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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL


João Maurício Rosário

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

São Paulo 2009


Copyright © 2009 by Editora Baraúna SE Ltda Projeto Gráfico e Diagramação Aline Benitez Ilustração da capa Alvaro Joffre Uribe Quevedo

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

CDD: 629.892 CDU: 681.5

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


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

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

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


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

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

CAPÍTULO 6: Sistemas de Supervisão em Automação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

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

CAPÍTULO 7: Redes de Comunicação em Automação Industrial - Aplicações do Fieldbus . . . . . . . . . . 227

7.1 – Histórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.2 – Sistemas Concentrados e Distribuídos. . . . . . . . . . . 232 7.3 – Conceitos Básicos de Redes de Comunicação em Automação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 6


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

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

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

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CAPÍTULO 10: Planejamento da Produção de Sistemas de Manufatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 10.1 - Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 10.2 - Sistema de Produção Discreta: Aspectos Conceituais.380 10.3 - O Problema do Planejamento da Produção . . . . . . 383 10.4 - Princípio de Operação das Práticas Industriais. . . . 385 10.5 - Políticas de Estoque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 10.6 - Métodos de Otimização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 10.7 - Integração de Práticas Industriais e Otimização . . . 411 10.8 - Aplicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 10.9 - Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 10.10 - Referências Bibliográficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

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

CAPÍTULO 12: Conceitos de Automação Comercial. 489

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

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


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

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


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

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CAPÍTULO 1 Introdução à Automação

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

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Automação industrial  

O texto contribui não somente para os profissionais da área de Engenharia, mas para todas as pessoas interessadas em conhecer e em se aprofu...