Sistemas de Automação e Controle
Sistemas de Automação e Controle
SENAI – ES, 2005.
Direitos de Reprodução para a CST
Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentação/Automação Industrial: Fábio da
Costa Pinto.
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Apostila Sistemas de Automação e Controle - SENAI, Notas de estudo de Cultura
Apostila Sistemas de Automação e Controle - SENAI
Tipologia: Notas de estudo
2012
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Compartilhado em 02/10/2012
mattheus-fabiani-12 🇧🇷
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Sistemas de Automação e Controle
Sistemas de Automação e Controle SENAI – ES, 2005. Direitos de Reprodução para a CST
Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentação/Automação Industrial: Fábio da Costa Pinto.
SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
Departamento Regional do Espírito Santo CETEC – Centro de Educação e Tecnologia Arivaldo Fontes
6.2 Meios de Comunicação da IHM...................................................................... 334
7 SISTEMA PIMS.........................................................................................................
7.1 Apresentação................................................................................................... 343 7.2 Comunicação com Sistemas Externos.......................................................... 343
7.3 Modelo de Gerenciamento de Dados CST..................................................... 344
8 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................ 346
• AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
- Introdução Você já reparou que a automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela manhã, o rádio relógio automaticamente dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as notícias do dia. Nessa mesma hora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica, ajustando tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o ar condicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável. Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana.
- Conceito
Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.
Fig.1.1. Evolução da automatização ao longo dos tempos.
- Desenvolvimento da Automação As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré- história com invenções como a roda. O moinho movido por vento ou força animal e as rodas d'água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço. Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra_._ Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX, entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos. Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas:
- Máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão.
- Utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicada a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.
Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação e regulador e consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de Realimentação.
Fig.1.2. Representação simplificada do mecanismo de J. Watt.
A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval. No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contemporânea.
Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”). Os robôs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forçado") substituíram a mão-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias. Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa : forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica. A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos. No inicio dos anos 60, o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou "Projeto Auxiliado por Computador") começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Os setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade. Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fábrica do futuro, o foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos. Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente, já sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador).
- Tipos de Automação Embora a automação industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pela necessidade de melhorar os níveis de produtividade, as alterações do tipo de mercado têm feito evoluir o conceito de automação. Quando o mercado era caracterizado pela abundância de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava a cena industrial, a automação era fixa, isto é, a seqüência de operações no sistema era fixada pela configuração do equipamento projetado para um determinado produto. Embora com taxas altas de produtividade, essas alterações exigiam operações complexas, demoradas e dispendiosas. Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com vida útil reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem, contudo pôr em causa os níveis médios de produtividade. Assim, a seqüência de operações passa a ser controlada por um programa (listagem de instruções), permitindo a flexibilização do processo automático de produção. Esta mudança provocou alterações ao nível da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle. A evolução tecnológica tem vindo a permitir a implementação de novos sistemas de automação que acompanham as novas concepções das linhas de produção. Podemos distinguir genericamente os seguintes tipos de automação:
- Automação fixa;
- Automação programada;
- (^) Automação flexível. Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos de automação.
- Automação Fixa Este tipo de automação é caracterizado pela rigidez da configuração do equipamento. Uma vez projetada uma determinada configuração de controle, não é possível alterá-la posteriormente sem realizar um novo projeto.
As operações a realizar são em geral simples e a complexidade do sistema tem, sobretudo a ver com a integração de um elevado número de operações a realizar. Os aspectos típicos da automação fixa são:
- Investimentos iniciais elevados em equipamentos específicos;
- Elevadas taxas de produção;
- Impossibilidade em geral de prever alterações nos produtos; Este tipo de automação justifica-se do ponto de vista econômico quando se pretende realizar uma elevada produção. Como exemplos de sistemas deste tipo, podemos citar as primeiras linhas de montagem de automóveis nos Estados Unidos. (Ex: linha de produção do Ford T, 1913).
- Automação Programável Neste caso, o equipamento é montado com a capacidade de se ajustar a alterações da seqüência de produção quando se pretende alterar o produto final. A seqüência de operações é controlada por um programa. Assim, para cada novo produto terá que ser realizado um novo programa. Os aspectos típicos da automação programável são:
- Elevado investimento em equipamento genérico,
- Taxas de produção inferiores à automação fixa,
- Flexibilidade para alterações na configuração da produção,
- Bastante apropriada para produção por lotes (“ batch processing ”). No final da produção de um lote, o sistema é reprogramado. Os elementos físicos envolvidos como, por exemplo, ferramentas de corte e parâmetros de trabalho das máquinas ferramentas, devem ser reajustados. O tempo despendido na produção de um lote deve incluir o tempo dedicado aos ajustamentos iniciais e o tempo de produção do lote propriamente dito.
Podem-se referir como exemplos de sistemas de automação programável as máquinas de Comando Numérico (“CNC – Computer Numeric Control”) com início de atividade em 1952 e as primeiras aplicações de robôs industriais em 1961. (Ver Fig.1.4).
Fig.1. Exemplo de aplicação industrial de um robô: alimentação de peças de uma máquina-ferramenta. (Fonte: Eshed Robotec).
- Automação Flexível É uma extensão da automação programável. A definição exata desta forma de automação está ainda em evolução, pois os níveis de decisão que envolve podem neste momento incluir toda a
uma importância fundamental nos sistemas de pilotagem de navios, aviões, mísseis, veículos espaciais, etc. passou a tornar-se uma parte integrante do funcionamento de processos industriais típicos (manufatura, produção de energia, produtos químicos, transportes, instalações de frio e ar condicionado, etc.). O controle automático é essencial, por exemplo, em operações industriais que envolvam o controle de posição, velocidade, pressão, vazão, temperatura, umidade, viscosidade, etc. Neste capítulo, vamos apresentar os conceitos básicos relativos à teoria do controle automático, bem como as principais estruturas utilizadas no controle de processos industriais. Por fim, faremos uma breve descrição do tipo de controladores ou reguladores mais utilizados na indústria, bem como as suas principais características e formas de ajuste dos respectivos parâmetros.
- Perspectiva Histórica Embora desde sempre o homem tenha tentado controlar os fenômenos naturais em seu próprio proveito, a primeira tentativa séria e que historicamente é considerada como um dos primeiros trabalhos significativos na área de controle automático, foi efetuado pelo investigador James Watt, que construiu um regulador centrífugo para efetuar o controle de velocidade de uma máquina a vapor (Inglaterra, séc. XVIII). Dado o seu interesse histórico, apresenta-se na Fig.2.1, o esquema de um regulador de velocidade de um motor Diesel, baseado no princípio inventado por James Watt.
Fig.2.1. Esquema básico do regulador de Watt aplicado à regulação de velocidade de motor Diesel.
No esquema da Fig.2.1, podemos verificar que o veio do motor tem acoplado um sistema com duas massas ( m ) que rodam com o veio à velocidade de rotação ω. Assim, quando o motor aumenta de rotação, devido à ação centrífuga as massas tendem a afastar-se diminuindo o curso ( y ), elevando assim a haste ( h ) ligada à válvula de combustível. Deste modo, o caudal de combustível diminui o que faz baixar a velocidade de rotação do motor. Por conseguinte, as massas tendem a aproximar-se do veio, aumentando y , baixando h aumentando a velocidade do motor ω. Este procedimento repete-se até se atingir uma situação de equilíbrio. No século XX, foram iniciados de fato os estudos e as aplicações do controle automático à indústria. Assim, com o avanço da ciência e da tecnologia, foram dados os primeiros passos nas décadas de vinte e trinta, períodos nos quais foram efetuados importantes desenvolvimentos. Durante a década de quarenta, foram dados novos e importantes passos nesta área. Deste modo, após a introdução do primeiro regulador pneumático PID 1
na indústria, os investigadores J. Ziegler e N. Nichols desenvolveram um método de ajuste ótimo destes reguladores, que ficou conhecido por "Método de Ziegler-Nichols".
1 Estes reguladores utilizam as 3 ações básicas de regulação: Proporcional (P), Integral (I) e Derivativa (D), relativamente ao erro. São também designados na indústria, por reguladores de três ações (“three-term- regulator”).
Este método permitiu resolver muito dos problemas de ajuste dos parâmetros de reguladores, através de uma metodologia relativamente simples e eficaz.
a) b) Fig.2.2. a)Aspecto de um regulador pneumático PID atual utilizado na indústria. b)Controlador eletrônico e sensores analógicos de diversos tipos.
Nos anos setenta e seguintes, devido ás crescentes potencialidades dos computadores digitais para efetuar a manipulação de grandes volumes de dados e de efetuar cálculos complexos, estes passaram a ser progressivamente cada vez mais utilizados na construção de reguladores industriais, sensores transdutores, etc. Esta técnica, que recorre à utilização em larga escala de micro-computadores para efetuar a monitorização e o controle digital é conhecida por controle digital direto ( DDC - "Direct Digital Control"). Neste tipo de controle, é utilizado um computador digital para efetuar o controle do processo em tempo real, de um ou mais processos, consoante o tipo e complexidade da aplicação industrial.
Fig. 2.3. Aspec to de uma gama de reguladores industriais atuais baseados em microprocessador.
Por fim, os métodos de estudo e análise de sistemas de controle contínuo e digital passaram a ficar extraordinariamente facilitados com o surgimento nos últimos anos de diversas ferramentas informatizadas cada vez mais poderosas, versáteis e com capacidades gráficas muito interessantes. Deste modo, o estudo de sistemas complexos, que através dos métodos tradicionais se revelava bastante complexo, passou a ser bastante acessível através do recurso às potencialidades destes programas 2 , de utilização cada vez mais generalizada no ensino das matérias de Controle Automático.
(^2) Podemos destacar entre outros o MATLAB/SIMULINK (Mathworks, Inc.), MAPLE e MATHCAD.
medida) que mede a temperatura real da água quente (variável de saída do sistema). Deste modo, em função das indicações fornecidas pelo elemento de medida, o operador irá manipular a válvula de controle de vazão de vapor de aquecimento, de modo a manter a temperatura da água o mais próxima possível do valor desejado.
Fig.2.6. Esquema de Controle Manual de um Sistema Térmico.
Se em vez do operador, for utilizado um controlador automático, conforme apresentado na Fig.2.7, o sistema de controle passa a designar-se por automático. Neste caso, o operador seleciona a temperatura de referência ( "set-point" ) no controlador. A saída do processo (temperatura real da água quente à saída do permutador de calor), é medida pelo transdutor de temperatura, e comparada no controlador com a temperatura de referência de modo a gerar um sinal de erro. Tomando como base este sinal de erro, o controlador gera um sinal de comando3 para a válvula de regulação de vapor (atuador). Este sinal de comando permite variar gradualmente a abertura da válvula, e, por conseguinte a vazão de vapor a admitir no permutador. Deste modo, é possível controlar automaticamente a temperatura da água à saída do permutador, sem que seja necessária a intervenção do operador.
Fig.2.7.
3 Sinal de controle -> o sinal de saída do regulador, é normalmente do tipo elétrico, pneumático ou hidráulico. É enviado para o atuador através de uma interface de potência (amplificador, conversor, corrente-pressão (I/P), etc.).
Esquema do sistema de regulação automática de um sistema térmico.
a) b) c) d) Fig.2.8. Dispositivo de regulação de temperatura com componentes atuais. a) Transdutor de temperatura. b) Controlador digital PID. c) Conversor corrente-pressão (Conversor I-P), que converte o sinal de controle de 4-20 mA para pressão (3-15 psi). d) Válvula de regulação com comando por ar comprimido (3-15 psi = 0.21-1.05 bar).
Como podemos verificar através das figuras anteriores, os dois sistemas funcionam de uma forma muito semelhante. Deste modo, os olhos do operador e o termômetro, constituem o dispositivo análogo ao sistema de medida de temperatura; o seu cérebro é análogo ao controlador automático, realiza a comparação entre os valores de temperatura desejada e medida, e gera o respectivo sinal de comando. Este sinal é veiculado pelos seus músculos que realizam a abertura ou fecho da válvula, os quais têm um papel análogo ao motor da válvula de regulação de vapor.
- Controle em Malha Aberta Neste tipo de sistemas de controle, a saída não exerce qualquer ação no sinal de controle. Deste modo, a saída do processo não é medida nem comparada com a saída de referência. A Fig.2.9 representa o diagrama de blocos de um sistema deste tipo.
Fig.2.9. Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.
Como se pode observar na figura, neste tipo de controle, a saída não é comparada com a entrada de referência. Deste modo, para cada valor da saída irá corresponder uma condição de funcionamento fixa. No entanto, na presença de perturbações, o sistema não irá atingir os objetivos desejados. Na prática, o controle em malha ou malha aberto, somente deve ser utilizado em sistemas para os quais a relação entre a entrada e a saída seja bem conhecida, e que não tenham perturbações internas ou externas significativas.
- Comparação entre os sistemas em malha fechada e aberta. A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada, relativamente aos de malha aberta, consiste no fato da realimentação, tornar a resposta do sistema relativamente insensível e perturbações externas e a variações internas dos parâmetros do sistema. Deste modo, é possível utilizar componentes mais baratos e de menor precisão, para
Fig.2.10. Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada.
Fig.2.11. Evolução temporal dos sinais num malha de controle digital.
No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contém elementos analógicos e digitais. Deste modo, o relógio (clock) ligado aos conversores A/ D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relógio. O objetivo desta ação, é o de fazer com que o processo (“Plant”) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de saída y(k ) sincronizados com o sinal de relógio. Deste modo, é necessário manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de entrada. Existem técnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter ( hold ) o sinal de modo a produzir um sinal contínuo û( t) .O gráfico da Fig.2.12 mostra que o sinal û( t) é mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operação de retenção de û( t) constante durante o intervalo de amostragem é designada por "retenção de ordem zero" ou " zero-order hold".
Fig.2.12. Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold").
O sinal û( t) tratado pelo retentor de ordem zero é introduzido em H2(s) de modo a produzir a saída do processo y(t). Este sinal é depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que irá ser igual à amostra do sinal contínuo y(t). Esta operação é equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contínuo de saída do processo y(t).
Fig.2.13. Evolução dos sinais num sistema digital (em cima) e contínuo analógico (em baixo).
Exemplo de sistema de controle digital (posição angular do veio de um motor).