Da máquina a vapor aos softwares de automação
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Memória da eletricidade Por Weruska Goeking
Da máquina a vapor aos softwares de automação
70 O Setor Elétrico / Maio de 2010
Entenda de que forma a automação foi incluída como parte fundamental dos processos
industriais e sua influência no desenvolvimento fabril
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O Setor Elétrico / Maio de 2010
Aautomaçãosurgiucomoocaminhoparaa
reduçãodaparticipaçãoda“mãohumana”sobre
osprocessosindustriais.Partindodesseconceito,
podemosdizerqueautilizaçãoemlargaescalado
moinhohidráulicoparafornecimentodefarinha,no
séculoX,foiumadasprimeirascriaçõeshumanas
comoobjetivodeautomatizarotrabalho,ainda
quedeformaarcaica.Essedesenvolvimentoda
mecanizaçãoteriaimpulsionadomaistardeo
surgimentodaautomação.
Adisseminaçãodomoinhohidráulicopela
EuropaOcidentallevouaumcrescimentoda
produçãodealimentosnuncaantesobservado.
Naépoca,ummoinhoeracapazdesubstituiro
trabalhodedezavintehomens.Desdeentãoo
homemtemdirecionadoseuconhecimentopara
odesenvolvimentodetecnologiasquedesonerem
suasatividadesbraçais.Umexemploéamáquinaa
vapor,quecomeçouaserutilizadaparamovimentar
equipamentosindustriaisem1775efezummartelo
de60quilosdar150golpesporminuto.
Anecessidadecadavezmaiordeproduzir
maisemelhorculminounaRevoluçãoIndustrial,
ocorridaapartirdasegundametadedoséculoXVIII.
Grandemarcodasubstituiçãodotrabalhobraçal
pormáquinasqueexecutavamamesmatarefacom
maioreficiênciaequalidade,aRevoluçãoacelerou
oprocessodetransformaçãoedesenvolvimentode
tecnologias.
MasfoicomaajudadoinventorJamesWatt
queamáquinaavaporsetornoumaiseficiente,com
aimplantaçãodoreguladordevelocidade.Assim,
estavacriadoosistemaqueuniaastecnologias
pneumáticaehidráulica.
AsmodificaçõesfeitasporWatttiveramtanta
importânciaparaoparquefabrildaépocaque
levaramofilósofoalemãoKarlMarxaconsiderara
máquinaavaporcomooitemmaisimportanteda
grandeindústria.Ascompanhiasdefabricaçãotêxtil
foramasmaisbeneficiadas,masapenasAlemanha,
EstadosUnidoseInglaterraseequiparavamem
capacidadedeproduçãonesseprimeiroperíododa
revoluçãoindustrial.
Asprimeirasmáquinasmovidasaeletricidade
surgiramemmeadosdoséculoXIX,graçasaesforços
dediversospesquisadores–entreelesMichael
FaradayeAndré-MarieAmpère–queestudaram
autilizaçãodaeletricidadeedomagnetismoem
conjunto,levandoaodesenvolvimentodemotores
que,conectadosasistemaselétricos,acionavam
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alavancas.NofinaldoséculoXIX,essetipodemotor
começouaficarobsoletoedeulugaràsmáquinas
queusavamacorrenteelétricaemcirculaçãoem
condutoresparainteragircomocampomagnético
produzidoporimãsoueletroímãs.
ASegundaGuerraMundial(1939-1945)também
contribuiuparaahistóriadocontroleautomático
–aindaquecomobjetivosmenosnobres–com
odesenvolvimentodesistemasparaaplicaçãono
lançamentodemísseis.
Deacordocomoprofessordeautomação
industrialegestãodeprojetosdaFundação
MunicipaldeEnsinodePiracicaba(Fumep),Marcelo
EurípedesdaSilva,adesvantagemdorelénaépoca
eraanecessidadedefixá-loemalgumpontoe
suatransiçãoparaoutroslocaisdemandavamuito
trabalho,alémdamanutençãoconstantedos
equipamentos.
Evolução
Oconceitodeautomaçãofoiinstituídonos
EstadosUnidosapenasem1946,nasfábricas
automotivase,atualmente,otermosignificaqualquer
sistemaqueutilizecomputaçãoequesubstitua
otrabalhohumanocomointuitodeaumentara
velocidadeeaqualidadedosprocessosprodutivos,
asegurançadosfuncionários,alémdeobtermaior
controle,planejamentoeflexibilidadedaprodução.
Acriação,em1947,dotransistorajudoua
impulsionarodesenvolvimentodaautomação,
poissetratavadeumcomponenteeletrônico
capazdecontrolarapassagemdacorrenteelétrica
emdeterminadossistemas.“Otransistoréabase
paraqualquerprocessadormoderno”,explicao
especialistaemmanutençãodesistemaselétricos
egerentetécnicodaAdimarco,MarceloPaulino.
Comousodotransistoredaeletrônica,foipossível
odesenvolvimentodosprimeiroscomputadores
industriais.Emboraomicroprocessamentotenha
sidocomercializadoapenasapartirdosanos
1960,foinesseperíodoquesurgiramosprimeiros
robôsmecânicosaincorporarsistemasde
microprocessamentoeunirtecnologiasmecânicase
elétricas.
Atéofinaldadécadade1960,asempresas
automobilísticasproduziamemmassa,comrapidez
equalidade,masnãoofereciammuitasopções
paraosclientes,jáquealinhadeproduçãonãoera
flexível.Asolicitaçãodeumcarrocomacessórios
específicosoucomumacordiferentedadisponível
paraprontaentregapoderialevarmuitosmesespara
serproduzida,porexemplo.
Percebendoanecessidadedomercado,aGeneral
Motors(GM),nosEstadosUnidos,solicitouàempresa
Allen-Bradleyqueconfeccionasseumprodutoque
conferisseversatilidadeàprodução.Aempresa,
quejáproduziacontatoresedispositivoselétricos,
desenvolveu,em1968,oequipamentochamado
ControladorLógicoProgramável(CLP),quesubstituiu
osantigosrelésepermitiufazermodificaçõesrápidas
noprocessoprodutivo.
ComoCLP,asalteraçõeseramfeitasapenas
mudandosuaprogramação,enquantoqueos
sistemasarelésimplicavammodificaramontagem
dosequipamentose,muitasvezes,substituiros
hardwares.OCLPfoiintroduzidonaplantadaGM
em1969eosEstadosUnidoseaEuropaforamos
primeirosbeneficiadoscomatecnologiaquesó
chegouaoBrasilmaistarde,nosanos1980.
OsCLPssãodispositivosdigitaisquepermitem
controlaroprocessofabrilgraçasaumamemória
programávelquereúneasinstruçõesquedevem
serrepassadasparaasmáquinasresponsáveis
pelaproduçãoindustrial.ÀmedidaqueoCLPfoi
incorporadonasindústrias,evoluiueadquiriunovas
funçõeseéhojecapazdeexecutarsequenciamento,
temporização,contagem,energização/desenergização
emanipulaçãodedados,regulaçãoPID,lógicafuzzy,
entreoutrasfunções.OsCLPspodemserprogramados
pormeiodecomputadores,sãoadequadosparaos
ambientesindustriais–muitasvezesinóspitos–e
possuemlinguagemamigável.
Aautomaçãofoiaplicada,aprincípio,em
indústriasautomobilísticasepetroquímicas.De
láparacáatecnologiasedisseminouparaoutras
áreas,comoindústriasalimentícia,química,
petroquímica,siderúrgica,automotivaeassociadas
(pneus,borracha,etc.).
Foitambémnadécadade1980quesurgiua
“pirâmidedaautomação”.Essapirâmidedivide
osníveisdosequipamentosenvolvidosnessa
tecnologiadeacordocomsuaatuaçãonaindústria
emostracomoasinformaçõessãofiltradasdo
nível1atéchegaraoseutopo.Emcontrapartida,
asordensvindasdosníveisadministrativos(4e5)
sãorepassadasparaonível3,quegarantequeas
tarefassejamrealizadaspelosníveisoperacionais.
Atualmente,apirâmidedaautomaçãobaseia-seno
modeloaseguir,queconstanolivro“Engenhariade
AutomaçãoIndustrial“,dosautoresCíceroCoutode
MoraesePlíniodeLauroCastrucci.
Memória da eletricidade 72 O Setor Elétrico / Maio de 2010
Níveis de pirâmide
Administração de recursos da empresa. Neste nível encontram-se os softwares para gestão de vendas financeiras
Nivel 5:Gerenciamento
corporativo Mainframe
Nivel 4:Gerenciamento de
planta
Workstation
Nivel 3:Supervisão
Workstation,PC,IHM
Nivel 2:Controple
CLP,PC,CNC,SDCD
Nivel 1:Dispositivos de campo, sensores e atuadores
Sensoresdigitaiseanalógicos
Nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção, realizando o controle e a logística de suprimentos
Nível onde se encontram os equipamentos que executam o controle automático das atividades da planta
Nível das máquinas dos dispositivos e dos componentes da planta
Permite a supervisão do processo. Normalmente possui banco de dados com informações relativas ao processo
Protocolos
EthernetMAC
TCP/IP
EthernetMAC
TCP/IP
ControlNetProfibus FMSFieldbus HSE
Fieldbus H1CAN
Profibus DP, PAHartAsl
LonWorksInterBus
A “pirâmide da automação”, criada nos anos 1980 divide os níveis dos equipamentos envolvidos de acordo com sua atuação no processo industrial.
CLP: o Coração da automação
AsdiferençasentreoCLPutilizadohojeeospioneirosdadécada
de1960são:tamanhoreduzido,desempenhodemaisfunçõesemaior
capacidadedeprocessamentodedados.Atualmente,oCLPpodeaté
executarfunçõesdeoutrosequipamentos–donível1–,casoelesvenham
afalhar.
ParacomplementaraatuaçãodoCLP,éutilizadoosistemade
supervisãoSupervisoryControlandDataAcquisition(SCADA),que
tambémfazpartedonível2.Osistemaprodutivoémostradoemuma
telaespecíficapelaInterfaceHomem-Máquina(IHM),ouquandoas
informaçõessãorepassadasdiretamenteparaumcomputadorSCADA
compondoosistemasupervisório.
Entretanto,antesdodesenvolvimentodossistemassupervisórios,os
dadosdonível1apareciamemquadrossinóticos,emqueofuncionamento
adequadodasmáquinaseramostradopormeiodeLedselâmpadasque
sinalizavamaoperaçãodasmáquinas.
Atualmente,emsubstituiçãoaoCLPeaoScada,podeserutilizadoo
SistemaDigitaldeControleDistribuído(SDCD),quereúneasfunçõestanto
dosoftwarequantodohardware.Foidesenvolvidoemmeadosdadécada
de1970pelasempresasHoneywelleYokogawaeécapazdesuportarmais
informaçõeserealizarmaisprocessos,comosupervisionargrandesmalhas
complexasdecontrole,comoéocasodaindústriadepetróleo.
Inicialmente,oSDCDeraespecialmenteaplicadoemindústriasde
processos,comoapetrolífera,comcustobemmaiselevadoqueoCLP,
que,porsuavez,eramaisutilizadoporempresasautomotivas.Hojeem
dia,nãoexisteessadistinção,deformaqueosCLPsrealizammuitasdas
tarefasexecutadaspeloSDCD.
Achamada“indústriahíbrida”,porexemplo,podeempregartanto
SCDCquantooCLPnoprocesso,ouatémesmoosdoisconjuntamente,
poisjásãocapazesdesecomunicar.
OutrasubstituiçãoaoCLPsurgiuem2002comoProgrammable
AutomationControler(PAC),queexecutaaindamaisfunçõesqueo
primeiroeécapazdetrocarinformaçõescomdiversosequipamentosda
pirâmideeexecutarprogramascomplexos.Apropostadesseequipamentoé
realizarasmesmasfunçõesdeumSDCD,mascomopreçoeasimplicidade
doCLP.
Aprincipaldiferençaentreapirâmideatuale
autilizadanosanos1980équeosníveis1e2não
estavamintegradosaosníveis4e5atravésdonível
3.Assim,asinformaçõestécnicassobreaprodução
obtidasnosníveis1e2precisavamserexplanadas
paraosníveisadministrativospormeioderelatórios.
Domesmomodo,oscontroladoresdomesmo
níveldapirâmidenãotrocavamqualquertipo
deinformação,oquelimitavaosbenefíciosda
automação,poisoscomputadoressóexistiamno
nível4datecnologia.Qualquernecessidadede
integraçãodedadosparaanáliseouparamelhora
noprocessoprodutivoerafeitapormeiodelongos
relatórios.Issoperdurouatéosanos1980,quando
surgiramasredesdecomunicação,ouseja,eraa
primeiravezqueosequipamentosdediversosníveis
daautomaçãopoderiamtrocardados.
Porém,mesmocomosurgimentodasredes
decomunicação,apenasosequipamentosdeuma
mesmamarcaconseguiamsecomunicar,poiscada
fabricantetinhaseuprópriosistema.Aintegraçãode
linguagens–conhecidacomointeroperabilidade–
sósurgiuem1993comapublicaçãodanormaIEC
61131-3,quepadronizouaprogramaçãodecontrole
industriale,posteriormente,comaintroduçãoda
ISA95,queéopadrãointernacionalparaintegração
deempresasesistemasdecontrole.
Atualmente,alémdaintegraçãoentreosníveis
operacionaiseadministrativos,jáépossívelintegrar
diversaspirâmides,ouseja,váriasindústriasdeum
mesmogrupo,porexemplo,podemsecomunicar.
“Éaglobalizaçãodaintegraçãotrazidapela
automação”,afirmaoprofessordocursodeMBAem
automaçãoindustrialnaUniversidadedeSãoPaulo
(USP),MarcosYukioYamagushi.
Hojehácomunicaçãowireless,massóéutilizada
paratransmissãodedadosentrecomputadores.De
acordocomYamagushi,aredewirelessHART(que
podeserutilizadaparacomunicaçãoentretodosos
equipamentosdaautomação),porexemplo,nãoé
muitoaplicadaporque,apesardeserconfiável,émuito
lenta.Paraseterideia,atransmissãoviacabosentreo
CLPeaIHMlevamilissegundos,enquantoviawireless
HARTpodelevaraté15segundos,diferençadetempo
que,emumprocessoindustrial,édegranderelevância.
Por que automação?
Asprincipaisvantagensdaautomaçãoconsistem
emproduzirmaisprodutos,emmenortempoecom
Memória da eletricidade 74 O Setor Elétrico / Maio de 2010
O Controlador Lógico Programável (CLP) é um dos equipamentos mais antigos e mais importantes utilizados na automação industrial
No início do século XX, os relés temporizados, juntamente com os controles, já eram utilizados na indústria automobilística Ford, cuja linha de produção automatizada levou à produção em massa, que ficou conhecida como Fordismo.
O Setor Elétrico / Maio de 201075
maiorqualidade,comamenorintervençãohumana
possível.Tambémépossívelotimizarosprocessos
usandoosequipamentosresponsáveispelaprodução,
deformaaobterseumelhorrendimentoediminuira
cargaemhoráriosdeponta,quandoaenergiaémais
cara,ediminuirosgastoscomaconcessionária.
“Aintroduçãodaautomaçãofoimuito
importanteparaosprocessosprodutivosporque
seminimizouavariabilidadederesultadosque
eramuitoaltacomainterferênciadohomem.
Agoratemosrepetiçãodeprocessoscomqualidade
assegurada”,afirmaocoordenadordoCentrode
PesquisaeCapacitaçãoTecnológicaemAutomação
Industrial(EPUSP)–convênioentreoDepartamento
deEnergiaeAutomaçãoElétricas(PEA)da
UniversidadedeSãoPaulo(USP)eaRockwell–,
CíceroCoutodeMoraes.
Tambémemcasodecorteinesperadono
fornecimentodeenergia,aautomaçãotambém
podeserútil.Épossívelfazerumaprogramação
doCLP(quedelegaasorientaçõesparaosdemais
equipamentoseconseguediagnosticarproblemas
mesmoantesdainterrupçãodaoperação)paraque
cargasvitaiscontinuemareceberalimentaçãopor
meiodegeradoresoufontesalternativas.
Contudo,osgeradoreslevamatédezsegundos
paraentraremoperaçãoealgunsprocessosnão
podemsofrerqualquerinterrupçãodeenergia.
Nessescasos,aautomaçãosupervisionanobreaks
quegarantemofuncionamentodascargasatéque
osgeradoresentrememoperação.Sistemascomo
essesforamdesenvolvidospararedesdetelevisão,
hospitais,centraisdeprocessamentosdedados,entre
outros.Muitosdelestrabalhamcomapossibilidade
defaltadeenergiadeumsegundoacadacincoanos
naalimentaçãodascargasconsideradasvitais,mas
essecritériodependedaespecificaçãodoprojeto.
Aautomaçãotambémpermitiuainclusãode
práticasfabrisquevisammelhorarosprocessos,
comoprogramadoSixSigma.Asindústriasque
seguemessemodelodequalidadegarantemapenas
umdefeitoacadaumbilhãodeprodutosfabricados,
padrãoestedequalidadeinseridonoBrasilhá
aproximadamente15anos.
Amanutençãoéoutroitemquepodeser
beneficiadocomaimplantaçãodeprocessos
automatizados,jáque,comomonitoramento
completodasmáquinasépossívelverificar
seufuncionamentoerealizarosprogramasde
manutençãopreditiva.Antesdaautomaçãoas
manutençõespredominanteseramacorretivaea
preventiva.Atémesmoestaúltimafoimelhorada,
porque,antesdaautomação,asmáquinaseram
paralisadasperiodicamenteetinhamsuaspeças
trocadas,mesmoqueaindanãoapresentassem
problema.
Comonemtudosãoflores,umadas
desvantagensdaautomaçãoéque,aoimplementá-
la,problemasrepentinospodemocorrere,muitas
vezes,seelesnãoforemprevistos,aintervençãodo
homempodenãoserpermitida,levandoaerrose
outrasconsequênciaspiores.
Outraquestãosemprelevantadaquandosefala
emautomaçãoéoeventualaumentododesemprego.
Deacordocomoengenheiroeletrônico,diretorde
treinamentoepresidenteeleitodaInstrumentation
SocietyofAutomation(ISA–Sociedade
InternacionaldeAutomação),JorgeRamos,não
hádemissõesemmassa,massimumamudança
noperfildavagadetrabalho.“Aprogramação
éhumana,sóaatuaçãonãoémais”,completa.
Porisso,anecessidadeconstantedeatualização
dosprofissionaisenvolvidosnestaáreadeforma
queconsigamacompanharaevoluçãodasnovas
tecnologias.
ÉoquepensaoprofessordoDepartamentode
EngenhariadeEnergiaeAutomaçãoElétricas(PEA),
daUSP,SérgioLuizPereira.Segundoele,épreciso
tercuidadonaaplicaçãodatecnologiaparaqueela
tragabenefíciosparatodasascamadasdasociedade.
“Aautomaçãoéumapoderosíssimaferramentaeo
empregodelaéquepodeserbomouruime,dentro
deumdesenvolvimentosustentável,devehavera
inclusãosocial.Issoporqueseelaforempregada
apenasparasubstituiçãodoserhumanoeoresultado
nãoforinvestidonelemesmoparaquepossaexercer
outrasatividadesmaisnobres,aautomaçãopode
levaraumdesemprego.Eesseaumentodeprodução
serárevertidoparaquem?”,conclui.
Principais equipamentos
Onível1da“pirâmidedaautomação”éo
chamado“chãodefábrica”,poiséonívelem
queestãoasmáquinasdiretamenteresponsáveis
pelaprodução.Écompostoprincipalmentepor
relés,sensoresdigitaiseanalógicos,inversoresde
frequência,conversores,sistemasdepartidaeCentro
deControledeMotores(CCMs).
Onível2éresponsávelpelocontroledetodosos
Memória da eletricidade 76 O Setor Elétrico / Maio de 2010
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Inversores de frequência recebem orientações do CLP e rapassam os comandos para as máquinas fabris
equipamentosdeautomaçãodonível1eenglobaos
controladoresdigitais,dinâmicoselógicos,comoos
CLPs,edesupervisãoassociadaaoprocessofabril.
Essesequipamentostambémsãoresponsáveispor
repassaroscomandosdosníveissuperioresparaas
máquinasdaplantadafábrica(nível1).SãoosCLPs
que“delegam”astarefasparaosequipamentosdo
nível1.
Nonível3dapirâmide,podemserencontrados
osbancosdedadoscominformaçõessobrequalidade
daprodução,relatórioseestatísticas.Ossistemas
supervisóriosconcentramasinformaçõespassadas
pelosequipamentosdosníveis1e2easrepassam
paraosníveisadministrativos(níveis4e5).
Onível4éresponsávelpeloplanejamentoe
programaçãodaplantafabril,passandoastarefas
quedevemserrealizadasparaonível3que,porsua
vez,distribuiotrabalhoparaosníveisinferiores.
Tambéméonívelresponsávelpelocontrolee
logísticadesuprimentos.Jáaadministraçãode
todososrecursosdaempresaestãononível5,onde
égerenciadotodoosistema.
Oscomputadoreslocalizadosnosníveis4e5
precisamseraltamenteconfiáveisepossuirmuita
memóriaparaoarmazenamentodedadosegrande
capacidadedeprocessamento.Devemcontarcom
redundânciademáquinaedediscorígido,alémde
restritoacessoparagarantirasegurançadetodoo
sistemadeautomação.
Asmaisrecentestecnologiasparaautomação
donível3sãooManufactoryExecutionSistem
(MES),sistemadegerenciamentodeoperações,eo
EnterpriseResourcePlanning(ERP),programaque
realizaoplanejamentodenegócioselogística.
Investimentos
DeacordocomocoordenadordoEPUSP,Cícero
Couto,paraarealizaçãodeumbomprojetode
automação,éprecisoqueaempresadeintegração
responsávelpeloprojetoentendaperfeitamente
comoaindústriacontratantedesenvolveseu
processoprodutivo.Asespecificidadesdecada
parqueindustrialpedemsempresuasolução
particular,mesmoqueacontratadatenhafeito
automaçãodeprocessossimilares.
Porisso,édeextremaimportânciaquea
indústriacontratantedetalhetodooseuprocesso
demanufaturaeoqueeladesejaobtercom
aautomação.Umexemplodessecasoentrea
indústriaeaempresaresponsávelpelaautomação
édeumafábricadeprodutosdelimpezaque
precisavareduziropreçodeumsabãoempópara
manter-secompetitivanomercado.Aautomação
foitotalmentedesenvolvidacomesseobjetivo:
minimizaroscustosdoprocessoefazeroproduto
chegaraoconsumidorfinalcomopreçoalmejado
pelaindústria.
Onumerárioinvestidonatecnologiadependerá
dotipoedaamplitudedaautomaçãonafábricae
oretornodoinvestimentoocorreentretrêsecinco
anos.Aprincipalfontedesseretornoéaquedano
custodefabricaçãodoprodutocomocrescente
aumentodaprodução.Comisso,aindústriapode
escolherentreaumentarsuamargemdelucrosobre
cadamercadoriaoubaixarseupreçocomoaumento
dasvendas.
Amanutençãodaautomaçãoéfeitaanualmente
e,em90%doscasos,pelosprópriosfuncionários
daindústria,quesãodevidamentetreinadospela
empresaresponsávelpelaautomatização.Acadacinco
anoséprecisotrocarosequipamentoseossoftwares
responsáveispelaautomação,sendonecessáriaa
atuaçãodaempresaqueimplantouatecnologia.
O Setor Elétrico / Maio de 201077
Energia Saídas / Entradas
Painel: Inversores e softstarters
Motor 3Motor 6 Motor 5Motor 1 Motor 4Motor 2
IHM
CLP
Ilustração dos níveis 1 e 2 da automação industrial