do tamanho força e veloci dade requeridos pelo robô Os atuadores de robótica são usados em diversos setores incluindo automação industrial medicina exploração espacial montagem de produtos e muitos outros Atuadores de acionamento linear Esses atuadores são usados para fornecer movimento linear em sistemas onde o espaço é limitado ou onde é necessário um controle preciso de posição Eles podem ser baseados em tecnologias como parafuso de avanço cames acionamento magnético ou tecnologias piezoelétricas Os atuadores de acionamento linear são encontrados em equipamentos médicos máquinas de teste sistemas de automação e dispositivos de precisão Atuadores de controle de movimento Esses atuadores são projetados para controlar o mo vimento de sistemas complexos como braços robóticos máquinas CNC sistemas de posicionamento e outros dispositivos de automação Eles fornecEles fornecem precisão e controle de movimento em várias direções permitindo a execução de tarefas complexas Esses atuadores podem ser elétricos hidráulicos ou pneumáticos dependendo dos requisitos do sistema Atuadores de freio Os atuadores de freio são dispositivos que aplicam força para interromper ou controlar o movimento de um sistema Eles são comumente encontrados em veículos máquinas industriais e equipamentos de elevação Os atuadores de freio são essenciais para garantir a segurança e o controle de sistemas em movimento evitando acidentes e permitindo uma parada controlada Atuadores de molas Esses atuadores utilizam a energia armazenada em molas para fornecer movimento ou força em um sistema Eles são encontrados em aplicações como fechamento automático de portas acionamento de mecanismos de retorno sistemas de suspensão e dispositivos de absorção de choque Os atuadores de molas são eficientes e confiáveis para fornecer força e movimento em várias aplicações Atuadores de controle de vibração Esses atuadores são projetados para controlar ou reduzir a vibração indesejada em sistemas e estruturas Eles podem ser baseados em tecnologias como eletromag néticos piezoelétricos ou hidráulicos Os atuadores de controle de vibração são amplamente utilizados em aplicações como sistemas de suspensão de veículos isolamento de vibração em máquinas industriais cancelamento de ruído e controle de vibração em estruturas Esses são apenas alguns exemplos de atuadores comumente utilizados A escolha do atuador adequado 15 depende das necessidades e requisitos específicos do sistema ou processo automatizado Além disso os atuadores podem ser controlados por meio de sinais analógicos ou digitais dependendo da aplicação e do sistema de controle utilizado 16 5 Meios físicos de comunicação Os meios físicos de comunicação são utilizados para transmitir dados e informações entre dispositivos eletrônicos Existem vários tipos de meios físicos cada um com características distintas em termos de velocidade alcance capacidade e interferência Aqui estão os principais meios físicos de comunicação Cabos de cobre Os cabos de cobre são amplamente utilizados para transmitir dados em redes locais LANs Existem dois tipos principais de cabos de cobre cabos de par trançado e cabos coaxiais O cabo de par trançado é usado em redes Ethernet e telefonia enquanto o cabo coaxial é comumente usado em sistemas de televisão a cabo Exemplo cabos Ethernet Cat5e Cat6 Ondas de rádio As ondas de rádio são usadas para comunicação sem fio e transmissão de dados Elas são amplamente utilizadas em rádio televisão comunicações móveis redes celulares redes sem fio WiFi e comunicação por satélite As ondas de rádio possuem um alcance maior mas podem ser suscetíveis a interferências Exemplo redes WiFi IEEE 80211 Ondas infravermelhas As ondas infravermelhas são usadas em comunicações de curto alcance onde os dispositivos devem estar dentro da linha de visão direta um do outro Elas são comumente usadas em controles remotos de TV transmissão de dados sem fio entre dispositivos eletrônicos e sistemas de comunicação por infravermelho Exemplo comunicação por infravermelho entre smartphones e outros dispositivos Ondas de microondas As ondas de microondas são usadas para comunicações de longa distância e transmissão de dados Elas são amplamente utilizadas em comunicações por satélite transmissão de dados ponto a ponto e redes de telefonia móvel As ondas de microondas possuem alta capacidade e velocidade de transmissão mas requerem antenas direcionais para transmissão e recepção Exemplo comunicação por satélite Luz visível A luz visível também pode ser usada para comunicações de curto alcance especialmente em ambientes fechados A tecnologia de comunicação por luz visível VLC utiliza lâmpadas de LED para transmitir dados oferecendo alta velocidade e segurança Exemplo tecnologia LiFi Light Fidelity Cabos de par trançado blindado STP Esses cabos são uma variação dos cabos de par tran çado comuns porém possuem uma camada de blindagem adicional para proteção contra interferências eletromagnéticas Eles são utilizados em ambientes com alta interferência como fábricas e instalações industriais Redes de energia elétrica Em algumas aplicações como automação residencial é possível utilizar a infraestrutura de energia elétrica existente para a transmissão de dados Essa tecnologia conhecida como powerline communication PLC permite a transmissão de dados através dos cabos de energia elétrica eliminando a necessidade de cabos de comunicação separados Redes de satélite As redes de satélite são usadas para comunicações de longa distância em áreas onde a infraestrutura terrestre é limitada Elas envolvem a transmissão de dados de um ponto de origem para um satélite em órbita e em seguida a retransmissão do sinal para o ponto de destino As redes de satélite são amplamente utilizadas em telecomunicações transmissões de TV e rádio além de aplicações militares e de pesquisa espacial 17 Esses são alguns dos principais meios físicos de comunicação utilizados atualmente A escolha do meio físico adequado depende das necessidades específicas de cada aplicação levando em consideração fatores como distância de transmissão largura de banda requerida interferência e custo 51 Meios físicos em redes industriais Para redes industriais existem alguns meios físicos de comunicação específicos que são amplamente utilizados devido às suas características de desempenho e confiabilidade em ambientes industriais Aqui estão alguns exemplos de meios físicos voltados para redes industriais Ethernet Industrial A Ethernet Industrial é uma extensão da tecnologia Ethernet padrão adap tada para atender aos requisitos das aplicações industriais Utiliza cabos de par trançado blindados STP ou fibra óptica para fornecer maior resistência a interferências eletromagnéticas maior alcance e velocidades de transmissão mais altas Essa tecnologia é comumente usada em sistemas de automação industrial controle de processos e monitoramento em tempo real Fieldbus Fieldbus é um termo genérico usado para descrever várias tecnologias de rede industrial que permitem a comunicação entre dispositivos e sensores distribuídos em campo Exemplos populares incluem Profibus Modbus e Foundation Fieldbus Essas redes utilizam cabos de par trançado ou cabos coaxiais para transmitir dados de controle e monitoramento entre os dispositivos em um sistema industrial O Fieldbus é amplamente utilizado em aplicações como controle de processo automação de fábrica e sistemas de supervisão Redes industriais sem fio Em algumas situações a utilização de cabos físicos pode ser limitada ou impraticável em ambientes industriais Nesses casos as redes industriais sem fio oferecem uma solução flexível Essas redes podem utilizar tecnologias como WiFi industrial IEEE 80211nac Bluetooth industrial e Zigbee Elas permitem a comunicação sem fio entre dispositivos em uma planta industrial fornecendo mobilidade e flexibilidade para monitoramento e controle Redes de comunicação por fibra óptica A fibra óptica também é amplamente utilizada em redes industriais devido às suas vantagens em relação à imunidade a interferências eletromagnéticas altas velocidades de transmissão e longo alcance Ela é frequentemente empregada em aplicações que requerem transmissão de dados de alta velocidade como sistemas de supervisão e controle distribuído sistemas de vigilância e monitoramento Redes de comunicação por cabos coaxiais Embora menos comuns nas redes industriais moder nas os cabos coaxiais ainda são utilizados em algumas aplicações específicas Eles podem ser encontrados em sistemas de vídeo vigilância monitoramento de segurança e em aplicações que exigem longas distâncias de transmissão e altas taxas de transferência de dados É importante ressaltar que a escolha do meio físico adequado para uma rede industrial depende dos requisitos específicos de cada aplicação incluindo distância de transmissão largura de banda imunidade a interferências ambiente operacional e requisitos de segurança Cada tecnologia tem suas vantagens e desvantagens e a seleção correta é crucial para garantir o desempenho e a confiabilidade do sistema 18 6 Protocolos de comunicação Protocolos de comunicação são conjuntos de regras e padrões que definem a forma como os dispositivos se comunicam e trocam informações em uma rede ou sistema Eles estabelecem um conjunto de diretrizes que governam o formato a sequência o tempo e o significado dos dados transmitidos entre os dispositivos Os protocolos de comunicação garantem que os dispositivos sejam capazes de entender e interpretar corretamente os dados recebidos permitindo uma comunicação eficaz e confiável Eles definem como os dados são estruturados como são transmitidos e como são interpretados no destino Alguns elementoschave dos protocolos de comunicação incluem Formato de dados Os protocolos definem como os dados são organizados e formatados antes de serem transmitidos Isso pode incluir informações sobre a estrutura dos pacotes de dados como cabeçalhos dados úteis e checksums Métodos de transmissão Os protocolos especificam os métodos utilizados para transmitir os dados entre os dispositivos Isso pode incluir a codificação dos dados em sinais elétricos ópticos ou de rádio a modulação dos sinais para transporte e a definição de taxas de transmissão Controle de erros Os protocolos fornecem mecanismos para detecção e correção de erros durante a transmissão dos dados Isso pode incluir checksums códigos de detecção e correção de erros retransmissão de dados perdidos ou danificados e confirmação de recebimento Sequenciamento e sincronização Os protocolos determinam a sequência e a sincronização dos dados transmitidos Isso garante que os dispositivos envolvidos na comunicação estejam alinhados corre tamente e entendam a ordem dos dados transmitidos Endereçamento e roteamento Os protocolos permitem que os dispositivos sejam identificados e endereçados de forma única na rede Eles também definem como os dados são roteados entre os dispositivos para alcançar o destino correto Os protocolos de comunicação são fundamentais para o funcionamento adequado das redes e sistemas permitindo a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes e garantindo a integridade e a segurança dos dados transmitidos Exemplos de protocolos de comunicação amplamente utiliza dos incluem TCPIP Transmission Control ProtocolInternet Protocol para comunicação na Internet Ethernet para redes locais LANs e protocolos industriais como Modbus Profibus e OPC OLE for Process Control para comunicação em ambientes industriais 61 Protocolos de comunicação Redes industriais Para redes industriais existem vários protocolos de comunicação específicos que são amplamente uti lizados devido às suas características de desempenho confiabilidade e requisitos específicos da indústria Aqui estão alguns exemplos de protocolos de comunicação para redes industriais 1 Modbus Características O Modbus é um protocolo de comunicação mestreescravo amplamente uti lizado em aplicações industriais Ele oferece uma estrutura simples e fácil implementação tornandoo um dos protocolos mais populares na automação industrial 19 Tipos de mensagens O Modbus suporta dois tipos de mensagens mensagens de solicitação request enviadas pelo dispositivo mestre e mensagens de resposta response enviadas pelos dispositivos escravos Modos de transmissão O Modbus pode ser transmitido tanto via serial Modbus RTU e Modbus ASCII quanto via Ethernet Modbus TCPIP Topologia O Modbus é baseado em uma topologia mestreescravo onde um dispositivo mestre controla e solicita dados de dispositivos escravos Velocidade de transmissão A velocidade de transmissão do Modbus varia dependendo do modo de transmissão e configurações específicas 2 Profibus Características O Profibus é um protocolo de comunicação industrial desenvolvido para uso em automação de processos e controle de fábrica Ele oferece alta velocidade de transmissão flexibilidade e suporte para diferentes tipos de dispositivos Tipos de redes O Profibus suporta dois tipos principais de redes Profibus DP Decentralized Periphery para comunicação entre controladores e dispositivos em campo e Profibus PA Process Automation para comunicação com sensores e atuadores em ambientes perigosos Topologia O Profibus suporta diferentes topologias incluindo barramento bus e estrela star permitindo uma ampla flexibilidade na configuração das redes Modos de transmissão O Profibus suporta vários modos de transmissão incluindo RS485 Profibus DP e técnica de corrente Profibus PA Velocidade de transmissão A velocidade de transmissão do Profibus pode variar de acordo com a configuração da rede mas geralmente varia de 96 Kbps a 12 Mbps 3 Foundation Fieldbus Características O Foundation Fieldbus é um protocolo de comunicação digital usado em automação de processos industriais Ele oferece recursos avançados de diagnóstico controle distribuído e gerenciamento de dispositivos em campo Tipos de redes O Foundation Fieldbus suporta dois tipos principais de redes H1 também conhecido como Fieldbus para comunicação com dispositivos em campo como sensores e atua dores e HSE HighSpeed Ethernet para comunicação de alto desempenho entre controladores e sistemas de supervisão Topologia O Foundation Fieldbus é baseado em uma topologia de barramento bus onde vários dispositivos em campo são conectados a um único barramento Modos de transmissão O Foundation Fieldbus utiliza o protocolo de comunicação baseado em bloco blockoriented 20 Velocidade de transmissão A velocidade de transmissão do Foundation Fieldbus é de até 3125 kbps para redes H1 e varia de acordo com a configuração da rede para redes HSE 4 DeviceNet Características O DeviceNet é um protocolo de comunicação usado em redes de controle industrial para conectar dispositivos em campo a um controlador principal Ele fornece uma solução simplificada para a comunicação de dispositivos em uma rede industrial Topologia O DeviceNet utiliza uma topologia de barramento bus ou estrela star para conectar os dispositivos em campo ao controlador principal Modos de transmissão O DeviceNet usa a tecnologia CAN Controller Area Network para transmitir dados entre os dispositivos Ele suporta mensagens de entrada e saída bem como mensagens explícitas para configuração e controle de dispositivos Velocidade de transmissão A velocidade de transmissão do DeviceNet varia de 125 kbps a 500 kbps dependendo da configuração da rede 5 Profinet Características O Profinet é um protocolo de comunicação baseado em Ethernet usado em automação industrial Ele combina os benefícios da tecnologia Ethernet com recursos de tempo real para comunicação rápida e confiável Tipos de redes O Profinet suporta dois tipos principais de redes Profinet IO para comunicação entre controladores e dispositivos em campo e Profinet CBA ComponentBased Automation para comunicação entre componentes de automação em diferentes níveis hierárquicos Topologia O Profinet suporta diferentes topologias incluindo barramento bus estrela star e anel ring oferecendo flexibilidade na configuração das redes Modos de transmissão O Profinet utiliza o protocolo Ethernet padrão para transmissão de dados permitindo taxas de transmissão rápidas e uma ampla gama de serviços de rede Velocidade de transmissão A velocidade de transmissão do Profinet varia de 100 Mbps a 1 Gbps dependendo da infraestrutura de rede e dos dispositivos utilizados 6 EtherCAT Características O EtherCAT é um protocolo de comunicação em tempo real usado em au tomação industrial Ele oferece alta velocidade de transmissão e capacidade de sincronização precisa permitindo o controle de dispositivos de forma rápida e precisa Topologia O EtherCAT utiliza uma topologia em cascata daisychain em que cada disposi tivo recebe e repassa os dados para o próximo dispositivo permitindo uma comunicação rápida e eficiente 21 Modos de transmissão O EtherCAT usa Ethernet como meio de transmissão e emprega uma técnica de processamento em tempo real chamada de processing on the fly em que os dados são processados em tempo real à medida que são transmitidos Velocidade de transmissão O EtherCAT pode atingir velocidades de transmissão de até 100 Mbps ou mais dependendo da configuração da rede e dos dispositivos Cada protocolo de comunicação mencionado acima possui características distintas que os tornam adequados para diferentes aplicações na indústria A escolha do protocolo de comunicação depende dos requisitos específicos da aplicação como velocidade de transmissão tempo de resposta tipo de rede topologia suporte de dispositivos e recursos adicionais necessários Além dos protocolos mencionados existem outros protocolos de comunicação comumente usados em redes industriais como CANopen EthernetIP Modbus TCPIP OPC OLE for Process Control entre outros Cada protocolo tem suas vantagens e limitações e a seleção correta depende das necessidades da aplicação e da compatibilidade com os dispositivos e sistemas existentes É importante considerar também os aspectos de interoperabilidade entre diferentes protocolos À medida que as redes industriais se tornam mais complexas e integradas a capacidade de interconectar dispositivos e sistemas de diferentes fornecedores se torna essencial Protocolos de comunicação padro nizados e amplamente adotados promovem a interoperabilidade e facilitam a integração de diferentes componentes de automação É essencial realizar uma análise detalhada dos requisitos da aplicação considerando fatores como velocidade de transmissão confiabilidade tempo de resposta tipo de rede topologia custo e suporte de dispositivos Com base nessas considerações podese escolher o protocolo de comunicação mais adequado para garantir a comunicação eficiente e confiável em redes industriais 22 7 Referências Bibliográficas 1 Ogata K 2010 Engenharia de Controle Moderno Prentice Hall 2 Franklin G F Powell J D EmamiNaeini A 2018 Feedback Control of Dynamic Systems Pearson 3 Beater P Novik S Leuchs G 2013 Industrial Communication Technology Handbook CRC Press 4 Buss M John W Vrabie D 2015 Industrial Communication Systems Springer 5 Johnson R 2003 Industrial Ethernet Newnes 6 Mackay J 2018 Fieldbus Systems and Their Applications 2005 A Proceedings Volume from the 6th IFAC International Conference Puebla Mexico 1425 November 2005 Elsevier 23