O que
é Automação Industrial?
Objetivos da Automação Industrial.
O objetivo principal da automação industrial é criar mecanismos que
sejam capazes de produzir o melhor produto com o menor custo. Alguns objetivos
que devem ser buscados nos projetos de automação industrial são:
Melhorar a produtividade de uma empresa aumentando o número de itens
produzidos por hora de forma a reduzir os custos de produção e aumentar a
qualidade.
Melhorar as condições de trabalho das pessoas eliminando trabalhos
perigosos e aumentado a segurança.
Realizar operações que seriam impossíveis de controlar intelectualmente
ou manualmente.
Melhorar a disponibilidade de produtos de forma com que seja possível
fornecer quantidades necessárias no momento certo.
Simplificar a operação e manutenção de modo que o operador não precise
ter grande expertise ao manusear o processo de produção.
O Que é um Sistema Automatizado?
A automação industrial de um sistema é um procedimento mediante o qual
as tarefas de produção que são realizadas por operadores humanos são
transferidas a um conjunto de elementos tecnológicos levando-se em consideração
possíveis eventualidades que possam ocorrer mantendo sempre a segurança e a
qualidade.
Cada vez mais os segmentos de produção industrial, geração e distribuição
de energia, transportes e muitos outros requerem um número crescente de novos
sistemas e máquinas automatizadas.
Isto se deve ao aumento da produção, aos custos mais baixos de
componentes de automação e máquinas, a qualidade e estabilidade de novos
produtos e à necessidade de substituir trabalhos perigosos e monótonos dos
operadores.
No passado, os sistemas automatizados eram sistemas fechados que
controlavam individualmente cada processo de uma instalação, mas com o passar
do tempo, estes sistemas passaram a ser abertos com capacidade de abranger mais
processos de forma a otimizar o funcionamento de toda a planta.
Parte Operacional.
A parte operacional na automação industrial é uma parte do sistema que
atua diretamente no processo e é um conjunto de elementos que fazem com que a
máquina se mova e realize a operação desejada.
Estes elementos que formam a parte operacional são os dispositivos de
acionamento e pré-acionamento como motores, cilindros, compressores de ares,
válvulas, pistões e também dispositivos de detecção como sensor indutivo,
sensor capacitivo, sensor de visão, sensor ultrassônico, etc.
Parte de Controle.
Já a parte de controle é a parte programável do sistema que geralmente é
implementada com a ajuda do CLP (Controlador Lógico Programável). No passado,
esta lógica era feita com relês eletromagnéticos, temporizadores, placas
eletrônicas e módulos lógicos.
Atualmente, com o aumento do volume de dados e componentes eletrônicos,
o mais comum é o emprego dos CLPs e computadores industriais para o controle de
máquinas e processos.
O CLP é considerado o cérebro na automação industrial, pois ele é capaz
de se comunicar com todos os componentes que compõem este sistema de forma a
reconhecer as entradas, processar a lógica e atualizar as saídas a todo
momento.
Sensores e Transdutores.
Assim como o ser humano necessita dos sentidos para perceber o que está
acontecendo à sua volta, na automação industrial as máquinas precisam de
sensores e transdutores para captarem as informações.
Além de captar variáveis, estes componentes devem ser capazes de
distinguir a variação de certas magnitudes do sistema e o próprio estado físico
de outros componentes.
Os dispositivos encarregados de converter as magnitudes físicas em elétricas
são denominados transdutores. Vale lembrar aqui que a diferença entre sensor e
transdutor é que o sensor detecta uma variação no meio e o transdutor converte
a variação em magnitude elétrica.
Assim, podemos dizer que muitos sensores atualmente também são
transdutores, mas nem todos os transdutores são sensores. Os transdutores podem
ser classificados em função do tipo de sinal que transmitem:
Transdutores Binários: Com estes dispositivos é tudo ou nada. Ou ele
está atuado ou não (1 ou 0). Alguns exemplos são: sensor indutivo, contator,
sensor capacitivo, sensor fim de curso ou chaves de nível.
Transdutores Numéricos: Transmitem valores numéricos em forma de
combinações binárias (Gray, BCD, etc).
Um exemplo é o encoder absoluto que faz a leitura da posição angular de
um carro bobinador onde a medida que o encoder gira, ele gera uma combinação
binária que representa a quantidade de giros que ele deu, podendo esta
informação ser interpretada pelo CLP.
Transdutores Analógicos: Fornecem um sinal continuo proporcional ao
valor da magnitude. Exemplos deste tipo são os transdutores de pressão,
sensores de temperatura, sensor ultrassônico para medição de distância ou nível
e Micrômetro Laser para medições de diâmetro.
Atuadores e Pre-Atuadores.
O atuador é o elemento final de controle que em resposta a um sinal de
comando recebido, atua sobre a variação do elemento final do processo. Um
atuador converte a energia conectada nele em uma automação útil para o ambiente
industrial e eles podem ser classificados em elétricos, pneumáticos e
hidráulicos.
Os atuadores elétricos são adequados para movimentos angulares e de
rotação, com ou sem controle de velocidade. Estes dispositivos devem ser
alimentados com energia elétrica para funcionar e alguns exemplos são os
motores de corrente contínua, motores de indução e servo motores.
Os atuadores pneumáticos, por outro lado, são adequados para aplicações
que demandam movimentos lineares curtos necessários por exemplo em operações de
transferência, montagem de tampa, apertos, posicionamento de produtos em
esteiras, etc. São chamados pneumáticos pois precisam ser alimentados com ar
comprimido.
Já os atuadores hidráulicos são utilizados em sua grande maioria quando
a força necessária é muito alta ou quando uma máquina em marcha lenta necessita
de um controle preciso (mesmo assim, neste último caso, os atuadores
hidráulicos tendem a ser substituídos por servo motores). São chamados
hidráulicos por serem alimentados com fluido (óleo hidráulico).
Os atuadores mais utilizados na indústria são os cilindros e motores de
corrente contínua ou alternada e são na maioria das vezes comandados por CLPs
ou controladores.
Por exemplo, o CLP pode acionar uma válvula solenoide que libera o ar
para fazer com que o cilindro pneumático seja acionado. Por outro lado, o CLP
pode comandar um contator ou inversor de frequência de forma com que os motores
sejam acionados. Mesmo com todas as ferramentas de controle, você ainda pode
encontrar atuadores que são comandados diretamente pelo operador.
O termo pré atuador aplica-se nos casos onde é necessária uma
amplificação do sinal de controle para que o atuador possa ser acionado. Nos
dois exemplos que eu citei acima podemos identificar os pre atuadores como
sendo a válvula solenoide, o contator e o inversor.
Sistema de Controle.
Como eu disse, os comandos dos sistemas automatizados sofreram uma
revolução com o passar dos anos haja vista o desenvolvimento de novos
processadores, dispositivos com alta capacidade de armazenamento e IHMs com
recursos touch e acionamento remoto.
Primeiramente, vamos entender como tudo começou com as tecnologias
cabeadas e módulos lógicos até evoluir para os CLPs e computadores.
Tecnologias Cabeadas.
Consiste em interconectar reles com os dispositivos de entrada e saída
de maneira que a lógica possa ser criada com combinações em série ou paralelo
dos elementos para que então seja criado o automatismo. Estes elementos podem
ser reles, valvulas ou placas lógicas.
Esta foi a primeira solução adotada na automação industrial, mas com o
passar do tempo foi sendo abandonada por apresentar inconvenientes como pouca
flexibilidade para aceitar modificações ou adaptações futuras e também pelo
fato de que este tipo de solução demandava grandes espaços para locação de
painéis elétricos.
E você ainda pode imaginar o quanto estes sistemas eram caros e difícil
de realizar manutenções. Pense no caso de uma falha, você ter que ficar
checando a lógica rele por rele ou descobrir em qual válvula ou placa houve o
problema.
Em uma automação industrial mais simples com baixo custo, no entanto,
esta solução ainda pode ser viável. Mesmo assim deve-se analisar bem, pois
atualmente um CLP custa o equivalente a 20 reles ou 8 válvulas e ainda tem a vantagem
de você poder programar ele da forma como quiser, deixando a solução bem
enxuta.
Os dispositivos que podem ser utilizados na tecnologia cabeada são:
Reles Eletromagnéticos.
Os relês eletromagnéticos de comutação possuem uma estrutura muito
parecida com um contator em que todos os contatos são projetados para uma mesma
corrente, que geralmente é baixa.
Módulos Lógicos Pneumáticos.
Baseiam-se na utilização de ar comprimido e de elementos como válvulas
solenoides, detectores, cilindros, comandos por pressão e válvulas pilotadas. A
principal vantagem deste método é que ele não é afetado por interferências
eletromagnéticas.
Também temos aplicações em ambientes que precisam da automação
industrial, mas o risco de explosão é alto. Imagine uma mina subterrânea que
precisa de automação, mas que qualquer faísca poderia causar uma explosão.
Neste caso, tudo pode ser implementado com a tecnologia pneumática,
eliminando o risco de acidente devido ao automatismo.
Por outro lado, lógicas implementadas com tecnologia pneumática
necessitam de muito mais espaço, produzem ruídos no ambiente e demandam redes
de ar comprimidos supridas por compressores de ares que obviamente necessitam
de manutenção, pois o fornecimento de ar deve ser constante e seguir padrões de
pressão e umidade.
Caso houver a necessidade de maior potência e precisão, a tecnologia
pneumática é substituída pela hidráulica, devido ao fato do óleo ser um fluido
incompressível.
Para você entender melhor o que eu estou falando, basta pegar uma
seringa com ar, tampar a ponta dela e apertar. Mesmo sem o ar sair, você
consegue deslocar o êmbolo devido ao ar se comprimir, o que não ocorre com o
fluido hidráulico.
Assim, a tecnologia hidráulica fornece maior precisão e suporta
aplicações com necessidade de forças muito maiores como as necessárias em
prensas hidráulicas.
Tecnologia Estática Integrada.
São placas desenvolvidas para executar uma lógica específica. Assim,
depois de serem projetadas, são implementadas em circuitos impressos e alocadas
no sistema de automação industrial para realizar sua função.
Ainda é possível ver painéis com placas lógicas em algumas indústrias
com equipamentos antigos, mas esta tecnologia está em desuso devido a evolução
dos componentes de programação. Como ela se baseia no uso de circuitos
integrados e de portas lógicas: TTL e CMOS podem apresentar alguns problemas
como necessidades de diferentes níveis de tensão, serem suscetíveis a
interferências eletromagnéticas e serem inflexíveis, pois os circuitos
impressos não podem ser modificados depois de implementados.
Tecnologias Programadas.
O avanço dos microprocessadores nos últimos anos favoreceu fortemente a
generalização das tecnologias programadas e a ampliação da automação e máquinas
automatizadas. Os equipamentos atuais utilizados para este fim são:
Computadores.
Um computador, como parte do comando de uma automação industrial
apresenta a vantagem de ser altamente flexível a modificações de processo e por
outro lado por ter sido projetado especificamente para o ambiente industrial
tem a desvantagem de ser frágil quando colocado na linha de produção.
Por este motivo foram desenvolvidos os computadores industriais com
maior robustez e que suportam ambientes agressivos. A única desvantagem
atualmente que algumas empresas observam para não empregar os computadores
industriais no controle é que o seu emprego exige equipes com conhecimentos de
TI, automação e processos.
No entanto, esta realidade está mudando raPIDamente com o conceito de
industria 4.0 que tem em uma de suas premissas a fusão da tecnologia da
automação (TA) com a tecnologia da informação (TI).
CLPs (Controladores Lógicos Programáveis).
Como eu falei antes, o CLP é considerado o cérebro da automação
industrial por controlar os equipamentos e processos. Sua vantagem é que ele
possui as características de um computador, mas a diferença de ter sido
projetado especialmente para trabalhar em ambientes industriais dos mais limpos
aos mais agressivos.
Outra vantagem que ele possui é que a programação é mais intuitiva com a
utilização da lógica Ladder (lógica de programação que reproduz os diagramas
elétricos em blocos lógicos e blocos de função).
Outra diferença com relação ao computador, é que o firmware (software
interno) de um CLP é muito adaptado para a gestão de falhas e defeitos que
podem ser avarias internas, falhas de energia ou falhas nas conexões dos
cartões de forma a garantir a segurança das pessoas e instalações em caso de
falhas.
O CLP também possui alta flexibilidade devido a possibilidade de
expansões de entradas, saídas e comunicação que também pode ser realizada com
diferentes dispositivos industriais. As principais vantagens dos CLPs são:
Flexibilidade e adaptação ao processo;
São hardwares padrões produzidos em grande escala;
Tamanho reduzido;
Controle estruturado e distribuído;
Comunicação com diferentes dispositivos;
Possuem ferramentas de simulação e depuração;
Fornecem a possibilidade de modificações on-line;
Fácil instalação e manutenção.
Elementos de Entrada de Ordens.
Na automação industrial, os elementos de entrada de ordem permitem que o
operador ordene um comando ao sistema e podem ser classificados em 2
categorias:
Os Binários são a forma mais simples de dar o comando. Se o operador
deseja acionar, ele pode apertar a botoeira e se deseja desligar, ele pode
simplesmente apertar a botoeira novamente.
Além de botoeiras, podem ser utilizados interruptores e comutadores.
Novamente, o binário é 1 ou 0.
Se o botão estiver apertado emitindo o sinal 1, quando estiver
desapertado emitirá um sinal 0 para o sistema de controle.
Numéricos (ou alfanuméricos):
Enquanto os binários são sim ou não, os numéricos permitem a entrada de
qualquer tipo de informação através de números ou letras Alguns exemplos são os
potenciômetros e teclados numéricos.
Elementos de saída da informação.
Já os elementos de saída da informação na automação industrial são
responsáveis pela comunicação do sistema de controle com o operador.
Em sua grande maioria são elementos visuais como sinalizadores e telas
de IHMs e assim como os de entrada, também podem ser classificados nas
categorias binárias e alfanuméricas.
Binários: Fornecem a informação de sim ou não, ligado ou desligado e
alguns exemplos são os sinalizadores, alarmes ou sirenes;
Numéricos e alfanuméricos: Permitem a visualização de números e textos e
são muito úteis para visualizar dados de processo como níveis, o que está
ligado ou não, qual parte do processo não está com o desempenho adequado, etc.
Alguns exemplos são os displays de de LCD, monitores e IHMs, sendo que
as IHMs permitem tanto a visualização quanto a entrada de informação.
Como podemos perceber, os sistemas de automação industrial são de
fundamental importância em qualquer processo produtivo pois além de melhorar
significativamente a produção, fornece um maior entendimento do negócio e do
ambiente fabril, possibilitando a empresa analisar, monitorar e controlar suas
etapas produtivas.
Atualmente é muito comum utilizar IHMs e sistemas SCADA que coletam as
informações importantes de produção e faz o armazenamento em banco de dados
para que elas possam ser analisadas por sistemas historiadores e ferramentas de
BI (Business Inteligence).
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