Unidade 1 - Ebook

Prévia do material em texto

SISTEMAS DE CONTROLE:SISTEMAS DE CONTROLE:
HISTÓRICO E CONCEITOHISTÓRICO E CONCEITO
SISTEMAS AUTOMATIZADOSSISTEMAS AUTOMATIZADOS
NA INDÚSTRIA 4.0NA INDÚSTRIA 4.0
Au to r ( a ) : M e . Pe d ro V i e i ra S o u z a S a n to s
R ev i s o r : D a n i e l R . Ta s é Ve l á zq u e z
Tempo de leitura do conteúdo estimado em 1 hora e 15 minutos.
Introdução
Prezado(a) estudante, iniciaremos nosso caminho até o �nal deste estudo discutindo os sistemas
de controle dispostos nas indústrias dos mais variados segmentos, que compõem uma estrutura
que auxilia a operação dessas organizações.
Quando falamos em automação , podemos entender que se trata, em suma, da conversão de um
processo de trabalho em automático, em vez de um controle humano. Embora a automação esteja,
em maior parte, associada à informatização , essa realidade ainda engloba uma série de pilares nos
quais as funções humana e da máquina são rede�nidas. Posto isso, é importante compreender o
papel da automação na Indústria 4.0 , além de reconhecer as variáveis de entrada e saída em
sistemas automatizados, por exemplo. Ademais, entender o papel de cada componente de controle
em sistemas automatizados é de grande relevância para os pro�ssionais que lidam com essas
tecnologias.
Boa leitura!
Caro(a) estudante, você sabia que a dinâmica imposta pelo mercado às empresas fez com que
diversas práticas surgissem como forma de garantir a sustentabilidade dessas empresas? Com
isso, as organizações enxergaram, nas várias tecnologias desenvolvidas ao longo do tempo, uma
forma de aprimorar os processos e evoluir no quesito vantagem competitiva. Isso ocorre devido ao
fato de que as diversas estratégias de produção têm um objetivo em comum: aprimorar os
processos de modo e�ciente e econômico . Dentre os meios para se chegar a esse objetivo,
encontra-se a automação industrial.
O termo “automação” começou a ser empregado em 1936, quando D. S. Harder trabalhava para a
General Motors Corporation. Para ele, a automação poderia ser o retrato da transferência de peças
de trabalho entre as máquinas em um processo de produção, sem operação humana. Pouco tempo
depois, em 1946, ele fundou o Departamento de Automação, quando era vice-presidente da Ford
Motor Company (HITOMI,1994).
História do Controle
Automático e do Controle
Clássico
Quando discutimos automação, precisamos entender que se refere, em síntese, a uma operação
automática, isto é, está basicamente relacionada com a produção automática de bens e/ou
produtos. Para isso, os pilares que sustentam sua fundação foram �rmados no aumento da
e�ciência da fabricação e da produtividade do trabalho, o que justi�cou sua implementação em
diversos segmentos.
Nesse contexto, observaram-se três diretrizes que abriram o caminho para a automação :
1. produção automática do tipo �uxo nas indústrias de manufatura;
2. controle automático da produção contínua em indústrias de processo; e
3. aumento da e�ciência empresarial por meio de computadores (HITOMI,1994; KEHOE et al .,
2015).
Essas tendências deram sustento aos seguintes tipos de automação:
automação mecânica para indústrias de manufatura;
S A I B A M A I S
Podemos pensar: como a automação veio à tona? Qual sua principal base prática? Henry Ford (1863-
1947), da General Motors, idealizou algo que ele chamou de linha de montagem . Talvez esse tenha sido o
real gatilho para o grande desenvolvimento industrial e, ainda, é uma boa marca do início pré-existencial da
automação industrial.
Link: https://bityli.com/rHpek
Fonte: Silveira e Lima (2003, p. 2).
https://bityli.com/rHpek
automação de processos para indústrias químicas e de processos; e
automação comercial para trabalho de escritório (GUNASEKARAN, 1999; NATALE, 2003).
Dessa forma, podemos compreender que a automação industrial pode ser enquadrada em dois
grandes segmentos : a automação de manufatura e o chamado controle de processos . Nos dias
atuais, contudo, essa divisão já não é mais tão clara assim, uma vez que a automação busca
constantemente a uni�cação dos variados ramos internos de uma indústria, para, assim, torná-los
automáticos.
Alguns conceitos atrelados à temática de automação precisam ser expostos, de acordo com Bayer
e Araújo (2010), tais como:
REFLITA
A conversão do trabalho manual em mecânico é a mesma coisa
que automação? No contexto da automação em indústrias,
devemos distinguir esses termos e seus respectivos conceitos.
Nesse caso, a automação industrial é diferente da mecanização. A
primeira permite a execução de operações por meio de máquinas
controladas automaticamente. A segunda, por outro lado, limita-se
ao uso de equipamentos para operacionalizar alguma tarefa, em
substituição ao esforço físico humano.
Nesse sentido, devemos associar que a natureza do processo depende do �uxo de etapas
distribuídas em sequência, com a conclusão de uma etapa levando ao início da próxima. Nesse
cenário, os processos geralmente contam com o auxílio de ferramentas direcionadas a
monitoramento, controle e/ou programação para manter a e�ciência operacional em níveis
máximos. Para Bayer e Araújo (2010, p. 19), a proposta de um sistema de controle consiste em
“aplicar sinais adequados na entrada do processo com o intuito de fazer com que o sinal de saída
satisfaça certas especi�cações e/ou apresente um comportamento particular”.
O papel do controle no contexto dos sistemas industriais está em fazer com que o conjunto de
tecnologias disponíveis atinja os padrões permitidos de variações de parâmetros operacionais para
as máquinas e os sistemas, fornecendo os sinais de entrada necessários. Ademais, o controle
clássico tem como principal função garantir que as saídas sigam os pontos de ajuste.
Devemos compreender que os sistemas automatizados são essenciais para a manutenção do
desempenho operacional das indústrias modernas. Podemos perceber a migração da automação
para diversas áreas das indústrias, como:
embalagem e manuseio de materiais;
controle de qualidade e inspeção;
fabricação de metal;
processamento de alimentos e bebidas;
usinagem de peças; e
planejamento e tomada de decisão.
A automação possibilita às empresas a obtenção de um aumento na produtividade, a partir da
utilização de tecnologias variadas de automação. Um caso pertinente a ser citado são os robôs
(Figura 1.1), presentes nas indústrias automobilísticas com maior frequência. Um ponto a se
destacar é o de que a indústria automotiva foi a primeira a adotar a robótica . Seguindo os avanços
tecnológicos nos últimos tempos, as organizações de menor porte agora podem automatizar seus
sistemas de manufatura e melhorar , dentre outros aspectos, a e�ciência operacional. Para nos
aprofundarmos ainda mais no tema, analise a �gura a seguir, que traz a ilustração de um sistema
robotizado.
Figura 1.1 - Sistema de robotização em planta automobilística
Fonte: Nataliya Hora / 123RF.
#PraCegoVer : a imagem apresenta a fotogra�a de uma planta automobilística, mostrando uma série de
robôs que executam operações de montagem dos automóveis. Na imagem, constam equipamentos
automatizados de, aproximadamente, quatro metros de altura, dispostos em �la.
Alguns dos benefícios da automação dos processos de manufatura são:
aumento dos níveis de produção;
redução do custo de produção;
controle sobre a qualidade do produto;
uniformidade;
conveniência na execução de operações de risco;
padronização; e
agilidade (AY et al ., 2008; WANG et al ., 2009).
Para as empresas que adotam sistemas automatizados, os ganhos em e�ciência e velocidade de
processamento (de materiais e informação) são notórios e sustentáveis . Esses sistemas, assim
como qualquer tecnologia, são altamente adaptáveis à realidade local e podem ser modelados para
a demanda prática de cada organização e/ou setor.
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Uma de�nição simples para a automação é a de um sistema de controle pelo qual os mecanismos
veri�cam sua própria operação, efetuando medições e introduzindo correções, sem a necessidadeda intervenção do homem. Em outras palavras, a automação vai além da simples mecanização.
ROGGIA, L.; FUENTES, R. C. Automação Industrial . Santa Maria: Rede e-Tec Brasil, 2016.
Assinale a alternativa que mostra corretamente a de�nição de controle do processo.
a) É a técnica de manter variáveis de um processo em valores predeterminados a partir de
um procedimento que calcula correções proporcionais a uma ou mais variáveis, as quais
são medidas em tempo real por determinado equipamento.
b) É a prática de manter apenas uma variável de processo em valores predeterminados a
partir de um procedimento que calcula correções proporcionais a uma ou mais variáveis,
as quais são medidas em tempo real por determinado equipamento.
c) São conjuntos de instruções lógicas, sequencialmente organizadas, as quais indicam ao
controlador ou ao computador as ações a serem executadas.
d) Trata-se de elementos que atuam para alterar �sicamente uma variável manipulada.
Pode ser uma válvula utilizada para restringir a passagem de um �uido, bombas para
regular o �uxo, entre outros.
e) São elementos individuais de comando lógico, que não estão sequencialmente
organizados, os quais indicam ao controlador ou ao computador as ações a serem
executadas.
Modelagem de Sistemas
Dinâmicos em Sistemas
Vamos dar continuidade a nosso estudo, ressaltando, a princípio, que devemos entender a base
teórica do termo “sistema”. De modo simpli�cado, um sistema pode ser tido como uma sequência
organizada de partes que são integradas com o propósito de atingir um objetivo geral, conforme
ilustrado na Figura 1.2.
De acordo com Lopez (2002), um sistema tem várias entradas , que passam por processos
(interação) para produzir a(s) saída(s) , que, juntos, alcançam o intuito geral programado.
Analisemos a �gura a seguir para um melhor entendimento:
Automatizados
Figura 1.2 - Representação grá�ca de um sistema
Fonte: Adaptado de Lopez (2002).
#PraCegoVer : a imagem apresenta uma representação grá�ca de um sistema. Nela estão contidas, no
lado esquerdo, um conjunto de círculos em tamanhos distintos, que representam as entradas. Logo ao
lado, arcos em direções opostas que representam a divisão das fases. No centro, estão dois círculos, que
indicam a interação que ocorre no sistema. Novamente aparecem os arcos em direções opostas, que
representam a divisão das fases, e o lado direito contém um círculo maior, que indica a saída do sistema.
Como forma de representar o meio ambiente e a fronteira, tem-se um retângulo tracejado contornando os
elementos.
Assim, devemos compreender que um sistema pode ser, em geral, composto de muitos sistemas
inferiores ou subsistemas . Por exemplo, uma empresa é composta de uma gama de funções
administrativas, produtos e/ou serviços, equipes e colaboradores. Se uma parte menor desse
sistema for modi�cada, a natureza do sistema maior também será alterada.
No contexto dos sistemas, há as formas prede�nidas de interação sistema-ambiente :
Entradas : do ambiente para o sistema;
Saídas : do sistema para o ambiente (as saídas estão atreladas às respostas do sistema às
entradas).
Logo, conceituamos um sistema do tipo dinâmico como aquele para o qual uma entrada do tipo
variável (tempo) requer modi�cação na forma da saída. Dentro do campo de sistemas, uma das
práticas está em modelagem. Antes de entendermos como isso funciona, devemos conceituar
“modelo” e “planta”. Em suma, podemos de�nir modelo como sendo a representação de algo
concreto . De acordo com Stachowiak (1973), um modelo deve ser validado se atender a três
critérios:
Para Steinmüller (1993), um modelo é uma informação baseada em algo (conteúdo, signi�cado),
criado por alguém (remetente), para alguém (receptor) e para alguma �nalidade (contexto de uso).
Assim, podemos perceber que um modelo é a descrição de algo.
 Critério de mapeamento Critério de redução Critério pragmático
Quando existe um objeto ou fenômeno original que é mapeado para o modelo.
Nesse sentido, a maioria das arquiteturas dos modelos simpli�ca o sistema real para focar em
características essenciais. Na verdade, produz-se um sistema que imita o comportamento, no
sentido da relação existente de entrada e saída, mas não o funcionamento real do sistema que está
sendo observado. Logo, a qualidade de um modelo é avaliada por quão bem seus resultados estão
em comparação e conformidade com as observações da realidade, e não pela quantidade de
detalhes incluídos (SANCHEZ, 2007).
A Figura 1.3, a seguir, ilustra o processo de elaboração de um modelo que consiste em dois grandes
grupos de atividades:
Figura 1.3 - Representação grá�ca da metodologia de construção de modelos
Fonte: Elaborada pelo autor.
#PraCegoVer : a imagem apresenta uma representação grá�ca da metodologia de construção de
modelos. É dividida em dois conjuntos de quatro blocos retangulares cada. Na primeira lista de blocos,
tem-se a fase de construção, que engloba as atividades de elaboração de teoria do sistema, identi�cação
dos parâmetros e validação. Na outra coluna de blocos, tem-se a fase de estudo da dinâmica, com as
etapas de análises qualitativas, simulação e sensibilidade.
Para obter informações de um modelo, faz-se a análise e simulação do comportamento dinâmico
dele (TRIVELATO, 2003). Deve-se �xar o fato de que o comportamento de natureza dinâmica de um
sistema de cunho físico está atrelado à variação temporal de sua resposta, a um dado valor de
entrada . Assim, o modelo de um sistema do tipo dinâmico pode ser descrito a partir de equações
diferenciais (GARCIA, 2005).
Quando falamos em equações diferenciais, tratamos daquelas que são capazes de descrever
fenômenos que possuem uma dada taxa de variação em alguma de suas variáveis, como:
movimento de sistemas mecânicos;
variação de corrente em circuitos elétricos;
dinâmicas populacionais.
Outra abordagem possível para se analisar um sistema é a partir dos diagramas de blocos. Estes
são construídos com base nas equações que representam o modelo a ser estudado (TRIVELATO,
2003).
Basicamente, os elementos que compõem um diagrama de blocos são:
Seta (sinal) : representa o sentido do �uxo de sinal;
Figura 1.4 - Representação de seta (sinal)
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : a imagem traz a representação de uma seta ou sinal em direção à direita. Acima, está a
letra X e, entre parênteses, a letra s.
Bloco : simbologia que remete à operação matemática sobre o sinal de entrada do bloco que
produz a saída;
Figura 1.5 - Bloco
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : a imagem traz a representação grá�ca de um bloco. O bloco retangular está no centro,
recebendo uma seta com X(s), que indica a entrada, e tem uma seta saindo, em direção à direita, com Y(s).
Dentro do bloco está escrito G(s).
Ponto de soma (somador) : somador é uma representação da operação de soma. Nesse
elemento, há os sinais de mais e de menos, que estão associados à condição de soma ou
subtração, respectivamente, em que o sinal deve ser adicionado ou subtraído (DISTEFANO III;
STUBBERUD; WILLIAMS, 2014);
Figura 1.6 - Representação de um somador
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : a imagem mostra a representação grá�ca de um somador. Nela, há três entradas indicadas
por setas independentes, cada qual associada a uma variável, escrita por X1, X2 e X3.
Ponto de junção (rami�cação) : ponto inicial, em que o sinal proveniente de um bloco vai
para outros blocos e/ou pontos de soma (GARCIA, 2005).
Figura 1.7 - Representação da rami�cação
Fonte: Adaptado de Garcia (2005).
#PraCegoVer : nessa imagem, tem-se a representação grá�ca de uma rami�cação ou ponto de junção.
Nela, tem-se uma linha que representa a variável intitulada X. A partir do �m da linha, surgem três linhas
derivadas, cada uma com a representação de X ao �m.
Para entendermos melhor, vamos a um exemplo de diagrama de blocos tradicional em um sistema
de controle , ilustrado pela Figura 1.8:
Figura 1.8 - Diagrama de blocos
Fonte: Rosa (2016, p. 11).
#PraCegoVer : a imagemrepresenta um diagrama de blocos simpli�cado. No exemplo, tem-se um
diagrama que engloba os elementos do controlador até o modelo de linha de transmissão.
No contexto dos diagramas de blocos, há algumas regras para redução, tais como:
Blocos em série : as funções de transferência se multiplicam;
Figura 1.9 - Blocos em série
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : nesse esquema, podemos representar a simpli�cação nos casos em que os blocos estão
em série. Na imagem, tem-se o diagrama original com dois blocos (G1 e G2) e uma entrada X1, uma
entrada X2 e uma saída X3. A versão reduzida, tem apenas um bloco com o produto de G1 e G2, com uma
seta de entrada (X1) e uma de saída (X3).
Blocos em paralelo : nesse caso, as funções de transferência são somadas;
Figura 1.10 - Blocos em série
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : nesse esquema, podemos representar a simpli�cação nos casos em que os blocos estão
em paralelo. Na imagem, tem-se o diagrama original com dois blocos (G1 e G2), uma entrada (X1) e uma
saída (X2). A versão reduzida tem apenas um bloco com o somatório de G1 + G2, com uma seta de
entrada e uma de saída.
Malha de realimentação
Figura 1.11 - Malha de realimentação
Fonte: Adaptado de Bottura (1982).
#PraCegoVer : a imagem descreve um diagrama de blocos no qual podemos perceber a redução do
esquema original (à esquerda) para o diagrama à direita.
Deve-se observar que a função de transferência de um sistema é representada por uma equação
diferencial sem variação ao longo do tempo e pode ser de�nida como a relação entre a função de
resposta e a função de excitação . Em outras palavras, essa função relaciona-se com a resposta de
Estado Zero do sistema (PAZOS, 2002; GARCIA, 2005).
Se considerarmos um sistema que contém a descrição dada por uma função de transferência
intitulada F(s) e a saída desse sistema como sendo Y(s), anexando, ainda, um dado sinal de entrada
X(s), a função é dada por: Y(s) = X(s).F(s).
Assim, podemos notar que cada elemento integrado a um sistema pode ser representado por um
bloco. Tal elemento contém a função de transferência . Esses blocos são conectados e/ou
interligados, o que condiciona a possibilidade de representar a interdependência desses elementos
(TRIVELATO, 2003; DORF, 2009).
Dessa forma, surge a atividade de simulação. Em muitos casos, podemos descrever
algoritmicamente os comportamentos em um sistema, produzindo uma simulação de computador
com base em nosso modelo. Se o modelo de simulação usa a aleatoriedade como parte do
processo de modelagem, sua saída é uma variável aleatória (LAW; KELTON, 2000).
O feedback está contido no processo de modelagem na forma de veri�cação e validação
(SARGENT, 2003). Isso se dá com base no fato de que o modelo formal é a representação da
situação e/ou problema no qual se deseja intervir . No entanto, a validação do modelo apresenta
uma questão ainda mais desa�adora: “meu programa de computador imita a realidade de forma
adequada?”. A validação atua como um ciclo de feedback entre o modelo do computador e a
realidade (MERNIK; HEERING; SLOANE, 2005; SANCHEZ, 2007; MAYA; LEONARDI, 2015).
Portanto, a simulação pode ser usada como:
ferramenta de análise para prever o efeito das mudanças;
ferramenta de design para predizer o desempenho do novo sistema; e
ferramenta para testar as intervenções antes da implementação (KELTON; SADOWSKI;
SADOWSKI, 2001).
A simulação pode ser aplicada em sistemas automatizados de diversas áreas, tais como:
manufatura;
engenharia de construção e gerenciamento de projetos;
aplicação militar;
logística, cadeia de suprimentos e distribuição;
modos de transporte e tráfego;
simulação de processos de negócios; e
saúde (LAW; KELTON, 2000; KELTON; SADOWSKI; SADOWSKI, 2001).
Nos modelos do tipo dinâmico, as variáveis apresentam comportamento variante, de acordo com o
tempo, e são chamadas de variável independente . Nesse caso, o efeito de um sinal de entrada vai
conduzir o comportamento do sistema nos instantes posteriores. Por isso, a simulação pode ser
empregada nesses tipos de modelo para melhoria em projeto de equipamentos , processos e
plantas . Assim, os dados sobre variáveis de entrada e variáveis de saída podem ser direcionados
para avaliar os parâmetros do sistema.
Automação simples : permite realizar uma operação por meio de máquinas que são
controladas automaticamente (ROGGIA; FUENTES, 2016).
Automação rígida : com altas taxas de produção, baseia-se em uma linha de produção
projetada para a fabricação de um tipo especí�co de produto (ROGGIA; FUENTES,
2016).
Automação programável : tipo no qual o maquinário de produção é projetado com a
capacidade de alterar a sequência de operações e, com isso, processar distintas
formas de produtos ou mix (ROGGIA; FUENTES, 2016).
Ademais, a simulação pode facilitar a avaliação da pré-operação e operação de plantas. Nessa
situação, os grupos de dados variáveis de entrada ou variáveis de saída, associados, ainda, aos
parâmetros do sistema, podem melhorar o entendimento do processo e avaliar possíveis riscos, por
exemplo. Por outro lado, os sistemas de controle de processos dinâmicos podem usar a simulação
com o intuito de realizar ajustes de controladores (ROBINSON, 2003).
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Um diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por
cada componente e do �uxo de sinais. Esse diagrama indica a inter-relação que existe entre os
vários componentes, em que todas as variáveis do sistema são ligadas às outras por meio da
relação entre a entrada e a saída dos blocos.
BOJORGE, N. Álgebra de diagramas de blocos . Rio de Janeiro: UFF, 2017.
Como essa relação é chamada? Assinale a alternativa correta.
Automação �exível : engloba parte das características da automação rígida e outras
oriundas da automação do tipo programável (ROGGIA; FUENTES, 2016).
a) Função de transferência.
b) Equação de saída.
c) Taxa de conversão.
d) Variante.
e) Blocos funcionais.
De acordo com Felício (2010), do ponto de vista da temática sobre os comportamentos de
mecanismos diversos, tais como motores, equipamentos, circuitos elétricos e outros, esta
geralmente é apresentada dentro de uma área chamada de Dinâmica de Sistemas (System
Dynamics). Segundo o autor,
Introdução à Resposta
Dinâmica de Sistemas
Lineares
Dessa maneira, concluímos que o estudo da Dinâmica de Sistemas pode ser entendido
como o estudo do comportamento, em função do tempo, de grandezas que estão
relacionadas com parte do universo que foi imaginariamente separada para este �m
(FELÍCIO, 2010, p. 4).
O autor ainda cita que esse ramo de estudos pode ser dividido em várias vertentes, tais como:
Vibrações;
Sistemas de Controle (Automação);
Sistema de Medidas;
Modelos Especí�cos.
Conforme citado anteriormente, sabemos que há três fases essenciais que caracterizam o estudo
da Dinâmica de Sistemas:
obtenção de equações de movimento;
representação de modelos;
simulação do modelo matemático caracterizado.
Para cada caso, as resistências contidas neles dissipam energia, e o sistema retorna de modo
autônomo a uma posição de equilíbrio do tipo estático, logo após uma perturbação de natureza
externa.
Por outro lado, um sistema de segunda ordem tem dois elementos diferentes de armazenamento de
energia, além de um mecanismo de dissipação . Um exemplo de sistema de segunda ordem (dois
polos) é o caso da suspensão do automóvel. Esse sistema é dito de segunda ordem devido ao fato
de que G(s) possui dois polos.
Em suma, a resposta que buscamos ao longo do tempo de um sistema de controle é composta de
duas partes: , sendo a primeira parte da equação – – chamada
de resposta transitória , e a segunda – –, de resposta em estado estável . No caso da
resposta transitória, tem-se a natureza dos sistemas físicos, que demandam um transiente para
responder. A resposta em estado do tipo estável indica, para nosso modelo, onde �nda a saída
quando o tempo é longo.
Dentro dessa abordagem,devemos perceber a diferença entre os sistemas de primeira ordem e
de segunda ordem. Os sistemas do primeiro tipo são aqueles que se caracterizam por
armazenar energia em apenas uma forma e que agregam um elemento para poder dissipá-la.
Matematicamente, a equação descritiva usa apenas uma única variável e sua primeira derivada.
São exemplos desse modelo de sistema:
capacitância;
mola com atrito;
indutância.
Y (t)   =   (t)   +   (t)Y1 Yss (t)Y1
(t)Yss
A seguir, é dado um exemplo que ilustra como medir uma função de transferência do tipo G(s), a
partir de sua resposta transitória a uma entrada. Havendo um motor de corrente contínua , e este
possuindo uma função de transferência , tendo como saída de interesse a velocidade de rotação do
eixo (W(s)), nota-se:
W(s)/V(s) = G(s) = k · a/s + a
Consideremos V(s) a tensão de alimentação do motor de corrente contínua. Vamos determinar a
função de transferência (a e k). Para isso, aplica-se uma entrada de amplitude de 2 volts.
Experimentalmente, se k·A = 1000, para A = 2, temos que k = 500 rpm/v. A função de transferência
será então:
G(s) = 500 · 0,5/(s + 0,5) = 250/(s + 0,5)
REFLITA
Você deve questionar: será que a resposta do sistema que irá
retornar vai ser adequada às necessidades que impus? Nesse tipo
de situação, devemos lembrar que, muitas vezes, a resposta que o
sistema oferece não é a mais viável ou não é apropriada às
demandas internas do processo a ser controlado. Por isso, você
está sujeito a modi�cá-la conforme necessidade.
Deve-se salientar que as funções de excitação mais empregadas são:
constante;
exponencial;
senoidal;
senoidal amortecida.
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Diversos exemplos de automação de sistemas de produção podem ser observados nas linhas de
produção industrial, nas máquinas de montagem mecanizadas, nos sistemas de controle de
produção industrial realimentados, nas máquinas-ferramentas dotadas de comandos numéricos e
nos robôs de uso industrial.
BAYER, F. M.; ECKHARDT, M.; MACHADO, R. Automação de sistemas . 4. ed. Santa Maria: Escola
Técnica Aberta do Brasil, 2011.
Sobre a de�nição prática de automação, assinale a alternativa correta.
a) De�ne-se automação como sendo uma tecnologia que se ocupa da utilização de
sistemas mecânicos na operação e no controle da produção.
b) Pode-se de�nir a automação como a tecnologia que se ocupa da utilização de sistemas
mecânicos, eletroeletrônicos e computacionais na operação e no controle da produção.
c) Consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo o
esforço físico do homem.
d) A automação é a prática que possibilita a realização de uma tarefa por meio de
máquinas que são controladas mecanicamente.
e) A automação é uma gama de atividades e procedimentos que possibilita a realização de
uma tarefa por meio de máquinas que são controladas pelo operador, apenas.
Prezado(a) estudante, atenção: quando tratamos de sistemas automatizados , devemos lembrar
que toda lógica na qual estes são pautados demanda uma série de executores físicos (FRANCHI,
2008). Logo, nesse contexto, essa sistematização possui três componentes triviais , sendo eles:
sensor;
Componentes Físicos de
um Sistema Automatizado
controlador;
atuador.
Vamos ver a diferença entre eles, detalhando seus conceitos nas subseções a seguir.
Sensores
Esse tipo de componente é de natureza sensível aos fenômenos de cunho físico, tais como luz,
pressão e temperatura . A presença de um sensor é justi�cada pelo fato de que, no campo da
automação industrial, máquinas e equipamentos precisam de sensores e outros elementos , como
os transdutores , para que seja possível captar as informações sobre o que acontece na operação.
Por outro lado, além de identi�car as variáveis, esses materiais são capazes de distinguir a variação
de magnitudes do sistema.
Como citado, além dos sensores, há elementos complementares , como os transdutores , que são
utilizados para converter as magnitudes de natureza física em elétrica. A distinção entre eles deve
ser feita considerando que o sensor é empregado para detectar uma variação no meio; por outro
lado, o transdutor apenas é responsável pela conversão da variação em magnitude elétrica
(PELLINI, 2017). Uma representação ilustrativa de um sensor de presença é apresentada na Figura
1.12:
Controladores
Figura 1.12 - Sensor de presença
Fonte: wklzzz / 123RF.
#PraCegoVer : a imagem apresenta a representação de um sensor de presença. O dispositivo está
instalado em uma estrutura quadrada na vertical e emite uma luz vermelha em direção ao canal de
passagem de algum item a ser detectado.
Os controladores são responsáveis por controlar processos industriais (ou parte deles) por meio de
algoritmos de ordem programável de controles especi�cados pelo sistema de automação.
Entretanto, esses elementos não operam isoladamente (PETRUZELLA, 2014). Eles necessitam de
uma interface e/ou conexão com outros dispositivos, tais como atuadores e sensores. Em síntese,
os controladores são a parte intermediária que indica as ações para os atuadores, com base na
informação que é lida pelo sensor.
Do ponto de vista da sua caracterização , quando se trata da automação com controladores
industriais, deve-se considerar:
estrutura de dados;
tipologia e forma dos sinais aceitáveis;
compatibilidade dos equipamentos eletromecânicos;
número de entradas e saídas etc.
TIPOS DE SENSORES
#PraCegoVer : o infográ�co de título “Tipos de Sensores” apresenta modelo hambúrguer, com quatro abas
para clicar, interagir e realizar a leitura do conteúdo delas. As abas apresentam, respectivamente, os
conteúdos a seguir. 1ª aba: “Sensores elétricos: detectam oscilações em variáveis elétricas, como um
aumento de corrente elétrica ou uma variação da tensão elétrica” e há uma fotogra�a de um sensor
elétrico na cor prata, com detalhes em vermelho, posicionado sobre uma base/estrutura de cor bege. 2ª
aba: “Sensores mecânicos: elementos que têm a capacidade de identi�car as posições e/ou os
movimentos por meio de recursos mecânicos” e há a fotogra�a, com fundo branco, de um sensor
mecânico em tom metálico prata e dourado. 3ª aba: “Sensores ópticos ou fotoelétricos: utilizam a
propagação da luz como base para o seu funcionamento. Podem ser empregados na medição de
distâncias de objetos em relação ao dispositivo” e há a fotogra�a de um sensor óptico (fotoelétrico) com
uma luz acesa, visto de baixo para cima, e, no fundo, há o teto desfocado com luzes acesas. 4ª aba:
“Sensores térmicos: elementos que oferecem uma resposta quando submetidos a uma dada alteração de
temperatura” e há a imagem em vetor de um sensor térmico azul medindo a temperatura de 36.6 °C, sendo
segurado por uma mão de pele amarela que usa blusa de manga comprida rosa. Na frente do sensor, há
alguns arcos rosa de forma a simbolizar o ato de medir a temperatura.
Quanto às características dos controladores, cada qual terá uma funcionalidade de acordo com seu
tipo . Os controladores de temperatura, por exemplo, podem ter apenas a função de ligar e desligar
os equipamentos de resfriamento/aquecimento ou podem até ser ajustáveis antes da operação, o
que os torna precisos no ajuste da temperatura.
O controlador universal , apresentado na Figura 1.13, é caracterizado por aceitar grande parte dos
sensores e seus respectivos sinais utilizados na área. Além disso, ele tem todos os tipos de saída
demandados, para atuação nos mais variados tipos de processo industrial. Vamos analisar a �gura
para entender melhor?
Figura 1.13 - Controlador universal
Fonte: Surasak Petchang / 123RF.
#PraCegoVer : a imagem apresenta um exemplo de controlador universal. A �gura é composta por um
elemento retangular alongado, conectado pela �ação.
Outro tipo de controlador é o temporizador . Nele, tem-se a possibilidade de fazer a medição do
intervalo de tempo , por exemplo, ou até mesmo interromper um processo especí�co. Pode ser de
natureza mecânica, elétrica ou digital.
Atuadores
Outro dispositivobásico em sistemas automatizados é o chamado atuador . Trata-se do elemento
que, após excitado pelo sinal de comando e/ou controle recebido, atua sobre a variação do
elemento �nal inerente ao processo. Em outras palavras, um atuador faz a conversão da energia a
qual está atrelado em forma de automação prática para o campo industrial. Em suma, são
dispositivos responsáveis , após o acionamento , pela execução de uma forma ou ação física.
Nesse caso, podem ser de ordem hidráulica, elétrica, pneumática, entre outras (SILVEIRA; SANTOS,
2008). Um exemplo de atuador do tipo pneumático é apresentado na �gura a seguir.
Figura 1.14 - Atuador pneumático
Fonte: Marlon BÃnisch / 123RF.
#PraCegoVer : a imagem apresenta um exemplo de atuador pneumático. Trata-se de duas estruturas
retangulares alongadas, com um anexo à extremidade em forma cilíndrica.
Os elementos do tipo atuadores mais empregados na área industrial são os motores de corrente
contínua ou alternada . Esses dispositivos são, na grande parte dos casos, direcionados por
Controladores Lógicos Programáveis (CLP) ou simplesmente controladores. Mesmo assim, os
atuadores podem ser comandados diretamente apenas pelo operador (CAPELLI, 2013; MAYA;
LEONARDI, 2015).
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
No estudo da automação em sistemas industriais, comerciais, domésticos etc., é necessário
determinar as condições do sistema e obter os valores das variáveis físicas do ambiente a ser
monitorado. Um dos elementos dispostos para averiguar as condições das variáveis é o sensor.
ROGGIA, L.; FUENTES, R. C. Automação Industrial . Santa Maria: Rede e-Tec Brasil, 2016.
Sobre a de�nição de sensor, assinale a alternativa correta.
a) O sensor é um elemento sensível a uma forma de energia do ambiente, que relaciona
informações sobre uma grandeza que precisa ser medida.
b) Trata-se de um dispositivo que transforma um tipo de energia em outro.
c) Consiste em um elemento insensível a uma forma de energia do ambiente (energia
cinética, sonora, térmica, entre outras).
d) É um dispositivo que responde a um estímulo de maneira especí�ca, produzindo um
sinal que não pode ser transformado.
e) Um sensor transforma um estímulo, atrelado a uma energia, em outro tipo de energia
para �ns de análise.
praticar
Vamos Praticar
Para compreender melhor os dispositivos sensoriais, busque entre os aparelhos da sua casa quais
sensores estão presentes. Por exemplo, pode ser sensor de temperatura ou, até mesmo, de
presença. Registre os tipos que você encontrou e apresente-os aos colegas.
Comando da atividade prática : Pesquise os tipos de sensores domésticos presentes em sua
residência.
F E E D B A C K
Material
Complementar
F I L M E
O Jogo da Imitação
Ano : 2014
Comentário : Dirigido por Morten Tyldum, o �lme é um clássico na área de
história da automação. A obra audiovisual foi baseada em fatos ocorridos
no auge da Segunda Guerra Mundial e narra a história de Alan Turing, um
matemático que foi batizado como o “pai da informática”. Durante todo o
desenrolar da história, ele busca decifrar um código do tipo numérico
habilitado pelos nazistas em suas transmissões. O �lme fará com que você,
aluno, note a importância da análise de dados para o controle de atuadores e
outras funcionalidades.
Para conhecer mais sobre o �lme, acesse o trailer .
TRA I LER
L I V R O
Modelagem da dinâmica de sistemas e estudo da
resposta
Editora : RiMa
Autor : Luiz Carlos Felício
ISBN : 978-85-7656-169-9
Comentário : Nessa obra, o autor Luiz Carlos Felício aborda, de modo prático
e interativo, a aplicação de conhecimentos técnicos de modelagem da
Dinâmica de Sistemas. O foco do livro está em reforçar os conceitos básicos
de modelagem, além de indicar ao leitor exemplos de aplicação que
facilitem a �xação do conteúdo. Ao �nal, o texto ainda traz um
complemento, que apresenta um resumo dos conceitos matemáticos
necessários para o estudo de Dinâmica de Sistemas e revisa algumas das
relações matemáticas importantes para a temática. O propósito da leitura é
ter acesso aos exemplos práticos do livro e à linguagem técnica de
resolução.
Conclusão
Caro(a) estudante, chegamos ao �m do nosso estudo. Podemos concluir, então, que a automação
industrial resulta de todo esforço em desenvolver a indústria. Trata-se de um campo com grandes
possibilidades de melhoria para os processos das empresas.
Ao iniciar os estudos nessa área, devemos lembrar que um sistema tem diversas entradas, que passam
por processos (interação) para produzir a(s) saída(s), que, juntos, alcançam o intuito geral programado
para o processo. Assim, por meio da modelagem de sistemas, podemos analisar possíveis intervenções
práticas no processo.
Salienta-se que a qualidade de um modelo é avaliada por quão bem seus resultados estão em
comparação e conformidade com as observações da realidade. Outro ponto crucial da temática de
automação está na representação grá�ca dos elementos, por meio, por exemplo, do diagrama de blocos.
Para isso, conhecer os componentes físicos também é essencial para a boa programação e/ou
estruturação de sistemas.
Este material foi produzido de forma a explorar vários conteúdos e fornecer possibilidades conceituais
para você, estudante. Espero que tenha gostado.
Referências
AY, N. et al . Predictive information and explorative behaviour
of autonomous robots. The European Physical Journal B , v.
63, p. 329-339, 2008. Disponível em:
https://link.springer.com/content/pdf/10.1140/epjb/e2008-
00175-0.pdf . Acesso em: 10 maio 2021.
BAYER, F. M.; ARAÚJO, O. C. B. Curso técnico em automação industrial : controle automático de
processos. 3. ed. Santa Maria: Universidade Federal Santa Maria, Colégio Técnico Industrial de Santa
Maria, 2010. Disponível em: https://bityli.com/BdE99 . Acesso em: 12 maio 2021.
BAYER, F. M.; ECKHARDT, M.; MACHADO, R. Automação de sistemas . 4. ed. Santa Maria: Escola Técnica
Aberta do Brasil, 2011.
BOJORGE, N. Álgebra de diagramas de blocos . Rio de Janeiro: UFF, 2017.
BOTTURA, C. P. Princípios de controle e servomecanismos . Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1982.
CAPELLI, A. Automação industrial: controle do movimento e processos contínuos. 3. ed. São Paulo: Érica,
2013. Livro digital. (1 recurso on-line). ISBN 9788536519616. Disponível em:
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788536519616 . Acesso em: 16 abr. 2021.
DISTEFANO III, J. J.; STUBBERUD, A. R.; WILLIAMS, I. J. Sistemas de controle . 2. ed. Porto Alegre:
Bookman, 2014. Coleção Schaum.
DORF, R. C. Sistemas de controle modernos . 11. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
FELÍCIO, L. C. Modelagem da dinâmica de sistemas e estudo da resposta . 2. ed. São Carlos: RiMa, 2010.
FRANCHI, C. M. Controladores lógicos programáveis : sistemas discretos. São Paulo: Érica, 2008.
GARCIA, C. Modelagem e simulação de processos industriais e de sistemas eletromecânicos. 2. ed. São
Paulo: EDUSP, 2005.
https://link.springer.com/content/pdf/10.1140/epjb/e2008-00175-0.pdf
https://link.springer.com/content/pdf/10.1140/epjb/e2008-00175-0.pdf
https://bityli.com/BdE99
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788536519616
GUNASEKARAN, A. Agile manufacturing: a framework for research and development. International Journal
of Production Economics , v. 62, n. 1, p. 87-105, 1999. Disponível em:
https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.618.1433&rep=rep1&type=pdf . Acesso em: 10
maio 2021.
HITOMI, K. Automation: its concept and a short history. Technovation , v. 14, n. 2, p. 121-128, 1994.
Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0166497294901015?via%3Dihub .
Acesso em: 10 maio 2021.
KEHOE, B. et al . A survey of research on cloud robotics and automation. IEEE Transactions on Automation
Science and Engineering , v. 12, n. 2, p. 398-409, 2015. Disponível em:
https://rll.berkeley.edu/~sachin/papers/Kehoe-TASE2015a.pdf. Acesso em: 10 maio 2021.
KELTON, W. D.; SADOWSKI, R.; SADOWSKI, D. Simulation with Arena . 2. ed. New York: McGraw-Hill, 2001.LAW, A. M.; KELTON, W. D. Simulation modeling and analysis . 3rd. ed. New York: McGraw-Hill, 2000.
LOPEZ, R. A. Sistemas de redes para controle e automação . Rio de Janeiro: Book Express, 2002.
MAYA, P. A.; LEONARDI, F. Controle essencial . 2. ed. São Paulo: Pearson, 2015.
MERNIK, M.; HEERING, J.; SLOANE, A. M. When and how to develop domain-speci�c languages. ACM
Computing Surveys , v. 37, n. 4, p. 316-344, 2005. Disponível em:
https://www.researchgate.net/publication/200040446_When_and_How_to_Develop_Domain-
Speci�c_Languages . Acesso em: 10 maio 2021.
NATALE, F. Automação industrial: série brasileira de tecnologia . São Paulo: Érica, 2003.
PAZOS, F. Automação de sistemas & robótica . Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil, 2002.
PELLINI, E. L. Introdução à automação de sistemas elétricos : conceitos básicos. São Paulo: Escola
Politécnica da USP, 2017.
PETRUZELLA, F. D. Controladores lógicos programáveis . Porto Alegre: AMGH, 2014.
https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.618.1433&rep=rep1&type=pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0166497294901015?via%3Dihub
https://www.researchgate.net/publication/200040446_When_and_How_to_Develop_Domain-Specific_Languages
https://www.researchgate.net/publication/200040446_When_and_How_to_Develop_Domain-Specific_Languages
ROBINSON, S. Simulation : the practice of model development and use. Chichester: John Wiley & Sons,
2003.
ROGGIA, L.; FUENTES, R. C. Automação Industrial . Santa Maria: Rede e-Tec Brasil, 2016.
ROSA, L. F. Projeto de controlador PID robustamente estável aplicado ao problema de controle de carga e
frequência em usinas hidroelétricas . 2016. 125 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) –
Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná,
Curitiba, 2016. Disponível em: https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/45792 . Acesso em: 10 maio 2021.
SANCHEZ, P. J. Fundamentals of simulation modeling . In: WINTER SIMULATION CONFERENCE, 2007,
Washington. Proceedings [...]. Washington: IEEE, 2007. p. 54-62. Disponível em:
https://dl.acm.org/doi/10.5555/1351542.1351556 . Acesso em: 16 abr. 2021.
SARGENT, R. G. Veri�cation and validation: veri�cation and validation of simulation models. In : WINTER
SIMULATION CONFERENCE, 2003, Washington, DC. Proceedings [...]. Washington, DC: IEEE, 2003. p. 37-48.
Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.5555/1030818.1030826 . Acesso em: 10 maio 2021.
SILVEIRA, L.; LIMA, W. Q. Um breve histórico conceitual da automação industrial e redes para automação
industrial . 2003. Disponível em:
https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/trabalho1/trabalho1_13.pdf . Acesso em: 28 abr. 2021.
SILVEIRA, P. R.; SANTOS, W. E. Automação e controle discreto . São Paulo: Érica, 2008.
STACHOWIAK, H. Allgemeine modelltheorie . Wien: SpringerVerlag, 1973.
STEINMÜLLER, W. Informationstechnologie und gesellschaft : Einführung in dieAngewandte Informatik.
Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 1993.
TRIVELATO, G. C. Técnicas de modelagem e simulação de sistemas dinâmicos . São José dos Campos:
INPE, 2003.
https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/45792
https://dl.acm.org/doi/10.5555/1351542.1351556
https://dl.acm.org/doi/10.5555/1030818.1030826
https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/trabalho1/trabalho1_13.pdf
WANG, X. et al . Research on some basic deformations in free forging with robot and servo-press. Journal
of Materials Processing Technology , v. 209, p. 3030-3038, 2009.