Apostila Automacao Industrial

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FUMEP Fundao Municipal de Ensino de Piracicaba EEP Escola de Engenharia de Piracicaba COTIP Colgio Tcnico Industrial de Piracicaba

CURSO DE AUTOMAO INDUSTRIAL

Prof. Msc. Marcelo Eurpedes da Silva Piracicaba, 05 de Setembro de 2007

1 - IntroduoA palavra automao est diretamente ligada ao controle automtico, ou seja aes que no dependem da interveno humana. Este conceito discutvel pois a mo do homem sempre ser necessria, pois sem ela no seria possvel a construo e implementao dos processos automticos. Entretanto no o objetivo deste trabalho este tipo de abordagem filosfica, ou sociolgica. Historicamente, o surgimento da automao est ligado com a mecanizao, sendo muito antigo, remontando da poca de 3500 e 3200 a.C., com a utilizao da roda. O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforo braal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponvel para outros afazeres, valorizando o tempo til para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento (Silveira & Santos, 1998). Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automao qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano. Atualmente a automao industrial muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas para apoiar conceitos de produo tais como os Sistemas Flexveis de Manufatura e at mesmo o famoso Sistema Toytota de Produo. Sob o ponto de vista produtivo, a automao industrial pode ser dividida em trs classes: a rgida, a flexvel e a programvel, aplicadas a grandes, mdios e pequenos lotes de fabricao, respectivamente (Rosrio, 2005). Ainda segundo Rosrio (2005), a automao industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de trs reas: a eletrnica responsvel pelo hardware, a mecnica na forma de dispositivos mecnicos (atuadores) e a informtica responsvel pelo software que ir controlar todo o sistema. Desse modo, para efetivar projetos nesta rea exige-se uma grande gama de conhecimentos, impondo uma formao muito ampla e diversificada dos projetistas, ou ento um trabalho de equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos so suportados geralmente por grandes empresas. Recentemente, para formar profissionais aptos ao trabalho com automao, surgiu a disciplina mecatrnica. Entretanto uma tarefa muito difcil a absoro de forma completa todos os conhecimentos necessrios, e este profissional com certeza se torna um generalista que eventualmente pode precisar da ajuda de especialistas de outras reas. Este ainda um desafio didtico a ser resolvido, mas ainda existe uma alternativa que a criao de equipes multidisciplinares.

Apostila de Automao Industrial Prof. Marcelo Eurpedes Pgina 2 - 2

Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples mquina ou em toda indstria, como o caso das usinas de cana e acar. A diferena est no nmero de elementos monitorados e controlados, denominados de pontos. Estes podem ser simples vlvulas ou servomotores, cuja eletrnica de controle bem complexa. De uma forma geral o processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.1, onde os citados pontos correspondem tanto aos atuadores quanto aos sensores.

PROCESSO

ATUADOR

SENSOR

CONTOLADOR

Figura 1.1 Diagrama simplificado de um sistema de controle automtico

Os sensores so os elementos que fornecem informaes sobre o sistema, correspondendo as entradas do controlador. Esses podem indicar variveis fsicas, tais como presso e temperatura, ou simples estados, tal como um fim-de-curso posicionado em um cilindro pneumtico. Os atuadores so os dispositivos responsveis pela realizao de trabalho no processo ao qual est se aplicando a automao. pneumticos, eltricos, ou de acionamento misto. O controlador o elemento responsvel pelo acionamento dos atuadores, levando em conta o estado das entradas (sensores) e as instrues do programa inserido em sua memria. Neste curso esses elemento ser denominado de Controlador Lgico Programvel (CLP). A completa automatizao de um sistema envolve o estudo dos quatro elementos da figura 1.1, seja o sistema de pequeno, mdio ou grande porte. Estes ltimos podem atingir uma a complexidade e tamanho tais que, para o seu controle, deve-se dividir o problema de controle em camadas, onde a comunicao e hierarquia dos elementos similar a uma estrutura organizacional do tipo funcional. A figura 1.2 mostra de forma simplificada este tipo de organizao. Podem ser magnticos, hidrulicos,

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Sistemas Gerenciais

Supervisrio

Terceira Camada

CLP

Segunda Camada

Primeira Camada

Sensores e Atuadores

Figura 1.2 Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado

Nota-se que os elementos mostrados na figura 1.1 pertencem a primeira e segunda camadas. Na terceira camada esto os sistemas supervisrios, operados pela mo humana, onde so tomadas decises importantes no processo, tal como paradas programadas de mquina e alteraes no volume de produo. Esses tambm esto integrados com os sistemas gerenciais, responsveis pela contabilidade dos produtos e recursos fabris. Dentro do contexto apresentado, o objetivo deste curso o de estudar um sistema automatizado at o nvel do elemento controlador. Apresenta-se a sua interface com os sensores e atuadores, bem como uma de suas possveis linguagens de programao. Para finalizar importante dizer que alm dos conceitos aqui apresentados, de forma resumida, a Automao Industrial compreende um campo de atuao amplo e vasto. Para se ter uma noo, cada elemento sensor ou atuador tem o seu prprio funcionamento, que em algumas aplicaes tem de ser bem entendidos. No caso dos sensores todo o comportamento previsto atravs de efeitos fsicos, existe uma disciplina denominada de Instrumentao cujo objetivo o de somente estudar estes elementos. Para os atuadores, s para os motores de induo, existe uma grande quantidade de bibliografia disponvel, e ainda tem-se os Motores de Passo e os Servomotores. Como foi dito, a cadeia de automao ainda consiste na comunicao de dados entre os elementos, o que leva um estudo a parte das redes industrias.

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Algum tempo atrs, principalmente nas indstrias qumicas, existia o esquema de controle centralizado, possvel com a introduo da instrumentao eletrnica. Neste conceito existia uma sala localizada a grandes distncias do ncleo operacional. Esta destinava-se a centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Atualmente existem diversas outras salas de controle, distribudas geograficamente, interligadas entre si e a uma sala central de superviso. Surgiu ento o conceito do controle distribudo. Uma das derivaes da estratgia de controle distribudo a do SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo. Este se caracteriza pelos diferentes nveis hierrquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma mquina de estado (processo propriamente dito) e outras. Enfim, devido a esta grande variedade de conhecimentos, como j dito anteriormente, o foco deste curso ser na programao dos Controladores Lgico Programveis (CLPs) que so o crebro de todo o processo. Os demais elementos sero vistos de forma sucinta em captulos subseqentes.

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2 Variveis de ControleComo foi dito no captulo anterior, para controlar um processo o CLP usa de informaes vindas de sensores. Atravs das instrues gravadas em sua memria interna ela comanda os atuadores, que exercem o trabalho sobre o sistema. Conceitualmente designa-se o sensores de entradas e os atuadores de sadas, sendo que ambas podem ser representadas matematicamente por variveis. Em automao, estas podem ser dividias em analgicas e digitais. As variveis analgicas so aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 2.1(a). Elas so comumente encontradas em processos qumicos advindas de sensores de presso, temperatura e outras variveis fsicas. As variveis discretas, ou digitais, so aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 2.1(b).

Figura 2.1 Variveis analgicas e digitais

Dessa forma podemos definir o Controle Analgico como aquele que se destina ao monitoramento das variveis analgicas e ao controle discreto como sendo o monitoramento das variveis discretas. O primeiro tipo englobar variveis discretas, consistindo assim em um conceito mais amplo. Ainda no controle analgico podemos separar entradas convencionais, tais como comandos do operador, ou varveis discretas gerais, das entradas analgicas advindas de sensores ligados diretamente as sadas do processo. Estas ltimas sero comparadas a uma referncia que consiste no valor estvel desejado para o controle (ver figura 2.2). Essa referncia tambm conhecida como set-point. Neste tipo de controle, onde as sadas so medidas para clculo da estratgia de controle dizemos que h uma realimentao. Esse sistema conhecido como sistema em malha fechada. Se no h a medio das sadas dizemos que o sistema tem malha aberta.

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Entradas Referncia

+

CONTROLADOR

PROCESSO

Sadas

Sensores

Figura 2.2 Estratgia de controle analgico com realimentao

A automao, como a imaginamos, tem a ver mais com o comando seqencial de aes que visam a fabricao, transporte ou inspeo de produtos. Desse modo, trabalhase muito mais com variveis digitais, e por isso ser as mesmas sero focalizadas no curso. O tratamento das variveis analgicas so tema da disciplina Engenharia de Controle. 2.1 -