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Básico em Instrumentação e Automação Industrial

 BÁSICO EM INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

 

 

Integração e Aplicações 

Redes Industriais e Comunicação

 

Importância das Redes Industriais na Automação

As redes industriais são fundamentais para a automação, proporcionando a infraestrutura necessária para a comunicação e integração de dispositivos em ambientes industriais. Elas permitem a troca de informações entre sensores, atuadores, controladores lógicos programáveis (CLPs), sistemas SCADA, e outros dispositivos de controle. A implementação eficaz de redes industriais garante que os dados de processos sejam transmitidos de forma rápida, precisa e segura, facilitando o monitoramento e controle em tempo real.

A importância das redes industriais na automação inclui:

  • Eficiência Operacional: Redes industriais eficientes reduzem o tempo de resposta e melhoram a coordenação entre dispositivos, aumentando a eficiência operacional.
  • Confiabilidade: Proporcionam uma comunicação robusta e confiável, essencial para a integridade dos dados e o funcionamento contínuo dos processos industriais.
  • Flexibilidade e Escalabilidade: Permitem a fácil adição ou remoção de dispositivos e a expansão do sistema, adaptando-se às necessidades de crescimento e mudança.
  • Redução de Custos: Minimizam a necessidade de fiação extensa e complexa, reduzindo os custos de instalação e manutenção.

Tipos de Redes Industriais

Existem vários tipos de redes industriais, cada uma com suas características e aplicações específicas. Entre as mais comuns, destacam-se:

1.     Profibus (Process Field Bus):

o    Descrição: Desenvolvida pela Siemens, Profibus é uma rede de campo que suporta comunicação entre dispositivos de automação em tempo real.

o    Vantagens: Alta velocidade de comunicação, suporte a uma ampla gama de dispositivos e aplicação em ambientes rigorosos.

o    Aplicações: Automação de fábricas, controle de processos, redes de campo.

2.     Modbus:

o    Descrição: Um protocolo de comunicação aberto e amplamente utilizado, desenvolvido pela Modicon.

o    Vantagens: Simplicidade de implementação, compatibilidade com diversos dispositivos e fabricantes, suporte a comunicação serial (Modbus RTU) e sobre Ethernet (Modbus TCP).

o    Aplicações: Controle de processos, monitoramento de energia, automação predial.

3.     Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol):

o    Descrição: Um padrão de comunicação que utiliza a tecnologia Ethernet para redes industriais.

o    Vantagens: Alta largura de banda, capacidade de integrar dispositivos industriais e corporativos, flexibilidade na topologia de rede.

o    Aplicações: Automação de fábricas, integração de sistemas corporativos, controle distribuído.

Protocolos de Comunicação e Integração de Dispositivos

Os protocolos de comunicação são conjuntos de regras que permitem a troca de informações entre dispositivos em uma rede industrial. A escolha do protocolo adequado depende das necessidades específicas do processo industrial e dos dispositivos envolvidos. Alguns dos protocolos mais comuns incluem:

1.     Modbus RTU/TCP:

o    RTU: Utiliza comunicação serial (RS-232, RS-485) e é ideal para conexões de curta distância e ambientes industriais.

o    TCP: Utiliza a rede Ethernet, permitindo comunicação de alta velocidade e integração com redes corporativas.

2.     Profibus DP/PA:

o    DP (Decentralized Peripherals): Usado principalmente para automação de fábrica, com alta velocidade de comunicação e suporte a dispositivos distribuídos.

o    PA (Process Automation): Projetado para automação de processos, permite comunicação em áreas perigosas e suporte a dispositivos de campo.

3.     Ethernet/IP:

o    Descrição: Protocolo de comunicação baseado em Ethernet, que utiliza IP para transmissão de dados.

o    Vantagens: Suporta grandes volumes de dados, integração com redes de TI e fácil implementação de redes complexas.

4.     Profinet:

o    Descrição: Uma extensão do Profibus para redes Ethernet, proporcionando comunicação em tempo real e alta disponibilidade.

o    Vantagens: Alta velocidade de comunicação, flexibilidade na configuração da rede e integração com dispositivos Profibus.

5.     CANopen:

o    Descrição: Protocolo baseado em Controller Area Network (CAN), utilizado principalmente em automação de veículos e sistemas embarcados.

o    Vantagens: Alta confiabilidade, suporte a comunicação em tempo real e robustez em ambientes adversos.

Integração de Dispositivos

A integração de dispositivos em uma rede industrial envolve a configuração e conexão de sensores, atuadores, CLPs e outros dispositivos de controle. Alguns aspectos importantes dessa integração incluem:

  • Configuração de Endereços: Cada dispositivo deve ter um endereço único na rede para evitar conflitos e garantir a comunicação adequada.
  • Mapeamento de Dados: Definir quais dados serão trocados entre dispositivos e como esses dados serão interpretados e utilizados.
  • Gerenciamento de Rede: Monitorar e gerenciar a rede para garantir desempenho otimizado, identificar falhas e realizar manutenção preventiva.
  • Segurança: Implementar medidas de segurança para proteger a rede contra acesso não autorizado e ataques cibernéticos.

Em resumo, as redes industriais e os protocolos de comunicação são elementos cruciais para a automação moderna. Eles permitem a interconexão eficiente e segura de dispositivos, facilitando o controle e monitoramento de processos industriais complexos. A escolha e implementação adequadas dessas tecnologias são essenciais para alcançar operações industriais mais eficientes, seguras e escaláveis.


Controle de Processos Industriais

 

Fundamentos do Controle de Processos

O controle de processos industriais envolve a utilização de técnicas e tecnologias para regular variáveis de processo, como temperatura, pressão, nível e vazão, a fim de manter esses parâmetros dentro de limites desejados. O objetivo é garantir que os processos industriais operem de maneira eficiente, segura e consistente, produzindo produtos de qualidade e minimizando desperdícios.

Os fundamentos do controle de processos incluem:

  • Medição: Captura de dados de variáveis de processo através de sensores.
  • Controle: Ajuste das variáveis de processo utilizando atuadores para manter os parâmetros dentro dos limites desejados.
  • Realimentação (Feedback): Utilização de informações das medições para ajustar continuamente o controle.
  • Estabilidade: Capacidade do sistema de retornar a um estado de equilíbrio após uma perturbação.

Tipos de Controle: PID, Controle Avançado

Existem vários tipos de estratégias de controle utilizadas na indústria, entre as mais comuns estão o controle PID e os métodos de controle avançado.

Controle PID (Proporcional-Integral-Derivativo)

O controle PID é uma das técnicas mais amplamente utilizadas em controle de processos devido à sua simplicidade e eficácia. Ele combina três ações de controle:

  • Controle Proporcional (P): Ajusta a saída de controle proporcionalmente ao erro (diferença entre o valor medido e o valor desejado). Um ganho proporcional alto reduz o erro, mas pode causar instabilidade.
  • Controle Integral (I): Ajusta a saída de controle com base na soma acumulada do erro ao longo do tempo. Ajuda a eliminar o erro residual, mas pode levar à oscilação.
  • Controle Derivativo (D): Ajusta
  • a a saída de controle com base na taxa de mudança do erro. Ajuda a prever futuras tendências de erro, melhorando a estabilidade do sistema.

Controle Avançado

O controle avançado inclui uma variedade de técnicas mais sofisticadas que o controle PID, usadas para processos mais complexos ou para melhorar o desempenho em sistemas onde o controle PID não é suficiente. Alguns exemplos incluem:

  • Controle Adaptativo: Ajusta automaticamente os parâmetros do controlador com base nas mudanças do processo ao longo do tempo.
  • Controle Preditivo (MPC): Utiliza modelos matemáticos do processo para prever futuras respostas e otimizar a ação de controle.
  • Controle Descentralizado: Utiliza múltiplos controladores independentes para diferentes partes de um processo complexo.
  • Controle Robusto: Projeta controladores que mantêm o desempenho desejado apesar das incertezas e perturbações no processo.

Exemplos de Aplicação de Controle de Processos na Indústria

1.     Controle de Temperatura em Reatores Químicos:

o    Descrição: A temperatura em reatores químicos deve ser mantida dentro de faixas estreitas para garantir reações químicas eficientes e seguras.

o    Aplicação: Utilização de controladores PID para regular a temperatura através de aquecedores ou sistemas de resfriamento. O controle avançado, como MPC, pode ser usado para otimizar a operação em reações complexas.

2.     Controle de Nível em Tanques de Armazenamento:

o    Descrição: O nível de líquidos em tanques de armazenamento deve ser controlado para evitar transbordamentos ou condições de vazio.

o    Aplicação: Controladores PID são usados para ajustar válvulas de entrada e saída de líquido. Sensores de nível fornecem feedback para manter o nível desejado. 

3.     Controle de Pressão em Sistemas de Vapor:

o    Descrição: A pressão do vapor deve ser controlada para garantir a operação segura e eficiente de caldeiras e turbinas.

o    Aplicação: Controladores PID ajustam as válvulas de liberação de vapor e os queimadores de combustível. O controle adaptativo pode ser empregado para ajustar os parâmetros em resposta às mudanças nas condições operacionais.

4.     Controle de Vazão em Linhas de Produção:

o    Descrição: A vazão de líquidos ou gases deve ser regulada para garantir a consistência do processo de produção.

o    Aplicação: Controladores PID ajustam bombas e válvulas de controle de vazão. O controle preditivo pode otimizar o fluxo com base na

demanda e nas condições de processo.

O controle de processos industriais é essencial para garantir que os processos operem de forma eficiente, segura e econômica. A utilização de estratégias de controle, como PID e métodos avançados, permite às indústrias manter a qualidade do produto, aumentar a produtividade e reduzir custos operacionais.


Manutenção e Segurança em Sistemas de Automação

 

Importância da Manutenção Preventiva e Corretiva

A manutenção em sistemas de automação industrial é crucial para garantir a operação contínua, eficiente e segura dos processos. Existem dois tipos principais de manutenção: preventiva e corretiva.

  • Manutenção Preventiva:
    • Objetivo: Prevenir falhas antes que ocorram, prolongando a vida útil dos equipamentos e reduzindo o risco de paradas inesperadas.
    • Atividades: Inspeções regulares, lubrificação, calibração de instrumentos, substituição de peças desgastadas e atualização de software.
    • Benefícios: Redução de custos a longo prazo, aumento da confiabilidade e disponibilidade dos sistemas, e melhoria na eficiência operacional.
  • Manutenção Corretiva:
    • Objetivo: Corrigir falhas e defeitos após sua ocorrência para restaurar o funcionamento normal dos sistemas.
    • Atividades: Reparos de emergência, substituição de componentes defeituosos e correção de erros de software.
    • Benefícios: Restabelecimento rápido da operação, minimização do tempo de inatividade e garantia de segurança durante e após a correção.

Técnicas de Manutenção de Instrumentos e Sistemas de Automação

Manter instrumentos e sistemas de automação em boas condições requer a aplicação de várias técnicas de manutenção. Algumas das mais comuns incluem:

1.     Calibração Regular:

o    Descrição: Ajuste e verificação de instrumentos de medição para garantir que suas leituras estejam dentro das especificações.

o    Importância: Garante a precisão e confiabilidade das medições, fundamentais para o controle de processos.

2.     Inspeção Visual:

o    Descrição: Verificação visual de equipamentos para identificar sinais de desgaste, corrosão, danos físicos e conexões soltas.

o    Importância: Identificação precoce de problemas que podem ser resolvidos antes de se tornarem falhas críticas.

3.     Testes Funcionais:

o    Descrição: Testes periódicos de funcionamento dos sistemas e dispositivos para garantir que operem conforme esperado.

o    Importância: Verificação da

operação correta e identificação de possíveis falhas antes que impactem a produção.

4.     Atualização de Software:

o    Descrição: Atualização de firmware e software dos dispositivos de automação para incluir melhorias e correções de bugs.

o    Importância: Melhoria da segurança, desempenho e funcionalidade dos sistemas de automação.

5.     Substituição de Peças:

o    Descrição: Troca de componentes desgastados ou com defeito, como sensores, atuadores, cabos e conectores.

o    Importância: Prevenção de falhas devido ao desgaste natural e aumento da vida útil dos equipamentos.

6.     Manutenção Preditiva:

o    Descrição: Utilização de técnicas avançadas, como análise de vibração, termografia e ultrassom, para prever falhas antes que ocorram.

o    Importância: Redução do tempo de inatividade não planejado e otimização dos intervalos de manutenção.

Normas e Práticas de Segurança em Automação Industrial

A segurança é uma prioridade em ambientes industriais, e a implementação de normas e práticas de segurança é fundamental para proteger trabalhadores, equipamentos e processos. Algumas das principais normas e práticas incluem:

1.     Normas de Segurança:

o    IEC 61508 / IEC 61511: Normas internacionais para a segurança funcional de sistemas elétricos, eletrônicos e programáveis eletronicamente.

o    NFPA 70E: Norma para segurança elétrica no local de trabalho, fornecendo diretrizes para proteção contra riscos elétricos.

o    OSHA: Regulamentações de segurança e saúde ocupacional que estabelecem requisitos para a proteção dos trabalhadores.

2.     Análise de Riscos:

o    Descrição: Identificação e avaliação de riscos potenciais associados aos sistemas de automação e implementação de medidas de mitigação.

o    Importância: Redução da probabilidade de acidentes e proteção dos trabalhadores e equipamentos.

3.     Treinamento de Segurança:

o    Descrição: Capacitação contínua dos trabalhadores sobre práticas seguras de operação e manutenção de sistemas de automação.

o    Importância: Garantia de que os funcionários estejam cientes dos procedimentos de segurança e saibam como responder a situações de emergência.

4.     Bloqueio e Etiquetagem (Lockout/Tagout - LOTO):

o    Descrição: Procedimentos para garantir que máquinas perigosas sejam desativadas e não possam ser ligadas até que a manutenção seja concluída.

o    Importância: Prevenção de acidentes durante a manutenção e reparo de equipamentos.

5.     Sistemas de Segurança Integrados:

o

    Descrição: Implementação de sistemas de controle de segurança, como paradas de emergência, intertravamentos e sensores de segurança.

o    Importância: Proteção adicional contra falhas e acidentes, garantindo que os sistemas possam ser desligados de forma segura em situações de emergência.

6.     Documentação e Registros:

o    Descrição: Manutenção de registros detalhados de inspeções, manutenção, calibração e atualizações de software.

o    Importância: Rastreabilidade e conformidade com regulamentos, além de fornecer histórico para análise de tendências e melhorias contínuas.

A manutenção eficaz e a adesão às normas de segurança são essenciais para garantir que os sistemas de automação industrial operem de maneira eficiente, segura e confiável. A aplicação de técnicas de manutenção preventiva e corretiva, juntamente com a implementação de práticas de segurança rigorosas, ajuda a minimizar o risco de falhas e acidentes, protegendo tanto os trabalhadores quanto os ativos industriais.

 

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