Automação industrial e controle

A automação industrial é um dos setores da indústria de crescimento mais rápido. Hoje em dia, é difícil imaginar o cenário da produção sem uma automação industrial moderna.

A automação industrial é um dos setores da indústria de crescimento mais rápido. Hoje em dia, é difícil imaginar o cenário da produção sem uma automação industrial moderna.

Ao combinar a vantagem dos modelos da Indústria 4.0 com análises de dados avançadas, Inteligência Artificial (IA) e Internet das Coisas Industrial (IIoT), podemos introduzir velocidade e precisão em uma ampla gama de operações de fábrica, aumentando a produtividade e a confiabilidade. A rápida evolução dessa tecnologia e sua integração em toda a empresa está remodelando as formas como os fabricantes operam e produzem produtos de alta qualidade.

Os benefícios incluem:

  • Verificação periódica e manual reduzida
  • Produtividade aumentada
  • Custo de produção reduzido
  • Melhor qualidade do produto
  • Maior flexibilidade
  • Segurança aprimorada

Descritos abaixo estão três níveis principais de aplicações de automação industrial:

Nível 1 – Nível de Supervisor

Principalmente sistemas baseados em PC, como PCs industriais (montados em rack e painel) equipados com software de controle de processo industrial específico do fornecedor para parametrização e visualização de processo. A intercomunicação é baseada em uma LAN Gbit ou backbone de largura de banda superior ou topologias sem fio (WLAN). Para evitar a perda de dados e por razões de segurança, fontes de alimentação ininterrupta (UPS) são instaladas.

Componentes principais: PC industrial, PC para painel, HMI, WLAN

Nível 2 – Nível de controle

Este é o nível de sistemas de automação onde os programas de automação são executados. Os sistemas neste nível requerem alta capacidade em tempo real e são baseados em uma arquitetura de controlador especial com seu próprio sistema operacional proprietário em execução. Protocolos de barramento de intercomunicação compatíveis com alto tempo real (de acordo com IEEE 1588) são essenciais aqui.

Componentes principais: PLCs, HMI, Field Bus (CAN, EtherCAT, Profibus etc), WLAN, Segurança (SIL).

Nível 3 – Nível de campo

Este nível inclui todos os equipamentos terminais, como sensores e atuadores que colaboram com um PLC periférico ou sistema com I/Os remoto, oferecendo pré-processamento dos dados coletados e comunicação com o PLC principal via barramento de campo.

Componentes principais: Micro PLC, Controle de Motor, Sensores Industriais, Drivers de Atuador, Relés, Chaves, Controle Sem Fio (RFID, redes de sensores sem fio usando topologia IEEE 802.15.4)

Blocos de construção da automação industrial

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Sistemas de controle industrial

Um sistema de controle industrial (ICS) inclui sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA), sistemas de controle distribuído (DCSs) e outras configurações de sistema de controle compacto, como controladores lógicos programáveis ​​(PLCs), dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs), unidades terminais remotas (RTUs) e outros dispositivos de campo. Um ICS aumenta o desempenho, a segurança e a confiabilidade por meio do controle e monitoramento contínuos de cada processo industrial e redução do esforço manual.

Os sistemas de controle simples são montados no painel e implantados em pequenos controladores discretos, permitindo que o painel frontal seja visto diretamente e o operador intervenha manualmente, se necessário. Estes seriam originalmente controladores pneumáticos, mas agora quase todos são eletrônicos. As redes desses controladores eletrônicos se comunicam usando protocolos padrão da indústria para criar sistemas complexos. A rede permite o uso de interfaces de operação SCADA remotas ou locais e permite que os controladores sejam colocados em cascata e interconectados.

Os DCSs são sistemas de controle de processo digital que usam processadores personalizados fabricados como controladores e protocolos padrão ou interconexões proprietárias para comunicação. Este processo envolve módulos de conexão de campo e funções de controlador a serem dispersos por todo o sistema com controle centralizado, oferecendo gerenciamento e visualização supervisória de grandes processos industriais.

SCADA, uma arquitetura de sistema de controle, usa computadores, interfaces gráficas de usuário (GUIs) e comunicações de dados em rede para realizar gerenciamento de supervisão de alto nível. O sistema SCADA administra as interfaces de operação que monitoram e emitem comandos de processo. Módulos em rede conectados a outros dispositivos periféricos, como controladores PID discretos e controladores lógicos programáveis, executam cálculos lógicos e controle em tempo real. Esses controladores fazem interface com o conjunto de máquinas.

PLCs são dispositivos modulares compactos com múltiplas entradas e saídas em um invólucro incorporado com o processador. Pode ir até grandes dispositivos modulares montados em rack, onde milhares de entradas e saídas são conectadas em rede a sistemas SCADA. Os controladores lógicos programáveis ​​(PLCs), dentro do ICS, servem como uma ponte útil entre os mundos físico e cibernético. As funções críticas desempenhadas por ICS e PLCs tornaram os dois alvos de ataques cibernéticos sofisticados. Esses ataques têm o objetivo de interromper suas operações, o que cria agitação social e perdas financeiras.

Vários protocolos de comunicação são usados ​​em vários ambientes ICS. A maioria dos protocolos são projetados para fins específicos, como automação de processos, automação predial e automação de sistemas de energia. Os protocolos ICS geralmente incluem Process Field Bus (PROFIBUS), Building Automation and Control Networks (BACnet), Distributed Network Protocol (DNP3), Modbus, Open Platform Communication (OPC), Ethernet para Tecnologia de Automação de Controle (EtherCAT) e Protocolo Industrial Comum (CIP).

Agora falamos sobre colocar tudo online. A quarta revolução industrial (Indústria 4.0) – um termo que une sistemas ciberfísicos como a Internet de Serviços e a Internet das coisas (IoT) – começou a encontrar ressonância crescente com fabricantes de equipamentos originais (OEMs), proprietários de ativos e integradores de sistemas. O futuro próximo testemunhará uma porção de informações ICS roteadas para aplicações sofisticadas em empresas por meio de uma rede de área ampla, onde a segurança não fornece mais proteção eficaz. Os ICSs são conectados à Internet para projetos como redes inteligentes e cidades inteligentes, ampliando assim os riscos de agentes mal-intencionados.

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Interface de entrada / saída

A interface de entrada / saída ou I / O é a interação entre um dispositivo de processamento central, como um PLC, e os dispositivos de entrada e saída. As entradas são os sinais ou dados recebidos pelo sistema de processamento de um dispositivo de entrada digital, como uma chave, relé ou contator, e as entradas analógicas de vários sensores que indicam o status dos parâmetros físicos, como temperatura, pressão, etc. As saídas são sinais ou dados enviados do sistema de processamento para dispositivos de saída digital, como um indicador, lâmpada, alarme, relé ou contator e dispositivos de saída analógica, como motores, válvulas e controladores proporcionais, etc.

Cada módulo de entrada e saída pode conter até 32 canais classificados para tensão específica e atributos de corrente e pode ser baseado em rack, distribuído ou autônomo ou expansível. 

Alguns módulos de entrada e saída vêm com recursos especializados, incluindo taxa de frequência (Hz), resistência (ohms) ou tensão (mVs). O detector de temperatura de circuito integrado (ICTD), o termopar (TC) e o detector de temperatura por resistência (RTD) são versões especializadas de Inteligência Artificial (AI), visto que são freqüentemente usados ​​para oferecer alta densidade de entrada. Todos os canais em um módulo são normalmente iguais em um formato básico, no entanto, alguns sistemas mais novos oferecem uma combinação de todos os quatro tipos básicos de módulos que acomodam entradas e saídas discretas.

Alguns fornecedores de sistema de entrada e saída oferecem módulos multifuncionais que recebem sinais relacionados nos pontos terminais correspondentes e utilizam configuração centrada em software para criar atributos específicos para cada um.

Os sistemas de entrada e saída modernos usam protocolos Ethernet abertos. Alguns desses sistemas de entrada e saída podem aproveitar a tecnologia comercial power over Ethernet (PoE) para operar entradas e saídas remotas e até mesmo loops de energia. Esses sistemas de apresentam configuração baseada em software, pois é importante regular o módulo para monitorar ou controlar os links de comunicação do sistema. Ocasionalmente, é necessário um adaptador de comunicação para validar os módulos para conversar com um sistema de supervisão.

Uma vez que a Ethernet padrão pode ser usada para conectar sistemas modernos e não se restringir a comunicações mestre-escravo, novas possibilidades arquitetônicas estão disponíveis para preencher a lacuna entre a conexão com fio tradicional e sem fio inteligente e entre I / O IIoT. Esses sistemas podem emparelhar o controle de IO com tecnologias de TI incorporadas para converter escravos remotos em nós de dados distribuídos. Mesmo com quase onipresença de equipamentos de campo inteligentes e dispositivos IIoT, existe uma continuação da demanda em instalações novas e legadas para supervisionar e comandar pontos de entrada e saída convencionais com fio. Em sistemas mais antigos, eles seriam conectados a um sistema controlado por um controlador. Os sistemas de entrada e saída mais novos fornecem recursos flexíveis para facilitar o projeto, a instalação e a manutenção, economizando tempo e dinheiro.

A última geração desses sistemas é inovadora, oferecendo maior conectividade por meio de redes Ethernet para pares, outros dispositivos e sistemas de software, e não estando vinculada a um único mestre. Este novo I/O torna possível criar sistemas de automação totalmente compatíveis com IIoT.

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Conectividade

A conectividade industrial é vital para a integração perfeita do dispositivo. Automação industrial e controle são altamente dependentes de cabos e conectores para transferir dados, energia e comandos entre máquinas industriais, dentro do chão de fábrica, nuvem e TI. Ambientes industriais exigem necessidades de design de conectividade robusta, durável e de alto desempenho. Eles devem ser resistentes a óleo, tolerar altas temperaturas e funcionar sem erros.

A fiação/cabeamento é fundamental para a automação industrial. O cabeamento do protocolo de comunicação em um ambiente de controle industrial vem com necessidades específicas. Os gabinetes elétricos precisam de conectores industriais, fio de conexão, trilho DIN, blocos de terminais e gerenciamento de fio. Sensores e solenóides requerem montagens M8, quadradas ou M12 DIN, acompanhadas por centros de distribuição. Os conjuntos RJ45 e M12-8 são cada vez mais vistos no chão de fábrica devido à crescente adoção das comunicações Ethernet. Mesmo as aplicações sem fio precisam de fios para serem interrompidas.

Um cabo típico possui um condutor, blindagem, isolamento e uma capa externa. O cabo de par trançado não blindado (UTP) e o cabo de par trançado blindado (STP) são as duas variantes principais de cabo para ambientes industriais. Um cabo blindado permite uma transmissão de sinal de forma íntegra, já que a blindagem protege o cabo de rádios externos e interferência de frequência de energia, mas tem um custo mais alto do que o cabo sem blindagem.

Os tubos termorretráteis protegem os cabos contra produtos químicos e condições climáticas variadas. O produto versátil também é adequado para codificação de cores, alívio de tensão e agrupamento. Ele também é usado como um alívio de tensão para rupturas, transição de conector para cabo e vedação de conector de back-end. A contração térmica também é usada como elemento de proteção para agrupar fios ou cabos soltos.

Os conectores industriais são cruciais em várias aplicações, incluindo ambientes de chão de fábrica, maquinários, mineração, exploração geofísica, geração / distribuição de energia elétrica, equipamentos agrícolas e muito mais. Os conectores reforçados são uma solução configurável e versátil. Eles fornecem proteção máxima IP 69k, 216 contatos e adequados para uso em ambientes hostis. A classificação atual varia de 10 A a 200 A. O sistema de conectores M8 / M12 oferece conectores abrangentes, módulos de entrada e saída e conjuntos de cabos.

A linha de produtos de Conectores Pesados ​​(HDC) de construção modular é altamente configurável e robusta, tornando-os ideais para aplicações de robótica e automação. Tal arranjo combina potência com tecnologias de interface estabelecidas. As coberturas e carcaças fornecem orientação vertical e em ângulo reto do cabo e IP65 a IP69k.

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Comunicação

Os sistemas de comunicação industrial são a espinha dorsal de qualquer arquitetura de sistema de automação. Eles oferecem um procedimento robusto de troca de dados, flexibilidade e controlabilidade de dados para conectar vários dispositivos e gerenciar a integridade dos dados e o controle em tempo real em ambientes exigentes em grandes instalações. De forma consistente, a rede industrial deu início à implementação de protocolos de comunicação profusos entre controladores digitais, inúmeras ferramentas de software relacionadas à automação, dispositivos de campo e também sistema externo.

Um protocolo de comunicação descreve regras e formatos de mensagens digitais necessários para trocar mensagens entre dispositivos. Eles são executados usando canais de comunicação sem fio ou com fio e integrantes de qualquer sistema automatizado complexo. A maioria dos sistemas automatizados modernos usa redes de comunicação digital compartilhada com diferentes tipos de protocolos, como RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, controle CAN, Ethernet / IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus ™ TCP / IP e outros.

Sensores, vários controladores (PLCs, HMI, DCS) e atuadores são os dispositivos de campo de chão de fábrica em automação industrial. Os sensores transmitem informações de diagnóstico e os controladores computam esses sinais de controle condicional e os transmitem aos atuadores. Controladores industriais como PLCs, sistemas de computador e unidades de controle distribuídas constituem o nível de controle e gerenciam tarefas como configuração de dispositivos de automação, carregamento de todos os dados de variáveis ​​de processo e dados de programa, controle de supervisão, ajuste de variáveis ​​definidas e arquivamento de histórico.

Ethernet é um tipo de tecnologia de rede baseada na proposição “mestre-escravo”. Uma rede com fio é instalada em uma área local dentro de um edifício. O nível de controle da rede Ethernet industrial com protocolo TCP / IP liga as unidades de controle aos computadores.

As redes locais (LANs) são amplamente utilizadas como redes de comunicação para realizar as características desejadas. Os dados Ethernet conectam as camadas dentro da rede. Ele funciona como uma camada física e dita os tipos de conectores, sinais elétricos e velocidades de sinalização.

As redes de longa distância (WANs) Ethernet encontram uso comum no planejamento da fábrica e na troca de informações de gerenciamento. As WANs Ethernet usam o gateway industrial para funcionar como redes de nível de informação. As tecnologias de comunicação sem fio são ideais para soluções de automação flexíveis e eficientes e contornar as desvantagens do cabeamento e conexões com fio associadas. Vários métodos de comunicação são considerados com base no intervalo entre os pontos de transmissão e os pontos de recepção. Por exemplo, GSM ou CDMA optam por distâncias mais longas, Bluetooth, Wireless HART Zigbee e Wi-Fi para distâncias mais curtas. O Wi-Fi oferece alta largura de banda e se integra sem esforço a redes de protocolo de Internet (IP). O Bluetooth abrange uma ampla gama de necessidades de processamento e consumo de energia. A tecnologia Bluetooth Low Energy oferece capacidade de posicionamento interno a partir de beacons robustos alimentados por bateria que podem funcionar por vários meses a um ano.

Uma rede 5G é um ativo chave na infraestrutura de automação industrial com a indústria de manufatura antecipada para avançar em direção à organização distribuída da produção, com bens conectados (produtos com capacidade de comunicação), processos de baixo consumo de energia, robôs colaborativos e logística de manufatura integrada. Um sistema de entidades de usuário final reside no ápice da estrutura em rede, usando serviços de comunicação ponta a ponta facilitados pela rede 5G. Essa rede oferece comunicação horizontal dentro e através de uma estrutura vertical.

Fonte de alimentação

As redes de alimentação industrial fornecem uma tensão de alimentação fixa de 24 Vcc altamente disponível dentro dos limites especificados. A tensão de saída é gerada a partir de diferentes fontes de alimentação, incluindo redes CA e CC, alimentação monofásica e trifásica de até 500 Vca.

Uma variedade de fontes de energia são necessárias para operar máquinas industriais, normalmente para converter CA de alta tensão em CC de baixa tensão para alimentar controladores lógicos programáveis, entrada e saída e dispositivos IHM. A diferença entre a fonte de alimentação usada em aplicações comerciais e industriais está em aplicações de missão crítica em locais de produção Classe 1 Div 2 (ambientes potencialmente explosivos), ou mesmo em temperaturas extremas que variam de -40 ° C a + 70 ° C.

As fontes de alimentação comutada (SMPS) e as fontes de alimentação lineares são dois métodos principais para controlar fontes de alimentação CC regulamentadas. O SMPS altamente eficiente, compacto e leve apresenta form factor menores e conexão paralela direta por meio de MOSFETs ORing integrados. Eles mudam a energia CA de entrada para energia de alta frequência usando a comutação de alta velocidade de semicondutores. O SMPS fornece recursos atualizados para melhorar a confiabilidade da máquina, segurança elétrica e redundância paralela para componentes e sistemas auxiliares. Além desses fatores, as fontes de alimentação industriais podem preparar para o futuro os recursos necessários para a infraestrutura de digitalização industrial em evolução da fábrica inteligente e das iniciativas da Indústria 4.0.

As fontes de alimentação AC-DC e os conversores DC-DC estão disponíveis em vários formatos, com tamanhos, capacidades e formatos variados, para citar alguns. As aplicações finais podem precisar de uma combinação de conversores AC / DC e DC / DC ou ponto de carga não isolado para suportar diferentes fontes de alimentação, sistema de alimentação e necessidades de isolamento de subsistemas, como eletrônicos de controle, carregamento de bateria e portas de comunicação.

Fontes de alimentação AC e conversores DC / DC são integrados ao equipamento final em estrutura aberta, montagem de PCB, montagem de chassi, placa de base refrigerada ou formatos fechados, ou talvez projetados para se adequar a aplicações específicas. Desenvolvimentos como ZVS (Zero Voltage Switching) e ZCS (Zero Current Switching), topologias ressonantes e métodos de retificação síncrona oferecem dissipação de calor reduzida e maior eficiência de conversão.

A seleção da fonte de alimentação deve considerar muitos fatores, como requisitos de tamanho, sobrecorrente integrada, curto-circuito, proteção contra superaquecimento e correção do fator de potência para sua operação em ambientes perigosos. Os conectores de energia industriais são projetados para fornecer energia segura e confiável para equipamentos em ambientes severos e extremos. Diferentes modelos de fonte de alimentação em conformidade com os padrões UL, CSA e VDE ou EN estão disponíveis.

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Segurança e proteção

A proteção do circuito é uma parte crítica de qualquer instalação industrial. É crucial atender aos códigos nacionais e proteger equipamentos, processos e pessoas de qualquer excesso de energia que possa causar danos e problemas de segurança.

Dispositivos de proteção confiáveis ​​mantêm e monitoram os ambientes dos sistemas sem prejudicar o funcionamento normal. Os circuitos de proteção integrados oferecem soluções robustas, facilmente implementáveis ​​e de alto desempenho que respondem rapidamente a eventos perigosos (se ocorrerem). Esses circuitos são compactos e eficientes em termos de energia e garantem operação estável por um período de tempo mais longo, tornando-os inestimáveis ​​em aplicações industriais.

Sobrecorrente ou qualquer condição anormal pode ser grave. As consequências incluem falha no isolamento do condutor, danos ao equipamento, incêndio, ferimentos pessoais, eletrocussão e perda de propriedade. Uma peça do equipamento sofre uma condição de sobrecarga quando opera acima de sua classificação de carga total ou um condutor opera em capacidade excedente. Uma sobrecarga persistente pode causar um acúmulo de condições de calor térmico perigosamente altas em condutores e cargas de circuito. Os disjuntores são usados ​​como seguro contra essas condições perigosas.

Um curto-circuito descreve uma condição de sobrecorrente em que a corrente excede a classificação de corrente de plena carga do circuito e ocorre em um período relativamente curto. Este tipo de condição de falha é uma consequência do desvio da corrente de seu caminho de fluxo.

Os fusíveis atuam como um elo intencional fraco em um circuito elétrico ou eletrônico. Esses dispositivos sensíveis à corrente oferecem proteção confiável para os circuitos sob sobrecorrente ou condições de sobrecarga. A corrente que flui dentro de um elemento fusível em condições normais é de magnitude menor ou igual a sua corrente nominal. Em qualquer condição de falha, a corrente que flui através do elemento fusível aumenta rapidamente e abre o circuito.

Dispositivos de proteção de sobrecorrente com PTC respondem rapidamente a um aumento de temperatura. Em condições normais, ele tem resistência mínima e, portanto, impacto nominal em um circuito. Um dispositivo PTC, em sua condição de sobrecorrente, mudará de seu estado geral de baixa resistência para seu estado de alta resistência, mas, em seguida, no estado pós-sobrecorrente, o dispositivo “redefine” para seu estado normal de baixa resistência.

Os surtos são o principal motivo de falhas em dispositivos elétricos. Um surto transitório descreve um aumento repentino no fluxo de energia. Picos transitórios resultam de muitas fontes, sendo as mais comuns internas, como comutação de carga e até mesmo operações normais do equipamento. Um dispositivo de proteção contra surtos (SPD) é conectado paralelamente ao seu equipamento protegido, de modo que durante um surto de tensão ele reduza sua impedância no espaço de alguns nanossegundos e, conseqüentemente, a corrente de impulso é desviada.

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Contato da Newark no Brasil

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* Texto originalmente publicado em: link.

A LATeRe tem por objetivo dar continuidade ao trabalho desenvolvido pela Farnell Newark no País, oferecendo aos seus clientes não somente a venda FOB mas tambem a local.

Fundada por Caroline Jabur, ex Diretora da Farnell Newark do Brasil, engenheira eletrônica com pós graduação em administração de empresas e em comércio exterior , traz como background  mais de 30 anos de experiência internacional na área de componentes e no mercado de eletrônica e industrial Brasileiros.

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