Introdução à Engenharia de Controle e Automação Bruno Henrique Groenner Barbosa [email protected] DEG - UFLA Minha Formação • Graduação em Engenharia de Controle e Automação (2003) – UFMG ▫ Vestibular 1997, o primeiro do curso de C&A ▫ Monografia Final de Curso: Cálculo das perdas de temperatura na aciaria da usina Belgo Mineira de João Monlevade (Arcelor) Minha Formação Minha Formação • Mestrado em Engenharia Elétrica (2006) UFMG ▫ Área: Sinais e Sistemas ▫ Grupo MACSIN: Modelagem, Análise e Controle de Sistemas Não-lineares ▫ Instrumentação, Modelagem, Controle e Supervisão de um Sistema de Bombeamento de Água e Módulo Turbina-Gerador Minha Formação Minha Formação Minha Formação Minha Formação • Doutorado em Engenharia Elétrica (2009) UFMG ▫ Área: Sinais e Sistemas / Inteligência Artificial ▫ Computação Evolucionária e Máquinas de Comitê na Identificação de Sistemas Dinâmicos NãoLineares ▫ Estágio de doutoramento na UNSW, Canberra, Austrália, durante o ano de 2008: Grupo ALAR (Artificial Life and Adaptive Robotics) Experiência Acadêmica e Profissional • Iniciação Científica (2001-2002) ▫ Sincronismo de Osciladores Caóticos: estudo, projeto e construção de circuitos • Estágio Curricular (2002-2003) ▫ Usina Belgo Mineira em João Monlevade • Estágio em Docência – UFMG (2006) ▫ Disciplina: Instrumentação Industrial • Professor Substituto – UFMG (2006-2007) ▫ Disciplinas: Laboratório de Controle e Automação I, Laboratório de Controle e Automação II, Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital e Estágio Supervisionado A Engenharia • Arte de aplicar conhecimentos científicos e empíricos e certas habilitações específicas à criação de estruturas, dispositivos e processos que se utilizam para converter recursos naturais em formas adequadas ao atendimento das necessidades humanas Fonte: Dicionário Aurélio A Engenharia • O mundo sem engenheiros (www.anvari.org): A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • O mundo sem engenheiros: A Engenharia • Teoria x Prática ▫ Uma base teórica sólida permite entender bem as coisas práticas e ajuda no desenvolvimento de novas idéias e produtos. ▫ É do conhecimento que surgem as idéias para projetos inovadores que servirão de benefício prático para a sociedade. A Engenharia A Engenharia • Resolvedores de problemas. • Procuram as melhores formas, mais rápidas e menos dispendiosas de utilizar matérias primas e forças da Natureza para responder a desafios. • Não só considerações técnicas, mas também ambientais, sociais e financeiras. A Engenharia • Sucesso profissional do engenheiro moderno: ▫ não está relacionado apenas com as notas na graduação ▫ não está muito relacionado com os títulos de pós-graduação adquiridos ▫ fortemente relacionado com fatores pessoais: honestidade, força de vontade, caráter, iniciativa, entusiasmo, motivação, capacidade de comunicação, metodologia de solução de problemas, aptidão para o gerenciamento e para o trabalho em equipe A Engenharia • Foco na transformação de produtos e materiais ▫ física, química, matemática (aço) ▫ biologia (eng. genética) • Foco nos processos e serviços: informação ▫ informática (processamento de dados) ▫ sistemas de gerenciamento ▫ aumentar a produtividade (aumento da disponibilidade ou diminuição do custo) A Engenharia • Anteriormente era possível dividir os engenheiros em cinco grupos: ▫ ▫ ▫ ▫ os que trabalhavam com estruturas os que trabalhavam com transformação de materiais os que trabalhavam com fluxo de potência os que trabalhavam com o processamento de sinais e dados ▫ os que trabalhavam na interface desses grupos, preocupados com o controle do comportamento da máquina a partir do fluxo de informações ou com a instrumentação necessária (sensores, atuadores, protocolos) A Engenharia • Com o uso de tecnologias avançadas de controle e de fluxo de informação em todos os grupos, surge a necessidade de implantação dos cursos de controle e automação • Consequência: ▫ versatilidade ▫ trabalho em equipes multidisciplinares: engenheiros, administradores, economistas, advogados, etc. A Engenharia de Controle e Automação • Engenharia de que? • Qual é o produto ou processo? ▫ objeto abstrato! • Conhecimento eclético • Por ser uma engenharia de base tecnológica, devemos estar sempre atualizados (pensem na informática) • Os conceitos teóricos pouco mudam A Engenharia de Controle e Automação • Envolve os cursos: Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica e Ciência da Computação A Engenharia de Controle e Automação • Controle: ▫ Ramo do conhecimento que estuda maneiras sistemáticas de descrever sistemas e de sintetizar ações tais que esses sistemas se comportem de maneira previamente determinada Fonte: Enciclopédia da Automática A Engenharia de Controle e Automação • Automação: ▫ Estuda maneiras de implementar e de realizar ações para tornar um sistema ou processo automático, sendo que tais ações podem, ou não, ter tido sua origem na área de controle Fonte: Enciclopédia da Automática A Engenharia de Controle e Automação • Atividades: ▫ concepção, especificação, configuração e instalação de sistemas automatizados ▫ avaliação de desempenho e otimização de sistemas automatizados em operação ▫ integração de sistemas automatizados isolados (ilha de automação) concebendo uma automação completa desde os sistemas de produção até os sistemas de gestão empresarial da empresa A Engenharia de Controle e Automação • Atividades (cont): ▫ desenvolver produtos, serviços e software para controle e automação ▫ análise de segurança e manutenção dos sistemas de controle e automação ▫ gerenciamento dos sistemas produtivos e das informações A Engenharia de Controle e Automação • Principais ramos da indústria que empregam técnicas de automação e controle: ▫ controle de processos industriais: química e petroquímica, papel e celulose, farmacêutica, siderúrgica e metalúrgica, mineração e cimento, tratamento de água e efluentes, nuclear ▫ controle de sistemas elétricos: geração e distribuição de energia elétrica, motores e geradores ▫ controle embarcado: aviões, foguetes e mísseis, automóveis, trens e metrôs, navios e submarinos ▫ automação da manufatura e robótica: montadoras de automóveis ▫ automação predial: automação de prédios, shopping centers, hospitais A Engenharia de Controle e Automação • Quando surgiu a Eng. de Controle e Automação? • Cursos: ▫ Mecatrônica USP: Engenharia Mecânica – Habilitação Automação e Sistemas ▫ Engenharia de Controle e Automação (UFSC, 1988) ▫ Ênfases em controle da Engenharia Elétrica ▫ Ênfases em controle e automação de outras engenharias (Química e Computação) A Engenharia de Controle e Automação • Cursos: ▫ As formações oferecidas por esses cursos não são homogêneas ▫ PUC-MG: Mecatrônica x Controle e Automação ▫ O profissional formado em Controle e Automação normalmente possui formação mais ampla, menos dependente das outras engenharias A Engenharia de Controle e Automação • Cursos: ▫ Quantos cursos de Controle e Automação existem hoje no Brasil? ▫ Em 1996 eram 8 e em 2005 eram 60 segundo a Enciclopédia de Automática. Hoje já são mais de 100! Estamos dominando o mundo... A Engenharia de Controle e Automação A Engenharia de Controle e Automação • Conselho Nacional de Educação (CNE): ▫ Diretrizes Curriculares Nacionais do Curso de Graduação em Engenharia (Resolução). • Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia (CONFEA) ▫ Discrimina em 1999 as atividades profissionais do Eng. de Controle e Automação (Resolução) • MEC – 1994: Controle e Automação como habilitação específica, com origem na Elétrica e Mecânica: ▫ Controle de processos, sistemas industriais, instrumentação e informática industrial, administração de sistemas de produção e integração e avaliação de sistemas A Engenharia de Controle e Automação • Participação importante da SBA (Sociedade Brasileira de Automática) ▫ criada em 1975 com o objetivo de promover a ciência e tecnologia do controle automático ▫ Enciclopédia de Automática ▫ Revista Controle e Automação ▫ Inscrevam-se! • ENECA A Engenharia de Controle e Automação • Discussão da lista da SBA: ▫ Quantos nomes de cursos de engenharia existem no Brasil? ▫ MEC planeja mudar nome de diversos cursos de engenharia (2009): de um total de 258 nomes para 22! nomenclatura_MEC.pdf A Engenharia de Controle e Automação • Discussão da lista da SBA: ▫ MEC planeja mudar nome de diversos cursos de engenharia ▫ Resposta do primeiro presidente e fundador da SBA: SBA-MEC-2009.pdf A Engenharia de Controle e Automação • Exercício: ▫ Baixar e ler o artigo: Pena, R. T., Jota, F. G. e Seixas Filho, C. “A New Undergraduate Degree in Control Engineering”. IEEE Transactions on Education, vol. 44, no. 4, pp. 399-405, 2001. ▫ Encontrar o artigo no Portal da Capes A Engenharia de Controle e Automação • Exercício: A Engenharia de Controle e Automação • Exercício: Controle • Processo: ▫ dispositivo ou uma transformação que se deseja controlar Controle • Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo • Para que controlamos um processo? ▫ ▫ ▫ ▫ Controle de velocidade CD-Player Temperatura do forno a gás Pressão e temperatura do corpo Desempenho, estabilidade, comportamento desejado Controle • Para controlar um processo é necessário conhecer o processo ▫ Modelos matemáticos • Perguntas frequentes: ▫ O que controlar? ▫ Qual é o objetivo do controle? ▫ Como controlar? Controle • Para controlar é necessário conhecer o processo Controle • Monitoração: elementos sensores ▫ responsáveis pela leitura do estado em que o processo se encontra ▫ existem sensores de presença, de nível, de pressão, de temperatura, de umidade, etc Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Monitoração: elementos sensores Controle • Atuação: atuadores ▫ elementos que atuam sobre uma grandeza física do processo, atendendo a comandos que podem ser manuais ou automáticos Controle • Atuadores Controle • Atuadores Controle • Atuadores Controle • Controlador: ▫ componente que une o resultado da leitura dos elementos sensores com os objetivos de controle e manipulam os elementos atuadores, implementando alguma lógica de controle Controle • Controlador: Controle • Sistema biológico x Sistema Mecatrônico Controle • Controle manual: Controle • Termos: ▫ Variável controlada: a grandeza do sistema de interesse a ser medida e mantida em um valor desejado ▫ Variável manipulada: a grandeza ou condição alterada de modo a permitir que a variável controlada seja afetada ▫ Setpoint (valor de referência): o valor desejado para a variável controlada Controle • Controle em malha-aberta Controle • Controle em malha-aberta Controle • Controle em malha-fechada Controle • Controle em malha-fechada Controle em Malha Fechada • O desempenho de um sistema é analisado em duas etapas: ▫ Transiente ▫ Estado estacionário Controle em Malha Fechada • Em determinados sistemas, a utilização de controlador, malha fechada, é necessária para satisfazer alguns critérios de controle: ▫ ▫ ▫ ▫ Rejeição à perturbação Erro em estado estacionário Resposta transiente Sensibilidade à mudança de parâmetros da planta Controle em Malha Fechada • A implantação de um sistema de controle geralmente envolve : 1. Escolha dos sensores para medir os sinais de retroalimentação 2. Escolha dos atuadores 3. Obter modelos da planta, sensores e atuadores 4. Implementar o controlador baseado nos modelos e nos critérios de controle 5. Avaliar o desempenho do controle, por simulação e finalmente no sistema físico 6. Repetir esse procedimento de modo a obter uma resposta do sistema físico satisfatória Estabilidade • Um sistema é estável se, para qualquer entrada limitada, a sua saída é também limitada • Ponte sobre o desfiladeiro de Tacoma: ▫ Em 7 de novembro de 1940, aproximadamente às 11 horas, a ponte sobre o desfiladeiro de Tacoma começa a entrar em colapso, em função de vibrações geradas por ventos, que não eram fortes. A ponte havia sido aberta para o tráfego há apenas alguns meses. ▫ Tacoma Ações de Controle • • • • Controle on-off Ação proporcional Ação integral Ação derivativa Ações de Controle • Controle on-off: { • u(t) = U1 se e(t) > 0 U2 se e(t) < 0 Ações de Controle • Controle on-off ▫ Problema no zero (ruídos): solução histerese na lógica de controle ▫ Problema de oscilações:chaveamento mais rápido (vida útil de equipamentos) Ações de Controle • Ação Proporcional: • Ação Integral (anular erro estado estacionário): • Ação Derivativa (preditiva): Controlador PID • Dentre os controladores, o mais conhecido e utilizado é o PID (proporcional, integral e derivativo): Sistemas de Controle • Tipos de Controle ▫ Controle analógico ▫ Controle digital Controlador PID • PID analógico: Controlador PID • PID digital (rotina): 1. 2. 3. 4. P(k) = Kp E(k) I(k) = I(k-1) + Ts (E(k) + E(k-1)) / (2 Ti) D(k) = Td (E(k) – E(k-1)) / Ts U(k) = P(k) + I(k) + D(k) Controle • Estabilidade operacional, segurança operacional e pessoal Controle • Adaptação à perturbações externas Controle • Exemplos: Controle • Exemplos: Segway (Pêndulo Invertido): Controle • Exemplos: Controle • Exemplos Controle • Exemplos Controle • Sistema de Bombeamento ▫ Variável controlada ▫ Variável manipulada ▫ Setpoint Controle • Sistema de Bombeamento ▫ Como controlar? Instrumentação Sensores, atuadores, controlador Controle • Sistema de Bombeamento:Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação Controle • Sistema de Bombeamento: Instrumentação ▫ Bancada PC Tela Sinóptico Tela Controle Tela Gráficos Controle • Sistema de Bombeamento Malha Aberta Malha Fechada Atividade • Projetar um sistema de controle automático: ▫ Controle dinâmico em malha-fechada ▫ ▫ ▫ Objetivo de controle Justificativa para usar malha-fechada O que se espera do sistema de controle, por exemplo, erro aceitável. Instrumentação (sensores e atuadores) Variável manipulada, controlada, setpoint... O que será avaliado? Coerência (realmente representa um sistema em malha fechada) Criatividade Complexidade Apresentação na sala Qual a pontuação? 33 pontos Para quando? Daqui a duas semanas deverás ser entregue a parte escrita e feita uma apresentação de 5 minutos por grupo -todos os integrantes do grupo deverão falar ! Automação • • Sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção, da redução dos custos e de uma maior flexibilidade. Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo. Automação • Um dos primeiros sistemas automáticos que se tem notícia: • Sistema automático de abertura de portões Heron de Alexandria (10-70 DC) http://www.mlahanas.de/Greeks/HeronAlexandria-Dateien/heron_ani.gif Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas ▫ Causa desemprego? ▫ Segurança? Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas ▫ Causa desemprego? ▫ Segurança? Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas ▫ Causa desemprego? ▫ Segurança? Automação • Substituir o homem em tarefas de máquinas ▫ Causa desemprego? ▫ Segurança? ▫ Qualidade? Desperdício? Automação Automação • Robótica Séc. XVIII Séc. XXI Automação • Envolve a implantação de sistemas interligados, assistidos por redes de comunicação ▫ Sistemas supervisórios e interfaces homemmáquina ▫ Auxilia a monitoração e análise dos problemas ▫ Possibilita a expansão e controle do processo Automação • Controle: Sistemas Dinâmicos Acionados por Tempo Eventos Descritos por Nomes Equações diferenciais Contínuos no tempo Equações de diferença Discretos no tempo Álgebra de Boole, autômatos e programas computacionais A eventos discretos Automação • Sistemas dinâmicos “convencionais” ▫ Pressão da água no sistema de bombeamento no tempo • Sistemas dinâmicos a eventos discretos ▫ Eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos ▫ Assumem valores num conjunto enumerável ▫ Alterações instantâneas ▫ Exemplo: regras de causa efeito Automação • Controle dinâmico ▫ Realimentação negativa (malha-fechada) ▫ Controle preditivo, baseado em modelos, nãolinear, adaptativo, robusto, etc • Controle de eventos ou Controle lógico ▫ Por meio de circuitos ▫ Variáveis binárias Automação • Controle lógico: exemplo ▫ Partida de um processo de trocador de calor. Automação • Controle lógico: exemplo ▫ Partida de um processo de trocador de calor. Especificações: Quando o operador apertar o botão Start, o controlador lógico deve: a) Verificar se existe pressão Pv > Pmin, no gerador de vapor e se existe nível no reservatório de líquido frio Hf > Hmin b) Em caso afirmativo, energizar a bomba Bf que movimenta o líquido frio c) Confirmada vazão de líquido Vf > Vmin, acionar a válvula FIC que comanda o vapor pelo sinal C d) Em qualquer momento, ocorrendo Pv < Pmin ou Hf < Hmin ou Vf < Vmin ou To > Tmax, caracteriza-se uma emergência E: o sinal de comando da válvula FIC de vapor deve ser zerado, para interromper o fluxo de vapor, e a Bomba Bf deve ser desenergizada Automação • Controle lógico: exemplo ▫ Partida de um processo de trocador de calor. Notação: P = 1 se Pv > Pmin H = 1 se Hf > Hmin V = 1 se Vf > Vmin T = 1 se To > Tmax B = 1 se Bf energizada P = 0 se Pv < Pmin H = 0 se Hf < Hmin V = 0 se Vf < Vmin T = 0 se To< Tmax B = 0 se Bf não energizada Automação • Controle lógico: exemplo ▫ Partida de um processo de trocador de calor. Automação • Controle lógico: exemplo Automação • O CLP (Controlador Lógico Programável): ▫ Dispositivo digital que controla máquinas e processos ▫ Início em 1968 com objetivo de substituir os painéis de relés ▫ Vantagens: Flexibibilidade Confiabilidade Ocupam menos espaço Programáveis por PCs Fácil manutenção Controle lógico e dinâmico Funções avançadas CLPs • Relés: CLPs • Evolução: CLPs • Arquitetura: Fonte de alimentação CPU: responsável pela execução do programa, atualização da memória de dados e memória imagem das entradas e saídas Memórias de usuário e de dados CLPs • Estrutura fixa ou modular: CLPs • Módulos de Saída CLPs • Módulos de Saída CLPs • Módulos de Entrada CLPs • Módulos de Entrada CLPs • Ciclos de Operação ▫ Processamento Cíclico 1. 2. 3. 4. 5. Varredura das entradas Varredura do programa e execução do Programa Atualização da Memória Imagem de Saída e Saída Comunicação Housekeeping CLPs • Linguagens de Programação de CLPs CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ Texto estruturado Linguagem com bases em Pascal e C Contém elementos essenciais de uma linguagem moderna, como as estruturas condicionais (IF-THEN-ELSE e CASE OF) e iterações (FOR, WHILE e REPEAT) CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ Lista de Instruções Semelhante ao Assembler CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ Blocos Funcionais CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ Ladder (diagrama de contatos) Baseada na representação gráfica da lógica dos relés CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ Ladder (diagrama de contatos) CLPs • Linguagens de Programação de CLPs ▫ SFC Exemplos Automação • A automação rompeu as fronteiras do chão de fábrica • Buscou fronteiras mais amplas, abrangendo a automação do negócio ao invés da simples automação dos processos e equipamentos Automação • Tarefas: ▫ Definir diagramas lógicos de sistemas de controle ▫ Definir a instrumentação necessária ▫ Definir a arquitetura das redes de chão-defábrica, incluindo rede de instrumentos, rede de sensores e atuadores ▫ Executar a sintonia das malhas de controle ▫ Consumo de energia e insumos ▫ Estoques de produtos intermediários e finais ▫ Negócio da empresa ▫ Otimização de toda a cadeia produtiva Automação • A Pirâmide da Automação Antes Depois Automação • A Pirâmide da Automação Automação • Redes e Arquiteturas Automação • Redes e Arquiteturas Automação • Redes e Arquiteturas Redes de Automação • Redes e Arquiteturas Redes de Automação A Evolução da Automação • Algumas malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino) A Evolução da Automação • Várias malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino) A Evolução da Automação • As salas de controle Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino) A Evolução da Automação • Dezenas de malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino) A Evolução da Automação • Centenas de Malhas por operador Fonte: Cláudio Makarovski [Emerson] (Aula Prof. Constantino) A Evolução da Automação • Painel de operação em 1980’s A Evolução da Automação • Painel de operação em 1990’s A Evolução da Automação • Painel de operação em 2000’s A Evolução da Automação • Painel de operação recente A Evolução da Automação • Estado da Arte Fonte: Aula Prof. Constantino A Evolução da Automação • Estado da Arte Fonte: Aula Prof. Constantino Automação • Atuação Fonte: Aula Prof. Constantino Automação • Atuação Fonte: Aula Prof. Constantino Automação • Atuação Fonte: Aula Prof. Constantino Automação • Atuação Automação • Atuação Manipuladores Robóticos Automação • Atuação Robótica Móvel Automação • Supervisório: Automação • Supervisório: Automação • Supervisório: Elipse Automação • Supervisão: Automação • Supervisão: Automação • Supervisão: Automação • Supervisão: Automação • Curiosidades: ▫ Fábrica de automóveis da Volkswagen na Alemanha: Automação • Curiosidade: ▫ Fábrica de automóveis da Vokswagen na Alemanha: Automação • Curiosidade: ▫ Fábrica de automóveis da Vokswagen na Alemanha: Automação • Curiosidade: ▫ Ponte giratória na Escócia: Automação • Curiosidade: ▫ Ponte giratória na Escócia: Automação • Curiosidade: ▫ Ponte giratória na Escócia: