Fundamentos de Automação Industrial

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Ricardo Trombetta SUMÁRIO Esta é uma obra coletiva organizada por iniciativa e direção do CENTRO SU PERIOR DE TECNOLOGIA TECBRASIL LTDA Faculdades Ftec que na for ma do art 5º VIII h da Lei nº 961098 a publica sob sua marca e detém os direitos de exploração comercial e todos os demais previstos em contrato É proibida a reprodução parcial ou integral sem autorização expressa e escrita CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFTEC Rua Gustavo Ramos Sehbe nº 107 Caxias do Sul RS REITOR Claudino José Meneguzzi Júnior PRÓREITORA ACADÊMICA Débora Frizzo PRÓREITOR ADMINISTRATIVO Altair Ruzzarin DIRETORA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA EAD Rafael Giovanella Desenvolvido pela equipe de Criações para o ensino a distância CREAD Coordenadora e Designer Instrucional Sabrina Maciel Diagramação Ilustração e Alteração de Imagem Igor Zattera Júlia Oliveira Thais Munhoz Revisora Thais Piccoli Dalzochio FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 3 INTRODUÇÃO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 4 TEORIA DE SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS 7 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL SENSORES E ATUADORES DE VARIÁVEIS FÍSICOQUÍMICAS 7 CONTROLE SUPERVISIONADO 13 TECNOLOGIA DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO 19 SENSORES E ATUADORES INDUSTRIAIS 20 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS CLP 22 SUPERVISÓRIOS 23 PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES INDUSTRIAIS 26 ATUADORES SERVO CONTROLADOS 36 SERVO ACIONAMENTOS CONTROLE DE POSIÇÃO E SINCRONISMO 38 PRÁTICAS EM BANCADA DE TREINAMENTO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 40 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS O PAPEL DOS COMPUTADORES 46 ROBÔS INDUSTRIAIS 49 ROBÔS 50 INTRODUÇÃO AOS CONCEITOS BÁSICOS DA ROBÓTICA 51 CARACTERÍSTICAS TIPOS E PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS 52 SISTEMAS DE CONTROLE E DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS PARA OS ROBÔS 54 3 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL O surgimento da automação se dá através da mecanização tendo origem em torno de 3500 a 3200 aC com a utilização da roda Desde o início o objetivo era sempre simplificar o trabalho do homem com o menor esforço possível de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos tornandoos mais produtivos e permitindo executar o máximo de atividades simultaneamente Porém nos dias de hoje atribuise a automação a qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substituam o trabalho humano 4 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO O mundo tecnológico está passando por uma revolução jamais vista em termos de evo lução de sistemas inteligentes As pessoas e organizações que não o acompanharem serão engolidas pela tecnologia independentemente da área de atuação Alinhada com essa neces sidade a presente disciplina na modalidade a distância da UNIFTEC tem por objetivo trazer uma abordagem ampla sobre a automação com detalhamentos teóricos e práticos apresen tando a evolução da automação desde os seus primórdios até os dias atuais Sendo assim a disciplina propõe fazer uma abordagem ampla e direcionada de concei tos e teorias detalhando as tecnologias dos sistemas de automação controladores atuado res sistemas de modelagem servos e CLP bem como a aplicação de robôs nas indústrias re alizando uma análise completa dos principais temas relacionados às tecnologias inteligentes aplicadas na indústria e no nosso cotidiano Quanto aos sistemas automatizados estudaremos a teoria de sistemas a eventos discre tos os sensores e atuadores e os controles supervisionados seguindo para a teoria de erros e estimativas com a análise de confiabilidade Após estudaremos os sistemas contínuos atra vés da modelagem e os princípios de identificação dos sistemas avaliando sua estabilidade e controlabilidade Para operacionalização em diversos projetos de automação fazse necessá rio entender os sensores e atuadores bem como os controladores e a comunicação entre eles e seus supervisórios detalhadas as linguagens e sua programação Por fim estudaremos atua dores servo controlados seus sensores robôs industriais e os barramentos industriais apre sentando um panorama global relacionado à evolução tecnológica da indústria de modo geral INTRODUÇÃO À AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A automação teve início há muito tempo quando o homem começou a desenvolver equi pamentos e máquinas que passaram a substituir a mão de obra humana garantindo maior produtividade para suprir as necessidades de consumo decorrentes do aumento populacional Tratase da substituição do trabalho humano ou animal por máquinas com acionamentos automáticos independentes da ação humana PRIMEIROS ROBÔS USADOS NA INDÚSTRIA 5 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Com a introdução de sistemas semiautomáticos e a evolução da tecnologia a integração com sistemas de controle remoto foi eliminando cada vez mais a interferência do operador humano A adoção de sistemas automáticos dotados de atuação própria ocorre em tempo e deslocamento determinado ou em resposta a determinadas condições de trabalho em que não existe a ação humana Alguns exemplos de automação que afetam diretamente o nosso cotidiano são a má quina de lavar roupa ou louça que desenvolve toda a atividade completa de lavagem e o robô que pode ser integrado a qualquer processo de fabricação visando a deixálo mais eficiente Inicialmente a automação estava ligada a movimentos mecânicos Posteriormente in cluiuse a ideia de usar a potência elétrica ou mecânica para acionar uma máquina integran doa a algum tipo de inteligência artificial São conceitos e premissas da automação como processo automatizado 1 nunca reclama 2 nunca entra em greve 3 não pede aumento de salário 4 não precisa de férias 5 não requer mordomias Ainda quando necessário pode executar atividades jamais alcançáveis pelo homem de modo braçal necessitando apenas da manutenção para manter o processo operante FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Relacionado aos fundamentos da automação estudaremos automação e mão de obra automação e controle e automação e eletrônica contemplando todos os pilares e a abrangên cia da interação entre a mão de obra e os sistemas automatizados AUTOMAÇÃO E MÃO DE OBRA Sua adoção se deu através do surgimento do circuito integrado no ano de 1960 e sub sequente e do microprocessador em 1970 permitindo a adoção de sistemas inteligentes em butidos nas máquinas a um custo viável O surgimento dessas tecnologias proporcionou a execução de tarefas complexas com alta repetitividade A evolução da computação se deu de tal maneira que é possível nos dias de hoje de dicar um computador pessoal para fazer tarefas simples e complicadas de modo econômico possibilitando a redução da mão de obra empregada nas atividades desde as mais simples como lavar uma roupa ou uma louça e programar o temporizador de uma geladeira até níveis de processos totalmente automatizados desde a alimentação até o produto final empregan do o mínimo de interferência da mão de obra humana 6 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Indo um pouco além os níveis de automação chegaram ao ponto em que é possível a existência de linhas de montagem com robôs que requerem operadores somente para o mo nitoramento do seu desempenho A automação proporcionou simplificar e até viabilizar ati vidades que eram impossíveis de realizar manualmente de forma simples e econômica AUTOMAÇÃO E CONTROLE São sistemas e ferramentas tecnológicas envolvendo mecânica eletrônica tecnologia da informação computação controle de sistemas controle de produção e planejamento ou automação Atuam principalmente na interface entre o sistema de produção e o de gestão de sistemas de controle de processos e sistemas de controle de produção industrial melhorando os métodos de execução das atividades Controle automático e automação podem apresentar o mesmo significado ou podem ser diferentes O controle regulatório se aplica a processos contínuos e a automação se aplica a operações lógicas sequenciais de alarme e intertrava mento de sistemas mecânicos eletrônicos ou elétricos Programação dos Robôs 7 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático ou seja a ações que não dependem da intervenção humana Porém essa definição é facilmente questioná vel devido à necessidade da mão do homem pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos processos automáticos Nos dias de hoje a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e a qualidade nos processos considerados repetitivos estando presente no dia a dia das empresas para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura Para tanto nos dias de hoje existem estudos cursos e universidades que visam à for mação de profissionais para atuarem na área de automação desenvolvendo e integrando sis temas inteligentes com os processos de fabricação TEORIA DE SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS A teoria de controle tem se preocupado tradicionalmente com o controle de sistemas de variáveis contínuas modelados por diferenças ou equações diferenciais Outra classe impor tante de sistemas entretanto é descrita por estados que têm valores lógicos ou simbólicos em vez de valores numéricos As mudanças de estado do sistema são eventos desencadeados por uma ação externa ou uma mudança espontânea nele mesmo Esses sistemas são chamados de sistemas de eventos discretos A necessidade de considerar essa classe deriva do esforço de estender a teoria dos sistemas para poder controlar sistemas de manufatura redes de comunicação e outros cujo comportamento pode ser descrito por sequências de eventos discretos Um trabalho pioneiro no campo de sistemas de eventos discretos foi realizado por Ramadge e Wonham Eles pro puseram um modelo no qual os eventos todos gerados por uma planta são divididos em duas classes controláveis e incontroláveis Por meio da desabilitação de eventos controláveis o comportamento da planta pode ser influenciado para atender a determinadas especificações Com base em seu modelo uma perspectiva de entradasaída no controle de sistemas de eventos discretos é introduzida nessa tese Então uma planta recebe comandos e reage a eles com respostas Simetricamente um controlador que aceita as respostas da planta como en tradas e produz comandos como saídas é usado para impor um comportamento desejado na planta A solução para muitos problemas de controle decorrentes dessa perspectiva pode ser rastreada até a solução de problemas semelhantes na estrutura de Ramadge e Wonham No entanto se a transmissão de comandos e respostas entre a planta e o controlador é afetada por atrasos novos resultados são necessários Depois de ter estendido os resultados conhecidos para incluir atrasos uma estrutura para o controle de um sistema geral de eventos discretos com base na abordagem de entra dasaída apresentada é proposta Usando essa estrutura é mostrado como foi projetado o software de controle de uma das primeiras aplicações conhecidas de controle de sistemas de eventos discretos uma peça de equipamento para a fabricação de semicondutores INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL SENSORES E ATUADORES DE VARIÁVEIS FÍSICOQUÍMICAS 8 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO A instrumentação industrial é a ciência que estuda desenvolve e aplica instrumentos de medição e controle de processos na indústria visando à melhoria da eficiência dos processos que a envolvem Isso depende da qualidade da instrumentação e da confiabilidade dos equipamentos A instrumentação industrial quando utilizada de maneira correta e planejada permite a redução dos custos aumentando a produtividade e minimizando problemas de qualidade e segurança da produção em que você trabalha O funcionário responsável pela instrumentação principalmente na indústria da transformação possui um papel fundamental na execução e operacionalização da automação Cada vez mais se faz necessário o controle dos processos de forma adequada não ape nas para operadores de campo ou no processo produtivo Ele é mais abrangente englobando a empresa como um todo desde a alta direção e gerentes dos mais diversos setores até o pro cesso produtivo do início ao fim e em muitos casos até o cliente tendo como foco a redução dos custos de produção e o aumento na segurança do trabalho de toda a cadeia produtiva SENSORES Sensores são componentes técnico que servem para converter informações do ambiente em sinais eletricamente ou eletronicamente processáveis Essas informações do meio am biente fornecidas em certa quantidade como temperatura pressão aceleração brilho etc são detectadas por meio de efeitos físicos adequados e transmitidas como um sinal elétrico que é gerenciado por sistemas controladores tranformando esses sinais em ações Estes são alguns dos tipos de sensores sensores resistivos sensores indutivos sensores capacitivos sensores de eletreto sensores piezoelétricos sensores ópticos SENSORES RESISTIVOS O princípio funcional dos sensores resistivos é a mudança na resistência elétrica dada em função das mudanças em uma variável medida Essa resistência é introduzida como uma quantidade física ou propriedade de um componente que é apresentada em um dado A tensão proporciona uma certa intensidade de corrente elétrica que causa certa diferença de potencial tensão A causa da mudança na resistência usada nos sensores pode ser o comprimento e as mudanças na seção transversal causadas por alterações de temperatura ou de condutividade Exemplos de sensores resistivos correspondentes DMS medidores de tensão NTC termistor de coeficiente de temperatura negativo e microfones de grãos de carbono Sensor resistivo 9 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SENSORES INDUTIVOS A base para o princípio de funcionamento desse tipo de sensor é a indução eletromagné tica O Fields é transmitido e precisa conhecer o princípio básico da indução eletromagnética como a interação entre os campos magnéticos e elétricos variáveis Dependendo do tipo de sensor o efeito da indução é usado direta ou indiretamente Na forma direta uma tensão é induzida dentro de uma bobina alterando a força do campo mag nético e isso é usado diretamente para gerar sinais Já o método indireto de ação é baseado na mudança da indutividade de uma bobina devido à alteração na posição em relação ao material ferromagnético ou ao material eletricamente condutor Exemplos de sensores indutivos sensores de velocidade sensores ABS e microfones di nâmicos Sensores indutivos 10 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SENSORES CAPACITIVOS O princípio funcional desse tipo de sensor é a mudança na capacitância uma mudança na geometria do capacitor Essa alteração é registrada por um circuito eletrônico adequado e usada para gerar sinais O princípio básico de funcionamento desse tipo de sensor é a geração de um sinal elétrico que é geralmente avaliado indiretamente determinando a mudança de frequência de um circuito ressonante eletromagnético Exemplos de sensores capacitivos são o microfone condensador o sensor de distância o sensor de nível e o sensor de pressão Sensores capacitivos 11 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SENSORES ELÉTRICOS Tratase de um material com polarização elétrica permanente permanentemente ali nhado a dipolos elétricos O princípio funcional de um sensor de eletreto é a mudança no campo elétrico entre o eletreto e um contraeletrodo sem carga quando a distância muda As mudanças de voltagem que ocorrem são usadas como um sinal e processadas posterior mente Amplamente utilizado a forma de aplicação dos sensores de eletreto são os micro fones de eletreto miniaturizados dos smartphones comuns A mudança na geometria de um campo elétrico leva a informações mensuráveis com mudanças de tensão Exemplos de sensores de eletreto são os microfones de eletreto e os sensores de radiação Sensores elétricos Sensores piezoelétricos O funcionamento desses sensores é baseado no efeito piezoelétrico fazendo com que mude a polarização elétrica na deformação elástica de um sólido O acompanhamento do des locamento da carga leva ao aparecimento de uma tensão entre diferentes pontos do sólido o que pode ser avaliado e processado como um sinal Exemplos de sensores piezoelétricos são os captadores microfones e sensores de pressão Sensores piezoeléctricos 12 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SENSORES ÓPTICOS A base do princípio funcional dos sensores ópticos é a interação da luz com a matéria e os efeitos mecânicos quânticos resultantes Nas fotocélulas usase o efeito fotoelétrico a luz incidente libera elétrons o que resulta na ocorrência de uma voltagem ou corrente elétrica A interação com a luz libera mais portadores de carga ao que a condutividade elétrica aumenta ou a resistência elétrica diminui Exemplos de sensores ópticos são os sensores de cortina e os leitores de juntas Sensores ópticos ATUADORES DE VARIÁVEIS FÍSICOQUÍMICAS Tratase de uma tarefa dinâmica complexa que coloca requisitos de design rígidos tanto nos componentes físicos quanto nos sistemas de controle de software de um robô Por exem plo quando um robô é projetado especificamente para locomoção autônoma com pernas deve ser capaz de executar uma corrida um salto e se recuperar de tropeços altamente dinâmicos ou ainda executar essas atividades simultaneamente Para isso projetase imaginando que uma mola de perna com capacidade suficiente para armazenar a energia de uma marcha de corrida é uma necessidade Podemos imaginar os dois extremos de projetos e dimensiona mentos de um atuador capaz de proporcionar as propriedades desejáveis sendo atuadores de alta largura de banda com todas as dinâmicas descritas através do controle de software ou mecânicos cuidadosamente projetados os sistemas para movimentos naturais sintonizados que não requerem controle de software O primeiro método é flexível embora atuadores com largura de banda e potência sufi cientemente altos possam não existir para a tarefa de locomoção A segunda abordagem é bastante flexível e requer amplo conhecimento do comporta mento desejado antes da construção mas não há limite de largura de banda impedindo o me canismo de se comportar como pretendido em altas frequências Esse método é específico à tarefa e os projetos resultantes provavelmente não serão capazes de executar a amplitude de tarefas necessárias Assim é preciso o auxílio de atuadores que controlarão a dinâmica natu ral dos sistemas adicionando energia que se perde no mecanismo e cria comportamentos que 13 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO não são inerentes à dinâmica natural quando o atuador expõe movimentos naturais seme lhantes aos dos animais CONTROLE SUPERVISIONADO Ao estudarmos sobre o controle supervisionado falaremos inicialmente sobre sistemas autômatos e formais e modelos de linguagem Esses sistemas devem gerar respostas espon tâneas Seu comportamento pode ser apresentado por sequências de ações em forma de uma linguagem sobre o alfabeto de eventos Em um processo deve haver um conjunto de especificações comportamentais A exis tência de um supervisório no processo supervisionado deve respeitar as especificações sendo que ele deve exercer a controlabilidade do sistema O controle supervisório tem por objetivo controlar os sistemas operacionais de uma planta um sistema autômato responsável pelo comportamento livre do sistema Por exemplo em uma fábrica de manufatura as máquinas 1 e 2 dão início à fabricação e quando recebem uma peça esse sistema impõe especificações de funcionamento descritas por um autômato que restringem o comportamento da planta a fim de satisfazer algum requisito de controle do processo produtivo Nesse caso as máquinas 1 e 2 não podem operar simultaneamente Controle supervisionado de robôs 14 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Segundo Cassandras e Lafortune 2008 a controlabilidade é um parâmetro que deter mina os eventos após a execução de uma cadeia deles no qual todas as ações não controláveis previstas de ocorrer não sejam desativadas pelo supervisório após a atividade dessa cadeia A atribuição de todas as atividades da composição envolvidas no cálculo do supervisório pode resultar em um sistema autômato com número alto de estados e variações Dessa forma a sua aplicação prática pode se tornar negativa devido ao uso excessivo de memória e ao poder de compilação de dados necessário para seu cálculo O método para alcançar os supervisórios modulares locais inicia com a identificação de subsistemas assíncronos sistemas cuja inter secção de seus alfabetos é irrelevante Esses subníveis modelam os autômatos da planta e a base de todos eles resulta na estrutura completa a ser controlada TEORIA DOS ERROS E ESTIMATIVAS DE INCERTEZAS E CONFIABILIDADE Neste tópico abordaremos o estudo de serviços e ensaios de alta qualidade a custos re duzidos em que se faz necessário desenvolver soluções que possam assegurar a redução dos custos e a confiabilidade dos processos Com o avanço da tecnologia e o aumento da deman da as empresas entram em um novo cenário em que um dos caminhos que proporcionam a redução significativa de custos é a acuracidade nas medições com o auxílio de instrumentos e a automação em seus processos extinguindo ou reduzindo erros e desperdícios agilizando a calibração e a emissão automática de relatórios ou certificados de calibração e estudos de repetitividade De acordo com Silva 2004 os padrões usados como referência para a calibração nor malmente são grandezas usadas em sistemas de medição que proporcionam exatidão e con fiabilidade aos processos e inspeção e análise dos resultados Esses métodos de análise são baseados em um sistema indireto com base no padrão de referência Hüber responsável por atender os requisitos de estimativa de erro máximo admissível ou ainda a incerteza de medi ção Sua vantagem é a de não necessitar de avaliações e subdivisões na escala diminuindo ou eliminando a interferência da incerteza do operador Após todos os dados coletados elabora se o relatório emitindo o certificado com a análise da histerese o erro sistemático máximo a dispersão média e a incerteza de medição já que para um sistema autômato a precisão e confiabilidade são essenciais para o bom funcionamento e durabilidade No quesito resultados possuímos as médias das medições o desviopadrão e os de mais parâmetros de avaliação qualitativa e quantitativa de acordo com o número de amos tras e o intervalo da execução das leituras coletadas Assim conseguese diminuir os erros na emissão do certificado e a interferência do técnico nesse processo quando há divergência em alguma coleta de dados SISTEMAS CONTÍNUOS Os sistemas contínuos são aqueles em que os sinais de entrada e saída são iguais em ambas as extremidades Nesse tipo de sistema a variável muda com o tempo e qualquer tipo de variação não é encontrada no sinal de entrada e saída Em resposta ao sinal de entrada um sistema contínuo gera um sinal de saída 15 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Modelos contínuos são os que seguem o sistema modelado usando equações diferen ciais A simulação complexa permite a experimentação com esses modelos PRINCÍPIOS DE IDENTIFICAÇÃO DE SISTEMAS São todas as operações de processos baseadas em dados e medições nas quais a identificação do sistema é uma interface que se baseia em todas as ciências e se concentra no desenvolvimento de modelos matemáticos a partir de dados observados De modo geral concentrase na identificação do sistema com ênfase na prática e mais especificamente na identificação do sistema linear em tempo discreto Nos princípios de identificação de siste mas teoria e prática apresentam uma base formal em modelagem de sistemas determinísti cos e estocásticos LTI e teoria de estabilidade e controlabilidade de sistemas fornecem os conceitos essenciais de identificação estabelecem as bases de descrições matemáticas de sistemas processos aleatórios e es timativas no contexto de identificação discutem a teoria relacionada a modelos não paramétricos e paramétricos para deter minístico mais estocástico Sistemas LTI em detalhes demonstram os conceitos e métodos de identificação em diferentes estudos de casos oferecem uma visão geral de tópicos avançados de identificação nomeadamente o line ar variável no tempo LTV não linear e identificação de circuito fechado discute uma abordagem multivariável para identificação usando a análise de compo nente principal interativa Incorpora códigos MATLAB ANÁLISE E SÍNTESE DE SISTEMAS DE CONTROLE Podemos observar que os sistemas de controle têm atraído muita atenção na comunida de de controle porque os problemas não são apenas acadêmicos mas também de importân cia prática Eles pertencem a uma classe especial de sistemas de controle híbridos que com preende uma coleção de subsistemas descritos por dinâmica linear equações diferenciais diferenças juntamente com uma regra que especifica a comutação entre os subsistemas De acordo Chizeck et al 1986 esses sistemas podem ser usados para descrever uma ampla gama de sistemas físicos e de engenharia na prática Eles podem ser utilizados na mo delagem de sistemas sujeitos a variações repentinas sejam elas com parâmetros conhecidos ou não como sistemas lineares contados de modo síncrono e redes com contagens que va riam periodicamente com uma mudança repentina de estruturas do sistema devido à falha de um componente 16 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Para Ge et al 2003 esse esquema de controle híbrido fornece um mecanismo eficaz sendo responsável por atuar com sistemas altamente complexos compostos de grandes graus de incertezas um exemplo é quando observamos o modelo de controle híbrido para sistemas não elevados que não são estabilizáveis por meio de qualquer controlador através de um res posta do estado contínuo individual Os sistemas lineares comutados não apenas fornecem um fórum desafiador para a área acadêmica mas também preenchem uma lacuna entre o tratamento de sistemas lineares e o de sistemas altamente complexos eou incertos Esses sistemas são relativamente fáceis de manusear pois muitas ferramentas poderosas de análise linear e multilinear são aplicáveis ou extensíveis para lidar com esses sistemas 17 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EXERCÍCIOS SUMÁRIO 1 Qual a característica adequada ao processo automatizado com robôs a Nunca reclama b Processo ineficiente c Processo engessado d Processo ultrapassado 2 Tudo pode ser automatizado a Sim é só automatizar que já se tem resultados satisfatórios b Não a automação somente pode ser aplicada a processos padrão c Somente processos novos d Depende da adequação ao processo e ao projeto para viabilizar a automação no processo a fim de se ter resultados satisfatórios 3 Que área da automação abrange ferramentas tecnológicas envolvendo mecânica eletrônica tecnologia da informação computação controle de sistemas controle de produção e planejamento a Robótica b Sensoriamento c Automação e controle d Teoria dos eventos e sistemas discretos 18 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EXERCÍCIOS SUMÁRIO 4 É responsável por identificar um acionamento fora dos padrões determinados em um projeto de automação a Atuador b Válvula c Sensor d Cilindro 5 É responsável pelos movimentos no processo ou equipamento automatizado a Sensor de movimento b Bomba hidráulica c Válvula de acionamento d Atuador 6 São vantagens do controle supervisionado a Monitoramento do processo durante sua execução b Monitoramento do processo somente no início da operação c Função ligadesliga d Controle da manutenção 7 A teoria dos erros e estimativas de incertezas é utilizada para a Análise de confiabilidade em equipamentos b Aumentar a produtividade c Controle de entrada de dados d Projeto de equipamentos Gabarito 1 A 2 D 3 C 4 C 5 D 6 A 7 A 19 TECNOLOGIA DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO A tecnologia de automação é um ramo da construção da área das engenharias que engloba principalmente a engenharia mecânica e a elétrica e tem por finalidade automatizar processos técnicos em máquinas plantas ou sistemas autômatos O grau de automação é maior quanto maior a existência de máquinas e sistemas mais complexos independentes da intervenção humana Com o auxílio dos avanços na aquisição de sinais e principalmente no processamento eletrônico o grau de automação deve aumentar significativamente Como resultado além de poupar as pessoas de atividades perigosas e rotineiras isso proporciona a melhoria da qualidade otimizando o desempenho da máquina ou sistema e reduzindo custos com pessoal motivando ainda mais a adoção de tecnologias de automação nos processos produtivos Com a redução da atividade humana eliminase avarias melhorase a reposição de material e a retirada de peças acabadas e diminuise a manutenção devido a quebras por erros humanos nos equipamentos desde que os processos estejam bem alinhados 20 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SENSORES E ATUADORES INDUSTRIAIS Para iniciar os estudos é importante entendermos o papel dos sensores e atuadores para a comunicação industrial Os sensores e atuadores são indispensáveis para a atividade industrial moderna Da mesma forma que válvulas e registros usados nas antigas máquinas a vapor impulsionaram a primeira revolução industrial os dispositivos modernos oferecem controles mais precisos e automatizados para viabilizar a revolução na indústria como um todo A FUNÇÃO DOS SENSORES E ATUADORES NA INDÚSTRIA Basicamente a função de um sensor é capturar dados do ambiente e transmitilos aos controladores Para que essa transmissão seja feita com rapidez precisão qualidade e segurança podemos utilizar as redes de comunicação industrial que é o meio pelo qual a informação trafega para uma base de coleta e compilação de dados Isso possibilita que os controladores tenham dados suficientes para executar a lógica de processamento mantendo as plantas em funcionamento portanto eles são determinantes para melhorar a eficiência operacional Nesse contexto os atuadores são utilizados diretamente no processo industrial baseados nos comandos que são enviados pelos controladores através das redes de comuni cação por exemplo EthernetIP Devicenet Controlnet Profibus e IO Link Esses métodos de comunicação têm a função de transmitir as informações do sistema de automação para os dispositivos como os sensores e atuadores trazendo outros benefícios atribuição de parâmetros rapidez de configuração facilidade na criação de documentação cabeação padronizada e simplificada interface uniforme aproveitamento de espaço combinação entre dispositivos consistência de comunicação fácil acesso a dados relativos aos processos diagnósticos e ao próprio dispositivo diminuição de erros redução de paradas manutenção programada e preventiva 21 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Sensor industrial Atuador industrial 22 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS CLP Um controlador lógico programável é um computador usado para automação industrial que pode automatizar um processo específico função da máquina ou até mesmo uma linha de produção inteira Originouse no final dos anos 1960 na indústria automotiva dos Estados Unidos e foi projetada para substituir os sistemas lógicos de relé Antes a lógica de controle para a fabricação era composta principalmente de relés timers de came sequenciadores de bateria e controladores de malha fechada dedicados COMO FUNCIONA UM CLP O CLP recebe informações de sensores ou dispositivos de entrada conectados proces sando os dados e acionando as saídas com base em parâmetros préprogramados Dependen do das entradas e saídas o CLP pode monitorar e registrar dados do tempo de execução como produtividade da máquina ou temperatura operacional iniciar e parar processos automati camente e gerar alarmes se houver mal funcionamento de um equipamento ou uma condição insegura Os CLPs são uma solução de controle flexível e robusta adaptável a quase todas as aplicações com um custo acessível dependendo do nível de automação que se deseja Comunicação além dos dispositivos de entrada e saída um CLP também pode preci sar se conectar a outros tipos de sistemas já que os usuários podem querer exportar dados de aplicativos registrados pelo CLP para um sistema de controle de supervisão e aquisição de da dos que monitora vários dispositivos conectados Os CLPs oferecem uma variedade de portas e protocolos de comunicação para garantir que o possam se comunicar com outros sistemas O IHM se faz necessário para interagir com o CLP em tempo real Essas interfaces de operação podem ser monitores simples com leitura de texto e teclado ou grandes painéis de tela sensível ao toque mais semelhantes aos eletrônicos de consumo De qualquer forma eles permitem aos usuários revisar e inserir informações em tempo real no CLP COMO UM CLP É PROGRAMADO Um programa CLP é geralmente escrito em um computador e em seguida baixado para o controlador Normalmente usase a lógica de programação Ladder ou C Ladder Lo gic é a linguagem de programação tradicional em que cada linha representa uma ação espe cífica controlada pelo CLP iniciando com uma entrada ou série de entradas que resultam em uma saída a qual será responsável pelo controle da ação do equipamento CLP computador controlador lógico programável 23 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO PADRÕES DE COMUNICAÇÃO Hoje em dia os recursos de computação não estão apenas integrados em computa dores ou máquinas industriais Existe também a intercomunicação de todos os dispositivos diferentes uns com os outros interagindo também com os humanos Para que haja uma co municação segura e confiável os processos requerem protocolos de comunicação sólidos que permitem uma comunicação eficiente A comunicação dentro do circuito de controle fechado por um lado e a comunicação resultante das necessidades de coordenação e interação entre as unidades de controle por outro se tornam um subsistema interno em que a comunicação geralmente é altamente influenciada pelo processo físico e precisa atender a requisitos de tempo real elevados Devido a essa interação direta com o processo físico esses componentes do sistema são acoplados ao servidor no qual os requisitos da implementação em redes de controle locais são muito bem estudados prevendo cada vez mais sistemas inteligentes de controle e fornecen do o processamento de informações em que os níveis vão além do controle não cognitivo dos aplicativos atuais usados Um servidor não pode iniciar uma comunicação com um cliente portanto a comunicação é limitada a uma interação de solicitaçãoresposta sendo essencial o acionamento de um serviço para obter um resultado ou seja um pedido de resposta Cada um dos protocolos revisados cumpre as tarefas para resolver certos problemas a comparação dessas tarefas e a implementações dos diferentes protocolos mostram semelhanças alguns dos protocolos resolvem tarefas comuns e também usam estratégias para cumprilos SUPERVISÓRIOS O esquema básico de sistema supervisório é constituído em princípio pela inclusão de um microcomputador do tipo PC em um sistema de controle já implementado ou não que na maioria dos casos é formado por um CLP e seus periféricos A comunicação entre o PC e o sis tema de controle normalmente segue o mesmo protocolo entretanto com a ajuda de interfa ces é possível estabelecer a comunicação em diversos protocolos Isso garante a implantação do supervisório em todos os sistemas de controle Para entendermos melhor um supervisório poderá supervisionar todos os elementos de um barramento responsáveis pela transferência de dados Na maioria dos casos entretan to o acesso do supervisório restringese apenas ao CLP o qual prepara uma tabela de status do processo e a entrega ao supervisório que poderá ou não promover uma interferência no andamento do processo alterando os parâmetros de controle Exemplo disso é em um es quema básico e possível a troca de informações entre sistemas supervisórios e CLPs através de drivers de comunicação Exemplo de esquema básico Sistema supervisório Fonte Pereira e Jurizato 2003 24 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Uma das tarefas mais comuns do supervisório é o controle estatístico do processo pois ao processar as variáveis pode confeccionar gráficos e apontar tendências O operador de sis tema terá à sua disposição uma tela gráfica representando parte ou o todo do processo seus parâmetros set points e os valores reais de campo É também tarefa dos CLPs informar o sistema supervisório sobre as variáveis do processo CONTROLE BASEADO EM PCS Nos dias de hoje os sistemas manufatureiros devem ter a capacidade de atender e se adequar às várias demandas do consumidor para novos produtos dentro de um tempo de terminado da mesma forma que deve ser capaz de acomodar o rápido desenvolvimento de tecnologias e evolução dos computadores e sistemas de processamento Vários equipamentos de fabricação e sistemas de manufaturas usam recursos de software visando à fácil integra ção de equipamentos e plantas industriais simultaneamente Para que isso seja possível são necessários cada vez mais equipamentos computacionais com alta capacidade de armaze namento e processamento de dados que possam ser acessados remotamente a qualquer mo mento em qualquer local Tal monitoramento e acionamento do sistema operacional de tempo real é selecionado como a plataforma de software uma vez que fornece toda a funcionalidade necessária para o sistema em tempo real e tem comprovado ser robusto e confiável possuindo algumas vanta gens por ser gratuito para uso não comercial Além disso oferece maior compatibilidade com sistemas UNIX do que QNX 4 por exemplo fornece uma interface compatível com POSIX e familiar a ferramentas de desenvolvimento do sistema operacional Linux Controle de processos por computador 25 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO A ARQUITETURA CLIENTESERVIDOR DE HARDWARE Para controlar um sistema físico um programa de controle de computador deve ser capaz de interagir com ele Informações sobre um sistema são determinadas através do uso de sensores que medem e relatam sinais do sistema por exemplo temperatura força e tensão aplicados em motores e eletroímãs Esse método é mais simples do que escrever um driver de dispositivo do modo ker nel Também é mais eficiente pois não há necessidade de sistema no entanto esse método também oferece menor segurança A base de dados de interface do dispositivo deve acessar o hardware diretamente e o programa de controle do usuário deve ter acesso privilegiado sen do capaz de travar todo o sistema Há também a possibilidade de vários programas que podem interferir enquanto tentam simultaneamente se comunicar com a placa de hardware Uma possibilidade para evitar esse problema é apenas um programa de controle po der acessar o hardware por vez Nesse caso a arquitetura do sistema operacional QNX permite uma abordagem que supera os problemas acima mencionados O IPC é implementado usando memória compartilhada ou passagem de mensagens QNX Como os drivers de dispositivo servem às solicitações de um ou vários programas de usuário eles são normalmente chamados de hardware servidores Os programas do usuário que usam o servidor para se comunicar com o hardware são chamados de clientes Configuração mais fácil os servidores podem ser iniciados e parados a qualquer mo mento Desenvolvimento mais fácil o servidor de hardware é menos complexo do que um dri ver de dispositivo e pode ser desenvolvido e depurado no modo de usuário Desempenho usa memória compartilhada como IPC Compartilhamento de hardware vários clientes podem se conectar ao mesmo servidor de hardware e portanto compartilham o mesmo hardware sem interferir uns nos outros Usando usuários genéricos um programa de controle pode usar clientes genéricos que são independentes da placa de hardware servidor de hardware específico Observação os temporizadores de software devem ser usados apenas para fins de teste uma vez que não fornecem tempo 100 confiável Recomendase o uso de servidores de cronômetro com a prioridade mais alta no sistema para garantir que eles não possam ser atrasados por outros processos Isso pode ser auxiliado por um timerclient que fornece uma interface simples para se comunicar com o servidor do cronômetro Ele per mite que o programa do usuário seja executado em uma determinada frequência e também detecta se o cálculo é muito lento para ser concluído em um período do cronômetro 26 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES INDUSTRIAIS A teoria de controle testemunhou avanços tremendos durante as últimas quatro dé cadas A robustez ou capacidade de manter a estabilidade e o controle com bom desempenho na presença de uma pequena modelagem de erros passou a ser dominada no final dos anos setenta Mesmo com os avanços a questão da robustez continuou a dominar os estudos nos últimos anos procurando melhorar as compensações entre desempenho e robustez dentro de um moderno quadro de síntese de controle Para entender um pouco mais sobre os controladores vamos estudar um dos modelos mais utilizados na indústria para o controle de rampas principalmente temperatura Para nos ambientarmos ao assunto dos controladores industriais analisaremos um modelo com larga utilização na indústria quando se quer ser atual no controle de tempera tura seja ela quente ou frio Para essa análise falaremos do controlador de processo N1200 que é um equipamento ideal para controle de alto desempenho nas mais exigentes aplicações já que possui um avançado e consolidado algoritmo PID autoadaptativo que garante uma res posta rápida e muito precisa em processos altamente dinâmicos de perfis complexos Esse controlador possui uma taxa de amostragem rápida o que permite que o contro le PID atue com grande velocidade de resposta assegurando a dinâmica correta do processo Sua robustez eletrônica e seu alojamento em material antichamas garantem a conformidade com as principais certificações de classe mundial para dispositivos industriais A configuração de todos os parâmetros bem como seu ajuste fino pode ser realizada com facilidade e rapidez através da porta USB podendose usar o software de configuração gratuito da fabricante Além da configuração padrão de parâmetros o N1200 também permite a execução de perfis personalizados de rampas e patamares para temperatura com a progra mação de até 20 receitas de usuário ou até 180 segmentos permitindo a alternância durante o controle do processo podendose programar rampas sucessivas que liberam paradas e início do funcionamento dos equipamentos SEQUENCIAL FLOW CHART SFC A programação por Sequential Function Chart SFC é uma linguagem de programa ção gráfica entre as linguagens identificadas pelo padrão para programação de CLP Os SFCs não são linguagens de programação baseadas em texto mas sim visuais semelhantes aos fluxogramas para algoritmos de ciência da computação Os SFCs são comumente usados e mais fáceis de representar em cenários em que há vários estados de operação A vantagem da programação SFC é sua capacidade de ajudar o engenheiro a quebrar processos grandes e complexos em partes menores que são fáceis de entender simplificando assim a programa ção do CLP agilizando a programação do processo Como funciona a programação SFC Neste caso os controles sequenciais incluem o processamento de operações sequen ciais e paralelas que são discretas em termos de tempo ou eventos principalmente para con 27 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO trolar sequências de processos complexos A linguagem de programação SFC torna mais fácil visualizar e projetar sistemas sequenciais complexos Nesta linguagem de programação as operações são descritas como etapas separadas que são conectadas sequencialmente Um exemplo dessa conexão sequencial pode ser visto na operação de uma máquina de lavar Quando um programa é selecionado na máquina de lavar ele tem várias etapas que vêm uma após a outra Quando uma etapa termina a próxima começa automaticamente Os ter mos etapas e estado representam o mesmo conceito na programação SFC na qual uma linha reta vertical conecta as diferentes etapas e cada etapa tem uma saída correspondente tendo uma condição de transição entre elas As saídas são representadas como caixas retangulares vinculadas horizontalmente a seus respectivos estados Duas condições devem ser seguidas para cada SFC deve haver uma condição de transição entre duas etapas uma etapa sempre deve separar duas condições de transição Cada SFC pode ser representado por uma lógica ladder equivalente O primeiro degrau da escada é equivalente ao passo 1 Somente se ocorrer IN 1 OUT 1 também será ativado A se gunda linha é equivalente à etapa 2 Somente se OUT 1 e IN 2 ocorrerem OUT 2 será ativado SFCs podem ser somados como uma combinação de etapas com ações correspondentes transições com condições lógicas associadas links entre etapas e transições que são diretas e com direção Devemos pensar nas linhas verticais entre as etapas como caminhos do estado anterior para o próximo estado O SFC permite a ramificação dos caminhos de duas maneiras seletiva e paralela A diferença entre eles está na colocação das condições de transição Ramificação paralela A ramificação paralela permite que dois ou mais estados ocorram simultaneamente se uma única condição de transição for atendida Nos diagramas a ramificação paralela é repre sentada por um par de linhas horizontais Ramificação seletiva Ao contrário da ramificação paralela aqui nem todas as etapas subsequentes são inicia das simultaneamente Ramificação seletiva em SFC e diagrama de escada equivalente Cada etapa da ramificação tem sua própria condição de transição que deve ser cumprida Para que a etapa 1 seja iniciada OUT 0 e IN 1 devem ocorrer Para que a etapa 2 seja iniciada 28 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO OUT 0 e IN 2 devem ocorrer As condições de transição para todas as etapas subsequentes são independentes umas das outras LINGUAGEM LADDER Uma das melhores linguagens de programação visual é a chamada lógica ladder ou dia grama ladder LD A grande vantagem da lógica ladder é ser muito mais visual do que a maio ria das linguagens de programação como resultado as pessoas geralmente acham muito mais fácil o seu aprendizado Uma curiosidade sobre a lógica ladder é que ela se parece muito com circuitos de relé elé tricos Portanto se você já conhece um pouco sobre controle de relé e circuitos elétricos poderá aprender a lógica ladder ainda mais rápido apesar de definitivamente não ser um requisito Neste passo a passo para a lógica ladder aprenderemos tudo o que precisamos saber sobre a linguagem de programação do PLC do diagrama ladder com uma abordagem para começar a fazer programas com essa lógica em praticamente qualquer software de programação de PLC O QUE É LADDER LOGIC Lógica ladder é uma linguagem de programação gráfica usada para programar um CLP que expressa operações lógicas com notação simbólica A lógica da escada é feita de degraus formando o que parece uma escada daí o nome lógica da escada A lógica ladder é principalmente para operações de lógica de bits embora seja possí vel escalonar uma entrada analógica do PLC Até mesmo as operações simples de lógica de bit podem ser benéficas em programas PLC mais avançados e programação de sistema SCADA O que programa e define os padrões para a lógica ladder é PLCOpen linguagens de programação padronizadas o que significa simplesmente que a lógica ladder é descrita em um padrão INTRODUÇÃO À LÓGICA LADDER Para começarmos a desenvolver a lógica ladder é necessário saber sobre a linguagem de programação o programador deve saber por que e para que a lógica ladder foi inventada pois assim será muito mais fácil entendêla INVENTADA PARA TÉCNICOS Lógica ladder é uma linguagem de programação gráfica o que significa que em vez de texto a programação é feita combinando diferentes elementos gráficos Esses elementos gráficos são chamados de símbolos Um fato interessante sobre os símbolos da lógica ladder é que eles são feitos para se parecerem com símbolos elétricos A lógica de escada foi criada originalmente para técnicos eletricistas e pessoas com experiência em eletricidade visando a atender as pessoas acostumadas a ver diagramas e esquemas elétricos Dessa forma como nos diagramas elétricos a lógica ladder tem símbolos para contatos e relés também chamados de bobinas na lógica de programação onde os símbolos podem 29 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO parecer um pouco diferentes dos que você encontra nos esquemas elétricos mas têm quase as mesmas funções COMO REALIZAR A LEITURA DA LÓGICA LADDER Outra diferença entre os diagramas de lógica ladder e os esquemas elétricos é a maneira como são desenhados os esquemas elétricos são frequentemente desenhados na horizontal já os diagramas de lógica ladder são desenhados verticalmente Motivos para essa linguagem ser dessa forma a Mais fácil de ler Em primeiro lugar torna a lógica da escada mais fácil de ler pois naturalmente a visão vai da esquerda para a direita e depois desce para a próxima linha como se estivesse execu tando uma leitura b Desenhado no computador Quando você desenha a lógica de programação ladder com o auxílio de um computador faz uma linha de cada vez em uma sequência chamadas degraus que se empilham umas so bre as outras formando o que parece uma escada c Ordem de execução da programação O objetivo de desenhar a lógica ladder verticalmente é definir a ordem de execução que é como o CLP executará sua lógica ladder a partir de suas instruções Um problema existente é que os sistemas de controle elétrico e o CLP funcionam de maneiras diferentes Enquanto o CLP executa uma linha de lógica ladder e então vai para a próxima linha os sistemas elétricos possuem várias linhas vias de corrente que podem ser executadas ativadas ao mesmo tempo A partir dessas diferenças podemos entrar no estudo dessa lógica Vamos lá é hora de aprendermos alguma lógica de programação FUNDAMENTOS DA LÓGICA DE ESCADA O primeiro ponto que veremos ao criar uma nova peça de lógica ladder são duas linhas verticais É entre essas duas linhas que sua lógica ladder vai Ao desenhar a lógica ladder você desenhará conexões verticais entre essas duas linhas Cada uma delas é chamada de degrau exatamente como em uma escada física 30 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Lógica de escada com linhas horizontais chamadas degraus Nesses degraus podemos colocar qualquer um dos símbolos usados na lógica ladder para criar a lógica de programação desejada Podemos ver que acima foi inserido um número em cada degrau Dessa forma podemos entender como o hardware do CLP executará a lógica ladder de programação Grosso modo o PLC primeiro fará a varredura de todas as suas entra das e em seguida executará o programa para definir as saídas um degrau de cada vez É uma regra básica porém a mais importante da lógica ladder o CLP executa apenas uma linha de cada vez e em seguida executa a próxima até executar todo o programa repe tindoo quantas vezes for necessário DESENVOLVENDO UM PROGRAMA LADDER PASSO A PASSO Para iniciarmos o desenvolvimento do algoritmo da linguagem ladder de controle para um tanque de nível necessitamos realizar a definição das variáveis conforme a análise da fi gura abaixo Declaração de variáveis Fonte Moreira 2020 31 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Segundo Moreira 2020 as variáveis que foram definidas no programa como formato real inteiro booleano e PID ProporcionalIntegralDerivativo possuem algumas atribui ções dentro do programa a ser executado sendo elas real representa valores que contêm casa decimal inteiro representa valores de números inteiros booleano representa uma condição verdadeira ou falsa PID representa o bloco de controle do processo Início do programa Fonte Moreira 2020 Ainda Moreira 2020 menciona sobre a programação de um sistema de válvulas de en cher ativo que é necessária a realização do controle do fluxo do volume no tanque Para reali zação desse procedimento é preciso levar em conta que a cena 3D do tanque utiliza um sensor de nível do tipo analógico com valores de tensão variando de 0 a 10V e a régua de medição do tanque vai de 0 a 300 centímetros Para que ocorra essa conversão devemos utilizar um bloco multiplicador e na sequência adicionar um bloco de conversão de real para inteiro A infor mação desse valor de nível será utilizadoa no bloco de PID que só recebe valores do tipo inteiro Conversão real para Int 32 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Moreira 2020 menciona que as variáveis MEDIDORNIVEL e SETPOINT podem ser verificadas no visor digital do tanque no software FACTORY IO sendo necessária a utilização do bloco move que tem a função de mover o mecanismo de uma variável e mandar para outra conforme a figura a seguir Bloco move Fonte Moreira 2020 De acordo com Moreira 2020 pode ser utilizado o PID ProporcionalIntegralDeri vativo para calcular o valor de ação sobre o processo a partir das informações dos valores das variáveis PVINT e SPINT em sua entrada Esses dados são responsáveis pelo acionamento da variável VALVULAENCHER na saída do bloco A velocidade de acionamento da válvula de enchimento é determinado pelo componente YMin e YMax que funciona de 0 a 10 sendo que o valor 0 representa a válvula fechada e o valor 10 representa a válvula 100 aberta Bloco PID Seguindo a lógica de programação MOREIRA 2020 dá andamento sobre realizar o controle do enchimento do tanque com o bloco PID Proporcional IntegralDerivativo Neste momento será necessário atuar com a variável da VALVULADESCARGA que tem a finalida de de eliminar o fluido do tanque mantendo controle do nível com maior precisão e evitando o 33 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO enchimento acima do normal Para desenvolver essa lógica é necessário ter uma variável au xiliar M1 e um bloco de comparação Esse bloco de similaridade verificará se o nível do fluido do recipiente é maior que o valor do setpoint determinado sendo uma condição verdadeira a M1 aciona o reset do bloco PID Proporcional IntegralDerivativo fechando a válvula de enchimento Sendo necessário a utilização de mais um bloco move para regular o percentual de abertura da válvula quando existe fluido excessivo Acionamento da válvula de descarga Fonte Moreira 2020 Por fim Moreira 2020 reforça sobre o escoamento excessivo do fluido que será neces sária a criação de outra variável auxiliar M2 e outro bloco de comparação que irá expor o nível de fluido do tanque menor ou igual ao valor de setpoint Atendendo a essa condição atribui se o valor 0 encerando o ciclo de descarga Fechamento da válvula de descarga LINGUAGEM DESCRITIVA PROLOG é uma linguagem descritiva baseada na lógica matemática que pode ser bem compreendida mesmo sem a base teórica do cálculo de predicados portanto também é ade quado para iniciantes em programação uma vez que ao contrário de outras linguagens de pro 34 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO gramação é preciso saber muito pouco sobre a estrutura e o modo de operação de um computa dor Em certos aspectos pode até ser desvantajoso já dominar uma linguagem de programação convencional como FORTRAN PASCAL ou BASIC uma vez que o processo de programação em PROLOG é completamente diferente e portanto o repensar em PROLOG é mais difícil Nas linguagens de programação convencionais como se sabe é necessário especifi car exatamente como um problema deve ser resolvido dessa forma um algoritmo deve ser configurado de modo que as instruções individuais para resolver a tarefa sejam especifica das com precisão Como os comandos de programação por exemplo atribuição de variáveis chamada de subrotinas estão em primeiro plano essas linguagens são chamadas de impe rativas orientadas a comandos Na linguagem PROLOG dáse ênfase à descrição do problema Sobre a área do proble ma o especificam descrevem da maneira mais geral possível de modo que um interpretador PROLOG possa avaliar essa especificação e fornecer uma solução para um tarefa específica Os programas para essa linguagem de programação não consistem em instruções conhecidas da programação convencional O tipo descritivo declarativo de PROLOG requer uma abordagem diferente da usual com linguagens de programação convencionais uma vez que as proprie dades dos objetos e suas interdependências devem ser formuladas e nenhuma sequência de instruções é permitida Os programas PROLOG não contêm instruções sobre como retirálos da mesma forma que a programação convencional Assim a arte descritiva declarativa de PROLOG necessita de uma abordagem diferente daquela de linguagens de programação con vencionais Exemplo um determinado conjunto de diferentes formas de seção transversal pode descrever fatos com PROLOG Neste caso um retângulo por exemplo é conhecido por ser um objeto que define uma relação entre dois números sendo eles comprimento e largura do re tângulo Isso pode ser feito em PROLOG com o predicado retângulo X ou Y onde X e Y repre sentam respectivamente o comprimento e a largura do retângulo dessa forma possui dois argumentos os atributos X e Y Assim podemos definir as combinações e fatos adicionais com combinações aleatórias A seguir veremos um programa descritivos na linguagem PROLOG Programação Prolog a linguagem sintaxe o Termos o Variáveis X Y C1 ABC Input o Constantes prolog a 123 rio de janeiro o Estruturas termos compostos donojohnlivroulyssesautorjamesjoyce o Caracteres letras maiúsculas letras minúsculas dígitos sinais do teclado o Símbolos especiais o Comentários o linha isto e um comentario o texto este tambem e um comentário Fonte httpswwwcosufrjbr 35 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EXERCÍCIOS SUMÁRIO 1 Qual dos seguintes sistemas de comunicação pode ser usado com os atuadores a EthernetIP b Mangueira de ar c Mangueira pneumática d Nenhuma das alternativas 2 Qual dispositivo pode ser recomendado para o controle do aque cimento de uma estufa visando baixo custo a CPL mais termopar b Microcontrolador de temperatura com termopar incluso c Rele de segurança d Medidor de umidade e Termômetro 3 Método usado para programação de controladores industriais a Linguagem de programação b Programação por voz c Programação por cópia de movimentos d Programação por sensoriamento 4 Qual a vantagem dos programas do usuário que usam o servidor para se comunicar com o hardware chamados de clientes a Sistema engessado b Configuração mais fácil desenvolvimento mais fácil com partilhamento de hardware c Difícil configuração difícil desenvolvimento compartilha mento de hardware d Fácil configuração difícil desenvolvimento não é possível compartilhar o hardware 5 Quem é responsável pelo funcionamento do CLP a O ar comprimido b Os sinais elétricos c A lógica de programação d O microcontrolador e A CPU do computador Gabarito 1 A 2 B 3 A 4 B 5 C 36 ATUADORES SERVO CONTROLADOS Os servomecanismos eletrohidráulicos ou servo atuadores são amplamente utilizados em várias áreas da indústria como a alimentícia a metal mecânicas a de tecnologia e a aeroespacial 37 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Neste ebook vamos aplicar a teoria do servomecanismo neste caso um ser vo eletrohidráulico atuando com sinal ou pulso no controle Estudaremos com uma perspectiva prática de engenharia de controle no campo Nela a função do servomecanismo é reduzir o cisma entre os praticantes do projeto de controle e feedback Na indústria os atuadores pneumáticos continuam a gerar um interesse sig nificativo devido às suas vantagens exclusivas como baixo custo segurança lim peza boa relação pesopotência simplicidade fácil aplicabilidade e possibilidade de usos em multiprocessos Atuadores servo controlados Possui grande aplicação com sucesso em regeneração de movimentos dispositivos au xiliares para células manuais ou automatizadas linhas de fabricação e robôs ambulantes Os cilindros podem ser controlados usando válvulas solenoides ou servos e além das vantagens listadas são aplicáveis em situações de menor escala Suas ações resultam em um processo mais rápido de resposta de pressão que torna o circuito fechado mais estável porém com uma força bem inferior à de atuadores hidráulicos Devido a esse motivo suas aplicações são limitadas a processos mais leves que exigem precisão e não força 38 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO SERVO ACIONAMENTOS CONTROLE DE POSIÇÃO E SINCRONISMO Controle do movimento significa controlar o movimento de um determinado posicio namento através de vários motores Ao fornecer energia a um motor ele opera e a converte em energia e força motora Controle de rotação de transportadores Fonte Freitas 2021 Controle de posicionamento da mesa X e Y Controle de posicionamento da mesa rotativa 39 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO A unidade de driver de motor é uma unidade de controle para acionar motores de passo ou servo motores O motor de passo é utilizado para posicionamentos de alta precisão pois usa a sincro nização por pulsos de entrada Ele gira em um certo ângulo em etapas e é operável para po sicionamento de alta precisão que não requer detecção da quantidade de rotação porque gira com precisão para o pulso de entrada Os servo motores são amplamente utilizados em ferramentas de usinagem e robôs in dustriais em fábricas Possuem codificadores para detectar o ângulo de rotação e o posiciona mento de alta precisão é feito em malha fechada Servo motor Servo Drivers 40 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO PRÁTICAS EM BANCADA DE TREINAMENTO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Neste tópico avaliaremos alguns projetos e discutiremos como será seu funcionamento na prática no dia a dia da indústria Serão projetos simples para termos uma noção básica para possíveis aplicações no nosso trabalho quando necessário INSTALAÇÃO DE CILINDROS PNEUMÁTICOS COM A CONDIÇÃO OU Para o projeto pneumático que analisaremos na sequência foi adotada uma válvula de isolamento com a condição OU que neste caso funciona com o acionamento em duas ex tremidades podendo ser de um lado ou de outro Válvula de isolamento condição OU Fonte Pavani 2011 O projeto pneumático consiste em duas entradas de pressão e um ponto de utilização que é o cilindro neste caso As válvulas emitem um sinal por uma das entradas quando uma entrada oposta é au tomaticamente vedada pela válvula OU e o sinal emitido flui até o orifício de utilização do acionamento do cilindro que neste caso é um cilindro com acionamento manual com retorno mola ou seja o operador aciona manualmente o movimento e o cilindro faz o recuo automa ticamente pois possui uma mola interna que faz contrapressão Coincidindo os sinais de entrada prevalece o que primeiro acionou a válvula Isso tam bém vale para pressões iguais Em caso de pressões diferentes a prioridade é da que tem maior pressão Esse caso é utilizado quando é necessário enviar sinais a um ponto comum de dife rentes locais no circuito pneumático Circuito pneumático com a condição OU 41 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Na imagem observamos o sistema de alimentação com duas válvulas e uma conexão OU que significa que a primeira que acionar receber a pressão necessária vai alimentar o cilindro através a válvulas 3 vias acionando o cilindro para operação e este cilindro fará a operação de retorno através da mola interna INSTALAÇÃO DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS Força é qualquer influência capaz de produzir uma alteração no movimento de um cor po medida na unidade NEWTON N Resistência é a força que pode parar ou retardar o movimento de um corpo sendo exemplos o atrito e a inércia Atrito ocorre quando dois ob jetos entram em contato e suas superfícies movemse uma contra a outra Energia por sua vez é uma força capaz de causar o movimento de um corpo e inércia é a relutância de um corpo a uma alteração no seu movimento ocorrendo quando um corpo em movimento exi be uma relutância em ser parado Já o trabalho é o movimento de um objeto através de uma determinada distância e tempo Apostila M20012 BR Informações técnicas Tecnologia hidráulica industrial Parker Hannifin Ind Com Ltda Por métodos experimentais foi descoberto que um cavalo poderia elevar 250 kgf até a altura de 305 cm em apenas um segundo Para a pneumática e hidráulica necessitamos en tender a pressão que trata de força exercida por unidade de superfície Na hidráulica e pneu mática a pressão é expressa em kgfcm2 atm ou Bar Para Pavani 2011 a pressão pode ser expressa em psi pound per square inch ou libra força por polegada quadrada abreviase lbfpol2 Segundo a Lei de Pascal a pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais Sobre os fatores de conversão de unidades de pressão podemos re lembrar as aulas de pneumática as relações entre PSI mca bar etc Conforme mencionado por Pavani 2011 poderemos escolher o diâmetro de um cilin dro calculando a área levando em consideração a força requerida para um processo FP a equivalência das unidades de pressão é uma relação com uma memória rápida Para que pos samos nos familiarizar com algumas das diversas unidades 1 atm 1kgfcm2 1 bar 145 psi para conservação de energia utilizando o princípio de Lavoisier Na natureza nada se cria nada se perde tudo se transforma Então podemos considerar que quando o pistão de área 1 cm² se move 10 cm desloca um volume de 10cm³ para o pistão de área 10 cm² Con sequentemente ele movimentará apenas 1 cm de curso RESERVATÓRIOS HIDRÁULICOS O reservatório hidráulico tem a função de armazenar o fluido hidráulico de um sistema Os reservatórios podem ser de aço ou de materiais plásticos contendo todas as conexões ne cessárias e ainda as tubulações de sucção retorno e drenos indicador de nível de óleo ma nômetros respiro e enchimento filtros tampa para limpeza e em muitos casos a bomba hidráulica está acoplada ao reservatório 42 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Unidade hidráulica Estrutura dos elementos filtrantes Fonte Pavani 2011 Fonte Pavani 2011 Quando o fluido retorna ao reservatório uma placa defletora impede que ele vá direta mente à linha de sucção Esse fato cria uma zona de repouso na qual as impurezas maiores sedimentam o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que o calor do fluido seja dis sipado para as paredes do reservatório ELEMENTOS FILTRANTE O filtro é responsável por remover impurezas do fluido hidráulico o que é realizado for çando o fluxo do fluido a passar por um elemento filtrante que retém a contaminação adqui rida no funcionamento do sistema Os elementos filtrantes são divididos em tipos de acordo com a profundidade e a superfície Na última figura podemos observar a estrutura de um elemento filtrante bastante uti lizado em diversas máquinas inclusive em motores de automóveis MANGUEIRAS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS Para Pavani 2011 os sistemas flexíveis também podem ser utilizados na condução de fluidos sendo fundamental na maior parte das instalações em que existam movimentos e seja necessária a absorção das vibrações dos sistemas Uma aplicação típica desses sistemas flexí veis são as mangueiras que devem atender a três propostas básicas 1 conduzir fluidos líquidos ou gases 2 absorver vibrações 3 partes das mangueiras 43 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO As mangueiras são compostas por três partes construtivas tubo interno ou alma re forço ou carcaça e cobertura ou capa O tubo interno ou alma da mangueira deve ser constru ído com material flexível e de baixa porosidade ser compatível e termicamente estável com o fluido a ser conduzido porém para a aplicação em sistemas hidráulicos de alta pressão as mangueiras devem ser reforçadas internamente para suportar a pressão interna do sistema BOMBAS HIDRÁULICAS A bombas hidráulicas são bombas de deslocamento positivo que fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou ciclo Como nas bombas de deslocamento positivo a vazão de saída do fluido independe da pressão exceto pelas perdas devido a vazamentos in ternos A seguir veremos alguns modelos de bombas hidráulicas existentes que podem ser dimensionadas de acordo com a vazão em litros por minuto e a pressão de trabalho Fonte Pavani 2011 Bomba hidráulica de engrenagem 44 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Fonte Pavani 2011 Fonte Pavani 2011 CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO COM CILINDRO DE DUPLA AÇÃO COM RETORNO AUTOMÁTICO A imagem a seguir mostra um circuito eletropneumático de acionamento de um cilindro de dupla ação A no qual a partida é feita por um botão S0 e o retorno do cilindro é auto mático A sequência de movimentos desse circuito pode ser representada como AA ou seja cilindro A avança cilindro A recua Na imagem anterior podemos verificar que ao ser acionado o botão S0 energiza a válvula solenóide Y1 atuando sobre a válvula de controle direcional A1 proporcionan do o avanço do cilindro A Como pode ser observado a chave A3 é uma chave elétrica de acionamento neste caso está montada de tal forma que será acionada pela própria haste do cilindro quando este estiver avançado Bomba hidráulica de palheta Circuito eletropneumático de acionamento de um cilindro dupla ação com retorno automático Bombas hidráulica de pistão Fonte Pavani 2011 45 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Cilindro dupla ação A com válvula direcional de 5 vias A1 e acionamento por solenoide A Esquema com atuador e sensor de presença Fonte Pavani 2011 Fonte Silva 2017 Nesta imagem podemos verificar na prática o chiquito eletro pneumático da imagem anterior no qual aplicamos um cilindro dupla ação A com válvula direcional de 5 vias A1 e acionamento por solenoide A3 Neste caso a chave de fim de curso A3 é representada no circuito pneumático na po sição de cilindro A avançado Quando o cilindro completar o seu avanço ele automatica mente ativará a chave A3 que ativará a solenoide Y2 provocando a mudança de posição da válvula e portanto o retorno imediato do cilindro através de um contato elétrico PRÁTICAS COM ATUADORES E SENSORES EM UM MESMO PROJETO A primeira parte do processo produtivo consiste em um sistema relativamente simples composto por dois atuadores cilíndricos de simples ação dois sensores de proximidade vál vulas direcionais pneumáticas relés e uma esteira roletada de movimentação pela qual as chapas metálicas planas se movimentarão da região próxima ao estoque para a região próxi ma à prensa hidráulica A figura a seguir apresenta o circuito elaborado 46 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Silva 2017 na imagem aborda que o início da movimentação ocorre com a ativação do primeiro cilin dro atuador 1A a partir do acionamento do usuário e do sinal de presença da chapa metálica enviado pelo primeiro sensor de proximidade S1 Quando a chapa metálica em movimento passar pelo segundo sensor de proximidade S2 o segundo atuador cilíndrico 2A será ativado dando término ao movimento e à etapa de transporte CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS O controle de processos industriais abrange o monitoramento e o controle de máquinas sistemas e pro cessos em um grande número de setores como os de produtos químicos farmacêuticos biotecnologia ener gia águaesgoto petróleo gás plástico papel alimentos e bebidas Nos dias atuais processos de prepara ção processamento e fabricação industrial possuem altos índices de automação e inteligência artificial para garantir que as matériasprimas e a energia sejam consumidas de forma conservadora e eficiente gerando resultados satisfatórios e confiáveis Um exemplo de resultado alcançado é a capacidade de medir pressões níveis e taxas de fluxo de forma confiável e precisa em ambientes hostis úmidos e empoeirados no calor e no frio em ambientes agressivos corrosivos explosivos e com outros líquidos e gases o que é essencial Uma das soluções de sensores para controle de processos industriais é a capacidade de detecção de nível sendo uma das aplicações mais comuns e utilizadas no controle de processos industriais Os prin cipais fatores que influenciam a escolha de um sensor de nível adequado incluem tamanho geometria e material do vaso ou recipiente no qual será aplicada essa solução além da presença de equipamentos no tanque como agitadores A gama de sensores de nível para controle de processos industriais inclui detecção de nível hidrostático e interruptores de nível e variam de detecção de valor limite simples a detecção de nível contínuo de precisão e detecção de nível hidrostático como um sensor submersível para posicionamento no fluido ou com uma rosca de parafuso para fixação na parede externa do tan que de forma simples e ágil CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS O PAPEL DOS COMPUTADORES A aplicação de técnicas modernas e automáticas de controle com o auxílio dos computadores nos sistemas de controle de processos fabris são tímidos ante aos avanços da computação relacionados ao quesito controle de processos Mesmo os computadores de controle analógicodigital sendo combinados e direcionados para aumentar a produtividade melhor quali dade e maiores lucros para a indústria em geral poucas plantas fabris con tam com essas melhorias de controle estejam elas em desenvolvimento ou em uso Até mesmo plantas mais novas devido à grande mudança cultural levarão muitos anos para se adaptarem e aderirem na integra ao controle dos processos pois uma vez dependendo da mão do operador pera alguma espécie de comando para coleta de dados o sistema de controle fica vulne rável podendo ser falho 47 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Apesar dos grandes avanços relacionados às técnicas de controle dos equipamentos sendo eles aplicados na indústria na área espacial militar ou de sistemas algumas dessas melhorias já estão presentes nas fábricas mais recentes melhorando a dinâmica dos processos de fabri cação com o auxílio de sistemas integrados que podem ser projetados para controlar todas as variáveis de diversos processos simultanea mente Quando podemos integrar os controles supervisionados com o gerenciamento sendo monitorados por computadores os resultados apresentam grandes melhorias principalmente no rendimento e qua lidade do produto Entretanto sistemas computacionais com os com putadores apropriados para controle ainda são um pouco caros mas à medida que aumenta a aplicação e se popularizam essas tecnologias os valores vão diminuindo e seu uso vai se disseminando nas indústrias Nos dias atuais a indústria está usando a tecnologia de contro le automático disponível para improvisar produtividade qualidade e lucros ao máximo difundindo o controle virtual que em algumas plantas ainda é inexplorado e levará várias décadas para abranger a maioria dos processos Isso ocorre pois não se trata apenas de uma mudança tecnológica mas também de uma evolução cultural e de adaptabilidade a novas tecnologias por parte dos processos de fa bricação que muitas vezes terão que evoluir para que a fabricação e o controle sejam automatizados 48 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EXERCÍCIOS SUMÁRIO 1 O que é um ciclo automático a Acionamento manual b Acionamento e retorno automático c Comando por alavanca d Duplo acionamento manual 2 O termo hidráulica derivou da raiz grega hidro que significa água portanto hidráulica é a O estudo das características e uso dos fluidos derivados de petróleo b O estudo do uso da água para todos os fins c O estudo do uso da água para fins industriais d O estudo das características e uso dos fluidos e O uso do óleo hidráulico 3 O fluido hidráulico mais comum é a Água mineralizada artificialmente b Sintético c À base de emulsão óleoágua d À base de emulsão águaóleo e À base de petróleo 4 As bombas hidráulicas são genericamente classificadas como a De engrenagens b Centrífugas c De pistão d Deslocamento positivo 5 Qual a unidade de força utilizada para medir pressão a Metrosegundo b Bar c Joules d Graus Cº e M3 Gabarito 1 B 2 D 3 E 4 D 5 B 49 ROBÔS INDUSTRIAIS Os robôs foram citados pela primeira vez na literatura em 1922 em uma peça literária A partir dessa data passaram a ser considerados como máquinas dotadas de inteligência que operam de forma independente Desde então são sinônimos de alta tecnologia associada ao desenvolvimento com foco em melhorar a produtividade ou executar tarefas não executadas interiormente pelo ser humano Na contramão as pessoas temem a substituição da sua mão de obra por máquinas devido ao alto avanço tecnológico que a inteligência artificial dos robôs está apresentando 50 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO A tecnologia similar à existente na atualidade está em uso desde a década de 1970 em números ex pressivos Hoje existem processo robotizados em que o homem não coloca mais sua mão para a fabrica ção fazendo apenas o acompanhamento por supervisórios ou uma manutenção preventiva ou corretiva nos equipamentos Com a evolução da computação associada a novas tecnologias de sensoriamento e novos processos de fabricação cada vez mais a robótica está abrindo espaço na indústria e nos serviços de forma precisa e eficaz ROBÔS Robôs industriais são máquinas de movimento universalmente aplicáveis com vários eixos com movimentos livremente programáveis em relação à sequ ência de movimentos e caminhos ou ângulos controlados por sensores quando necessário Acoplados aos robôs comumente estão garras ferramentas ou outro equipamento de fabricação e manuseio de componentes Segundo essa definição podemos considerar os veículos autônomos com diferentes dispositivos de movimentação e construção de derrubada de árvores e máquinas de colheita equipadas com sensores como uma espécie de robôs Para se ter uma ideia da evolução em 1983 havia um controle de robô com dois micro processadores com uma frequência de relógio de 15 MHz e uma memória equipa da com 256 KB Já os controles de hoje funcionam com vários processadores com frequências de clock de mais de 3 GHz e memórias com mais de 1 GB um aumento de 200 para a frequência do clock e 2000 para a capacidade de armazenamento aliados ainda à capacidade das redes de informação acopladas a eles A evolução dos materiais aplicados à fabricação de robôs fez com que ficas sem cada vez mais baratos proporcionando a sua disseminação nos processos produtivos A partir do século XXI a tecnologia artificial evoluiu tanto que está permitindo o desenvolvimento de robôs humanoides usados como assistentes de humanos por enquanto 51 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO INTRODUÇÃO AOS CONCEITOS BÁSICOS DA ROBÓTICA Este capítulo explica o sistema de automação e seus diferentes tipos Por que pre cisamos de robôs em nossa vida Que tipos de vantagens podemos obter com o uso dos robôs na indústria de modo geral e até mesmo na área de serviços analisando a sua entrega quando comparado com o trabalho executado pela mão de obra humana AUTOMAÇÃO DOS ROBÔS Esse tipo de automação depende muito do projeto de cada produto e suas varia ções volumes de produção e tipo de maquinário necessário para a fabricação de de terminados produtos por exemplo maquinário convencional embalagem costura e fabricação de pequenas peças A adequação dos processos é possível mas só pode lidar com tarefas específicas sem possibilidade de alterar sua própria tarefa Ou seja os processos se tornam um pouco engessados A automação programável começou com a chegada dos computadores quan do as pessoas começaram a programar máquinas para fazer uma variedade de ta refas tornando os processos flexíveis por causa de um controle de computador auxiliando a lidar com variações produtos em lote e projetos de produtos diferen tes em um mesmo processo Seus sistemas autônomos são dotados de capacidade de tomada de decisão através do uso de sensores No caso dos robôs eles possuem um tipo de automação com uma combinação de micro processador e sistemas de automação convencionais que podem fornecer um sistema muito pode roso Sua capacidade de processamento e estrutural para execução de determinadas tarefas de alto nível combinadas com habilidades de reconhecimento e correção de falhas fornecidas pela alta evolução de sistemas de computador fazem com que sejam cada vez mais aplicados a processo no vos e já existentes realizando trabalhos tradicionalmente realizados por humanos Os níveis mais altos de sistemas autônomos estão sendo aprimorados e os sistemas au tomatizados conseguem cada vez mais aprimorar seu processamento tendo sistemas de sen soriamento que permitem identificar anomalias durante o processo de fabricação ou seja sis temas inteligentes Os robôs não podem atingir o mesmo nível que os humanos atualmente porque eles são programados para fazer certas tarefas de acordo com certos fatores que são completamente pro gramados por seres humanos isto é não têm possibilidade de mudar a tomada de decisão como humanos ou planejar tomadas de decisão novas a menos que o programador os designe para mu dar o plano Devido ao alto desenvolvimento de máquinas sensores atuadores digitais e eletrô nicos e tecnologia de microprocessador tornouse possível criar robôs que sejam autônomos e eles estão cada vez mais avançados Porém ainda estamos engessados nesse quesito o que pode mudar em um plano futuro 52 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO APLICAÇÕES DE ROBÔS EM NOSSAS VIDAS A soldagem é considerada uma tarefa simples porém prejudicial ao soldador devido às emissões de gases tóxicos O trabalho de soldagem é bastante difícil para uma pessoa que precisa soldar duas ou mais peças de lados e ângulos diferentes Essa atividade pode ser difícil para o físico hu mano dependendo da posição a ser soldada o que pode causar problemas de saúde ao trabalhador A dificuldade para um ser humano é ver todos os lados de dispositivos soldados quando precisa soldar em torno de um conjunto ou de uma peça tri dimensional pois ele só pode ver um lado por vez A mesma situação é evi denciada nos processos de pintura que apresentam problemas semelhantes aos da soldagem devido ao uso de produtos químicos tóxicos Em operações de montagem minuciosas por exemplo quando montamos um chip devemos ser precisos devido aos fios muito finos e peças muito pe quenas que requerem tarefas precisas as quais a mão humana não consegue controlar Mas por outro lado são fáceis para um robô que consegue manter padrões de repetitividade quando se tem processos padrão definidos para a exe cução das atividades de montagem nos mais diversos processos de fabricação Qualidade consistente em altos padrões e pode ser alcançada por um robô pois ele pode ser facilmen te reprogramado muitas vezes para alcançar a mais alta qualidade possível o que um ser humano muitas vezes não consegue A segurança é especialmente importante quando um robô lida com produtos químicos bioquímicos tóxicos e nucleares Eles podem manuseálos com segurança e sem problemas salvando hu manos de realizar trabalhos de alto risco e indutores de estresse Os robôs podem manusear cuidadosamen te peças frágeis e minúsculas como vidro pequenos chips e fios Também são importantes para a realização de tarefas de inspeção e manutenção em áreas perigosas como manuseios e exploração do fundo do mar espaços explosivos e em outros planetas por exemplo em missões espaciais desenvolvidas para coletar amostras de outros planetas e analisálas a partir de distân cias remotas onde os seres humanos não conseguem chegar por enquanto CARACTERÍSTICAS TIPOS E PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS Embora a vantagem das linguagens de programação descritivas por exemplo linguagens funcio nais lógicas ou lógicofuncionais para uma implementação de alto nível de sistemas de software seja bem conhecida o impacto de tais linguagens para muitos softwares do mundo real é bastante limitado Uma razão pode ser o fato de que muitos softwares do mundo real não têm apenas um componente lógico mas exigem uma modelagem apropriada do comportamento dinâmico de um sistema Por exemplo os sistemas embarcados tornamse aplicativos mais importantes no dia a dia do que os sistemas de software tradicionais em computadores de uso geral 53 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO TIPOS DE ROBÔS Robôs industriais os robôs de pintura e soldagem proporcionam a execução de atividades uniformes com alta qualidade e precisão pois conseguem alcançar lu gares muito difíceis devido ao seu alto grau de flexibilidade o que pode ser difícil para os humanos Um humano precisa carregar um equipamento de pintura pesa do com máscaras para proteção contra substâncias tóxicas e produtos químicos A taxa de repetição de um robô é alta pois ele não sofre de fadiga e os níveis de se gurança que podem ser alcançados com seu uso são altos ao salvar humanos dos tóxicos químicos Robôs médicos usados para fazer cirurgias possuem como vantagens uma maior precisão e menos erros no momento da operação e uma recuperação mais rápida do paciente já que o robô pode abrir pequenas incisões no corpo e realizar opera ções importantes com dano mínimo ao operado Portanto o tempo de recupera ção é reduzido devido à baixa taxa de possíveis contaminações durante a cirurgia pois o equipamento é mais higiênico e seguro Robôs móveis com pernas ou rodas são usados em usinas químicas áreas remo tas ou campos de bombas A vantagem do uso de um robô de pernas é que ele pode evitar passar por cima de obstáculos que podem ser perigosos como bombas pro tegendo inclusive os objetos de serem destruídos Aeronaves e barcos robóticos sem piloto são guiados por uma estação no solo usados pelo exército ou missões de resgate Brinquedos robóticos para entretenimento são brinquedos que possuem controles para acionamento dos movimentos Robô para limpeza doméstica e industrial são robôs que executam atividades de limpeza cada vez mais usados PROGRAMANDO UM ROBÔ PELO MÉTODO DE ENSINO A técnica que usaremos para ensinar é igual à usada com crianças para escrever o alfabeto segurando a mão da criança e passando pelo processo de escrita passo a passo Quando estamos ensinando o robô a fazer um determinado trabalho controlamos o movimento do robô até o final ao mesmo tempo registramos o movimento de cada articulação individual mantendoo gravado para que possa ser replicado na fabricação de novas peças similares Quando o trabalho chega em um transportador para o robô ele reproduz a gravação armaze nada Em seguida executa o necessário para replicar a tarefa Outras maneiras de ensinar um robô a realizar certas tarefas é por meio de um programa que cria um mundo virtual Então estimulamos o trabalho a ser realizado através de parâmetros dos movimentos da articulação do robô armaze nados na memória Nesse caso ele é capaz de repetir a gravação na memória do programa 54 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO PROGRAMAÇÃO TÍPICA DE UM ROBÔ INDUSTRIAL O robô industrial é programado movendo objetos da posição 1 para a posição 5 movendo as jun tas vertical ou horizontalmente para pegar e colocar um objeto através das etapas descritas a seguir Onde definimos os pontos a serem seguidos de P1 a P5 1 Mova com segurança acima da peça de trabalho definido como P1 2 10 cm acima da peça de trabalho definido como P2 3 Na posição de retirar a peça de trabalho do transportador definido como P3 4 10 cm acima do transportador com baixa velocidade definido como P4 5 Na posição de deixar a peça de trabalho definido como P5 Defina o programa Precisão e repetitividade dos pontos endereçáveis do programa executado a re petitividade e a reprodução da gravação da posição do espaço articular quando tenta mos programar um robô através do método de ensino descreve o quão preciso o robô deve ser para retornar à posição armazenada A precisão está ligada à precisão com que um computador ponto pode ser alcançado e é chamada de precisão do manipulador SISTEMAS DE CONTROLE E DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS PARA OS ROBÔS A interação entre um sistema robótico e o ambiente externo pode ser abordada de modo simples e objetivo através do processamento de um dado fluxo de materiais entrada resultando em um produto acabado O equipamento periférico denominado mesa JIG é usado para fixação e localização do posicionamento das peças a serem processadas viabilizando a execução das tarefas de tal modo que a mesa JIG inte gra a peça de trabalho numa posição e orientação específicas Os dados de posicionamento de um determinado conjunto monitorado de modo a viabilizar a interação do periférico com o robô é essencial para a viabilização da uti lização do robô dentro dos processos de fabricação As mesas tipo JIG possuem com ponentes fixadores posicionadores de peças dos mais diversos formatos de diversos dispositivos compostos de pinos guias fixadores grampos automáticos dos modelos pneumáticos mecânicos ou eletromagnéticos Existem os mais diversos modelos de mesa JIG sendo alguns os relacionados a seguir 1 Mova para P1 2 Mova para P2 3 Mova para P3 4 Fechar a garra 5 Mova para P2 6 Mova para P4 7 Mova para P5 8 Abra a garra 9 Mova para P4 10 Mova para P1 e termine salvando esses movimentos 55 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO JIG de posicionamento linear O posicionamento linear para a fixação da peças pode ser al terado através de dispositivo de retorno e avanço que nesse mo vimento realiza a fixação das peças para execução da atividade JIG vinculado a esteiras Nesse modelo conseguese fixar uma quantidade especí fica de peças em módulos dedicados facilitando a aplicação em sistemas contínuos de alimentação JIG de posicionamento angular com um eixo de rotação Esse modelo de dispositivo tem dois graus de liberdade de rotação girando em torno de dois eixos As suas confi gurações básicas são excêntricas com eixos de rotação horizontal e vertical e do tipo com eixo de rotação inclinado Mesa de posicionamento Linear Mesa GIG em esteiras Mesa JIG com eixo rotativo Fonte Freitas 2021 Fonte Freitas 2021 Fonte Freitas 2021 56 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO JIG de giro com deslize Esse modelo apresenta um eixo de rotação e um eixo de translação ambos os pontos sendo deslizantes Mesa JIG XY É um modelo de mesa de trabalho no qual podemos mudar horizontalmente ambas as direções dos movimentos no plano definido pelos eixos X e Y para dispositivo de fixação BARRAMENTOS INDUSTRIAIS Na área de TI o barramento é fundamental para um sistema de comunicação que trans fere dados entre diferentes dispositivos por exemplo USB que são amplamente conhecidos Além deles um grande número de dispositivos é usado para interagir com um computador Um barramento industrial é um sistema de comunicação que transfere dados entre compo nentes ou dispositivos em diferentes níveis em uma planta de manufatura JIG de posicionamento angular com dois eixos de rotação Esse modelo de dispositivo possui dois graus de liberdade de rotação em torno de dois eixos Suas configurações básicas são do tipo excêntricas com os eixos de rotação horizontal e vertical e do tipo com eixo de rotação inclinado Mesa JIG com eixos giratórios Mesa JIG com giro e deslize Mesa JIG com eixo rotativo Fonte Freitas 2021 Fonte Freitas 2021 Fonte Freitas 2021 57 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL SUMÁRIO Para cada tipo de comunicação um cabo adequado permite controlar cor retamente as funções em nível de campo Por exemplo para um controlador manter o fluxo de informações um sensor monitora a quantidade de dados e um atuador ajusta o abertura e o fechamento da válvula para atingir o nível de sejado Todas essas informações são comunicadas entre cada ponto de aciona mento por meio desses cabos de barramento especiais Algumas aplicações para sistemas de comunicação de barramento são CLP controladores interruptores sensores e atuadores interruptores seletores bo tões de pressão disjuntores partidas de motor atrasos de controle sensores de temperatura e sensores de pressão Essas aplicações lincadas à automação in dustrial são frequentemente encontradas em plantas industriais com ambien tes e aplicações agressivas em que os agentes químicos movimentos contínuos óleos e graxas industriais ou de alta temperatura são fatores importantes ao es colher o cabeamento mais adequado Barramentos industriais Fonte solucoesindustriaiscombrempresaautomatizacaoerobotica 58 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EXERCÍCIOS SUMÁRIO 1 Através de que é realizada a comunicação na indústria para integração dos processos a Rede telefônica b Mangueiras pneumáticas c Barramentos industriais d Nenhuma das alternativas 2 Qual destas é uma das principais características dos robôs a Não são precisos b São barulhentos c São frágeis d São produtivos quando desenvolvido o processo ade quadamente e Nenhuma das alternativas 3 Está entre as principais desvantagem dos robôs a São altamente produtivos b Dependem da ação humana para programálos c São precisos em processo repetitivos d Nenhuma das alternativas 4 Como são chamados os dispositivos adicionados a um projeto de robotização a Periféricos b Bancada c Barramentos d Mesa e Nenhuma das alternativas Gabarito 1 C 2 D 3 B 4 A 59 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL REFERÊNCIAS SUMÁRIO CASSANDRAS C G LAFORTUNE S Introduction to Discrete Event Systems Springer Science Business Media LLC 2008 CURY José Eduardo Ribeiro Teoria de Controle Supervisório de Sistemas a Eventos Dis cretos Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Automação e Sistemas Canela 2001 ENTENDA o papel dos sensores e atuadores para a comunicação industrial Disponível em httpsblogedgeglobalsupplycombrsensoreseatuadores HARDOUIN Laurent MAIA Carlos Andrey MENDES Rafael Santos Identificação de Sis temas a Eventos Discretos Maxplus lineares Sba Controle Automação vol16 nº 4 Campinas outdez 2005 HJ Chizeck et al Discretetime Markovian jump linear quadratic optimal control Inter national Journal of Control 1986 JUSTI Milena Cherubini Análise do uso de RTOS na Implementação de Controle Supervi sório Porto Alegre 2020 MOREIRA Caio Augusto Linguagem Leader aplicada a Profissionais da Ciência da Com putação FEMA São Paulo 2020 60 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL REFERÊNCIAS SUMÁRIO PAVANI Sergio Adalberto Comandos Pneumatico e Hidráulicos Escola técnica Aberta do Brasil Santa Maria 2011 OLIVEIRA Marcelo Eduardo de Desenvolvimento de sistema automatizado de monitora mento de ambientes de produção animal utilizando uma rede de sensores sem fio Univer sidade de São Paulo faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Pirassununga 2015 PEREIRA Paulo Sergio R JURIZATO Luiz augusto Sistemas Supervisórios Network Te chnologies Nova Odessa v12 n12 p105114 20022003 ISSN 16777778 RAMADGE JG WM Wonham The control of discreteevent systems IEEE Proceedings Vol 77 1989 RIBEIRO Marco Antônio Fundamentos da Automação 1 ed 2003 SILVEIRA Paulo R SANTOS Winderson E Automação e controle discreto 2 ed São Pau lo Érica 1998 SILVA Luiz Fávero Projeto de automação pneumática e hidráulica de uma linha de pro dução simulada didática de portas automotivas Universidade de BrasíliaUnB Faculdade UnB Gama FGA 2017 SS Ge et al Adaptive stabilization of uncertain nonholonomic systems by state and ou tput feedback Automatica 2003 Uniftec centro universitário