Apostila de Automação e Sistemas Industriais

Apostila de Automação e Sistemas Industriais

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Curso Técnico de Nível Médio Subseqüente

em Eletromecânica

Automação de Sistemas Industriais

Automação de Sistemas Industriais Apresentação

Esta apostila, elaborada de modo resumido, tem o objetivo de servir de apoio para o curso preparatório de certificação de técnicos e de servir como guia de referência rápida na disciplina de Automação de Sistemas Industriais. Pode ser utilizada como referência para consultas sobre automação básica e sistemas digitais para controle de processos industriais, além de uma seção sobre introdução e eletrônica digital.

A seqüência na apresentação dos conteúdos e a forma simples como são abordados visam facilitar a leitura e melhorar o aprendizado. Inicialmente o texto aborda os conceitos básicos na automação, seu histórico e evolução, tipos de sensores aplicados na automação de sistemas. E em um segundo momento são apresentados os principais conceitos da teoria básica sistemas digitais para controle de processos industriais. Na parte final é apresentada uma introdução a sistemas digitais.

Pela relevância de aspectos práticos associados aos conteúdos, o texto é rico em figuras, gráficos e fotografias que buscam a clareza e coleção prática dos assuntos discutidos.

Sugestões, críticas e as correções são de grande importância para a melhoria deste trabalho e podem ser feitas no e-mail jonathan@cefetrn.br.

Jonathan Paulo Pinheiro Pereira Outubro de 2008

Disciplina: Automação de Sistemas Industriais Carga- Horária:120h/a

Objetivos

Conhecer as tecnologias envolvidas na Automação de Sistemas Industriais; Conhecer as principais técnicas de controle automatizado;

Adquirir conhecimentos básicos em Sistemas Digitais.

Conteúdos

1. Introdução: conceito, histórico da Automação Industrial 2. Conceitos básicos em automação 3. Evolução da Eletrônica e Automação da mão de obra 4. Automação e Controle 5. Controle de processo com computador 6. Controle de processo com computador 7. Dispositivos de entrada e sensores 8. Dispositivos de saída e atuadores 9. Sistema SDCD e SCADA 10. Introdução a Sistemas Digitais

Procedimentos Metodológicos e Recursos Didáticos

Aulas expositivas Resolução de exercícios

Avaliação

Avaliação escrita Listas de exercícios

Bibliografia básica

1. TELECURSO 2000. Curso Profissionalizante: Automação. Editora globo, 2000. 2. SENAI – ES. Instrumentação Básica I. CPM – Programa de Certificação do Pessoal de Instrumentação, 1999. 3. RIBEIRO, Marco Antônio. Controle de Processo. Teoria e Aplicações, Salvador, 2003. 4. RIBEIRO, Marco Antônio. Controle e Automação. 1ª Ed. Salvador, 2005. 5. SENAI – RJ. Monitoramento e Controle de Processos. 2004. 6. PROMIMP – 2008. Eletricista de Manutenção: Automação Industrial, 2008. 7. SENAI – ES. Eletrônica Digital. CPM – Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção, 1999

1 - AUTOMAÇÃO5
2 - DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SENSORES12
3 - DISPOSITIVOS DE SAÍDA E ATUADORES27
4 - SISTEMAS DIGITAIS PARA AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS29
5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS47

SUMÁRIO 6- LISTA DE EXERCÍCIOS ......................................................................................................... ....................... 48

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1 - AUTOMAÇÃO Conceito

Automação é a substituição do trabalho humano ou animal por máquina, é o controle de processos automáticos com a menor intervenção humana possível. Automático significa ter um mecanismo de atuação própria, que faça uma ação requerida em tempo determinado ou em resposta a certas condições. O conceito de automação varia com o ambiente e experiência da pessoa envolvida. São exemplos de automação:

1. Para uma dona de casa, a máquina de lavar roupa ou lavar louça. 2. Para um empregado da indústria automobilística, pode ser um robô. 3. Para uma pessoa comum, pode ser a capacidade de tirar dinheiro do caixa eletrônico.

O conceito de automação inclui a idéia de usar a potência elétrica ou mecânica para acionar algum tipo de máquina. Deve-se acrescentar à máquina algum tipo de inteligência para que ela execute sua tarefa de modo mais eficiente e com vantagens econômicas e de segurança. Como vantagens, a máquina:

1. nunca reclama 2. nunca entra em greve 3. não pede aumento de salário 4. não precisa de férias 5. não requer mordomias.

Como nada é perfeito, a máquina tem as seguintes limitações:

1. capacidade limitada de tomar decisões 2. deve ser programada ou ajustada para controlar sua operação nas condições especificadas 3. necessita de calibração periódica para garantir sua exatidão nominal 4. requer manutenção eventual para assegurar que sua precisão nominal não se degrade.

Objetivos Gerais

1. Conceituar automação e controle automático. 2. Listar os diferentes sistemas digitais para automação. 3. Definir o conceito de automação e seu efeito na indústria e sociedade. 4. Introduzir os tipos básicos de sensores, atuadores e equipamentos de controle eletrônico.

1.1 - EVOLUÇÃO DA ELETRÔNICA E AUTOMAÇÃO DA MÃO DE OBRA

Nos anos 30 existiam as válvulas eletrônicas, muito usadas em rádios. Um daqueles antigos rádios dos “tempos da vovó” possuíam mais ou menos uma dúzia de válvulas eletrônicas. As válvulas funcionavam como relés mais sofisticados. Eram muito mais rápidas que os relés, mas tinham o inconveniente de durarem pouco tempo. Após cerca de 1000 horas de uso, as válvulas “queimavam”, assim como ocorre com as lâmpadas. Era então necessário trocar a válvula queimada. Nos anos 30 e 40 foram construídos vários computadores, ainda experimentais, utilizando as válvulas. Esses computadores eram caríssimos e eram usados para aplicações militares, como por exemplo, cálculos da balística para lançamentos de projéteis. Alguns eram tão grandes que mediam do tamanho de um ginásio de esportes. Dentro da equipe de pessoas que trabalhavam com esses computadores, havia sempre um sujeito que carregava um carrinho cheio de válvulas. Passava o dia inteiro procurando e trocando válvulas queimadas.

Figura 1.1 - Uma parte do computador ENIAC (1939).

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Uma grande melhoria em todos os aparelhos eletrônicos ocorreu após a invenção do transistor. Esses pequenos componentes serviam para substituir as válvulas, mas com muitas vantagens. Eram muito menores, consumiam menos corrente elétrica e duravam muitos anos. Tornou-se possível a construção de computadores de menor tamanho, mais rápidos, mais confiáveis e mais baratos. Com o advento do circuito integrado (1960) e do microprocessador (1970), a quantidade de inteligência que pode ser embutida em uma máquina a um custo razoável se tornou enorme. O número de tarefas complexas que podem ser feitas automaticamente cresceu várias vezes. Atualmente, pode-se dedicar ao computador pessoal (CP) para fazer tarefas simples e complicadas, de modo econômico. A automação pode reduzir a mão de obra empregada, porém ela também e ainda requer operadores. Em vez de fazer a tarefa diretamente, o operador controla a máquina que faz a tarefa. Assim, a dona de casa deve aprender a carregar a máquina de lavar roupa ou louça e deve conhecer suas limitações. Operar a máquina de lavar roupa pode inicialmente parecer mais difícil que lavar a roupa diretamente.

Válvula eletrônicaTransistor Circuito Integrado Microprocessador

Figura 1.2 – Evolução da eletrônica.

Muitas pessoas pensam e temem que a automação significa perda de empregos, quando pode ocorrer o contrário. De fato, falta de automação coloca muita gente para trabalhar. Porém, estas empresas não podem competir economicamente com outras por causa de sua baixa produtividade devida à falta de automação e por isso elas são forçadas a demitir gente ou mesmo encerrar suas atividades. Assim, automação pode significar ganho e estabilidade do emprego, por causa do aumento da produtividade, eficiência e economia. Muitas aplicações de automação não envolvem a substituição de pessoas por que a função ainda não existia antes ou é impossível de ser feita manualmente. Pode-se economizar muito dinheiro anualmente monitorando e controlando a concentração de oxigênio dos gases queimados em caldeiras e garantindo um consumo mais eficiente de combustível. Pode se colocar um sistema automático para recuperar alguma substância de gases jogados para atmosfera, diminuindo os custos e evitando a poluição do ar ambiente.

1.2 - Automação industrial

A automação industrial está intimamente ligada à instrumentação. Os diferentes instrumentos são usados para realizar a automação. Historicamente, o primeiro termo usado foi o de controle automático de processo. Foram usados instrumentos com as funções de medir, transmitir, comparar e atuar no processo, para se conseguir um produto desejado com pequena ou nenhuma ajuda humana. Isto é controle automático. Com o aumento da complexidade dos processos, tamanho das plantas, exigências de produtividade, segurança e proteção do meio ambiente, além do controle automático do processo, apareceu a necessidade de monitorar o controle automático. A partir deste novo nível de instrumentos, com funções de monitoração, alarme e intertravamento, é que apareceu o termo automação.

Figura 1.3 – Planta industrial para processamento de petróleo bruto.

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A automação é também aplicada a processos discretos, onde há muita operação lógica de ligar e desligar e o controle seqüencial. O sistema de controle aplicado é o Controlador Lógico Programável (CLP). Assim: controle automático e automação podem ter o mesmo significado ou podem ser diferentes, onde o controle regulatório se aplica a processos contínuos e a automação se aplica a operações lógicas, seqüenciais de alarme e intertravamento.

1.3 - Automação e instrumentação

Na década de 1970, era clássica a comparação entre as instrumentações eletrônica e pneumática. Hoje, há a predominância da eletrônica microprocessada. Os sensores que medem o valor ou estado de variáveis importantes em um sistema de controle são as entradas do sistema, mas o coração do sistema é o controlador eletrônico microprocessado. Muitos sistemas de automação só se tornaram possíveis por causa dos recentes e grandes avanços na eletrônica. Sistemas de controle que não eram práticos por causa de custo há cinco anos atrás hoje se tornam obsoletos por causa do rápido avanço da tecnologia.

Instrumentação pneumáticaInstrumentação eletrônica Instrumentação microprocessada

Figura 1.4 – Tipos de instrumentação.

A chave do sucesso da automação é o uso da eletrônica microprocessada que pode fornecer sistemas eletrônicos programáveis. Por exemplo, a indústria aeronáutica constrói seus aviões comerciais em uma linha de montagem, mas personaliza o interior da cabine através de simples troca de um programa de computador. A indústria automobilística usa robôs para soldar pontos e fazer furos na estrutura do carro. A posição dos pontos de solda, o diâmetro e a profundidade dos furos e todas as outras especificações podem ser alteradas através da simples mudança do programa do computador. Como o programa do computador é armazenado em um chip de memória, a alteração de linhas do programa neste chip pode requerer somente alguns minutos. Mesmo quando se tem que reescrever o programa, o tempo e custo envolvidos são muitas vezes menores que o tempo e custo para alterar as ferramentas.

1.4 - Automação e controle

Os sistemas automatizados podem ser aplicados a uma simples máquina ou em toda indústria, como é o caso das industrias petroquímicas. A diferença está no número de elementos monitoras e controlados. Estes podem ser simples válvulas ou servomotores, cuja eletrônica de controle é bem complexa. De uma forma geral o processo de controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.5.

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