O que é Automação Industrial

Neste artigo pretendo mostrar a você quais são as bases da automação industrial de forma com que você saiba o que é automação industrial, porque é importante o automatismo na indústria e quais são os componentes principais de um sistema automatizado.

Ao final, você saberá reconhecer os principais grupos de sensores, atuadores, controladores e interfaces IHM existentes no mercado e entender melhor como estes conjuntos de componentes se agregam para compor máquinas e equipamentos automatizados.

1 – Objetivos da Automação Industrial

O objetivo principal da automação industrial é criar mecanismos que sejam capazes de produzir o melhor produto com o menor custo. Alguns objetivos que devem ser buscados nos projetos de automação industrial são:

• Melhorar a produtividade de uma empresa aumentando o número de itens produzidos por hora de forma a reduzir os custos de produção e aumentar a qualidade.
• Melhorar as condições de trabalho das pessoas eliminando trabalhos perigosos e aumentado a segurança.
• Realizar operações que seriam impossíveis de controlar intelectualmente ou manualmente.
• Melhorar a disponibilidade de produtos de forma com que seja possível fornecer quantidades necessárias no momento certo.
• Simplificar a operação e manutenção de modo que o operador não precise ter grande expertise ao manusear o processo de produção.

2 – O Que é um Sistema Automatizado?

A automação industrial de um sistema é um procedimento mediante o qual as tarefas de produção que são realizadas por operadores humanos são transferidas a um conjunto de elementos tecnológicos levando-se em consideração possíveis eventualidades que possam ocorrer mantendo sempre a segurança e a qualidade.

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Cada vez mais os segmentos de produção industrial, geração e distribuição de energia, transportes e muitos outros requerem um número crescente de novos sistemas e máquinas automatizadas. Isto se deve ao aumento da produção, aos custos mais baixos de componentes de automação e máquinas, a qualidade e estabilidade de novos produtos e à necessidade de substituir trabalhos perigosos e monótonos dos operadores.

No passado, os sistemas automatizados eram sistemas fechados que controlavam individualmente cada processo de uma instalação, mas com o passar do tempo, estes sistemas passaram a ser abertos com capacidade de abranger mais processos de forma a otimizar o funcionamento de toda a planta. Atualmente, um sistema automatizado é composto por 2 partes principais:

Parte Operacional

A parte operacional na automação industrial é uma parte do sistema que atua diretamente no processo e é um conjunto de elementos que fazem com que a máquina se mova e realize a operação desejada. Estes elementos que formam a parte operacional são os dispositivos de acionamento e pré-acionamento como motores, cilindros, compressores, válvulas, pistões e também dispositivos de detecção como sensor indutivo, sensor capacitivo, sensor de visão, sensor ultrassônico, etc.

Parte de Controle

Já a parte de controle é a parte programável do sistema que geralmente é implementada com a ajuda do CLP (Controlador Lógico Programável). No passado, esta lógica era feita com relês eletromagnéticos, temporizadores, placas eletrônicas e módulos lógicos.

Atualmente, com o aumento do volume de dados e componentes eletrônicos, o mais comum é o emprego dos CLPs e computadores industriais para o controle de máquinas e processos.

O CLP é considerado o cérebro na automação industrial, pois ele é capaz de se comunicar com todos os componentes que compõem este sistema de forma a reconhecer as entradas, processar a lógica e atualizar as saídas a todo momento.

Na Figura abaixo, você pode entender melhor como funciona um sistema de automação industrial:

Veja pela Figura que o operador, que é a pessoa que opera a máquina ou processo, visualiza as informações pelos elementos de saída da informação, toma as suas decisões e comanda os elementos de entrada de ordem que por sua vez são processados pelo sistema de controle.

O controle aciona os pré-atuadores e atuadores que interferem no processo e os sensores e transdutores dão a informação para o controle se tudo está ocorrendo conforme o planejado. Vou mostrar a seguir todos os elementos que compõem cada caixinha elencada nesta Figura.

3 – Sensores e Transdutores

Assim como o ser humano necessita dos sentidos para perceber o que está acontecendo à sua volta, na automação industrial as máquinas precisam de sensores e transdutores para captarem as informações. Além de captar variáveis, estes componentes devem ser capazes de distinguir a variação de certas magnitudes do sistema e o próprio estado físico de outros componentes.

Os dispositivos encarregados de converter as magnitudes físicas em elétricas são denominados transdutores. Vale lembrar aqui que a diferença entre sensor e transdutor é que o sensor detecta uma variação no meio e o transdutor converte a variação em magnitude elétrica.

Assim, podemos dizer que muitos sensores atualmente também são transdutores, mas nem todos os transdutores são sensores. Os transdutores podem ser classificados em função do tipo de sinal que transmitem:

Transdutores Binários: Com estes dispositivos é tudo ou nada. Ou ele está atuado ou não (1 ou 0). Alguns exemplos são: sensor indutivo, contator, sensor capacitivo, sensor fim de curso ou chaves de nível.

Transdutores Numéricos: Transmitem valores numéricos em forma de combinações binárias (Gray, BCD, etc..). Um exemplo é o encoder absoluto que faz a leitura da posição angular de um carro bobinador onde a medida que o encoder gira, ele gera uma combinação binária que representa a quantidade de giros que ele deu, podendo esta informação ser interpretada pelo CLP.

Transdutores Analógicos: Fornecem um sinal continuo proporcional ao valor da magnitude. Exemplos deste tipo são os transdutores de pressão, sensores de temperatura, sensor ultrassônico para medição de distância ou nível e micrômetro laser para medições de diâmetro.

4 – Atuadores e Pre-Atuadores

O atuador é o elemento final de controle que em resposta a um sinal de comando recebido, atua sobre a variação do elemento final do processo. Um atuador converte a energia conectada nele em uma automação útil para o ambiente industrial e eles podem ser classificados em elétricos, pneumáticos e hidráulicos.

Os atuadores elétricos são adequados para movimentos angulares e de rotação, com ou sem controle de velocidade. Estes dispositivos devem ser alimentados com energia elétrica para funcionar e alguns exemplos são os motores de corrente contínua, motores de indução e servo motores.

Os atuadores pneumáticos, por outro lado, são adequados para aplicações que demandam movimentos lineares curtos necessários por exemplo em operações de transferência, montagem de tampa, apertos, posicionamento de produtos em esteiras, etc. São chamados pneumáticos pois precisam ser alimentados com ar comprimido.

Já os atuadores hidráulicos são utilizados em sua grande maioria quando a força necessária é muito alta ou quando uma máquina em marcha lenta necessita de um controle preciso (mesmo assim, neste último caso, os atuadores hidráulicos tendem a ser substituídos por servo motores). São chamados hidráulicos por serem alimentados com fluido (óleo hidráulico).

Os atuadores mais utilizados na indústria são os cilindros e motores de corrente contínua ou alternada e são na maioria das vezes comandados por CLPs ou controladores. Por exemplo, o CLP pode acionar uma válvula solenoide que libera o ar para fazer com que o cilindro pneumático seja acionado.

Por outro lado, o CLP pode comandar um contator ou inversor de frequência de forma com que os motores sejam acionados. Mesmo com todas as ferramentas de controle, você ainda pode encontrar atuadores que são comandados diretamente pelo operador.

O termo pré atuador aplica-se nos casos onde é necessária uma amplificação do sinal de controle para que o atuador possa ser acionado. Nos dois exemplos que eu citei acima podemos identificar os pre atuadores como sendo a válvula solenoide, o contator e o inversor.

4 – Sistema de Controle

Como eu disse, os comandos dos sistemas automatizados sofreram uma revolução com o passar dos anos haja vista o desenvolvimento de novos processadores, dispositivos com alta capacidade de armazenamento e IHMs com recursos touch e acionamento remoto. Primeiramente, vamos entender como tudo começou com as tecnologias cabeadas e módulos lógicos até evoluir para os CLPs e computadores.

Tecnologias Cabeadas

Consiste em interconectar reles com os dispositivos de entrada e saída de maneira que a lógica possa ser criada com combinações em série ou paralelo dos elementos para que então seja criado o automatismo. estes elementos podem ser reles, valvulas ou placas lógicas.

Esta foi a primeira solução adotada na automação industrial, mas com o passar do tempo foi sendo abandonada por apresentar inconvenientes como pouca flexibilidade para aceitar modificações ou adaptações futuras e também pelo fato de que este tipo de solução demandava grandes espaços para locação de painéis elétricos.

E você ainda pode imaginar o quanto estes sistemas eram caros e difícil de realizar manutenções. Pense no caso de uma falha, você ter que ficar checando a lógica rele por rele ou descobrir em qual válvula ou placa houve o problema.

Em uma automação industrial mais simples com baixo custo, no entanto, esta solução ainda pode ser viável. Mesmo assim deve-se analisar bem, pois atualmente um CLP custa o equivalente a 20 reles ou 8 válvulas e ainda tem a vantagem de você poder programar ele da forma como quiser, deixando a solução bem enxuta.

Os dispositivos que podem ser utilizados na tecnologia cabeada são:

Reles Eletromagnéticos

Os relês eletromagnéticos de comutação possuem uma estrutura muito parecida com um contator em que todos os contatos são projetados para uma mesma corrente, que geralmente é baixa.

Módulos Lógicos Pneumáticos

Baseiam-se na utilização de ar comprimido e de elementos como válvulas solenoides, detectores, cilindros, comandos por pressão e válvulas pilotadas. A principal vantagem deste método é que ele não é afetado por interferências eletromagnéticas.

Também temos aplicações em ambientes que precisam da automação industrial, mas o risco de explosão é alto. Imagine uma mina subterrânea que precisa de automação, mas que qualquer faísca poderia causar uma explosão. Neste caso, tudo pode ser implementado com a tecnologia pneumática, eliminando o risco de acidente devido ao automatismo.

Por outro lado, lógicas implementadas com tecnologia pneumática necessitam de muito mais espaço, produzem ruídos no ambiente e demandam redes de ar comprimidos supridas por compressores que obviamente necessitam de manutenção, pois o fornecimento de ar deve ser constante e seguir padrões de pressão e umidade. Na Figura abaixo podemos ver alguns elementos pneumáticos sendo que as válvulas e blocos e os cilindros podem compor lógicas.

Se você quiser conhecer softwares para simulação de tecnologias pneumáticas, vale a pena conhecer o FluidSim disponível gratuitamente em https://www.festo.com/didactic/

Caso houver a necessidade de maior potência e precisão, a tecnologia pneumática é substituída pela hidráulica, devido ao fato do óleo ser um fluido incompressível.

Para você entender melhor o que eu estou falando, basta pegar uma seringa com ar, tampar a ponta dela e apertar. Mesmo sem o ar sair, você consegue deslocar o êmbolo devido ao ar se comprimir, o que não ocorre com o fluido hidráulico. Assim, a tecnologia hidráulica fornece maior precisão e suporta aplicações com necessidade de forças muito maiores como as necessárias em prensas hidráulicas.

Tecnologia Estática Integrada

São placas desenvolvidas para executar uma lógica específica. Assim, depois de serem projetadas, são implementadas em circuitos impressos e alocadas no sistema de automação industrial para realizar sua função.

Ainda é possível ver painéis com placas lógicas em algumas indústrias com equipamentos antigos, mas esta tecnologia está em desuso devido a evolução dos componentes de programação.

Como ela se baseia no uso de circuitos integrados e de portas lógicas: TTL e CMOS podem apresentar alguns problemas como necessidades de diferentes níveis de tensão, serem suscetíveis a interferências eletromagnéticas e serem inflexíveis, pois os circuitos impressos não podem ser modificados depois de implementados.

Tecnologias Programadas

O avanço dos microprocessadores nos últimos anos favoreceu fortemente a generalização das tecnologias programadas e a ampliação da automação e máquinas automatizadas. Os equipamentos atuais utilizados para este fim são:

a – Computadores

Um computador, como parte do comando de uma automação industrial apresenta a vantagem de ser altamente flexível a modificações de processo e por outro lado por ter sido projetado especificamente para o ambiente industrial tem a desvantagem de ser frágil quando colocado na linha de produção. Por este motivo foram desenvolvidos os computadores industriais com maior robustez e que suportam ambientes agressivos. A única desvantagem atualmente que algumas empresas observam para não empregar os computadores industriais no controle é que o seu emprego exige equipes com conhecimentos de TI, automação e processos. No entanto, esta realidade está mudando rapidamente com o conceito de indústria 4.0 que tem em uma de suas premissas a fusão da tecnologia da automação (TA) com a tecnologia da informação (TI).

b – CLPs (Controladores Lógicos Programáveis)

Como eu falei antes, o CLP é considerado o cérebro da automação industrial por controlar os equipamentos e processos. Sua vantagem é que ele possui as características de um computador, mas a diferença de ter sido projetado especialmente para trabalhar em ambientes industriais dos mais limpos aos mais agressivos. Outra vantagem que ele possui é que a programação é mais intuitiva com a utilização da lógica Ladder (lógica de programação que reproduz os diagramas elétricos em blocos lógicos e blocos de função).

Outra diferença com relação ao computador, é que o firmware (software interno) de um CLP é muito adaptado para a gestão de falhas e defeitos que podem ser avarias internas, falhas de energia ou falhas nas conexões dos cartões de forma a garantir a segurança das pessoas e instalações em caso de falhas. O CLP também possui alta flexibilidade devido a possibilidade de expansões de entradas, saídas e comunicação que também pode ser realizada com diferentes dispositivos industriais. As principais vantagens dos CLPs são:

• Flexibilidade e adaptação ao processo;
• São hardwares padrões produzidos em grande escala;
• Tamanho reduzido;
• Controle estruturado e distribuído;
• Comunicação com diferentes dispositivos;
• Possuem ferramentas de simulação e depuração;
• Fornecem a possibilidade de modificações on-line;
• Fácil instalação e manutenção

5 – Elementos de Entrada de Ordens

Na automação industrial, os elementos de entrada de ordem permitem que o operador ordene um comando ao sistema e podem ser classificados em 2 categorias:

Os Binários são a forma mais simples de dar o comando. Se o operador deseja acionar, ele pode apertar a botoeira e se deseja desligar, ele pode simplesmente apertar a botoeira novamente. Além de botoeiras, podem ser utilizados interruptores e comutadores. Novamente, o binário é 1 ou 0. Se o botão estiver apertado emitindo o sinal 1, quando estiver desapertado emitirá um sinal 0 para o sistema de controle.

Numéricos (ou alfanuméricos): Enquanto os binários são sim ou não, os numéricos permitem a entrada de qualquer tipo de informação através de números ou letras Alguns exemplos são os potenciômetros e teclados numéricos.