Automação Industrial: Fundamentos e Aplicações de CLPs, Notas de estudo de Automação

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LIVRO

UNIDADE 1

Controle e

automação de

processos industriais

Ricardo Carvalho Quesada

Controle e automação de

processos industriais

Unidade 1 | Fundamentos da automação industrial

Seção 1.1 - Uma introdução à automação e controle Seção 1.2 - Suas limitações Seção 1.3 - Por que a automação?

Unidade 2 | Principais sistemas de automação

Seção 2.1 - Equipamentos utilizados na automação e controle Seção 2.2 - Alguns tipos de controladores Seção 2.3 - Do que a automação é feita?

Unidade 4 | O CLP e a linguagem LADDER

Seção 4.1 - Entendendo o controlador lógico programável Seção 4.2 - Construindo um CLP Seção 4.3 - Conversando com seu CLP

Unidade 3 | Integração de componentes para automação de um sistema

Seção 3.1 - A programação e suas variáveis Seção 3.2 - Variáveis do sistema Seção 3.3 - Estruturando o software

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Sumário

Unidade 1

Um bom profissional deve não apenas saber aplicar conceitos e cálculos para resolver problemas, mas utilizar de seus conhecimentos para obter informações vitais para desenvolver soluções práticas e viáveis para os problemas das mais diversas naturezas.

Para isto, iniciaremos os nossos estudos com os conceitos básicos da automação, passando para o controle de processos e suas limitações, para encerrar esta unidade de ensino com algum conhecimento de práticas industriais. Isto nos dará a base necessária para conhecer e compreender os aspectos gerais da automação e do controle de processos, a aplicação da automação em processos de produção, bem como a aplicabilidade de Controlador Lógico Programável (CLP) e sua linguagem de programação. Devemos cumprir os seguintes objetivos de aprendizagem: (1) introduzir a automação e controle; (2) conhecer e compreender as limitações; e (3) entender o que é a automação de processos industriais.

Uma pequena empresa fabricante de peças de reposição para automóveis deseja automatizar uma de suas linhas de produção para ampliar sua produtividade, para isso, contratou uma empresa de automação que enviou seu profissional ao local. Durante uma breve reunião para discussão das necessidades da linha de produção ficou evidente que o responsável não conseguia descrever como deveria ser realizada a automação.

O profissional enviado terá de elaborar uma lista de questionamentos direcionados à realidade da empresa e às necessidades do processo a ser automatizado, a fim de que possa, com base nas respostas obtidas, analisar os

Convite ao estudo

Fundamentos da automação

industrial

Fundamentos da automação industrial

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Seção 1.

Uma introdução à automação e controle

Caro aluno, os fundamentos da automação e controle de processos são muito importantes para sua vida profissional e terão de ser muito bem assimilados para que você possa dar continuidade em seu aprendizado e desenvolver suas habilidades no campo da engenharia.

A área tecnológica visa a adequação do meio às necessidades das pessoas, utilizando-se, para isto, de desenvolvimento, estudo e criação de novas técnicas. Surgem problemas que devem ser resolvidos da melhor maneira possível, mas para propor e até pensar em uma solução, o profissional, primeiramente, tem de entender o problema. Nesta seção buscaremos conhecer os conceitos básicos de automação e em que se diferem da automatização. Veremos também as funções da automação e suas principais aplicações. Tudo isto nos dará base para identificarmos a melhor forma de automatizar cada tipo de necessidade, seja em indústria mecânica, química, têxtil, processos de fabricação, produtivos, logísticos, entre outros.

Nesta seção você iniciará sua caminhada com alguns conceitos de automação industrial, bem como seus tipos e aplicações.

Uma pequena empresa fabricante de peças de reposição para automóveis deseja automatizar uma de suas linhas de produção para ampliar sua produtividade, para isso, contratou uma empresa de automação que enviou seu profissional ao local. Durante uma breve reunião para discussão das necessidades da linha de produção ficou evidente que o responsável não conseguia descrever como deveria ser realizada a automação.

Como profissional responsável pelo problema, quais perguntas você faria ao encarregado da produção, a fim de compreender as necessidades desse cliente?

Ao final desta seção, esperamos que você perceba que para resolver o problema de um cliente, primeiro você tem de entender esse problema. Para isto, deve-se criar uma lista de questionamentos que direcionará as necessidades do cliente ao seu entendimento, para que você possa pensar e elaborar uma solução boa e viável.

Diálogo aberto

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Desde sempre o ser humano utiliza sua criatividade para modificar o ambiente a sua volta, facilitar e melhorar sua condição de vida. A automação segue este princípio e ainda o leva além, com o crescimento da sociedade moderna e o aumento da competitividade de mercado, as pessoas tem de encontrar meios alternativos de realizar suas tarefas diárias, assim, pode-se dizer que a automação moderna tem como objetivo prover o conforto para seus usuários, exemplos disso são as casas inteligentes, os sistemas de irrigação automáticos e sistemas de segurança com conectividade via internet, no qual o usuário pode controlar tudo de seu smartphone de onde estiverem.

De acordo com Rosário (2009), a integração da automação industrial nasceu na prática, com Henry Ford, em meados de 1920, quando este criou a linha de montagem do modelo T com o intuito de aumentar a produtividade, reduzir custos de produção e garantir a segurança dos funcionários da fábrica. Porém, nessa época, o conceito de automação era similar ao de sistematização, sistematizava-se o chão de fábrica para que o processo de produção fluísse de forma contínua, o que reduzia, consequentemente, os riscos imediatos e aumentava a produção, pois cada operário se tornava especializado em uma determinada tarefa e se tornava ágil em realizá-la, basicamente, podemos dizer que automatizavam as pessoas, mas com isto crescia as doenças ocupacionais, por conta da repetição de movimentos.

No início da década de 1960, a indústria de equipamentos inventou o termo automação, um neologismo que buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial (MORAES E CASTRUCCI, 2010). Ainda nos anos 1960, os primeiros resultados no campo da automação foram obtidos com um sistema do tipo rígido, no qual as máquinas automáticas executavam uma tarefa com a mínima intervenção humana. O problema encontrado nesse período é o desenvolvimento de maquinários com o objetivo de fabricar um único tipo de produto e, caso fossem necessárias adequações ao produto, a máquina teria de sofrer modificações muito custosas ou até impossíveis (PRUDENTE, 2011).

Na década de 1980, ocorreu uma revolução tecnológica que facilitou e barateou o processo de automação, possibilitando a automação para empresas de todos os tamanhos e seguimentos, a criação do microprocessador e o desenvolvimento do computador pessoal, que levou a indústria para um novo patamar e com ela a automação evoluiu exponencialmente.

Com esta breve história, você pôde perceber a mudança dos conceitos da automação. Algo que se iniciou com a sistematização de pessoas em linhas de produção evoluiu para o controle de processos por meio de computadores.

Não pode faltar

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A Figura 1.2 demonstra o conceito de um sistema automatizado, no qual o produto é a matéria-prima com valor agregado, a operação denota a parte física do sistema, enquanto o comando é a parte de software. Pode-se perceber que existe um fluxo de informações entre essas duas últimas partes. Esse fluxo de informação é a integração que caracteriza o sistema, com base nessas informações os elementos de conversão e controle se tornam possíveis. Agora você deve estar se perguntando: mas, então, qual a função da automação?

Hoje em dia a automação tem objetivos bem diferentes, não apenas redução de custos e ampliação de produtividade como era antigamente, mas também visa o conforto dos usuários, a agilidade de comunicação entre os diversos setores e níveis da produção, maior controle e supervisão dos processos industriais e ainda, por vezes, a remoção completa do contato humano com a produção de objetos estéreis, como alimentos e equipamentos médicos, ou seja, o homem continua supervisionando, porém não tem mais contato com a operação.

Uma das funções mais exploradas da automação é a segurança, tanto para o usuário quanto para as demais pessoas envolvidas no processo ou que estejam de visita no ambiente fabril. A segurança pode ser dividida em duas, tratando-se de processos e pessoas.

algoritmos de controle; por fim, os sistemas de controle impõem o comportamento desejado ao sistema.

Vimos várias vezes o termo “sistema”, porém, o que é um sistema? Atribuímos este termo a um conjunto complexo de elementos diversos, que quando integrados contribuem para determinado objetivo ou propósito específico.

Fonte: elaborada pelo autor.

Figura 1.2 | Conceito de sistema automatizado

Matéria -Prima OPERAÇÃO

Ordens COMANDO Sinais

Matéria -Prima

Valor Agregado

Informações de Saída

Informações de Entrada

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A automação industrial é apenas uma das aplicações de um sistema automatizado, podemos destacar que com a evolução da tecnologia, a automação só é limitada pela criatividade do profissional, podemos automatizar praticamente qualquer coisa, desde nossas indústrias até nossas casas, passando por carros, aviões, navios e prédios.

Até há pouco tempo, falava-se de automação industrial, predial e de processos, porém, com a evolução desenfreada da tecnologia, podemos tratar de automação residencial, automotiva, aeronáutica, naval, aeroportuária e ferroviária. Com o advento do smartphone , que nada mais é que um computador ultraportátil, estamos vendo a automação em um nível jamais imaginado. Temos a possibilidade de operar um sistema de vigilância residencial de qualquer lugar do mundo, podemos controlar drones e veículos pelos nossos celulares. Ainda não se sabe até a que ponto algo pode ser automatizado.

Algumas das aplicações dentro da automação industrial são: processos de estamparia (moldagem de chapas ao formato desejado), máquinas de solda, processos de pintura, dosagem de produtos para misturas, controle de pH, estações de tratamento de efluentes, britagem de minérios, usinas de pelotização, carregamento de vagões, corte e descascamento de madeira, branqueamento e embalagens em todas as indústrias mencionadas (etiquetado, agrupado, lacrado e ensacado).

• A segurança de processos visa proteger o processo de fabricação, o ambiente e a máquina envolvida na produção, geralmente é apresentada como uma série de algoritmos predeterminados que descontinuam a linha de produção em caso de erros causados por intervenções indiretas ao sistema: uma matéria- prima defeituosa, uma interferência de qualquer motivo ou ainda vibrações exacerbadas.
• Já a segurança de pessoas é determinada pela parada de um processo em caso de intervenção humana, que pode ser: entrada repentina no ambiente, falta de atenção, sonolência, queda ou descuido de qualquer tipo. Ainda pode ser considerada como pertencente a esse tipo de segurança, os sistemas de monitoramento por câmeras, cercas elétricas e alarmes.

Reflita Com o que aprendemos até aqui, podemos dizer que a automação não remove o fator humano da equação, mas sim o insere ao meio automatizado para construir um novo sistema, integrando todas as partes necessárias de forma a realizar as tarefas com eficácia e eficiência?

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realizada em pequenos lotes. Nessa forma de automação, os equipamentos devem ser reprogramados a cada novo lote.

Observe que para cada tipo de empresa existe um tipo de automação e ainda pode existir a possibilidade de se aplicar apenas a automatização do processo, ou seja, em alguns casos é mais viável criar um dispositivo automático que realizará a tarefa desejada sem que a automação seja necessária, tudo vai depender do contexto.

Assimile Existem três tipos distintos de automação industrial, cada qual com suas características. O profissional deve conseguir caracterizar a necessidade do processo para poder determinar qual tipo é o mais adequado ao problema enfrentado.

Exemplificando Veja estes exemplos:

• Uma empresa automobilística quer ampliar sua produção de carros populares criando mais uma linha de montagem automatizada em sua fábrica principal.

Podemos perceber rapidamente que o volume de produção é grande, portanto determinamos que será um modo rígido de automação, pois cada elemento deverá realizar apenas um tipo de trabalho.

• Uma empresa química regional, fabricante de desinfetantes para clínicas veterinárias, desenvolve três tipos distintos do seu produto, diferenciando apenas alguns componentes.

Logo percebemos que esta é uma empresa de produção média e que pode possuir uma linha de produção flexível, isto implica que os três produtos podem ser fabricados juntos, apenas com pequenas modificações na linha de produção.

• Uma empresa que presta serviços de calibração de balanças de precisão possui uma grande variedade de produtos para os quais presta assistência.

Neste caso, você pode perceber que existe uma grande variedade de produtos, porém como é um serviço de grande especialidade, o volume de produção é bem baixo. Assim, podemos concluir que existe a necessidade de um tipo programável de automação, pois a cada balança o equipamento tem de ser reprogramado.

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Um exemplo para uma linha de produção que não necessita de automação é o empacotamento de feno para fardos de ração para cavalos, pois apesar de importante, não é uma produção que exija grande precisão ou qualidade, assim, podemos desenvolver apenas um dispositivo de empacotamento automático, o que reduziria os custos de projeto.

Sem medo de errar

Uma pequena empresa fabricante de peças de reposição para automóveis deseja automatizar uma de suas linhas de produção para ampliar sua produtividade, para isso, contratou uma empresa de automação que enviou seu profissional ao local. Durante uma breve reunião para discussão das necessidades da linha de produção ficou evidente que o responsável não conseguia descrever como deveria ser realizada a automação. Como profissional responsável pelo problema, quais perguntas você faria ao encarregado da produção, a fim de compreender as necessidades desse cliente?

Nesta situação, veremos como você deve se portar diante dos problemas, que são dois: o seu e o do cliente. Primeiro entendamos o seu problema: obter as informações necessárias para a compreensão das necessidades do cliente. Para resolvê-lo temos de pensar: sabemos que o cliente não tem ideia de como resolver a questão da automação, então, cabe a você direcioná-lo. Além disso, pelo que vimos até aqui, só iremos saber qual tipo de automação será aplicada, dessa forma:

• Qual é a primeira pergunta que você deve fazer para o responsável de produção da empresa?
• O que é importante você saber para determinar o tipo de automação que deverá ser empregado?

Uma vez resolvido seu problema, a solução para o cliente se mostrará com a devida análise das informações. Suponhamos que este tenha lhe dado a seguinte resposta para seus questionamentos: “A ideia desta linha de produção é produzir cerca de cem unidades de lâmpadas diárias, isto para três tipos de veículos diferentes, o que totaliza trezentas lâmpadas nesta linha, considerando que são fabricadas paralelamente”. Podemos determinar o tipo de automação a ser usada com base nessa resposta.

Dessa forma, a resposta inclui determinar qual o tamanho da produção da empresa, quantos tipos de produtos são fabricados por eles e se estes são fabricados na mesma linha de produção ou em linhas distintas.

Como será realizado apenas o sistema de automação em uma linha, se esta for pequena e diversificada, aplicaremos uma automação programável. Se for uma produção de um único produto com alto volume, teremos uma automação fixa.

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o setor de empacotamento é crítico para a automação das linhas de produção e deve ser o primeiro a ser adequado. Então, você fez questionamentos e obteve a seguinte resposta: “o setor de empacotamento funciona desta forma, pois nunca tivemos necessidade de mudá-lo, ele trabalha com três produtos distintos, porém as dimensões são as mesmas e podemos separar os produtos para empacotá-los, um tipo por vez, mas a carga de cada produto é elevada e pretendemos aumentá-la mais”.

Essa resposta permite a definição de um tipo de automação. Qual seria esse tipo?

Resolução da situação-problema

Primeiramente, compreendemos dois problemas palpáveis:

• O responsável técnico não sabe o que é automação e está confundindo os conceitos de automação com automatização.
• Uma empresa com esse perfil de produção depende de muita mão de obra não qualificada para realizar os trabalhos manuais como empacotamento, e depois de automatizada gera muitos desempregos, pois parte dessa mão de obra não qualificada será descartada.

Agora, analisemos a resposta obtida:

1. Trabalha com três produtos distintos, porém os três possuem as mesmas dimensões, o que facilita na utilização da uma única linha para todos, o que nos leva a pensar em uma automação flexível, mas sigamos a análise.
2. A carga é elevada e podemos separar os produtos e empacotá-los com a mesma embalagem, mudando apenas o rótulo, isto facilitaria o processo e nos levaria a uma automação do tipo rígida, que nesse caso se mostra a mais adequada.

Faça valer a pena

1. O termo automação ainda nem havia sido inventado nessa época,

porém seu conceito já era bem real, ainda que diferente do que é atribuído

hoje em dia. É correto afirmar que:

a) A automação era análoga à sistematização.

b) A automatização era a automação da época.

c) A automação podia ser definida como a integração de conhecimentos,

substituindo a observação, os esforços e as decisões humanas por

dispositivos.

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3. Existe uma grande confusão quando se trata de diferenciar a automação

da automatização, pois apesar de conceitos distintos, o primeiro se iniciou

no segundo. O termo automatização é sinônimo de mecanização, ou seja,

a realização de movimentos automáticos, isto implica em um mecanismo

que funciona às cegas, sem correção. Já o conceito de automação, como

foi abordado anteriormente, remete a algo bem mais complexo, pois aplica

conjuntos de técnicas e informações pelos quais se constroem sistemas

ativos ou dinâmicos, capazes de atuar com uma eficiência ótima. Por ser

dinâmico, tem a capacidade de se autoadaptar a diferentes condições,

por meio dos sinais que recebe do ambiente onde atua, calcula correções

e executa ações que são apropriadas ao longo do processo.

2. “A automação industrial nasceu da necessidade de aumento de

flexibilização, de maior rapidez da produção e de redução de custos

das empresas de manufatura ou de processos contínuos, a fim de que

elas pudessem se adequar rapidamente às necessidades do consumidor

e assim manterem-se competitivas em um mercado cada vez mais

exigente” (Rosário, 2009. p.35).

Assumindo V para verdadeiro e F para falso, assinale a alternativa que

corresponda à sequência correta.

( ) A automação industrial visa apenas proporcionar agilidade de processos

e barateamento dos custos de produção.

( ) O processo de automação agiliza o processo de adequação às

necessidades no mercado.

( ) A qualidade é aumentada pelo processo de automação e os custos são

reduzidos, o que permite que a empresa seja competitiva por mais tempo.

( ) Quando se usa a automação em uma linha de produção, as pessoas

que trabalham nela se tornam obsoletas e são demitidas em massa,

causando o colapso da economia regional.

a) F; V; F; V.

b) V; F; F;, V.

c) F; V; V; F.

d) V; F; V; F.

e) F; V; F; F.

d) A automatização era um conjunto complexo de elementos diversos

que, quando integrados, contribuem para determinado objetivo em

comum.

e) O sistema visava o aumento da produção e redução de custos.