Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 by Grupo Lidel

9cm

26,8mm

Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 pretende introduzir os principais temas ligados à automação industrial e refletir, ao mesmo tempo, o tremendo desenvolvimento ocorrido na indústria, sobretudo na última década deste século. Esta evolução não resultou apenas de avanços tecnológicos nos equipamentos, mas também de uma mudança de paradigma a que se chamou indústria 4.0. É costume dizer-se que os controladores são o cérebro dos sistemas automáticos e os sensores os olhos e os ouvidos dos mesmos. Podemos acrescentar que as redes de comunicação são os nervos que permitem conectar tudo, não só os elementos diretamente envolvidos, mas todos aqueles que detenham informação que contribua para que o cérebro possa tomar as decisões mais adequadas a cada momento. Finalmente, a todo este corpo gigantesco é preciso acrescentar os braços e as pernas, ou seja, os agentes de movimento, quer de translação quer de rotação, que se pretendem cada vez mais precisos. No desempenho ótimo de todo este sistema, é necessário ter sempre em conta a eficiência energética e o não desperdício de recursos e matérias-primas. Este livro desenvolve todos estes tópicos. Na sua última parte ainda trata do problema da modelação, subjacente à descrição dos sistemas automáticos, tratando com detalhe o GRAFCET e introduzindo as redes de Petri. Esta obra, pelo seu carácter generalista na área da automação industrial e que, nalguns casos, como nas comunicações industriais e sensores, tem um âmbito muito mais alargado, constitui com toda a certeza um forte contributo na formação profissional e universitária de formandos provenientes de diferentes áreas, como eletrotecnia, mecânica ou informática industrial, trabalhando não só na indústria, mas também no processo de digitalização das cidades e, genericamente, na Internet das Coisas. J.R. Caldas Pinto – Professor Associado com Agregação Aposentado no Instituto Superior Técnico, no departamento de Engenharia Mecânica, área científica de Controlo, Automação e Informática Industrial. Durante grande parte da sua carreira de ensino e investigação, de mais de 40 anos, dedicou-se ao ensino de Automação Industrial, Controlo de Sistemas e Visão Industrial, nos cursos de Engenharia Mecânica e de Engenharia Informática e de Computadores no Instituto Superior Técnico e na Academia Militar.

J.R. Caldas Pinto

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9 789897 526046

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ISBN 978-989-752-604-6

TECNOLOGIAS DE AUTOMAÇÃO NA INDÚSTRIA 4.0

A coleção de referência em português.

16,7cm X 24cm

TECNOLOGIAS ÇÃ DE AUTOMACAO NA INDUSTRIA 4.0 Ú J.R. Caldas Pinto

9cm

"O lançamento deste novo livro Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 é um marco importante na evolução do ensino da teoria e da prática da automação em Engenharia. (...)" João M. C. Sousa, Professor Catedrático do IST, in Prefácio

Conteúdos abordados: Parte I Tecnologias da Automação Princípios e elementos da automação industrial nas diferentes revoluções industriais. Pilares da 4.ª Revolução Industrial e da indústria 4.0 Introdução aos princípios das comunicações e protocolos industriais para redes com e sem fios Sensores industriais Controladores industriais, interfaces homem/máquina e sistemas de supervisão Parte II Geração e Controlo do Movimento Sistemas pneumáticos Sistemas hidráulicos Sistemas elétricos Parte III Modelação de Sistemas GRAFCET Redes de Petri

No Anexo, é incluída uma introdução à álgebra de Boole, para cobrir eventuais lacunas numa área que é de conhecimento obrigatório em automação industrial.

Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 J. R. Caldas Pinto

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EDIÇÃO E DISTRIBUIÇÃO Lidel – Edições Técnicas, Lda. Rua D. Estefânia, 183, r/c Dto – 1049-057 Lisboa Tel.: +351 213 511 448 lidel@lidel.pt Projetos de edição: editoriais@lidel.pt www.lidel.pt LIVRARIA Av. Praia da Vitória, 14 A – 1000-247 Lisboa Tel.: +351 213 541 418 livraria@lidel.pt Copyright © 2021, Lidel – Edições Técnicas, Lda. ISBN edição impressa: 978-989-752-604-6 1.ª edição impressa: maio de 2021 Paginação: Carlos Mendes Impressão e acabamento: Tipografia Lousanense, Lda. – Lousã Dep. Legal: n.º 483869/21 Capa: José Manuel Reis Foto da capa: © EpStudio20 Todos os nossos livros passam por um rigoroso controlo de qualidade, no entanto aconselhamos a consulta periódica do nosso site (www.lidel.pt) para fazer o download de eventuais correções. Não nos responsabilizamos por desatualizações das hiperligações presentes nesta obra, que foram verificadas à data de publicação da mesma. Os nomes comerciais referenciados neste livro têm patente registada. Reservados todos os direitos. Esta publicação não pode ser reproduzida, nem transmitida, no todo ou em parte, por qualquer processo eletrónico, mecânico, fotocópia, digitalização, gravação, sistema de armazenamento e disponibilização de informação, sítio Web, blogue ou outros, sem prévia autorização escrita da Editora, exceto o permitido pelo CDADC, em termos de cópia privada pela AGECOP – Associação para a Gestão da Cópia Privada, através do pagamento das respetivas taxas.

Índice Geral Sobre o Autor............................................................................................................................... XV Agradecimentos........................................................................................................................... XVI Prefácio........................................................................................................................................ XVII Nota Prévia.................................................................................................................................. XIX Siglas/Abreviaturas...................................................................................................................... XXIII PARTE I

Tecnologias da Automação........................................................................................ 1

Capítulo 1 Introdução................................................................................................................. 3 1.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 3 1.2 Da pré-história à 3.ª Revolução Industrial............................................................................................................. 4 1.2.1 Automação na 1.ª Revolução Industrial...................................................................................................... 4 1.2.2 Automação na 2.ª Revolução Industrial...................................................................................................... 5 1.3 Automação na 3.ª Revolução Industrial................................................................................................................ 7 1.4 Automação na 4.ª Revolução Industrial................................................................................................................ 9 1.4.1 Introdução.................................................................................................................................................... 9 1.4.2 Principais pilares da indústria 4.0............................................................................................................... 10 1.4.2.1 Redes de comunicação e Internet das Coisas................................................................................ 10 1.4.2.2 Sistemas ciberfísicos...................................................................................................................... 11 1.4.2.3 Cloud, fog e computação de fronteira............................................................................................ 11 1.4.2.4 Inteligência artificial, aprendizagem automática e analítica........................................................ 12 1.4.2.5 Cibersegurança.............................................................................................................................. 13 1.4.2.6 Fábricas digitais gémeas................................................................................................................ 13 1.4.2.7 Realidade virtual e aumentada..................................................................................................... 13 1.4.3 Desafios e vantagens da indústria 4.0........................................................................................................ 14 1.5 Elementos da automação industrial...................................................................................................................... 15 1.5.1 Introdução.................................................................................................................................................... 15 1.5.2 Elementos da automação até à indústria 3.0............................................................................................. 15 1.5.3 Elementos da automação na indústria 3.0................................................................................................. 16 1.5.3.1 Tapetes rolantes............................................................................................................................. 16 1.5.3.2 Veículos guiados automaticamente.............................................................................................. 16 1.5.3.3 Robôs............................................................................................................................................. 18 1.5.3.4 Armazéns automáticos.................................................................................................................. 21 1.5.4 Elementos da automação na indústria 4.0................................................................................................. 23 1.5.4.1 Tapetes rolantes............................................................................................................................. 24 1.5.4.2 Veículos guiados automaticamente (AGV)................................................................................... 24 1.5.4.3 Robôs............................................................................................................................................. 25 1.5.4.4 Manufatura aditiva e impressoras 3D........................................................................................... 26

IV Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 1.5.4.5 Drones............................................................................................................................................. 27 1.5.4.6 Armazéns automáticos.................................................................................................................. 27 1.6 Perspetivas de futuro............................................................................................................................................. 28 1.7 Resumo.................................................................................................................................................................. 29 1.8 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 29 2.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 31 2.2 Fundamentos das comunicações........................................................................................................................... 32 2.2.1 O processo de comunicar............................................................................................................................ 32 2.2.2 Transmissão da informação......................................................................................................................... 34 2.2.2.1 Tecnologias cabladas..................................................................................................................... 34 2.2.2.2 Tecnologia sem fios....................................................................................................................... 35 2.2.3 Internetworking e Internet........................................................................................................................... 36 2.2.3.1 Redes locais (LAN)......................................................................................................................... 37 2.2.3.2 Redes globais (WLAN).................................................................................................................. 39 2.2.3.3 Equipamentos envolvidos nas redes............................................................................................. 41 2.3 Protocolos de comunicação................................................................................................................................... 43 2.3.1 Arquitetura................................................................................................................................................... 43 2.3.2 Modelo TCP/IP............................................................................................................................................. 44 2.3.2.1 Camada 5: aplicação...................................................................................................................... 44 2.3.2.2 Camada 4: transporte.................................................................................................................... 45 2.3.2.3 Camada 3: rede.............................................................................................................................. 46 2.3.2.4 Camada 2: camada de ligação de dados....................................................................................... 46 2.3.2.5 Camada 1: camada física............................................................................................................... 46 2.3.3 Modelo OSI.................................................................................................................................................. 46 2.3.3.1 Camada 6: apresentação............................................................................................................... 47 2.3.3.2 Camada 5: sessão........................................................................................................................... 48 2.3.4 Modelos de diálogo entre equipamentos terminais.................................................................................. 48 2.3.4.1 Solicitação/resposta....................................................................................................................... 48 2.3.4.2 Publicação/subscrição................................................................................................................... 49 2.3.4.3 Peer-to-peer................................................................................................................................... 50 2.3.4.4 Comparação dos protocolos HTTP e MQTT................................................................................... 50 2.4 História, caracterização e topologia das redes industriais..................................................................................... 52 2.4.1 Um pouco de história.................................................................................................................................. 52 2.4.2 Especificações de uma rede de industrial................................................................................................... 53 2.4.3 Topologia de redes....................................................................................................................................... 55 2.4.3.1 Topologia em linha........................................................................................................................ 55 2.4.3.2 Topologia em anel (ring topology)................................................................................................ 56 2.4.3.3 Topologia em estrela (star topology)............................................................................................. 56 2.4.3.4 Topologia em árvore (tree topology)............................................................................................. 57 2.4.3.5 Topologia híbrida........................................................................................................................... 58 2.4.3.6 Topologia em malha (mesh)......................................................................................................... 58

Capítulo 2 Comunicações Industriais.......................................................................................... 31

Índice Geral V

2.5 Comunicação entre sensores, atuadores e controladores..................................................................................... 59 2.5.1 Comunicação analógica.............................................................................................................................. 59 2.5.2 Comunicação analógica/digital: protocolo HART....................................................................................... 60 2.5.2.1 Comunicador HART........................................................................................................................ 61 2.5.3 Comunicação digital cablada...................................................................................................................... 62 2.5.3.1 Ligações AS-I................................................................................................................................. 62 2.5.3.2 Ligações IO-Link............................................................................................................................ 63 2.5.3.3 Ligações com outros tipos de rede................................................................................................ 64 2.5.4 Comunicação sem fios................................................................................................................................. 65 2.5.4.1 Comunicações a grande distância................................................................................................. 65 2.5.4.2 Comunicações a distâncias curtas................................................................................................. 67 2.6 Comunicação nos níveis de controlo e supervisão................................................................................................ 71 2.6.1 Introdução.................................................................................................................................................... 71 2.6.2 Redes baseadas no protocolo RS-485........................................................................................................ 71 2.6.2.1 Modbus ASCII e RTU...................................................................................................................... 72 2.6.2.2 PROFIBUS....................................................................................................................................... 72 2.6.2.3 Protocolo CC-Link .......................................................................................................................... 73 2.6.3 Redes baseadas no protocolo CAN.............................................................................................................. 74 2.6.3.1 CANopen........................................................................................................................................ 74 2.6.3.2 DeviceNET e CIP............................................................................................................................. 75 2.6.4 Redes baseadas em Ethernet....................................................................................................................... 75 2.6.4.1 Introdução...................................................................................................................................... 75 2.6.4.2 Modbus TCP/IP............................................................................................................................... 76 2.6.4.3 EtherCAT......................................................................................................................................... 76 2.6.4.4 Ethernet /IP ................................................................................................................................... 77 2.6.4.5 PROFINET....................................................................................................................................... 77 2.6.4.6 SERCOS III....................................................................................................................................... 78 2.6.4.7 ETHERNET Powerlink..................................................................................................................... 78 2.6.4.8 CC-Link IE....................................................................................................................................... 79 2.6.5 Outros protocolos........................................................................................................................................ 79 2.6.5.1 SERCOS.......................................................................................................................................... 79 2.6.5.2 Foundation Fieldbus H1................................................................................................................. 79 2.7 Comunicação entre todos os níveis de automação............................................................................................... 79 2.7.1 OPC UA......................................................................................................................................................... 80 2.7.2 OPC UA over TSN.......................................................................................................................................... 81 2.8 Resumo.................................................................................................................................................................. 83 2.9 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 85

Capítulo 3 Sensores Industriais................................................................................................... 89 3.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 89 3.2 Considerações gerais sobre sensores..................................................................................................................... 89 3.2.1 Sensores analógicos e digitais..................................................................................................................... 89 3.2.1.1 Sensores tipo interruptor e analógicos.......................................................................................... 90

VI Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 3.2.1.2 Sensores digitais............................................................................................................................ 91 3.2.2 Ligação dos sensores aos controladores..................................................................................................... 91 3.2.3 Sensores inteligentes................................................................................................................................... 91 3.3 Sensores tipo interruptor....................................................................................................................................... 92 3.3.1 Sensores de presença.................................................................................................................................. 92 3.3.1.1 Sensores de contacto..................................................................................................................... 92 3.3.1.2 Sensores de proximidade............................................................................................................... 92 3.3.2 Sensores de segurança................................................................................................................................ 99 3.3.2.1 Tiras de comutação........................................................................................................................ 100 3.3.2.2 Barreiras de luz............................................................................................................................... 100 3.3.2.3 Cortinas e grelhas de luz................................................................................................................ 100 3.3.2.4 Scanner laser de segurança........................................................................................................... 101 3.4 Sensores analógicos............................................................................................................................................... 101 3.4.1 Sensores de posição.................................................................................................................................... 102 3.4.1.1 Sensores para distâncias curtas..................................................................................................... 102 3.4.1.2 Sensores para distâncias grandes.................................................................................................. 102 3.4.2 Encoders....................................................................................................................................................... 104 3.4.2.1 Encoders rotativos.......................................................................................................................... 104 3.4.2.2 Encoders lineares............................................................................................................................ 105 3.5 Sistemas de identificação digital........................................................................................................................... 106 3.5.1 Códigos de barras e matricial...................................................................................................................... 106 3.5.2 Etiquetas RFID.............................................................................................................................................. 107 3.5.3 Etiquetas bluetooth...................................................................................................................................... 108 3.5.4 Etiquetas NFC............................................................................................................................................... 108 3.6 Resumo.................................................................................................................................................................. 109 3.7 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 109 4.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 111 4.2 Autómatos programáveis ...................................................................................................................................... 113 4.2.1 Evolução histórica........................................................................................................................................ 113 4.2.2 Constituição de um PLC............................................................................................................................... 115 4.2.2.1 Base de um PLC.............................................................................................................................. 115 4.2.2.2 Unidade de processamento central............................................................................................... 116 4.2.2.3 Módulos de interface..................................................................................................................... 118 4.2.3 Tipos de PLC................................................................................................................................................. 123 4.2.3.1 Autómatos de gama alta............................................................................................................... 123 4.2.3.2 Autómatos de gama média........................................................................................................... 123 4.2.3.3 Autómatos de gama baixa............................................................................................................ 123 4.3 Outros controladores industriais............................................................................................................................ 124 4.3.1 Arduino e Raspeberry Pi.............................................................................................................................. 125 4.3.2 Remote terminal unit................................................................................................................................... 126 4.3.3 Computadores pessoais industriais............................................................................................................. 127

Capítulo 4 Unidades de Controlo e Supervisão........................................................................... 111

Índice Geral VII 4.3.4 Controladores de automação programáveis............................................................................................... 127 4.3.5 Controlo distribuído..................................................................................................................................... 128 4.4 Linguagens de programação................................................................................................................................. 129 4.4.1 Linguagens baseadas em texto.................................................................................................................. 131 4.4.1.1 Lista de instruções......................................................................................................................... 131 4.4.1.2 Texto estruturado........................................................................................................................... 132 4.4.1.3 Outras linguagens baseadas em texto.......................................................................................... 133 4.4.2 Linguagens gráficas.................................................................................................................................... 133 4.4.2.1 Diagrama de contactos e blocos funcionais.................................................................................. 133 4.4.2.2 Diagrama sequencial..................................................................................................................... 134 4.4.3 Outras funcionalidades de software............................................................................................................ 134 4.4.3.1 Troca de módulos e edição de novos programas em tempo real................................................. 134 4.4.3.2 Autodescoberta.............................................................................................................................. 135 4.4.3.3 Visualização de dados e histogramas............................................................................................ 135 4.4.3.4 Segurança...................................................................................................................................... 135 4.4.3.5 Pesquisa de variáveis e referência cruzada. Ferramentas de debug............................................. 135 4.4.3.6 Ficheiros de ajuda.......................................................................................................................... 135 4.5 Interfaces humano/máquina e sistemas de supervisão....................................................................................... 135 4.5.1 HMI.............................................................................................................................................................. 136 4.5.1.1 HMI para computadores................................................................................................................ 136 4.5.1.2 HMI para máquinas industriais..................................................................................................... 137 4.5.1.3 HMI em domótica e veículos móveis............................................................................................ 138 4.5.2 Sistemas SCADA.......................................................................................................................................... 138 4.5.3 SCADA/HMI................................................................................................................................................. 139 4.6 Pacotes de software para automação.................................................................................................................... 140 4.7 Resumo.................................................................................................................................................................. 141 4.8 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 141

PARTE II

Geração e Controlo do Movimento............................................................................. 145

Capítulo 5 Sistemas Pneumáticos............................................................................................... 147 5.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 147 5.2 Produção de energia pneumática.......................................................................................................................... 147 5.2.1 Introdução.................................................................................................................................................... 147 5.2.2 Compressores............................................................................................................................................... 149 5.2.2.1 Compressores volumétricos e bombas de vácuo.......................................................................... 151 5.2.2.2 Compressores dinâmicos............................................................................................................... 156 5.2.3 Reservatórios de ar comprimido................................................................................................................. 158 5.2.4 Distribuição do ar comprimido................................................................................................................... 159 5.2.5 Válvulas reguladoras de pressão................................................................................................................. 159 5.2.6 Válvulas reguladoras de caudal................................................................................................................... 160 5.2.7 Eficiência energética das unidades pneumáticas....................................................................................... 161 5.2.7.1 Otimização do processo de compressão....................................................................................... 161

5.2.7.2 Otimização no dimensionamento dos componentes................................................................... 161 5.2.7.3 Otimização da pressão................................................................................................................... 161 5.2.7.4 Redução da pressão no sentido do movimento que não executa trabalho................................. 161 5.2.7.5 Minimização de fugas.................................................................................................................... 162 5.2.8 Representação simbólica............................................................................................................................. 162 5.3 Ventoinhas e sopradores........................................................................................................................................ 162 5.4 Atuadores pneumáticos......................................................................................................................................... 163 5.4.1 Cilindros pneumáticos................................................................................................................................. 163 5.4.1.1 Cilindros de simples efeito............................................................................................................. 165 5.4.1.2 Cilindros de duplo efeito................................................................................................................ 165 5.4.1.3 Montagem dos cilindros................................................................................................................ 167 5.4.1.4 Grandezas nominais...................................................................................................................... 168 5.4.1.5 Sensores utilizados com cilindros pneumáticos........................................................................... 169 5.4.2 Motores pneumáticos.................................................................................................................................. 172 5.4.2.1 Motor oscilante.............................................................................................................................. 173 5.4.2.2 Movimento circular contínuo........................................................................................................ 174 5.4.3 Cilindros de fole, garras e geradores de vácuo........................................................................................... 175 5.4.3.1 Cilindros de fole............................................................................................................................. 175 5.4.3.2 Garras pneumáticas....................................................................................................................... 176 5.4.3.3 Geradores de vácuo....................................................................................................................... 176 5.5 Válvulas.................................................................................................................................................................. 177 5.5.1 Válvulas direcionais..................................................................................................................................... 177 5.5.1.1 Caracterização, representação simbólica e designações............................................................... 178 5.5.2 Outras válvulas............................................................................................................................................ 182 5.5.2.1 Válvulas de bloqueio (retenção ou não retorno)........................................................................... 182 5.5.2.2 Válvula alternadora (tipo célula “OU").......................................................................................... 182 5.5.2.3 Válvula tipo célula “E”.................................................................................................................... 183 5.5.2.4 Válvulas de escape rápido............................................................................................................. 183 5.5.2.5 Válvulas de segurança................................................................................................................... 183 5.6 Outros sensores em instalações pneumáticas....................................................................................................... 184 5.6.1 Sensores de pressão e caudal...................................................................................................................... 184 5.6.2 Sensores de temperatura............................................................................................................................ 185 5.7 Circuitos pneumáticos típicos................................................................................................................................ 185 5.7.1 Circuitos envolvendo um cilindro................................................................................................................ 186 5.7.1.1 Controlo de um cilindro de simples efeito com duas válvulas 2/2 atuadas manualmente......... 186 5.7.1.2 Controlo de um cilindro de simples efeito conectado a uma válvula 3/2 de retorno por mola.. 186 5.7.1.3 Controlo de um cilindro de duplo efeito com válvulas para proteção das mãos......................... 187 5.7.2 Circuitos envolvendo mais de um cilindro em movimentos cíclicos.......................................................... 187 5.8 Circuitos de controlo para sistemas pneumáticos................................................................................................. 188 5.8.1 Ciclos típicos e sua representação............................................................................................................... 188 5.8.1.1 Representação vetorial................................................................................................................... 188 5.8.1.2 Diagrama de funcionamento........................................................................................................ 189 5.8.1.3 Sequenciador................................................................................................................................. 189

VIII Tecnologias de Automação na Indústria 4.0

Índice Geral IX 5.8.2 Comando pneumático de ciclos pneumáticos............................................................................................ 190 5.8.2.1 Equipamentos envolvidos e nomenclatura................................................................................... 190 5.8.2.2 Métodos ........................................................................................................................................ 191 5.8.3 Comando digital de ciclos pneumáticos..................................................................................................... 193 5.9 Uma unidade pneumática na indústria 4.0........................................................................................................... 193 5.10 Problemas típicos no projeto de uma instalação de ar comprimido.................................................................... 194 5.11 Resumo.................................................................................................................................................................. 196 5.12 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 196

Capítulo 6 Sistemas Hidráulicos................................................................................................. 199 6.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 199 6.2 Unidade de potência hidráulica............................................................................................................................. 201 6.2.1 Reservatório de líquido hidráulico.............................................................................................................. 202 6.2.1.1 Líquido hidráulico.......................................................................................................................... 202 6.2.1.2 Reservatório................................................................................................................................... 203 6.2.2 Filtros de óleo.............................................................................................................................................. 204 6.2.2.1 Filtro colocado no retorno do óleo ao depósito............................................................................ 205 6.2.2.2 Filtro colocado na zona de sucção................................................................................................. 205 6.2.2.3 Filtros colocados em troços com pressão...................................................................................... 206 6.2.2.4 Filtros colocados fora do circuito hidráulico.................................................................................. 206 6.2.2.5 Filtro de ar...................................................................................................................................... 206 6.2.3 Permutadores de calor................................................................................................................................ 207 6.2.4 Grupo motor bomba................................................................................................................................... 207 6.2.4.1 Motor............................................................................................................................................. 208 6.2.4.2 Bomba de pistões axiais................................................................................................................ 209 6.2.4.3 Bomba de pistões radiais............................................................................................................... 210 6.2.4.4 Bomba de engrenagens................................................................................................................ 211 6.2.4.5 Bombas de palhetas...................................................................................................................... 211 6.2.5 Outros componentes de uma HPU.............................................................................................................. 214 6.2.5.1 Aparelhos de medida..................................................................................................................... 214 6.2.5.2 Válvulas antirretorno...................................................................................................................... 215 6.2.5.3 Válvulas reguladoras de pressão................................................................................................... 216 6.2.5.4 Válvulas reguladoras de caudal..................................................................................................... 218 6.2.5.5 Válvulas ON/OFF............................................................................................................................ 218 6.2.5.6 Exemplos de utilização destas válvulas num circuito................................................................... 219 6.2.5.7 Acumuladores................................................................................................................................ 221 6.3 Atuadores hidráulicos............................................................................................................................................ 221 6.3.1 Motores hidráulicos..................................................................................................................................... 221 6.3.2 Cilindros hidráulicos.................................................................................................................................... 222 6.3.2.1 Tipos de cilindros........................................................................................................................... 222 6.3.2.2 Geometria e montagem dos cilindros........................................................................................... 223 6.3.3 Motor oscilante............................................................................................................................................ 224 6.3.4 Controlo do movimento dos atuadores hidráulicos.................................................................................... 225

X Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 6.4 Válvulas direcionais................................................................................................................................................ 226 6.4.1 Válvulas direcionais de três posições e quatro orifícios.............................................................................. 226 6.4.1.1 Condição de centro fechado.......................................................................................................... 227 6.4.1.2 Condição de centro aberto............................................................................................................. 227 6.4.1.3 Condição de centro em tandem.................................................................................................... 228 6.4.1.4 Condição de centro aberto negativo............................................................................................. 228 6.5 A hidráulica na indústria 4.0.................................................................................................................................. 228 6.5.1 HPU Inteligente........................................................................................................................................... 229 6.5.2 Servo-hidráulica.......................................................................................................................................... 229 6.5.3 Sensores....................................................................................................................................................... 230 6.5.3.1 Sensores para a monitorização da HPU......................................................................................... 230 6.5.3.2 Sensores para o controlo do movimento dos atuadores.............................................................. 231 6.5.4 Comunicações.............................................................................................................................................. 231 6.6 Problemas de hidráulica típicos............................................................................................................................. 231 6.7 Resumo .................................................................................................................................................................. 233 6.8 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 234 7.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 237 7.2 Introdução aos motores elétricos........................................................................................................................... 237 7.2.1 Motores de corrente contínua..................................................................................................................... 239 7.2.1.1 Motores de corrente contínua com escovas.................................................................................. 239 7.2.1.3 Equações básicas dos motores de corrente contínua.................................................................... 242 7.2.2 Motores de corrente alterna ....................................................................................................................... 242 7.2.2.1 Motores de corrente alterna de indução ou assíncronos.............................................................. 244 7.2.2.2 Motores síncronos.......................................................................................................................... 246 7.2.3 Motores universais....................................................................................................................................... 247 7.2.4 Equações básicas do dos motores de corrente alterna............................................................................... 247 7.2.4.1 Velocidade de rotação.................................................................................................................... 247 7.2.4.2 Potência.......................................................................................................................................... 248 7.2.4.3 Binário no veio motor.................................................................................................................... 248 7.3 Controlo do movimento angular........................................................................................................................... 248 7.3.1 Motores passo a passo................................................................................................................................ 249 7.3.2 Servomotores.............................................................................................................................................. 250 7.4 Controlo do movimento linear............................................................................................................................... 251 7.4.1 Movimento linear com base em motores elétricos rotativos..................................................................... 252 7.4.1.1 Correia............................................................................................................................................ 252 7.4.1.2 Fuso de avanço............................................................................................................................... 253 7.4.1.3 Fuso de esferas............................................................................................................................... 253 7.4.1.4 Fusos de rolete............................................................................................................................... 254 7.4.2 Movimento linear com base em motores elétricos lineares...................................................................... 255 7.4.2.1 Motores lineares baseados no princípio dos motores de corrente contínua sem escovas........................................................................................................................................... 256

Capítulo 7 Atuadores Elétricos.................................................................................................... 237

Índice Geral XI 7.4.2.2 Motores lineares baseados no princípio dos motores de corrente alterna indutivos................... 258 7.4.2.3 Vantagens e desvantagens dos motores indutivos....................................................................... 260 7.4.3 Comparação dos diferentes atuadores lineares eletromecânicos............................................................... 260 7.5 Resumo.................................................................................................................................................................. 261 7.6 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 261

PARTE III Modelação................................................................................................................. 265

Capítulo 8 Diagrama Funcional GRAFCET.................................................................................... 267 8.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 267 8.2 Sistemas combinatórios e sequenciais.................................................................................................................. 267 8.3 Elementos base do GRAFCET................................................................................................................................. 268 8.3.1 Etapas.......................................................................................................................................................... 269 8.3.1.1 Ações associadas às etapas e sua representação.......................................................................... 270 8.3.2 Representação dos estados e da situação de um sistema.......................................................................... 272 8.3.3 Transições..................................................................................................................................................... 273 8.3.4 Ligações orientadas..................................................................................................................................... 274 8.4 Configurações típicas de GRAFCET........................................................................................................................ 274 8.4.1 Ramificação e junção alternativa................................................................................................................ 274 8.4.2 Ramificação simultânea e sincronização.................................................................................................... 276 8.4.3 Etapas fonte e etapas poço.......................................................................................................................... 277 8.4.4 Transições fonte e poço............................................................................................................................... 278 8.4.4.1 Representação de uma transição fonte por uma etapa inicial..................................................... 279 8.5 Regras de evolução................................................................................................................................................ 279 8.5.1 Iniciação....................................................................................................................................................... 279 8.5.2 Regras de evolução entre situações............................................................................................................ 279 8.5.3 Simultaneidade no GRAFCET...................................................................................................................... 280 8.5.4 Etapas instáveis. Evolução fugaz................................................................................................................. 281 8.5.4.1 Ordens contínuas........................................................................................................................... 282 8.5.4.2 Ordens memorizadas..................................................................................................................... 282 8.6 Estruturação do GRAFCET...................................................................................................................................... 283 8.6.1 Estruturação por grafcets parciais............................................................................................................... 283 8.6.2 GRAFCET mestre e GRAFCET escravo (master/slave)................................................................................. 285 8.6.2.1 Interação entre mestres e escravos. Ordens de forçagem............................................................. 287 8.6.3 Etapas encapsulantes e encapsuladas........................................................................................................ 289 8.6.4 Estruturação por macroetapas.................................................................................................................... 292 8.7 Casos estudados..................................................................................................................................................... 294 8.8 Formas de implementação a partir do GRAFCET.................................................................................................. 305 8.8.1 Implementação através do uso de autómatos programáveis com SFC..................................................... 306 8.8.1.1 Considerações gerais...................................................................................................................... 306 8.8.1.2 Representação da estrutura de um GRAFCET............................................................................... 307 8.8.1.3 Recetividades e ações.................................................................................................................... 310 8.8.1.4 Estruturação................................................................................................................................... 312

XII Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 8.8.2 Implementação através do GRAFCET Studio.............................................................................................. 312 8.8.3 Implementação com sequenciadores......................................................................................................... 313 8.9 Programação noutras linguagens baseada na modelação GRAFCET................................................................... 313 8.10 Problemas.............................................................................................................................................................. 317 8.11 Resumo.................................................................................................................................................................. 332 8.12 Bibliografia............................................................................................................................................................. 333

Capítulo 9 Redes de Petri............................................................................................................ 335 9.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 335 9.2 Conceitos básicos................................................................................................................................................... 335 9.3 Marcação e evolução das redes de Petri................................................................................................................ 337 9.3.1 Regras de evolução...................................................................................................................................... 338 9.4 Espaço de estados de uma rede de Petri. Alcançabilidade................................................................................... 339 9.4.1 Grafo da alcançabilidade............................................................................................................................. 340 9.4.2 Grafo de cobertura. Cobertura.................................................................................................................... 341 9.4.3 Matriz de incidência.................................................................................................................................... 342 9.5 Propriedades das redes de PETRI........................................................................................................................... 344 9.5.1 Segurança.................................................................................................................................................... 344 9.5.2 Redes limitadas. Lugar k-limitado.............................................................................................................. 344 9.5.3 Conservação................................................................................................................................................. 345 9.5.4 Vida.............................................................................................................................................................. 345 9.5.4.1 Transição morta ou viva de nível 0................................................................................................ 345 9.5.4.2 Transição viva de nível 1................................................................................................................ 346 9.5.4.3 Transição viva de nível 2................................................................................................................ 346 9.5.4.4 Transição viva de nível 3................................................................................................................ 346 9.5.4.5 Transição viva ou viva de nível 4.................................................................................................... 346 9.5.4.6 Redes de Petri vivas e conformes.................................................................................................. 347 9.5.5 Bloqueamento............................................................................................................................................. 347 9.5.6 Estado de acolhimento................................................................................................................................ 348 9.6 Modelação.............................................................................................................................................................. 348 9.7 GRAFCET e redes de Petri....................................................................................................................................... 354 9.7.1 Correspondências entre configurações típicas............................................................................................ 355 9.8 Problemas.............................................................................................................................................................. 358 9.9 Resumo.................................................................................................................................................................. 360 9.10 Referências bibliográficas...................................................................................................................................... 361

Anexo A Álgebra de Boole....................................................................................................... 365 A.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 365 A.2 Álgebra de Boole.................................................................................................................................................... 365 A.2.1 Álgebra binária de Boole............................................................................................................................. 366 A.3 Funções booleanas e sua representação............................................................................................................... 367

PARTE IV Anexos....................................................................................................................... 363

Índice Geral XIII

A.4 A.5

A.6

A.7

A.3.1 Definições.................................................................................................................................................... 367 A.3.1.1 Função booleana, tabela de verdade............................................................................................ 367 A.3.1.2 Função característica...................................................................................................................... 368 A.3.2 Representação analítica. Formas canónicas............................................................................................... 368 A.3.2.1 Funções elementares..................................................................................................................... 368 A.3.2.2 Termo multiplicativo de ordem k em Bn. 1.ª forma canónica....................................................... 369 A.3.2.3 Termo aditivo de ordem k em Bn. Termo máximo. 2.ª forma canónica........................................ 370 A.3.2.4 3.ª e 4.ª formas canónicas............................................................................................................. 372 A.3.3 Representação numérica............................................................................................................................. 372 A.3.4 Representação geométrica.......................................................................................................................... 374 A.3.5 Representação gráfica. Diagramas de Venn................................................................................................ 375 A.3.6 Representação tabular. Mapas de Karnaugh.............................................................................................. 376 Funções incompletas............................................................................................................................................. 377 Simplificação de funções lógicas........................................................................................................................... 378 A.5.1 Introdução.................................................................................................................................................... 378 A.5.2 Método analítico......................................................................................................................................... 378 A.5.3 Método de Karnaugh.................................................................................................................................. 379 A.5.3.1 Levantamento da função a partir dos seus 1................................................................................ 380 A.5.3.2 Levantamento da função a partir dos seus 0................................................................................ 381 Implementação de funções lógicas....................................................................................................................... 382 A.6.1 Introdução.................................................................................................................................................... 382 A.6.2 Representação temporal de sinais lógicos. Diagrama temporal................................................................ 382 A.6.3 Circuitos de contactos.................................................................................................................................. 383 A.6.4 Circuitos com portas lógicas........................................................................................................................ 383 Relés e transístores................................................................................................................................................. 385 A.7.1 Relés............................................................................................................................................................. 386 A.7.2 Transístores.................................................................................................................................................. 386 A.7.2.1 Princípio básico de funcionamento dos transístores..................................................................... 387 A.7.2.2 Utilização dos transístores............................................................................................................. 388

Anexo B Diagramas de Funcionamento na Síntese de Sistemas de Comando Pneumático............ 389 B.1 Introdução.............................................................................................................................................................. 389 B.2 Método dos diagramas de funcionamento........................................................................................................... 389 B.2.1 Síntese do ciclo em L: A+A–B+B–........................................................................................................... 391 B.2.1.1 Avanço de A (função a comandar: A+)........................................................................................ 392 B.2.1.2 Recuo de A (função a comandar: A–).......................................................................................... 392 B.2.1.3 Avanço de B (função a comandar: B+)......................................................................................... 392 B.2.1.4 Recuo de B (função a comandar: B–)........................................................................................... 393 B.2.1.5 Função de comando da válvula de memória................................................................................ 393 B.2.2 Componentes ativos e passivos................................................................................................................... 393 B.2.3 Simultaneidade de movimentos................................................................................................................. 394 B.3 Bibliografia............................................................................................................................................................. 400

XIV Tecnologias de Automação na Indústria 4.0

Anexo C

Hidráulica e Pneumática: Simbologia e Formulário................................................... 401

C.1 Simbologia............................................................................................................................................................. 401 C.2 Formulário.............................................................................................................................................................. 403 C.2.1 Unidades mais utilizadas............................................................................................................................ 403 C.2.2 Pneumática.................................................................................................................................................. 404 C.2.2.1 Propriedades do ar......................................................................................................................... 404 C.2.2.2 Força exercida pelos cilindros........................................................................................................ 405 C.2.3 Hidráulica..................................................................................................................................................... 405 C.2.3.1 Velocidades e tempos de deslocamento dos cilindros hidráulicos............................................... 405 C.2.3.2 Cálculos envolvendo bombas hidráulicas..................................................................................... 405 C.2.3.3 Cálculos envolvendo motores hidráulicos..................................................................................... 406

Índice Remissivo.......................................................................................................................... 407

Sobre o Autor Professor Associado com Agregação Aposentado, no Instituto Superior Técnico, no departamento de Engenharia Mecânica, área científica de Controlo, Automação e Informática Industrial. Durante grande parte da sua carreira de ensino e investigação, de mais de 40 anos, dedicou-se ao ensino de Automação Industrial, Controlo de Sistemas e Visão Industrial, nos cursos de Engenharia Mecânica e de Engenharia Informática e de Computadores no Instituto Superior Técnico e na Academia Militar. Nestas áreas, foi autor de diversos textos didáticos, destacando-se em particular o livro publicado pela Lidel, Técnicas de Automação, ainda nos anos 90 do século passado, tendo sido sucessivamente reeditado com atualizações até 2013.

Agradecimentos Este livro resultou da necessidade de atualizar o livro Técnicas de Automação de que também sou autor. Face à rápida evolução da automação industrial, catapultada pelo paradigma da indústria 4.0 e pelo rápido desenvolvimento das tecnologias de comunicação, concluí que uma nova edição não bastaria, seria necessário um novo livro. Este livro começou a ser escrito comigo ainda no ativo e envolveu muitas discussões com colegas meus, que de uma forma ou outra contribuíram para a sua forma final. Em particular, gostaria de destacar os colegas João Sousa, Susana Vieira, Carlos Cardeira, Mário Ramalho e João Reis, os nossos técnicos Luís Raposeiro e Camilo Christo e o estudante de doutoramento Tiago Coito. Quero também agradecer ao meu colega e amigo José Brázio, da área das telecomunicações, pela sua empenhada contribuição na revisão do capítulo 2 deste livro. Agradeço também às empresas que me facultaram imagens e gostaria de destacar, em particular, a Engenheira Lara Simons da Siemens, o Engenheiro Magno Jacinto da OMRON e o Engenheiro José Antunes da Infocontrol, pela sua grande disponibilidade para apoiar o meu trabalho desde há muitos anos. Sem poder agradecer a uma pandemia que ainda estamos a viver é claro que ela teve naturalmente consequências na realização deste livro. As mais negativas estiveram ligadas com a impossibilidade do contacto direto com fabricantes, como os que ocorrem nas mais importantes feiras internacionais. As positivas foram, para além de me ter proporcionado o "recolhimento" necessário para terminar o livro na data estipulada, o terem ainda mais posto em evidência a importância dos temas abordados, pois são muitos os artigos de opinião por parte da indústria que realçam que as empresas que melhor responderam à crise provocada pela pandemia foram as que estão mais avançadas na utilização das tecnologias associadas à indústria 4.0. J.R. Caldas Pinto

Prefácio O lançamento deste novo livro Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 é um marco importante na evolução do ensino da teoria e da prática da automação em Engenharia. Neste momento, onde se auspicia a plena digitalização da sociedade e da indústria, começa-se a ouvir falar do que é, ou será, a indústria 5.0. No entanto, ainda muito se questiona o que é, na prática, a indústria 4.0 e qual o seu impacto, tanto na automação industrial, como no ensino desta evolução tecnológica. Este livro, que agora chega às mãos dos leitores, é fruto de uma vasta experiência pedagógica do Professor J. R. Caldas Pinto no ensino da automação industrial a alunos de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa, onde o autor foi distinto professor, e cujo anterior livro cedo conquistou um lugar único como obra de referência fundamental nos cursos das universidades portuguesas onde este ensino é ministrado. O autor foi pioneiro no desenvolvimento e implementação da utilização de laboratórios remotos de apoio ao ensino da automação industrial no país. Posteriormente, este laboratório evoluiu para um laboratório virtual de acesso remoto. A visão futurista do ensino, que o Professor J. R. Caldas Pinto sempre revelou, permite, hoje, num contexto de pandemia onde o ensino online se tornou imprescindível, a existência de aulas em contexto de laboratório sem disrupção, totalmente integradas no contexto do que é (ou deveria ser) a indústria 4.0. Neste enquadramento, este novo livro terá com certeza um papel primordial no ensino na área da automação e da indústria 4.0, onde sempre houve e continua a haver escassez de material pedagógico. Esta obra resultou de uma muito profunda remodelação do seu livro anterior, Técnicas de Automação. Este livro foi editado nos anos 90 do século xx, numa altura em que o material pedagógico na área do ensino da automação industrial era escasso, e em língua portuguesa era inexistente. A 3.ª e última edição deste livro foi em 2013. Este novo livro introduz todos os novos conceitos, surgidos sobretudo na segunda década deste século, e que permitem ao leitor compreender a evolução tecnológica que levou o mundo à 4.ª Revolução Industrial e como esta se processa sob este paradigma. A comunidade de professores e alunos de cursos superiores, de profissionais de Engenharia, ou de simples leitores interessados no tema da automação industrial e nos seus desenvolvimentos nesta 4.ª Revolução Industrial poderá continuar a contar com uma obra escrita em língua portuguesa, amadurecida por 30 anos de bem-sucedida experiência de ensino e que saberá corresponder às exigências deste tempo. João M. C. Sousa

Professor Catedrático do Instituto Superior Técnico; Responsável pelo grupo de disciplinas de Informática Industrial da área científica de Controlo, Automação e Informática Industrial

Parte I Tecnologias da Automação Capítulo 1 – Introdução Capítulo 2 – Comunicações Industriais Capítulo 3 – Sensores Industriais Capítulo 4 – Unidades de Controlo e Supervisão

8 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 Ambas as tecnologias baseadas em protocolos próprios de comunicação não tinham qualquer possibilidade de interagir diretamente entre si. A estrutura de um sistema automático durante este período da indústria 3.0 era representado por uma pirâmide, como a representada na Figura 1.5. Planeamento dos recursos da empresa – ERP

Nível 4 (do planeamento da empresa)

Sistemas de execução da produção – MES

Nível 3 (de gestão da produção)

SCADA

Nível 2 (de supervisão)

Controladores (PLC, PAC, ...)

Nível 1 (de controlo)

Sensores, Atuadores, ...

Nível 0 (de campo)

Figura 1.5 Pirâmide da automação industrial na indústria 3.0

■■

Nível 0, ou nível de campo ou chão de fábrica: é neste nível que se encontram as máquinas e respetivos sensores e atuadores. Deste nível parte para o seguinte toda a cablagem que liga os sensores e atuadores aos diferentes controladores; Nível 1, ou de controlo: neste nível reúnem-se os diferentes controladores, em geral PLC, mas que podem ser computadores industriais ou de outro tipo. Numa fase inicial não comunicavam entre si, eventualmente comunicavam com um computador de supervisão, mas no início deste século já podiam comunicar entre si, formando uma rede de controlo distribuído; Nível 2, ou de supervisão: este nível é constituído essencialmente por computadores industriais associados a interfaces humano/máquinas de elevado poder de cálculo. Estes computadores correm software de supervisão, os SCADA, e possuem a capacidade de comunicar com os PLC e de acederem diretamente a sensores e interruptores. Por outro lado, funcionam como gateways para as comunicações com os níveis superiores de IT; Nível 3, ou sistemas de execução da produção (MES8): trata-se essencialmente de software que a nível de uma empresa faz a gestão e monitorização do processo de fabrico, ou seja, do que se passa ao nível do chão de fábrica. Este software recebe informação dos níveis imediatamente acima e abaixo, isto é, respetivamente do nível do planeamento da produção e do nível de supervisão (os SCADA). Ao nível da indústria 3.0 esta hierarquia era respeitada, passando-se ao nível da IT e, portanto, sem possibilidade de comunicar diretamente com a OT;

Manufacturing Execution Systems.

Nesta pirâmide distinguimos os seguintes níveis:

40 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 aquela em que o acesso a esta é feito através de um fornecedor de serviços móveis celulares, ao qual é preciso aceder via ondas de rádio. Apesar de, no início, nada terem que ver com a rede Internet, tem interesse fazer aqui um breve resumo destas redes móveis. A primeira geração de telefones sem fios, a chamada 1G, apareceu no início dos anos 80 do século xx10. A informação codificada pelas ondas de rádio era analógica, utilizando uma gama de amplitudes (AM) ou de frequência (FM). Os equipamentos eram pesados e usados sobretudo em veículos. As frequências operacionais utilizadas eram 800 MHz e 900 MHz, com largura de banda de 10 MHz, usando a tecnologia FDMA11 analógica.[11] A chamada geração 2G surgiu como um conjunto de protocolos que seguem o padrão GSM (Global System for Mobile Communications). Foi implementado pela primeira vez na Finlândia, em 1991, tendo-se generalizado globalmente a partir daí. Nesta, os sinais de voz são digitalizados, e assim são transmitidos. É baseado na tecnologia TDMA12. Em 1995, a Telecommunications Industry Association adotou como padrão o Interim Standard 95 (IS-95), o primeiro a utilizar a tecnologia CDMA13, principalmente difundida nos Estados Unidos (USA), sendo também considerado um padrão 2G. Estas comunicações operam nas bandas de 900 MHz ou 1800 MHz (GSM), ou 1800 MHz (CDMA). A largura de banda dos canais é de 25 MHz. Esta geração de dispositivos móveis permite transmitir essencialmente voz e, de uma forma muito limitada, também dados móveis. A taxa de transmissão de dados é de 14,4 kilobit por segundo (kbps) a 64 kbps, no máximo. A evolução das redes 2G passou pelas redes 2.5G e depois 3G. A geração 3G tem como principais padrões o UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) e o CDMA 2000, que evolui para o CDMA 2000 1xEV (Evolution Data). O primeiro, presente sobretudo na Europa e em parte da Ásia, resultou da evolução do padrão EDGE. O CDMA 2000 está presente sobretudo nos Estados Unidos e Coreia do Sul. Ambos são baseados na tecnologia CDMA. Nesta geração, os utilizadores podem ter acesso móvel à Internet com qualidade razoável (embora ainda inferior às conexões fixas de banda larga), podendo aproveitar recursos como streaming de vídeo, aplicações de áudio, mensagens multimédia, entre outros.[1,9,12] As tecnologias baseadas no padrão CDMA 2000 podem trabalhar com várias faixas de frequência, como 450 MHz, 850 MHz, 1,9 GHz e 2,1 GHz; as baseadas no padrão UMTS usam, na Europa, frequências de 900 MHz, 1,9 GHz ou 2,1 GHz. A velocidade de download no 3G pode ir até aos 3,1 Mbps e de upload chega aos 2 Mbps. Na geração 4G assiste-se à convergência dos dois principais padrões 3G no padrão LTE e, posteriormente, LTE advanced. O padrão LTE é uma abreviatura de Long Term Na verdade, foi inventado por Martin Cooper, da Motorola, em 1972-73. FDMA (Frequency Division Multiple Access) é uma tecnologia que consiste na divisão de uma dada sub-banda para comunicação sem fios em 30 canais. Cada canal só pode ser ocupado por um utilizador. 12 TDMA (Time Division Multiple Access) é uma tecnologia de transmissão digital que permite que vários utilizadores usem o mesmo canal através da divisão do tempo em fatias, logo, em intervalos de tempo diferentes. 13 CDMA (Code Division Multiple Access) é uma tecnologia de transmissão digital que permite que todos os utilizadores utilizem toda a largura de banda do canal ao mesmo tempo. A separação entre eles é feita através da ortogonalidade das ondas. 11

Comunicações Industriais 41 Evolution. O LTE é um padrão de comunicação sem fios 4G desenvolvido pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project), projetado para fornecer até 10 vezes as velocidades das redes 3G para dispositivos móveis, como smartphones, tablets e pontos de acesso sem fios. As frequências utilizadas são os 1800 Mhz, 2600 MHz e os 800 MHz. A velocidade de download no 4G anda à volta dos 300 Mbps. Este padrão baseia-se na tecnologia OFDM14. Finalmente, a geração 5G está a dar os primeiros passos neste início dos anos 20 do século xxi. A grande vantagem é a elevadíssima velocidade de transmissão, com velocidades mais de cem vezes superiores às oferecidas pela 4G e latências 50 vezes mais baixas.[13] Isto porque utiliza normalmente ondas milimétricas, com frequências acima de 24 GHz e até 72 GHz.[14] O alcance destas comunicações é curto, portanto, são necessárias mais células. As ondas milimétricas têm também mais dificuldade em atravessar muitas paredes e janelas, pelo que a sua cobertura interna é limitada. É uma tecnologia muito complexa, ainda na sua infância em termos de implementação real, cuja explicação mais detalhada sai completamente fora do âmbito deste livro.

2.2.3.3 Equipamentos envolvidos nas redes Atualmente, as duas grandes famílias de equipamentos utilizados nas redes são a dos switches e as dos routers15. Os primeiros destinam-se sobretudo a conectar equipamentos de uma rede local. Os segundos destinam-se principalmente a ligar entre si diferentes redes locais, conectando os respetivos switches. É também o router que se liga a um modem16 e que, deste modo, envia e recebe o tráfego de rede, encaminhando-o através das suas portas Ethernet e/ou por wi-fi para os equipamentos envolvidos, via os respetivos switches. De notar que, atualmente, é usual os operadores de telecomunicações fornecerem um único aparelho que faz as funções de modem e router, facilitando o processo de instalação.[15] Segue-se uma breve descrição de cada um destes equipamentos. 2.2.3.3.1 Switches Os switches são equipamentos que permitem que a conexão dos diferentes componentes de uma rede local, como computadores, impressores e servidores.[16]

A ligação dos diferentes equipamentos através de um switch evita, naturalmente, as colisões, que aconteceriam se dois equipamentos pudessem aceder simultaneamente a um terceiro. Contudo, quando o switch recebe em simultâneo dois pedidos de comunicação vai colocar um deles numa fila de espera. Esta é uma razão do não determinismo destas ligações, um conceito de grande importância para as redes industriais. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) é um método de codificação que utiliza a sua banda dividida em múltiplas portadoras ortogonais, chamadas subportadoras, para modulação. As subportadoras são chamadas ortogonais por não possuírem sobreposição de frequência, não interferindo, dessa forma, umas com as outras. 15 São termos universalmente utilizados, sem tradução satisfatória. 16 O modem é o equipamento, em geral fornecido pelos operadores de telecomunicações, que permite ligar redes locais à rede global. 14

Comunicações Industriais 51 A

Servidor

Cliente B

Servidor

Cliente

Servidor

Cliente

Servidor

Corretor

Cliente

Figura 2.14 Estrutura das ligações nos protocolos (A) HTTP e (B) MQTT (adaptado[23]) Na Tabela 2.1 comparam-se outras características que permitem ajudar a selecionar o protocolo a ser utilizado. Tabela 2.1 Comparação entre os protocolos MQTT e HTTP[24]

Característica

MQTT

HTPP

Arquitetura

Modelo PUB/SUB

Modelo Solicitação/Resposta

Transporte

TCP

TCP e UDP

Tamanho das mensagens

Pequenas

Grandes

Formato das mensagens

Binário com cabeçalhos de 2B

ASCII

Distribuição dos dados

1 para qualquer número de subscri1 para 1 ou então POST25 tores

Segurança

Pode usar SSL/TLS

Pode usar a versão HTTPS para segurança

Complexidade

Simples

Complexo

Encriptação

Faz a encriptação dos dados

Os dados não são encriptados antes da transmissão

Em conclusão, em termos de IoT sempre que se trata de recolher a informação de poucos dados muito frequentemente e com latências muito baixas deve usar-se o protocolo MQTT. Quando as questões anteriores não se levantam ou é necessário lerem-se muitos dados será de utilizar o protocolo HTTP.[24] A IoT, neste momento, tende a estar presente em todos os setores da sociedade. Relativamente ao meio industrial está a ser usada para ligar os equipamentos do chão de fábrica, 25

POST é um método de requisição suportado pelo HTTP e usado na World Wide Web.[4,6]

Comunicações Industriais 83 Na Figura 2.29 distinguem-se diferentes variantes das ligações, consoante os sectores em que se inserem. Assim, temos, de acordo com a figura:[70] 1. OPC UA na LAN dos negócios assegura a interoperabilidade entre as redes IT e OT. 2. OPC UA para a nuvem (WAN). 3. OPC UA over GSM. 4. OPC UA para a camada de supervisão. 5. OPC UA para ligações entre controladores e M2M. Utilização dos protocolos TCP, UDP e TSN. 6. OPC UA para as comunicações a nível de campo, incluindo entradas e saídas e controlo de movimento. Utilização dos protocolos UDP e TSN. 7. OPC UA over 5G. 8. OPC UA preparada para o futuro, adotando as novas tecnologias que se manifestem nas comunicações, quer verticais quer horizontais.

Cloud

Industrial Interoperability: From Sensor into Cloud

Satellit

3 ERP MES SCADA

Relay Broker

Pump Oil Refinery

Controller

Fieldbus A

Saw

Controller

Fieldbus B

Press

Controller

Robot

Mobile Robot

Initiative for Field Level Communications

Figura 2.29 O padrão OPC UA em todos os setores de uma unidade industrial (cortesia OPC Foundation)

2.8 Resumo Não é possível compreender o mundo atual, quer ao nível da sociedade quer das empresas, sem perceber como as diversas entidades envolvidas comunicam entre si. Neste capítulo, interessa-nos a comunicação ao nível das empresas, em particular no âmbito da automação industrial, atualmente a viver a transformação para a denominada indústria 4.0. Assim, neste capítulo, pretendeu-se dar as ferramentas que o autor considera básicas para se adquirir, a partir do zero, uma visão integrada das comunicações industriais. Com essa

84 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 visão tornar-se-á mais simples aos leitores entrar em considerações de maior detalhe, recorrendo à ampla informação disponível na Internet e em livros de referência. Iniciou-se o capítulo (secção 2.2) com a introdução do conceito de comunicar e como a informação é transmitida por redes cabladas e sem fios. Estudou-se de seguida o conceito de internetworking, que designa a interligação entre múltiplas e diferentes redes de computadores. Foram introduzidos os conceitos de rede local e rede global. Foram finalmente referidos os equipamentos envolvidos nas redes. Na secção 2.3 foram apresentados com algum detalhe os dois principais modelos de arquitetura que descrevem os protocolos e métodos usados nas comunicações, nomeadamente o modelo TCP/IP e o modelo OSI. Estudaram-se ainda os modelos de diálogo mais usuais entre equipamentos terminais. Na secção 2.4 foi feita uma introdução genérica às redes industriais, introduzindo um pouco da sua história, especificações e topologias utilizadas. Nas secções seguintes foram estudados os diferentes protocolos. Atualmente, vive-se numa fase em que coexistem métodos de comunicação dos anos 80 e 90 do século xx até aos mais modernos. Até agora as novas extensões garantem retrocompatibilidade, com o auxílio de equipamentos como unidades I/O e gateways.

Finalmente, na secção 2.7 estudaram-se dois protocolos que, em conjunto, pretendem unificar as comunicações, ou seja, que tudo comunique com tudo, qualquer que seja o nível de automação em que o equipamento esteja. Os protocolos que são abertos de forma a integrar os equipamentos de qualquer fabricante são o OPC UA e o OPC UA over TSN. Refere-se também que neste momento é objeto de discussão a integração das redes TSN com as 5G. Face à importância mundial das empresas envolvidas (Europa, Ásia e América), e à necessidade de uma solução como esta para a indústria 4.0, é de crer que o 5G seja mesmo o futuro das comunicações na indústria.

Os diferentes níveis da pirâmide da automação industrial, e mesmo o conceito de pirâmide, estão em revisão. Contudo, é consensual que existem pelo menos dois níveis em que as especificações são diferentes. O primeiro envolve sensores e atuadores, por exemplo, para o controlo de movimento. Neste nível, as características das redes têm de ser de tempo real, deterministas, sincronizadas, fiáveis, envolvendo poucos dados de tamanho, em geral, fixo. Os protocolos usados neste nível, para ligações cabladas e sem fios, estão apresentados na secção 2.5. O segundo nível envolve os restantes níveis da pirâmide, em que as comunicações não têm normalmente de ter as especificações de tempo real, envolvendo possivelmente um volume de dados grande e variável. Os protocolos mais usados nestes níveis, e apresentados na seção 2.6, foram divididos de acordo com os protocolos usados nas camadas 1 e 2 do modelo OSI, com especial ênfase nos baseados na camada Ethernet. Como os leitores poderão verificar, alguns destes protocolos podem ser diretamente usados com os sensores e atuadores.

166 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 5.4.1.2.3 Cilindro telescópico Destina-se a grandes cursos com pequeno atravancamento. A sua representação simbólica é dada na Figura 5.22 (C). A

Figura 5.22 Representação normalizada; (A) Cilindro haste passante; (B) Cilindro tandem; (C) Cilindro telescópico 5.4.1.2.4 Cilindro sem haste Estes cilindros, em vez da haste, têm associado ao êmbolo uma plataforma que irá, deste modo, ter um movimento de vaivém (Figura 5.23). A

Figura 5.23 Cilindro sem haste: (A) Fotografia (cortesia Emerson); (B) representação normalizada 5.4.1.2.5 Cilindro antigiro18 Com os cilindros antigiro pretende-se evitar a possibilidade da rotação da haste. Para o efeito, são três as soluções mais usuais:

■■ ■■

Substituição da haste circular por uma outra de secção não circular, como quadrada ou oval (Figura 5.24);[16] Adaptação de uma unidade de guiamento paralela ao cilindro (Figura 5.25 (A)); Colocação no mesmo bloco de dois cilindros de hastes ligadas entre si. Esta solução tem a vantagem de permitir o dobro da força para o mesmo comprimento do corpo do cilindro (Figura 5.25 (B)).

Guide Cylinders ou cilindros de guia.

■■

Capítulo 6

Sistemas Hidráulicos

6.1 Introdução Os sistemas hidráulicos, abstraindo da especificidade de serem baseados no circuito fechado de um líquido, normalmente um óleo, são funcionalmente semelhantes aos sistemas pneumáticos, sendo constituídos por equipamentos equivalentes. Por isso, os leitores interessados neste capítulo também estarão muito provavelmente interessados nos sistemas pneumáticos, pelo que se recomenda que o capítulo correspondente seja lido antes deste. Isto porque, quando há uma semelhança grande de componentes, a sua apresentação neste capítulo será mais simplificada. Os sistemas hidráulicos têm como principal vantagem, face aos pneumáticos, a sua capacidade de transmitir energia muito elevada com elevado rendimento. Isto deve-se essencialmente ao carácter não compressível do fluido utilizado. Também por isso é conseguido um elevado grau de precisão no controlo do movimento, quer linear, a partir dos cilindros hidráulicos, quer angular, a partir de motores hidráulicos. A qualidade do controlo de movimento conseguido rivaliza com o dos correspondentes atuadores elétricos quando se utilizam servoatuadores semelhantes nos dois casos. Naturalmente, a infraestrutura para instalar um sistema hidráulico é, de todas, a mais pesada e cara. O óleo deve trabalhar em circuito fechado, obrigando à existência de bombas hidráulicas, além de um sistema de filtragem e arrefecimento do óleo. Todos os componentes de um sistema hidráulico, como bombas, cilindros e motores hidráulicos, válvulas distribuidoras e reguladores de caudal e pressão, têm de ser suficientemente robustos para as altas pressões em jogo. Componentes elétricos de interface, como eletroválvulas, necessitam de correntes elevadas. Todos estes fatores contribuem para aumentar o preço desta tecnologia e para criar um impacto ambiental significativo. Se os sistemas pneumáticos não rivalizam com os hidráulicos, tendo campos de aplicação diferentes (menores pressões e sem necessidade de precisão no movimento), já os elétricos aparecem, desde o início do século xxi, como uma alternativa, embora ainda com custos iniciais mais elevados. Face à ameaça crescente desta tecnologia totalmente elétrica, teoricamente limpa e naturalmente preparada para a indústria 4.0, têm surgido no mercado soluções hidráulicas que reivindicam estar totalmente preparadas para seguir todas as diretivas da indústria 4.0, como se verá neste capítulo. Os sistemas hidráulicos aplicam-se em áreas em que são exigidos movimentos precisos (em geral, lineares) de grande potência. Assim, encontram-se praticamente em todas as indústrias metalomecânicas, em sistemas de prensagem, de fixação de componentes e de controlo do movimento das próprias máquinas ferramentas. Por outro lado, têm também grande aplicação em veículos, para os mais variados fins. Estas duas classes de aplicações são designadas, respetivamente, hidráulica industrial ou estacionária e hidráulica para veículos ou móvel (Figura 6.1 (A) e (B)). De notar, contudo, que as especificações

200 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0 e exigências para estes dois tipos de aplicações são diferentes, exigindo-se, por exemplo, para os primeiros maior robustez, pois em princípio trabalham de forma contínua, e para os segundos a necessidade de serem mais leves e robustos à trepidação.[1] A

Figura 6.1 Exemplos de aplicações da hidráulica: (A) Industrial; (B) Para veículos (créditos das figuras, da esquerda para a direita, respetivamente: © gerenme – istockphoto.com; ©Juan-Enrique – istockphoto.com) Tal como no caso dos sistemas pneumáticos, definem-se três classes de componentes hidráulicos, de acordo com as suas funções específicas. Ou seja:

■■

Componentes de conversão de energia – dentro desta classe entram os elementos responsáveis pela conversão de energia mecânica em hidráulica, e vice-versa. Temos, assim, as bombas que transformam energia mecânica, normalmente gerada por motores elétricos, em hidráulica e os cilindros e motores hidráulicos que transformam energia hidráulica em energia mecânica traduzida, respetivamente, em movimento linear e de rotação; Componentes de transmissão de energia – dentro desta classe encontram-se os elementos que condicionam o fluido transmissor de energia – o óleo. Entre estes destacam-se as mangueiras. Podem considerar-se dentro desta classe aqueles elementos que promovem a manutenção do óleo, como filtros, reservatórios, aquecedores e refrigeradores; Componentes de controlo de energia - engloba-se nesta categoria todo o conjunto de válvulas responsáveis pelo redirecionamento da potência hidráulica gerada em todos os dispositivos de comando. Inclui-se também a regulação de bombas de cilindrada variável, se for esse o caso.

Este capítulo irá ser organizado da seguinte forma. Começa-se por estudar a produção de energia hidráulica. Os componentes envolvidos habitualmente agrupam-se na chamada unidade de potência hidráulica (HPU1). A seguir, estudam-se os atuadores hidráulicos e depois as válvulas direcionais. O capítulo termina com a apresentação de novas soluções tecnológicas lançadas por empresas ligada à hidráulica, com vista a que esta se adapte ao paradigma da indústria 4.0. Alguns destes equipamentos poderão ser referidos antes desta última secção sempre que se justifique. 1

Mantém-se a sigla que deriva da designação inglesa Hydraulic Power Unit.

■■

248 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0

7.2.4.2 Potência A potência disponibilizada por um motor elétrico depende da chamada eficiência (Ef) e se é monofásico ou trifásico. Para estes define-se ainda um fator de potência (FP). Assim, teremos para um motor monofásico: E para o motor trifásico: Ef e FP estão normalmente entre 0,9 e 1. A potência é muitas vezes dada em hp (horse power), sendo que 1 hp=745,7W. O consumo efetivo de um motor elétrico é dado pela potência aparente (PA), ou seja, não se consideram todos os fatores de perda de potência e englobados na Ef e no FP. Assim, teremos, para os motores monofásicos: E para os trifásicos:

7.2.4.3 Binário no veio motor O binário disponível no veio do motor elétrico depende da potência efetiva deste e da velocidade a que roda n. Este binário é dado pela fórmula seguinte:

7.3 Controlo do movimento angular

Vimos anteriormente que os diferentes tipos de motores elétricos apresentados permitem, de alguma forma, o controlo quer da sua velocidade quer do seu binário. Contudo, cada vez há mais aplicações, como em robótica, em que, além de uma elevada precisão nas grandezas referidas atrás, também se pretende um controlo de grande precisão da posição e da aceleração. Os equipamentos que satisfazem estes requisitos dividem-se em duas categorias principais: os motores passo a passo e os servomotores (Figura 7.11). Vamos analisar as diferenças a seguir.

338 Tecnologias de Automação na Indústria 4.0

9.3.1 Regras de evolução Analogamente ao que acontece no GRAFCET, para que haja transição ou disparo entre dois lugares consecutivos é necessário que a transição entre eles esteja autorizada. Define-se uma transição como estando autorizada quando a sua multiplicidade, relativa a cada um dos seus lugares de entrada, for menor ou igual ao número de marcas desse lugar. Ou seja: para todo o pi que seja lugar de entrada de tj. Caso haja uma condição associada à transição, esta tem também de ser verificada. Naturalmente, um disparo provoca uma evolução na marcação da rede. Assim, designando por µ' a marcação que sucede a µ, após o disparo temos, para #(tj ,O(pi ))=k1, (Figura 9.4 (A)): ■■ ■■

Há disparo quando μ(pi ) ≥ k1; Após o disparo: (9.10)

Supondo que a transição se faz entre os lugares pi e pj : A

B pi ti

k2 ti

k1 k4

k2 Pj

Figura 9.4 Troços de redes de Petri

(9.11)

E após o disparo, a nova marcação dos lugares pi e pk é:

(9.12)

Um caso mais geral é ilustrado na Figura 9.4 (B). Nesta situação, a transição é permitida quando:

Redes de Petri 339 e

(9.13)

Em termos gerais, a evolução da marcação de um dado lugar é definida pela fórmula:

(9.14)

Exemplo 9.2 Dada a rede de Petri da Figura 9.5 (A): A

B p3 p1

t1 2

p2 t2

p5 t4

2 p4

t1 2

p2 t2

t4 2 p4

p5 p1

p2 t2

2 p4

p5 t4 t3

Figura 9.5 (A) Transições t1, t3 e t4 autorizadas; (B) Marcação seguinte ao disparo de t4; (C) Marcação seguinte ao disparo de t1 As transições t1, t3 e t4 estão autorizadas. Se for t4 a transição a disparar, então será removida uma marca de p5 e depositada uma marca em p3 e outra em p4 (Figura 9.5 (B)). Se a seguir for t1 a disparar (t3 estaria também autorizada a disparar), a rede de Petri evoluirá para a marcação da Figura 9.5 (C). Note que, devido à multiplicidade de dois, do lugar de saída p4 de t1, ou seja, #(p4,O(t1))=2, são duas as marcas acrescentadas a p4. O disparo das transições continua até que não haja mais transições autorizadas. Então, a evolução da rede de Petri para.

9.4 Espaço de estados de uma rede de Petri. Alcançabilidade Define-se como espaço de estados de uma rede de Petri o conjunto de todas as suas possíveis marcações. Se a rede de Petri tem n lugares, este conjunto virá definido por .

Como se viu, a execução de uma rede de Petri corresponde à evolução da sua marcação. Existe, assim, uma correspondência entre a sequência de marcação

sequência de transições disparadas , em que tj é uma das transições autoriza1 das na marcação inicial. Note que a marcação µ é função de µ0 e tj, ou seja:

(9.15)