Automação industrial by Editora Baraúna SE Ltda

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

João Maurício Rosário

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

São Paulo 2009

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ _____________________________________________________________ R171a Rosário, João Mauricio Automação industrial / João Mauricio Rosário. - São Paulo : Baraúna, 2009. ISBN 978-85-7923-000-4 1. Automação industrial. I. Título. 09-0963.

CDD: 629.892 CDU: 681.5

05.03.09 06.03.09 011350 _____________________________________________________________ Impresso no Brasil Printed in Brazil DIREITOS CEDIDOS PARA ESTA EDIÇÃO À EDITORA BARAÚNA www.EditoraBarauna.com.br Rua João Cachoeira, 632, cj.11 CEP 04535-002 Itaim Bibi São Paulo SP Tel.: 11 3167.4261 www.editorabarauna.com.br

Sumário CAPÍTULO 1: Introdução à Automação . . . . . . . . 13 1.1 - Automação Industrial – Histórico . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2 – Áreas da Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 - Conceito de Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4 - O sistema Biológico x Tecnológico . . . . . . . . . . . . . . 25 1.5 - Tecnologia Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.6 - Integração da Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7 - Automação e Novas Tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.8 - Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

CAPÍTULO 2: Conceitos Básicos de Automação . . 33 2.1 – Automação Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2 – Sistemas de Controle Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 - Principais Elementos de um Sistema de Controle Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4 - Conceito de Prototipagem Rápida em Automação . . 62 2.5 - Robótica Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.6 - Controlador Programável (CLP) . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.7 – Controle Numérico (CNC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.8 – Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

CAPÍTULO 3: Sistemas Automatizados de Produção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.2 - Panorama da Indústria Eletroeletrônica . . . . . . . . . . 96 3.3 - Descrição de Sistemas Automatizados . . . . . . . . . . 116 3.4 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.5 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

CAPÍTULO 4: Integração de Sistemas Automatizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.1 – Sistemas Produtivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.2 – Contexto da Automação no Brasil . . . . . . . . . . . . . 130 4.3 – Sistemas Automatizados – Conceitos e Definições . 131 4.4 – Elementos de um Sistema Automatizado . . . . . . . . 136 4.5 – Norma Internacional IEC 61131-3 . . . . . . . . . . . . 142 4.6 - Grafo de Comando Etapa e Transição - GRAFCET 150 4.7 - Algumas Propriedades do GRAFCET . . . . . . . . . . 164 4.8 – Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

CAPÍTULO 5: Controladores Programáveis Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.1 – Descrição de um CLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.2 - Linguagem de Programação de CLPs . . . . . . . . . . . 185 5.3 - Exemplos de Utilização de Funções em uma CLP . 190 5.4 - Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.5 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

CAPÍTULO 6: Sistemas de Supervisão em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.1 – Sistemas de Monitoramento e Controle. . . . . . . . . 199 6.2 - Sistema SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 6.3 – Principais Características de um sistema SCADA . 205 6.4 – Sistema Supervisório Industrial . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.5 – Principais Funcionalidades de um Sistema Supervisório Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 6.6 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.7 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

CAPÍTULO 7: Redes de Comunicação em Automação Industrial - Aplicações do Fieldbus . . . . . . . . . 227 7.1 – Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.2 – Sistemas Concentrados e Distribuídos . . . . . . . . . . 232 7.3 – Conceitos Básicos de Redes de Comunicação em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

7.4 – Estações de Monitoramento SCADA . . . . . . . . . . 242 7.5 – Aplicações de Redes de Comunicação . . . . . . . . . . 250 7.6 – Tecnologias de comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 7.7 – Redes de Comunicação FieldBusTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 7.8 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 7.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

CAPÍTULO 8: Plataforma Industrial para Pesquisa, Ensino, e Formação em Automação . . . . . . . . . . . 273 8.1 - Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 8.2 – Arquitetura Física e Sistema de Supervisão Cooperativo 279 8.3 - Metodologia Proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 8.4 - Descrição da Plataforma PIPEFA . . . . . . . . . . . . . . 282 8.5 - Parte Operativa (chão de fábrica) . . . . . . . . . . . . . . 285 8.6 - Sistema de Supervisão Cooperativo . . . . . . . . . . . . 293 8.7 - Sistema de Gestão de Produção . . . . . . . . . . . . . . . 304 8.8 - Implementação de Rede Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . 309 8.9 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 8.10 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

CAPÍTULO 9: Redes de Petri na Modelagem e Análise da Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 9.1- Conceitos Básicos e Definições . . . . . . . . . . . . . . . . 331 9.2 - Elementos de uma RdP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 9.3 - Regras de Evolução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 9.4 - Utilização de RdP em Sistemas Discretos de Manufatura 336 9.5 - A Dinâmica do Sistema na RdP . . . . . . . . . . . . . . . 339 9.6 - Princípios de Modelagem de Sistemas . . . . . . . . . . 346 9.7 - Modelagem de Elementos de Manufatura . . . . . . . 350 9.8 - RdP Estendidas e Reduzidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 9.9 - Equivalência entre RdP e Grafcet . . . . . . . . . . . . . 360 9.10 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 9.11 – Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

CAPÍTULO 10: Planejamento da Produção de Sistemas de Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 10.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 10.2 - Sistema de Produção Discreta: Aspectos Conceituais380 10.3 - O Problema do Planejamento da Produção . . . . . 383 10.4 - Princípio de Operação das Práticas Industriais . . . 385 10.5 - Políticas de Estoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 10.6 - Métodos de Otimização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 10.7 - Integração de Práticas Industriais e Otimização . . 411 10.8 - Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 10.9 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 10.10 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

CAPÍTULO 11: Conceitos de Automação Predial 419 11.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 11.2 - Domótica – Tecnologias e Conceitos . . . . . . . . . . 424 11.3 - Sistema de Automação Doméstica . . . . . . . . . . . . 437 11.4 - Integração de Sistemas em Automação Predial . . . 455 11.5 - Elementos de Modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 11.6 – Exemplos Práticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 11.7 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 11.8 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

CAPÍTULO 12: Conceitos de Automação Comercial .489 12.1 – Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 12.2 - Principais Benefícios da Automação Comercial . . 494 12.3 - Cenário Atual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 12.4 - Principais Elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 12.5 - Principais Produtos Comerciais . . . . . . . . . . . . . . 499 12.6 - Soluções Comerciais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 12.6.1 - Automação de Lojas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 12.6.2 - Automação de Depósitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 12.7 - Principais Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 12.8 - Comparação entre diferentes modelos de integração em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 12.9 - Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

OBJETIVOS DESTE LIVRO Este conjunto de livros didáticos são frutos de um trabalho de aproximadamente 20 anos nas áreas de Mecatrônica, de Automação Industrial, de Robótica e de Controle e Instrumentação, consolidando-se a partir do oferecimento de um conjunto de disciplinas na área de Controle e Automação dentro do programa de Pós-graduação e de Graduação da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp. O texto contribui não somente para os profissionais da área de Engenharia, mas para todas as pessoas interessadas em conhecer e em se aprofundar nas áreas de Engenharia de Controle e Automação. O contexto apresentado nesta série é subdividido em quatro livros distintos: Automação Industrial, Robótica Industrial, Mecatrônica e Eletrônica para Automação, que podem ser utilizados separadamente. Eles apresentam uma abordagem sistêmica, mas de fácil compreensão, fornecendo aos leitores uma visão ampla do assunto, permitindo a formação de massa crítica em nível industrial ou acadêmico. O primeiro livro desta série é direcionado à formação básica em Automação Industrial, e introduz noções e conceitos fundamentais de Automação, Descrição de Sistemas Automatizados de Produção, Integração de Sistemas Automatizados, Controladores Programáveis Industriais, Sistemas Supervisórios e Redes de Comunicação, Ferramentas de Modelagem a partir da utilização do GRAFCET e Redes de Pétri, Planejamento da Manufatura, Conceitos de Automação Predial e Comercial. O segundo livro desta série é direcionado à formação básica em Eletrônica para Automação e está subdividido em duas partes. A primeira introduz noções e conceitos básicos de Circuitos Lógicos por meio da introdução a Sistemas de Numeração, Álgebra de Boole, Portas Lógicas e Circuitos Combinacionais e Sequenciais e simplificação pelo Método de Karnaugh, Contadores, Divisores e Circuitos Aritméticos, Circuitos Integrados. A segunda parte abrange a área de Dispositivos Lógicos Reprogramáveis e Sistemas Reconfiguráveis, finalizando com a área de 9

Prototipagem Rápida para Concepção de Sistemas Embarcados em Automação. O terceiro livro desta série é direcionado à área de Mecatrônica, e introduz noções e conceitos de Mecatrônica, Modelagem e Concepção de Sistemas Mecatrônicos, Automação e Integração, Sensores e Atuadores Industriais, Estudo e Técnicas de Controle, Eletrônica Reconfigurável e conceitos de Instrumentação Virtual, Prototipagem Rápida, finalizando com a área de Prototipagem Rápida para Concepção de Sistemas Mecatrônicos. O quarto livro desta série tem como objetivo introduzir elementos largamente utilizados dentro da área de Robótica Industrial, enfatizando aspectos construtivos, Modelagem Cinemática e Dinâmica, Geração de Trajetórias de Manipuladores, apresentação de softwares de simulação dinâmica e controle de manipuladores robóticos, robôs industriais com Estrutura Paralela e finalmente a parte de programação e de utilização de robôs com ênfase na programação on-line e off-line. São também apresentadas algumas tendências e aplicações especiais nesta área, como Teleoperação e Sistemas Robóticos Móveis, direcionando a aplicações industriais na área de Robótica. São apresentados e analisados exemplos de aplicações industriais reais, evidenciando conceitos e componentes descritos nos capítulos anteriores.

PREFÁCIO O mundo vem presenciando nos últimos anos enormes avanços na área tecnológica, em que os circuitos eletrônicos são cada vez mais rápidos e eficientes, com redução significativa de dimensões e de custos. Computadores e periféricos também se desenvolvem rapidamente, em um círculo virtuoso, com o desenvolvimento de computadores mais poderosos com capacidade de implementação de aplicações mais complexas que, por sua vez, exigem cada vez mais capacidade computacional. O desenvolvimento dos circuitos integrados possibilitou a produção em larga escala e a baixo custo de microprocessadores dedicados. Esses dispositivos eletrônicos estão presentes não apenas nos equipamentos industriais, como também nos automóveis, nas máquinas de lavar, nos sistemas de ar-condicionado, nos aparelhos de vídeo etc. Os sistemas mecânicos também sofreram profundas modificações conceituais com a incorporação da capacidade de processamento, tornando-os mais rápidos, eficientes e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Esses resultados vêm causando uma ampla revolução tecnológica na Engenharia e na sociedade em geral: quando são associados aos sistemas mecânicos é que se observa um maior impacto nos sistemas produtivos e no cotidiano das pessoas. Ao longo dos últimos anos é cada vez mais frequente a utilização de componentes eletrônicos (tais como sensores, atuadores eletromecânicos e circuitos de controle) para acionamento e para controle de sistemas mecânicos, dando origem à Mecatrônica, que pode ser definida como a integração concorrente de conhecimentos nas áreas de Mecânica, de Eletrônica e de Computação. Essa combinação tem possibilitado a simplificação dos sistemas mecânicos, a redução de custos e de tempo de desenvolvimento e a obtenção de produtos com elevado grau de flexibilidade e capacidade de adaptação a diferentes condições de operação. Os conceitos de Mecatrônica podem ser empregados em uma vasta gama de aplicações, entre elas as áreas de Automação Industrial, de Biocibernética e de Domótica. 11

A necessidade de atualização e de formação contínua nunca foi tão constante como nos últimos tempos. O conhecimento e o domínio de novas tecnologias são pré-requisitos para formação profissional em qualquer área, foco adotado no curso de Engenharia de Controle e Automação da Unicamp, cujo processo de implementação teve participação ativa deste autor. (Rosário, 2000) Estes livros didáticos enfocam as grandes áreas da área de Controle e Automação Industrial, apresentando exemplos de aplicação direcionados às áreas de Automação e de Robótica Industrial, de Biocibernética e de Automação Predial e Comercial, podendo ser estendidos a muitas outras áreas correlacionadas, fornecendo aos leitores uma introdução no assunto e um complemento à formação profissional. Não há pretensão de esgotar o assunto e nem sequer de trazer uma obra completa na área, o que, aliás, seria impossível de escrever, dadas a enorme diversidade de temas e a complexidade inerente a uma abordagem detalhada de todos esses assuntos. Dentro dessa perspectiva, existem capítulos introdutórios e de revisão que poderão ser usados nos primeiros anos de formação profissional e capítulos mais avançados, com aplicações direcionadas à indústria, que podem ser muito úteis para alunos de final de curso de Engenharia de pós-graduação e aos profissionais da área, como forma de complementar a sua formação, mas também de abrir horizontes e perspectivas futuras. É neste contexto que esta série de livros didáticos abordando a área de controle e automação industrial apresenta essas tecnologias no contexto de um sistema produtivo do futuro, em que os componentes não são meros dispositivos isolados, mas apresentam alguma inteligência, comunicando-se entre si, e estão inseridos em um contexto mais vasto denominado Indústria Digital.

CAPÍTULO 1 Introdução à Automação

Capítulo 1 Introdução à Automação Desde os tempos mais remotos, o homem vem tentando fazer com que utensílios e ferramentas substituamno no trabalho, sendo o seu maior sonho criar um autômato que realize todas as suas funções operárias. No fim da Idade Média, que é um período em que vemos grandes avanços nas áreas da Mecânica, da Física e da Química, é também a época em que se deu início ao pensamento da máquina para substituir o homem. Nos últimos anos, com a globalização, as indústrias passaram por grandes transformações, com o intuito de se tornarem mais competitivas. Foi necessária a modernização de seus parques industriais, visando à competitividade de seus produtos, por meio do aumento da qualidade, redução de custos e preços mais acessíveis, dando origem a um conjunto de técnicas e procedimentos designados de AUTOMAÇÃO. A modernização das fábricas surge com o intuito de adaptação às exigências e competitividade do mercado. Podemos dizer que a automação num processo produtivo, tem a finalidade de facilitar esses processos, acarretando na realização de sistemas otimizados capazes de produzir bens com menor custo, com maior quantidade, em menor tempo e com maior qualidade. Este capítulo apresenta inicialmente um breve histórico da automação industrial, mostrando também as bases e procedimentos metodológicos industriais necessários para a elaboração de projetos em automação, e pesquisa e formação na área de integração de sistemas.

1.1 - Automação Industrial – Histórico A introdução das primeiras formas de automação deu-se nas indústrias de processo, por meio do desenvolvimento de equipamentos de controle e de medição elétrica e pneumática. Porém, a palavra automação ganhou relevância com o surgimento da máquina de comando numérico em 1949/50. Criada com capacidade para realizar certas operações previamente programadas sem a intervenção direta de um operador, essa máquina abriu perspectivas para mudanças profundas na produção industrial. As primeiras máquinas automáticas eram constituídas por sistemas de comando formados por circuitos com válvulas eletrônicas a vácuo e outros componentes, ligados por fios elétricos. A evolução tecnológica de materiais e de componentes agilizaram o avanço das máquinas automáticas de controle numérico. Esses componentes e válvulas foram substituídos por transistores e, os fios, por placas de circuitos integrados. Entretanto, a ligação do sistema de comando continuava sendo feita de forma rígida, por meio de fiação com a máquina. O passo seguinte foi a substituição de todo esse sistema pelo computador, chegando-se ao CNC, versátil, sofisticado e revolucionário nas suas aplicações. O Comando Numérico Computadorizado (CNC) pode ser definido como o uso do computador para comandar o caminho da ferramenta cortante de uma máquina operatriz, tendo com isso uma alta precisão no produto final e alta repetibilidade com um mesmo programa, podendo-se ainda associar o comando CNC diretamente com o CAD – Projeto Assistido por Computador – permitindo realizar o produto diretamente a partir do projeto. Essas máquinas não foram recebidas com entusiasmo, devido principalmente ao alto custo, à fragilidade das primeiras unidades, que exigiam permanente e custosa manutenção, e ao desempenho das máquinas universais considerado satisfatório para a pequena e para a média empresa. Essa visão e esse comportamento não duraram, tendo em vista a evolução das máquinas CNC, que assumiram características próprias. O seu desempenho incluía possibilidade de 17

mudanças de operações conforme o programa, troca automática de ferramenta e outros acessórios, capacidade de executar tarefas recebidas através de linhas de transmissão e armazenar as informações. A flexibilidade das máquinas e a comunicação estabelecida entre elas criaram um sistema de produção altamente integrado. Embora essas máquinas tenham as mesmas finalidades das máquinas universais, os procedimentos de trabalho da máquina CNC propiciaram ganho de produtividade por conta da redução de tempo e da melhoria da qualidade, suprimindo ou reduzindo trabalhos anteriormente necessários para a preparação e o posicionamento da ferramenta e da peça, bem como paradas intermediárias para medições ou para comparações.

1.2 – Áreas da Automação O conceito de automação é constantemente confundido com o de automatização. O conceito de automatização está ligado à realização de movimentos automáticos, repetitivos e mecânicos, sendo, portanto, sinônimo de mecanização, e mecanismo implica ação cega, sem correção. Já a automação possui um conceito de conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações recebidas, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada, ou seja, um sistema de automação comporta-se como o operador humano, utilizando as informações sensoriais. Ele pensa e executa a ação mais apropriada. Na automação existe uma autoadaptação a diferentes condições, de modo que as ações do sistema de maquinismos conduzam a resultados ótimos. A automação está ligada à utilização de sistemas automáticos. Pode-se definir ainda a automação como sendo um sistema que tende a aumentar a eficiência de um determinado processo. A automação industrial na maioria das vezes processase da seguinte maneira: um computador recebe os sinais provenientes dos vários instrumentos de medidas da fábrica, compara tais medidas com os valores ideais e realiza operações matemáti18

cas com a finalidade de gerar sinais de correção, que instruirão os dispositivos de controle acerca da alteração mais apropriada para cada instante, com o intuito de conduzir a uma produção ótima sob um determinado ponto de vista, seja ele qualitativo ou quantitativo. Com isso, a automação industrial pode ser dividida em três classes: a rígida, a flexível e a programável. (Rosario, 2005) • A automação fixa é utilizada quando o volume de produção é elevado; nesta forma, a linha de produção é composta de diversas máquinas de Comando Numérico - CN, chamadas estações de trabalho. Nessas estações é realizado um conjunto de operações e, à medida que são terminadas, as peças são transferidas a outras estações. Dessa forma a produção possui uma linha de produção fixa, voltada apenas para a concepção de um determinado tipo de produto. • A automação flexível é utilizada para um volume de produção média, decorrente da maior interação da área de engenharia mecânica com tecnológicas eletrônicas embarcadas e sistemas de informação. Nesta forma, a automação, aliada à flexibilidade, possibilita que sejam fabricados diversos produtos ao mesmo tempo, utilizando-se o mesmo sistema de produção. • A automação programável é utilizada para um volume de produção relativamente baixo e diversificado, ou seja, a produção é efetuada em pequenos lotes. Nesta forma de produção os equipamentos devem ser reprogramados a cada novo lote. Os países em desenvolvimento confrontam-se com o desafio da modernização de suas estruturas de produção e da reestruturação dos processos de gestão. O binômio inovação tecnológica-competitividade passou a ter importância estratégica para a participação no mercado internacional. Os fatores determinantes da competitividade estão sendo redefinidos, fazendo sucumbir os incapazes de se adaptarem ao novo contexto e emergir novas empresas com base tecnológica. 19

Não é mais novidade para o empresário ou para o executivo bem informado que este é um tempo de mudanças aceleradas, sem precedentes na história da civilização. O mundo evolui de forma vertiginosa. Diariamente deparamos com uma alteração parcial ou total das condições de uma situação em nível micro ou macro; a mudança é rápida e crescente e altera de alguma maneira uma realidade preexistente [Iorio, 2002]. Desde os anos 80 a progressão de vários fenômenos novos envolvendo uma dimensão que ultrapassa as fronteiras nacionais deu origem a uma série de interpretações acadêmicas. Estamos em uma nova fase do desenvolvimento, caracterizada pelo predomínio da dimensão que ultrapassa o quadro nacional e que vai além da dimensão internacional tradicional. No século XVIII foi a máquina a vapor; no fim do século XX os propulsores da nova revolução do desenvolvimento foram e continuam sendo a tecnologia (Informática, o aperfeiçoamento dos transportes e das comunicações) e a globalização, um dos fatores marcantes da economia mundial [Iorio, 2002]. Não é por acaso que o boom da Internet dá-se justamente no momento histórico em que as fronteiras entre os Estados e os mercados estão se diluindo, e a tecnologia, em todas as áreas, mas principalmente na Comunicação e na Informação, é forte alavancador de mudanças. Investimentos em tecnologia privilegiam a inovação como vantagem competitiva. As estratégias empresariais são definidas a partir da identificação de oportunidade e a competição é fundamental em vantagens desenvolvidas em centros de pesquisa, em que os custos do processo e a cadeia produtiva passam a ter um papel relevante. Dessa forma os investimentos em P&D&I passam a fazer parte da nova agenda das empresas. Todos os aspectos da vida humana estão sendo revistos e repensados, e em uma velocidade muito grande. Nada será como antes: desde a religião, com o avanço das novas seitas, passando pela filosofia, sob a influência do maior contato com o Oriente; pela família e pelo comportamento das novas gerações; pelo consumo, diante das pressões ecológicas e da maior consciência dos direitos, até o ambiente empresarial, em que a tradicional 20

estrutura hierárquica está passando por uma profunda revisão. Estes fatores de mudança são fortes como mostram estudos de impacto realizados por importantes consultores de mercado, como T. Peters, P. Senge e M. Porter, por exemplo, e através de experiências práticas de empresas como GM, Toyota, VW, 3M, GE e Boeing, entre outras (Iório, 2002). A competição é tão acirrada hoje que as empresas de maior visão já perceberam que a verdadeira corrida, aquela que vale a pena ser disputada, está no futuro e não mais no presente. Toda empresa, enquanto organismo vivo, segue um ciclo de nascimento, de juventude, de maturidade, de declínio e eventualmente de morte. Para evitar o declínio, a empresa precisa buscar permanentemente uma nova curva de ciclo, um salto transformacional que viabilize um novo ciclo de desenvolvimento, e um dos caminhos é a atualização tecnológica, a automação. A rápida globalização e a evolução da tecnologia afetaram a vida de todas as pessoas envolvidas com indústrias e com negócios, pelo menos na última metade do século XX. Tudo está mudado pelo mundo afora; as forças globalização e tecnologia revolucionaram o ambiente de cada indivíduo ou organização. Estamos caminhando na Era da Informação ou para sua transição, em que os elementos decisivos da vantagem competitiva não estão mais na posse, na detenção dos bens físicos. Pelo contrário, assentam-se de modo crescente na capacidade de gerar, de partilhar, de integrar e de orquestrar conhecimentos. De uma estratégia de conquista de posições preserváveis por longos períodos estamos evoluindo para uma estratégia de movimento, baseada na capacidade de antecipar tendências e de acompanhar rapidamente a sua evolução. O ciclo de vida dos produtos foi drasticamente reduzido e o ritmo de renovação é cada vez mais forte. Por isso hoje, para concorrer na Economia atual, não basta ter um bom produto. É indispensável interiorizar uma lógica de inovação estratégica na empresa que permita ser capaz de conceber, de adaptar ou de copiar criativamente novos produtos de forma continuada. As fronteiras das indústrias vão se reconfigurando. Não passa apenas por uma incorporação de serviço cada vez maior, 21

mas também pela crescente integração entre negócios tradicionalmente distintos, como distribuição de alimentos e serviços financeiros. Os espaços de competição e os respectivos atores são também diferentes; a concorrência internacionalizou-se. Nesse ambiente competitivo a capacidade de inovar tornou-se essencial: não inovar é ficar para trás. Se for verdade que a inovação tem riscos, o imobilismo tem muito maiores. Basta recordar exemplos conhecidos de empresas que pararam no tempo e que agora clamam por apoio para sustentar unidades industriais e postos de trabalho. Inovar é fazer coisas diferentes ou de outra maneira. É sair da rotina, é experimentar outras soluções ou mesmo formular outros problemas. É usar a criatividade para satisfazer necessidades não ou insuficientemente satisfeitas. Ao falar-se de inovação pensa-se em inovação tecnológica. E argumenta-se frequentemente que não conseguimos inovar porque não realizamos investimentos suficientes. Isso é verdade, mas é só uma parte. Nem sempre as inovações exigem desenvolvimentos tecnológicos efetuados no interior das empresas. Elas têm de dispor de uma capacidade básica de engenharia para integrar tecnologias disponíveis no mercado e para apresentar respostas criativas, como na aplicação da automação. A limitada capacidade tecnológica de muitas empresas nacionais é evidente. A atitude em face da inovação tecnológica é, em muitos casos, passiva, orientada pela preocupação de reproduzir o que outros fizeram, de imitar sem acrescentar algo. O ritmo de mudança e a Economia do conhecimento criam novos desafios. Na Economia globalizada, a criatividade e a flexibilidade contam mais do que o controle de ativos físicos. A capacidade de identificar novas necessidades e de lhes dar resposta é relevante, e uma indústria, ao atender a novas necessidades, terá com certeza que modificar e que modernizar seu método de produção e, sem dúvidas, um dos caminhos é a automação. Porém, a modernização não deve ser realizada com o sistema convencional mas, sim, com a aplicação da automação com redes de comunicação, tecnologias que vêm evoluindo com o 22

mercado da automação industrial. Entre os diversos tipos de redes podem-se destacar a rede Fieldbus, um barramento de comunicação digital para interligar os equipamentos de campo com o sistema de controle e sistemas Wireless e RFID. A aplicação da automação com rede Fieldbus não está acontecendo por acaso, mas em face das inúmeras vantagens que oferece.

1.3 - Conceito de Automação Automação é todo processo que realiza tarefas e atividades de forma autônoma ou que auxilia o homem em suas tarefas do dia-a-dia. As antigas rodas d´água, os pilões e os moinhos são considerados sistemas automatizados. Com o advento das máquinas, principalmente após a chegada da máquina a vapor, a automação estabeleceu-se dentro das indústrias e, como consequência imediata, a elevação da produtividade e da qualidade dos produtos e dos serviços. Ainda assim a automação era muito dependente do homem, pois havia máquinas automáticas espalhadas pelas fábricas, mas sem integração entre elas. Um conceito mais abrangente de automação pode ser definido como a integração de conhecimentos substituindo a observação, os esforços e as decisões humanas por dispositivos (mecânicos, elétricos e eletrônicos, entre outros) e softwares concebidos por meio de especificações funcionais e tecnológicas, com uso de metodologias. A Figura 1.1 ilustra esse conceito por meio da interdisciplinaridade de áreas afins, enquanto a Figura 1.2 ilustra os mesmos conceitos baseando-se em cinco elementos-chaves descritos como um pentágono da automação: Modelagem de Sistemas, Atuadores e Sensores, Sinais e Sistemas, Sistemas Lógicos, Computadores e Redes de Comunicação e finalmente Software e Sistemas de aquisição de dados.

Sistemas

Impõem o comportamento desejado ao sistema.

de Controle

Computação

Automação

Modelagem , análise e simulação .

Eletrônica

Diversas funções: Mecânica

Execução de algoritmos de controle .

- Processamento de sinais. - Controle analógico .

Parte ‘ física ‛ do sistema .

Figura 1.1: Conceito abrangente de Automação

Um conceito estendido de Automação está relacionado com seus diferentes níveis dentro de um processo automatizado. Esses níveis, ilustrados na Figura 1.3, podem ser classificados em: Nível 1: Chão de Fábrica, constituído de sensores e de atuadores industriais; Nível 2: Equipamentos e Máquinas Industriais; Nível 3: Gerenciamento: Servidores e Estações de Trabalho; Nível 4: Células Integradas de Automação da Manufatura; Nível 5: Controle de Processos Industriais e Nível 6: Gestão e Gerenciamento da Produção Industrial.

Figura 1.2: Extensão do Conceito de Automação por meio de cinco elementos-chaves

Figura 1.3: Níveis de Automação

1.4 - O sistema Biológico x Tecnológico Sob o aspecto funcional, os sistemas de automação industrial podem ser divididos de acordo com uma organização com seus vários níveis, que executam funções específicas no processo produtivo e, por conseguinte, estão associados a diferentes elementos. Os níveis também apresentam diferentes requisitos tecnológicos.

O sistemas automatizados, dependendo das necessidades das aplicações, podem formar um sistema de controle completo e complexo. Para uma fácil interpretação dos diversos níveis e dos elementos, podemos comparar o sistema técnico com o sistema biológico, o corpo humano, como exemplifica a figura 1.4. [Iorio, 2002]

Figura 1.4: Sistema biológico x Sistema Tecnológico (Fonte: Iorio, 2002) Sistema Biológico Cérebro Conhecimento Órgãos dos sentidos Membros inferiores e superiores Sistema nervoso central Alimentação Sistema sangüíneo Esqueleto

Sistema Tecnológico Computador, CLP. Software. Sensores. Atuadores, cilindros, garras. Rede de comunicação, transmissão de dados. Energia do sistema, ar, eletricidade, óleo. Condutores de energia, tubos, fiação. Estrutura mecânica.

Em face do que foi citado anteriormente, tem-se a certeza de que a aplicação da automação com redes de comunicação é um processo irreversível para a modernização industrial, justificando, assim, o desenvolvimento de um trabalho de pesquisa direcionado à utilização de redes de comunicação em automação industrial.

1.5 - Tecnologia Fieldbus O Fieldbus é uma revolução tecnológica que não somente substitui o sistema analógico 4-20 mA por um digital mas também interliga o chão de fábrica e a sala de controle (figura 1.5). A tecnologia Fieldbus é responsável pelos seguintes impactos no meio produtivo: • Instalação: a atual conexão física, ponto-a-ponto, entre equipamentos, é substituída pelas conexões multiponto entre diversos equipamentos em um mesmo par de fios, com consequente redução de cabos, de bandejas, de borneiras e de tempo de mão-de-obra. • Concepção: os custos de engenharia serão reduzidos e os atuais procedimentos serão completamente mudados. • Impacto na Operação: os equipamentos de campo serão capazes de fornecer muito mais informação do que eles fornecem hoje. Como o sinal digital é menos sensível a ruído, a qualidade da informação também é melhor. • Comissionamento e Manutenção: os equipamentos de campo poderão indicar falhas em tempo real, assim como indicar diagnóstico preventivo, e o comissionamento da instalação, start-up, é feito em menor tempo.