estudo tecnológico para o setor de automação de processos

Transcrição

ESTUDO TECNOLÓGICO
PARA O SETOR DE
AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS
Prospecção Tecnológica
Coordenadora Geral
a
Prof Suzana Borschiver, DSc
Pesquisadora
a
Prof Flávia Chaves Alves, DSc
Estagiários
Andrezza Lemos Rangel da Silva
Genecy Rezende Neto
Juliana Ferreira de Freitas
Patrícia Silva Guimarães
Syssa de Carvalho Felix Pereira
Escola de Química,
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Rio de Janeiro, 29/07/2009
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1
Camadas utilizadas para organizar o controle de processos
pág. 14
Figura 2
Formatos dos tubos de Bourdon
pág. 18
Figura 3
Manômetro de Bourdon tipo C.
pág. 19
Figura 4
pág. 20
Figura 5
Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em
forma de U
Sensor Capacitivo
Figura 6
Sensor Piezoelétrico
pág. 22
Figura 7
Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro
pág. 24
Figura 8
Termômetro à dilatação de líquido em recipiente fechado
pág. 24
Figura 9
Termômetro à pressão de gás
pág. 26
Figura 10
Termômetro bi-metálico
pág. 26
Figura 11
Termopar
pág. 27
Figura 12
Bulbo de resistência
pág. 28
Figura 13
Régua
pág. 30
Figura 14
Taques para medição
pág. 31
Figura 15
Bóia ou flutuador
pág. 32
Figura 16
Medição de nível indireta
pág. 32
Figura 17
Sistema borbulhador
pág. 33
Figura 18
Nível descontínuo por condutividade
pág. 34
Figura 19
Nível descontínuo por bóia
pág. 34
Figura 20
Rotâmetro
pág. 36
Figura 21
Placa de orifício
pág. 36
Figura 22
Tubo Venturi
pág. 37
Figura 23
(a) Válvula de gaveta e (b) Válvula macho
pág. 38
Figura 24
(a) Válvula borboleta e (b) Válvula globo
pág. 39
Figura 25
Atuador pneumático
pág. 40
pág. 21
3
Figura 26
Hierarquia das redes industriais
pág. 52
Figura 27
Tipos de equipamentos usados em cada Rede
pág. 53
Figura 28
Tipologia de rede DeviceNet - Barramento
pág. 59
Figura 29
Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus
pág. 65
Figura 30
Comprimento máximo de segmento
pág. 68
Figura 31
Arquitetura de uma rede Wireless
pág. 74
Figura 32
Self Routing
pág. 79
Figura 33
Interferência destrutiva por reflexões de sinal
pág. 79
Figura 34
Automação Wireless em mineração
pág. 85
Figura 35
Mercado mundial de automação
pág. 88
Figura 36
Desenvolvimento do mercado mundial para automação de
processos até 2010 – segmentação por indústrias
pág. 89
Figura 37
processos até 2010 – segmentação por regiões
pág. 90
Figura 38
processos até 2010 – segmentação por produtos e serviços
pág. 91
Figura 39
Representação da cadeia produtiva de automação industrial
pág. 94
Figura 40
Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América
Latina
pág. 96
Figura 41
Faturamento anual do setor de Automação no Brasil
pág. 97
Figura 42
Análise temporal do
automation” x “Fieldbus”
cruzamento
“industrial
process
pág. 133
Figura 43
automation” x “Ethernet”
cruzamento
“industrial
process
pág. 133
Figura 44
automation” x “Wireless”
cruzamento
“industrial
process
pág. 134
Figura 45
Análise de países do
cruzamento
“industrial
process
pág. 135
Figura 46
cruzamento
“industrial
process
pág. 136
4
Figura 47
cruzamento
“industrial
process
pág. 137
Figura 48
Análise d e fontes de informação do cruzamento “industrial
process automation” x “Fieldbus”
pág. 138
Figura 49
process automation” x “Ethernet”
pág. 139
Figura 50
process automation” x “Wireless”
pág. 140
Figura 51
Análise da origem dos autores dos artigos do cruzamento
“industrial process automation” x “Fieldbus”
pág. 141
Figura 52
“industrial process automation” x “Ethernet”
pág. 142
Figura 53
“industrial process automation” x “Wireless”
pág. 142
Figura 54
Subgrupos de Tecnologias
pág. 149
Figura 55
cruzamento
“industrial
process
pág. 151
Figura 56
cruzamento
“industrial
process
pág. 151
Figura 57
cruzamento
“industrial
process
pág. 151
Figura 58
cruzamento
“industrial
process
pág. 152
Figura 59
cruzamento
“industrial
process
pág. 153
Figura 60
cruzamento
“industrial
process
pág. 153
Figura 61
Classificação das Empresas depositantes das patentes do
cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
pág. 156
Figura 62
cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
pág. 158
Figura 63
cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
pág. 160
5
Figura 64
Análise de assuntos do cruzamento “industrial process
pág. 161
Figura 65
pág. 162
Figura 66
pág. 163
Figura 67
Análise dos principais setores do cruzamento “industrial process
pág. 165
Figura 68
pág. 166
Figura 69
pág. 167
Figura 70
Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM)
pág. 171
Figura 71
Exemplo de Distributed real-time system
pág. 175
Figura 72
Exemplo de Embedded System
pág. 176
Figura 73
Exemplo de Conector elétrico Profibus
pág. 179
Figura 74
Exemplo de LAN
pág. 183
Figura 75
Exemplo de Neuro Fuzzy Controller
pág. 184
Figura 76
Exemplo de PDA
pág. 186
Figura 77
Exemplo de RMS
pág. 188
Figura 78
Exemplo de STEP-NC
pág. 190
Figura 79
Exemplo de WSN
pág. 192
6
LISTA DE TABELAS
Tabela 1
Principais fabricantes internacionais ligados à automação
industrial
pág. 92
Tabela 2
Faturamento total por Área
pág. 100
Tabela 3
Exportação de Produtos por Setor
pág. 100
Tabela 4
Metodologia de busca de artigos
pág. 132
Tabela 5
Fontes de informação com menor destaque com apenas 1
artigo do cruzamento “industrial process automation” x
“Fieldbus”
pág. 138
Tabela 6
“Ethernet”
pág. 139
Tabela 7
“Wireless”
pág. 140
Tabela 8
Distribuição dos artigos por assunto
pág. 144
Tabela 9
Divisão de artigos por setor de atuação para palavra-chave
Fieldbus
pág. 146
Tabela 10
Ethernet
pág. 147
Tabela 11
Wireless
pág. 148
Tabela 12
Metodologia de busca de patentes
pág. 150
Tabela 13
Análise de depositantes do cruzamento
“industrial process
pág. 155
Tabela 14
pág. 157
Tabela 15
pág. 159
Tabela 16
Instrumentação
pág. 199
7
Tabela 17
Protocolos
pág. 200
Tabela 18
Redes
pág. 200
Tabela 19
Software
pág. 201
Tabela 20
Sistema
pág. 201
8
Sumário
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12
1.1 OBJETIVO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
15
2. TENDÊNCIAS MUNDIAIS ................................................................................................. 17
2.1. PRINCIPAIS FAMÍLIAS DE EQUIPAMENTOS E SISTEMAS UTILIZADOS
17
2.1.1. SENSORES OU MEDIDORES.................................................................................................... 17
2.1.2. INSTRUMENTOS DE ATUAÇÃO................................................................................................ 38
2.1.3. TRANSMISSORES ................................................................................................................. 40
2.2. SISTEMAS DE CONTROLE
41
2.2.1. SDCD ............................................................................................................................... 44
2.2.2. CLP .................................................................................................................................. 45
2.3. TIPOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO ........................................................................................... 46
2.3.1. CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO PNEUMÁTICA ....................................................... 46
2.3.2. CONTROLE AUTOMÁTICO POR TRANSMISSÃO ELETRÔNICA ........................................................ 48
2.3.3. CONTROLE AUTOMÁTICO EM REDES ...................................................................................... 49
2.3.3.1. REDES FIELDBUS .............................................................................................................. 54
2.3.3.2. REDES ETHERNET ............................................................................................................. 70
2.3.3.3. WIRELESS - REDES DE CAMPO SEM FIO ................................................................................ 71
2.3.3.3.1. MOTIVAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DA TECNOLOGIA ........................................................... 71
2.3.3.3.2. WIRELESS – CONCEITOS................................................................................................. 72
2.3.3.3.3. LIMITAÇÕES DA REDE WIRELESS ...................................................................................... 75
2.3.3.3.4. CAPACIDADE DA REDE .................................................................................................... 76
2.3.3.3.5. EXTENSÃO DOS CANAIS .................................................................................................. 77
2.3.3.3.6. TRANSMISSÃO DE DADOS ............................................................................................... 77
2.3.3.3.7. INSTALAÇÃO E EVOLUÇÃO DA COMUNICAÇÃO .................................................................... 80
2.3.3.3.8. VANTAGENS SOBRE AS REDES COM FIO ............................................................................. 82
2.3.3.3.9. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ATUAIS..................................................................................... 84
3. ESTRUTURA DA CADEIA PRODUTIVA ........................................................................... 87
3.1. MERCADO MUNDIAL
87
3.1.1. EVOLUÇÃO DO MERCADO DE AUTOMAÇÃO PARA INDÚSTRIAS DE PROCESSOS............................... 88
3.1.2. EMPRESAS INTERNACIONAIS ................................................................................................. 91
3.2. CARACTERIZAÇÃO DA CADEIA PRODUTIVA
93
3.3. O MERCADO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL NO BRASIL
95
3.3.1. A DIVISÃO NACIONAL DO SETOR DE AUTOMAÇÃO ..................................................................... 99
3.3.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE MAIS UTILIZADOS NAS EMPRESAS .......................................... 113
3.4. DESAFIOS MODERNOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
114
9
4. A PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA COMO FERRAMENTA DE COMPETITIVIDADE ............... 125
4.1. METODOLOGIA
131
4.2. ANÁLISE DE ARTIGOS
132
4.2.1. ANÁLISE TEMPORAL .......................................................................................................... 132
4.2.2. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR PAÍS .................................................................................. 134
4.2.3. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR FONTE DE INFORMAÇÃO (PERIÓDICOS, CONGRESSOS, CONFERÊNCIAS,
TESES) 138
4.2.4. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ORIGEM DO AUTOR .............................................................. 141
4.2.5. OBJETIVO DOS ARTIGOS ..................................................................................................... 143
4.2.6. DISTRIBUIÇÃO DOS ARTIGOS POR ASSUNTO ........................................................................... 143
4.2.7. SETORES DE ATUAÇÃO ....................................................................................................... 145
4.2.8. SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS............................................................................................. 148
4.3. ANÁLISE DE PATENTES
150
4.3.1. ANÁLISE TEMPORAL .......................................................................................................... 150
4.3.2. PAÍSES DEPOSITANTES DE PATENTES ..................................................................................... 152
4.3.3. DEPOSITANTES DAS PATENTES ............................................................................................ 154
4.3.4. CLASSIFICAÇÃO E ANÁLISE DOS ASSUNTOS DAS PATENTES ....................................................... 160
4.3.5. OBJETIVO DAS INOVAÇÕES ................................................................................................. 164
4.3.6. PRINCIPAIS SETORES .......................................................................................................... 165
4.4. SUBGRUPOS DE TECNOLOGIAS DESTACADAS NA PROSPECÇÃO DE ARTIGOS E PATENTES
168
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................ 194
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 203
10
11
1. Introdução
Segundo Gomes (2004) automação é o conjunto das técnicas baseadas em
máquinas e programas com o objetivo de executar tarefas previamente
programadas pelo homem e de controlar seqüências de operações sem a
intervenção humana. Se esta definição for aplicada no âmbito da indústria,
chega-se ao conceito de sistema de automação industrial, que vem a ser um
conjunto de equipamentos e tecnologias capazes de fazer com que uma
máquina ou processo industrial trabalhem automaticamente, ou seja, com a
mínima intervenção humana, cabendo a este o papel de programar,
parametrizar ou supervisionar o sistema para que trabalhe de acordo com os
padrões desejados.
O presente estudo destina-se à investigação de diferentes aspectos relativos à
automação na indústria de processos. Logo, faz-se necessário, inicialmente,
entender quais segmentos industriais são englobados dentro da indústria de
processo e quais são as especificidades da automação direcionada a estes.
As indústrias e suas operações podem ser classificadas em duas categorias
gerais: indústria de processo e indústria de manufatura discreta. Na primeira, o
sistema de produção é contínuo, ou seja, os bens produzidos não podem ser
identificados individualmente1. No caso da indústria de manufatura, o sistema
de produção é discreto, o que significa dizer que os bens produzidos podem
ser isolados em lotes ou unidades, particularizando-os uns dos outros.
No que se refere à automação, as principais diferenças se encontram no nível
dos dispositivos, pois as variáveis a serem monitoradas são de natureza
diversa. Na indústria de processo, as variáveis a serem monitoradas e
controladas para que mantenham valores constantes e definidos são diversas,
1
Em alguns casos, os processos ocorrem em batelada, ou seja, é intermitente, mas têm natureza
contínua durante o período de atividade.
12
como: pressão, vazão, temperatura, condutividade, pH, velocidade, nível,
umidade, dentre outros (BEGA, 2006), ao passo que na indústria de
manufatura os dispositivos controlam ações mecânicas das máquinas. Em um
nível superior, é possível dizer que na indústria de processo o controle se dá
nas operações, enquanto na de manufatura este se dá nas máquinas. Outra
forma de analisar esta diferença consiste em analisar a natureza das variáveis
sob controle: na indústria de processo os parâmetros e variáveis são contínuos
e na de manufatura estes são discretos.
Nos processos contínuos, que são foco deste trabalho, a automação do
processo propriamente dita tem a finalidade de medir uma variável de
interesse, compará-la com o valor desejado e previamente definido como ideal
e atuar no processo de forma a diminuir a diferença entre o valor medido e o
valor desejado. No caso dos processos discretos, o princípio da automação é
diferente. O objetivo é monitorar a variável de interesse, processar de acordo
com a lógica pré-programada e atuar no processo.
No entanto, nos últimos anos, o papel da automação vem sendo modificado
fortemente na medida em que novos problemas surgem cada vez mais
complexos. (Petro & Química, 2006). Os componentes de um sistema de
automação evoluíram constantemente com os anos, desde os primeiros
sistemas baseados em controle automático, mecanizado (como as primeiras
linhas de montagem do século XX) até os sistemas baseados nas tecnologias
atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação foi
expandido, e hoje se nota aplicações da automação em sistemas desde
gerência de informação e negócios em tempo real até sistemas críticos no
campo médico, por exemplo. Com o crescente avanço da tecnologia, e a atual
necessidade de informação em todos os campos, sistemas de automação
modernos passam de simples automações de processos e equipamentos para
automação de negócios, lidando com grandes quantidades de informação
relevante. A Figura 1 apresenta esta tendência, mostrando a pirâmide de
automação desde a camada regulatória, voltada ao controle do processo
propriamente dito até o planejamento da produção, ou gerenciamento de
13
ativos, ligado diretamente ao mercado. Esta integração entre as diferentes
camadas de controle tornou-se uma questão central da automação industrial de
processos.
Figura 1: Camadas utilizadas para organizar o controle de processos.
Fonte: Trierweiler e Farenzena, 2009
Atualmente, aponta-se que o principal motor da automação é a busca por maior
qualidade dos processos, com redução de perdas – e, conseqüentemente, de
custos – e a possibilidade de produzir bens que até então não podiam ser
fabricados. Outros pontos relevantes dizem respeito ao aumento de
flexibilidade e segurança – a qual pode ser aumentada á medida que a
automação pode minimizar a falha humana.
A evolução do setor de automação industrial depende do crescimento e/ou da
modernização do parque industrial, uma vez que é classificado como um setor
de bens de capital. Ao mesmo tempo, os equipamentos de automação induzem
a modernização da indústria, elevando patamares de eficiência e flexibilidade.
Neste contexto, torna-se fundamental o estudo do comportamento das
14
inovações tecnológicas em automação na indústria de processo, de forma a
entender as tendências futuras e os impactos que a implementação destas
novas tecnologias terá tanto na competitividade das empresas quanto no
crescimento e desenvolvimento da economia.
1.1 Objetivo e Organização do Trabalho
Devido ao aumento da demanda por sistemas automatizados, é crescente a
necessidade de atualização e formação de mão-de-obra qualificada. Em vista
disso, o PROJETO SENAI – EQ - UFRJ tem como objetivo realizar um estudo
sobre análise de mercado, difusão e prospecção tecnológica no setor de
automação industrial de processos, ficando sob a responsabilidade do NEITEC
(Núcleo de Estudos Industriais e Tecnológicos) a parte de “Estudo Tecnológico
para o Setor de Automação de Processos”.
Devido à complexidade desse estudo, a metodologia dessa pesquisa
contemplou as tecnologias, protocolos e redes da primeira camada da Pirâmide
de Automação, ou seja, a planta industrial, o chão de fábrica.
O trabalho está dividido em cinco capítulos, além desta introdução. O capítulo 2
apresenta as tendências mundiais em automação de processos, descrevendo
as principais famílias de equipamentos, sistemas de controle, tipos de controle
e redes de comunicação. O capítulo 3 aborda as questões relacionadas com a
cadeia produtiva de automação industrial, levantando aspectos do mercado
mundial e brasileiro, características da cadeia produtiva e também os desafios
modernos da automação industrial. No capítulo 4, são apresentados e
discutidos os resultados da prospecção tecnológica em artigos e patentes
realizada neste estudo. Em seguida, no capítulo 5, são apresentadas as
conclusões do trabalho e as referências bibliográficas.
15
16
2. Tendências Mundiais
2.1. Principais famílias de equipamentos e sistemas utilizados
A instrumentação em indústrias de processo apresenta hoje uma vasta gama
de produtos, especificados de acordo com a necessidade de cada processo
onde são aplicados. Pode-se verificar que o desenvolvimento das tecnologias
atuais favoreceu a diversificação das formas de controle, a fim de atender com
maior precisão todas as medições que se fazem necessárias, com sensores
apropriados para cada uma das aplicações específicas. De uma maneira geral,
um sistema de automação é composto de diferentes dispositivos os quais,
devem ser capazes de, em conjunto abranger as funções de aquisição de
dados, adaptação dos dispositivos ao sistema, comunicação intra-sistema,
visualização, supervisão, operação e, finalmente, definição de parâmetros e
algoritmos de otimização. Um ponto importante para o bom funcionamento do
sistema é que cada um dos dispositivos tenha seu desempenho satisfatório,
permitindo que o sistema atue de forma integrada e coordenada, com precisão,
velocidade de processamento e resposta adequados ao projeto de automação.
Neste sentido as principais famílias de instrumentos que compõem uma malha
de controle serão detalhadas a seguir.
2.1.1. Sensores ou medidores
Sensores ou medidores são instrumentos de medição com os quais é possível
detectar alterações na variável de processo. O objetivo dos sensores,
juntamente com os controladores, é manter constantes as variáveis de um
processo, alcançando assim a melhoria em qualidade, o aumento em
quantidade do produto e a segurança do processo. As principais variáveis a
serem medidas são pressão, temperatura, nível e vazão.
17
a. Sensores de Pressão
O instrumento de medição de pressão é uma das mais importantes ferramentas
em um processo, pois a partir dos dados de pressão é possível estimar valores
de nível e vazão.
O instrumento mais simples para medir pressão é o manômetro, que pode ter
vários elementos sensíveis. Alguns desses elementos são mostrados a seguir:
Tubo de Bourdon
Consiste geralmente em um tubo com seção oval, disposto na forma de arco
de circunferência, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta à pressão a
ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma
seção circular, resultando num movimento em sua extremidade fechada. Esse
movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar
uma medida de pressão.
Quanto ao formato, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes
formas: tipo C, espiral e helicoidal, conforme a figura 2. Com o avanço da
tecnologia, os manômetros de Bourdon helicoidal e espiral caíram em desuso.
Figura 2: Formatos dos tubos de Bourdon
Fonte: Gonçalves, 2003
18
Devido ao baixo custo e à boa precisão, os manômetros de Bourdon tipo C,
apresentados na figura 3, são os mais utilizados até hoje nas indústrias.
Figura 3: Manômetro de Bourdon tipo C.
Ao se aplicar uma pressão superior à atmosférica, o tubo muda seu formato
para uma seção transversal mais circular. Nos manômetros que utilizam o
Bourdon tipo C, devido ao pequeno movimento realizado por sua extremidade
livre quando submetida à pressão em medição, é necessária a utilização de um
mecanismo para amplificação deste movimento. Este mecanismo de
amplificação empregado nos manômetros é chamado de máquina. Os
materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze
fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são
recomendados pelo fabricante. A faixa de aplicação varia de 1kgf/cm2 de
vácuo até 2.000kgf/cm2 de sobre pressão. Por recomendação do fabricante, a
faixa da escala que possui maior precisão de medição é a faixa compreendida
entre 1/3 e 2/3 da escala.
Coluna de Líquido
Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de
líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser
de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U, como
mostrados na figura 4. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água
(normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na
19
coluna, o líquido é deslocado de uma altura h, sendo este deslocamento
proporcional à pressão aplicada.
Figura 4: Manômetros dos tipos coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U.
Capacitivo
A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos
sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o
processo e o sensor.
Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de
uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância
total, que é medida por um circuito eletrônico.
Esta montagem, se, de um lado, elimina os problemas mecânicos das partes
móveis, de outro, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo,
principalmente à temperatura do processo. Este inconveniente pode ser
superado através de circuitos compensatórios de temperatura, montados junto
ao sensor. Na figura 5 é mostrado um sensor capacitivo.
20
Figura 5: Sensor capacitivo
O sensor é formado pelos seguintes componentes:

Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido;

Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube);

Armadura móvel (diafragma sensor).
A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pressão
(low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de
enchimento.
A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua
deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas
armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito
eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à
câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.
Piezoelétrico
Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o
titanato, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina,
quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São
elementos pequenos e de construção robusta, e seu sinal de resposta é linear,
21
com a variação de pressão, sendo capazes de fornecer sinais de altíssimas
freqüências.
O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um
potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma
cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, sendo por isso utilizado em
relógios de precisão.
A carga devido à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez
que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à
entrada de um amplificador e indicada ou convertida em um sinal de saída,
para tratamento posterior. Um sensor piezoelétrico é mostrado na figura 6.
Figura 6: Sensor piezoelétrico
Como vantagem, esse efeito apresenta uma relação linear Pressão x Voltagem
produzida e é ideal para locais de freqüentes variações de pressão. Sua
principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar redução
gradativa de potencial, além de ser sensível à variação de temperatura.
b. Sensores de Temperatura
Nos diversos segmentos de mercado, seja químico, petroquímico, siderúrgico,
cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico,
nuclear entre outros, a monitoração da variável temperatura é fundamental
para a obtenção do produto final específico.
22
Existem duas formas de medir a temperatura de um processo: medida por
dilatação/expansão e medida por termo-resistência.
Medidores de temperatura por dilatação/expansão
Termômetro à dilatação de líquido
Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão
volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.
Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico. Variam
conforme sua construção:

Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidro
É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade
desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado
na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um
líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o
termômetro no caso de a temperatura ultrapassar seu limite máximo.
Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações
deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que
se tem o topo da coluna líquida.
Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona.
Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço
metálico, e o tubo capilar, por um invólucro metálico. Por ser frágil, é impossível
registrar sua indicação ou transmiti-la à distância. O uso deste termômetro é
mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma
proteção metálica. A figura 7 mostra alguns desses termômetros.
23
Figura 7: Termômetros à dilatação de liquido em recipiente de vidro.

Termômetros à dilatação de liquido em recipiente metálico
Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um
aumento de temperatura, se dilata, deformando um elemento extensível
(sensor volumétrico), como pode ser observado na figura 8.
Figura 8: Termômetro à dilatação de liquido em recipiente fechado.
24
As características dos elementos básicos deste termômetro são:
Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e
principalmente com a sensibilidade desejada. Os líquidos mais utilizados são
mercúrio, xileno, tolueno e álcool;
Capilar: Suas dimensões são variáveis, devendo o diâmetro interno ser o
menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, e não
oferecer resistência à passagem do líquido em expansão;
Elemento de medição: O elemento usado é o tubo de Bourdon. Normalmente
são aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registro, pois permitem
leituras remotas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição
de temperatura.
Termômetros à pressão de gás
Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um
bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.
O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão.
Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme
aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição
operando como medidor de pressão. Observa-se que as variações de pressão
são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Uma
representação deste termômetro pode ser vista na figura 9.
25
Figura 9: Termômetro à pressão de gás.
Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bi-metálicos)
Este tipo de termômetro baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais
com a temperatura. O termômetro bi-metálico consiste em duas lâminas de
metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só
peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento
que é proporcional à temperatura. Na prática a lâmina bi-metálica é enrolada
em forma de espiral ou hélice, como mostra a figura 10, o que aumenta
bastante a sensibilidade.
Figura 10: Termômetro bi-metálico.
O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, que consiste em um tubo
bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo. Este eixo, por sua
vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.
26
A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de –
50°C a 800°C, sendo sua escala bastante linear. Possui precisão na ordem de
± 1%.
Medição de temperatura com termopar
Um termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na
forma de metais puros ou de ligas homogêneas, conforme mostra a figura 11.
Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou
junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de
medição de FEM (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui
a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao
instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.
Figura 11: Termopar.
O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma FEM.
Este princípio, conhecido por efeito Seebeck2, propiciou a utilização de
termopares para a medição de temperatura.
Medição de temperatura por termorresistência
Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura
iniciaram-se por volta de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se
2
O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando notou que em um
circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente
enquanto existir uma diferença de temperatura T entre as suas junções.
27
elaborarem as mesmas para utilização em processos industriais a partir de
1925.
Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas
condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação,
baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.
Devido a estas características, tal sensor é padrão internacional para a
medição de temperaturas na faixa de –270°C a 660°C em seu modelo de
laboratório.
Os bulbos de resistência, mostrados na figura 12, são sensores que se
baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura.
Figura 12: Bulbo de resistência.
Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a
platina, o cobre ou o níquel, metais com características de:

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor;

Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura;

Rigidez e ductilidade para serem transformados em fios finos.
28
Vantagens e desvantagens dessa medição
Vantagens:

Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos
de sensores;

Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação;

Dispensa utilização de fiação especial para ligação;

Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente;

Tem boas características de reprodutibilidade;

Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem.
Desvantagens:

É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa;

Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura
máxima de utilização;

Temperatura máxima de utilização de 630°C;

É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura
equilibrada para fazer a indicação corretamente.
c. Sensores de Nível
O nível é a altura do conteúdo, que pode ser sólido ou líquido, no interior de um
reservatório.
Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos
contínuos, pois através da medição de nível torna-se possível:

Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento;
29

Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam
volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações,
mistura, etc;

Manter segurança e controle de alguns processos onde o nível do
produto não pode ultrapassar determinados limites.
Existem três métodos de medição de nível: direto, indireto e descontínuo.
Medição de nível direta
É a medição para a qual toma-se como referência a posição do plano superior
da substância medida. Neste tipo de medição é possível utilizar réguas ou
gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

Régua ou Gabarito
Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para
ser introduzida no reservatório a ser medido.
A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento
molhado na régua pelo líquido, como mostrado na figura 13.
Figura 13: Régua.
30

Visores de nível
Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por
um
visor
de
vidro
especial,
podendo
haver
uma
escala
graduada
acompanhando o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta.
Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados, como os da
figura 14.
Figura 14: Tanques para medição.
Nessa medição pode-se usar vidro reflex, para produtos escuros sem
interfaces, ou vidro transparente, para produtos claros e sua interface.

Bóia ou Flutuador
Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um
contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o
nível em uma escala. Este sistema está mostrado na figura 15. Esta medição é
normalmente encontrada em tanques abertos.
31
Figura 15: Bóia ou flutuador.
Medição de nível indireta
Neste tipo de medição, o nível é medido indiretamente em função de
grandezas físicas, tais como: pressão, empuxo, radiação e propriedades
elétricas.

Medição de nível por pressão hidrostática
Neste tipo de medição utiliza-se a pressão exercida pela altura da coluna
líquida, para estimar indiretamente o nível. Essa técnica permite que a medição
seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja
pressurizado. A figura 16 exemplifica este método.
Figura 16: Medição de nível indireta.
32

Medição de nível com borbulhador
Com o sistema de borbulhador (figura 17) pode-se detectar o nível de líquidos
viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.
Figura 17: Sistema borbulhador.
Neste sistema necessita-se de um suprimento de ar ou gás e uma pressão
ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este
valor em geral é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima
pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma
válvula agulha, um recipiente com líquido, no qual o ar ou gás passará, e um
indicador de pressão. Um tubo levará a vazão de ar ou gás até o fundo do
vaso. Ocorrerá então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido
que terá seu nível medido. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, fica
instalado um indicador de pressão que mostra um valor equivalente à pressão,
devido ao peso da coluna líquida.
Medição de nível descontínua
Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o
nível atinge certos pontos desejados, como, por exemplo, em sistemas de
alarme e segurança de nível alto ou baixo.
33

Medição de nível descontínua por condutividade
Nos líquidos que conduzem eletricidade, pode-se mergulhar eletrodos
metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os
eletrodos, existirá a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo
alcançado pelo líquido (figura 18).
Figura 18: Nível descontínuo por condutividade.

Medição de nível descontinua por bóia
Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma
simples bóia acoplada a contatos elétricos, até sensores eletrônicos do tipo
capacitivo ou ultra-sônico, que se diferenciam pela sensibilidade, tipo de fluido,
características operacionais de instalação e custo (figura 19).
Figura 19: Nível descontínuo por bóia.
34
d. Sensores de Vazão
A medição de vazão inclui, no seu sentido mais amplo, a determinação da
quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um local específico na
unidade de tempo.
Existem dois tipos de medidores de vazão: medidores de quantidades e
medidores volumétricos.
Medidores de quantidade
São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber a quantidade de fluxo
que passou, mas não a vazão do fluxo que está passando, como por exemplo,
as bombas de gasolina, os hidrômetros, as balanças industriais e etc.

Medidores de quantidade por pesagem
São as balanças industriais, utilizadas para medição de sólidos.

Medidores de quantidade volumétrica
São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo
mecanismo de medição, aciona o mecanismo de indicação.
Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de
gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo: tipo pistão rotativo, tipo pás
giratórias, tipo engrenagem etc.
Medidores volumétricos
São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Alguns exemplos
seguem abaixo:
35

Rotâmetros
São medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua
posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Na
Figura 20 pode-se observar um rotâmetro.
Figura 20: Rotâmetro.

Placa de Orifício
Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão
diferencial, o mais simples e mais comumente empregado é o da placa de
orifício, conforme mostra a figura 21.
Figura 21: Placa de Orifício
36
Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada
perpendicularmente ao eixo da tubulação.
É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se
forem imprecisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será
comprometida. Costumeiramente, essas bordas são fabricadas com aço inox,
latão etc., dependendo do fluido a ser medido.

Tubo Venturi
A figura 22 apresenta o tubo Venturi, que combina, dentro de uma unidade
simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas. É
usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito
acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática.
Figura 22: Tubo Venturi.
A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente. Seu uso é
recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e
quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um
diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro
igual à sua garganta.
37
2.1.2. Instrumentos de atuação
Define-se por atuador todo instrumento capaz de atuar no sistema provocando
alteração em alguma condição de operação ou variável de processo. Os
atuadores podem ser elétricos, eletromecânicos, pneumáticos e hidráulicos.
As principais aplicações de válvulas no processo industrial são serviço de liga e
desliga, serviço de controle proporcional, prevenção de vazão reversa, controle
e alívio de pressão e algumas aplicações especiais. De todas estas aplicações,
a mais importante se relaciona com controle automático e contínuo do
processo.
As válvulas podem ser divididas nas seguintes categorias:

Bloqueio – destinam-se apenas a estabelecer ou interromper o fluxo, ou
seja, só devem trabalhar completamente abertas ou completamente
fechadas, são elas: válvula de gaveta, válvulas macho, válvulas de
esfera, válvulas de comporta.
(a)
(b)
Figura23: (a) Válvula de gaveta e (b)Válvula macho
Fonte: http://www.sasvendas.com.br/produtos/mna/

Regulagem – São destinadas especificamente para controlar o fluxo,
podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial, são elas:
38
válvulas de globo, válvulas de agulha, válvulas de controle, válvulas de
borboleta, válvulas de diafragma.
(a)
(b)
Figura 24: (a)Válvula borboleta e (b)Válvula globo
Fontes: (a) http://www.cvvapor.com.br / (b) http://www.sasvendas.com.br/produtos/mna/
As operações das válvulas podem ser divididas em:

Operação manual: por meio de volante, alavancas, engrenagens e
parafusos.

Operação motorizada: pneumática, hidráulica e elétrica.

Operação automática: pelo próprio fluido ou por meio de molas e
contrapesos.
Em uma malha de controle, a válvula é o elemento final de controle que pode
ser manual ou automático. Quando o sinal de controle é proveniente de um
controlador tem-se o controle automático da válvula enquanto o controle
manual pode ser remoto ou local.
O atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o
converte em abertura modulada da válvula, o atuador pneumático à diafragma
recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte em uma
força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado ou obturado
que irá abrir continuamente a válvula de controle.
39
Figura 25: Atuador pneumático
Fonte: http://www.nei.com.br/lancamentos/lancamento.aspx?i=13323
Os principais problemas para os atuadores são: abrasividade, acúmulo de
material, agarramento e entupimentos.
2.1.3. Transmissores
Os transmissores são os instrumentos responsáveis pelo envio da informação
da variável de processo medida pelo sensor correspondente até um receptor,
que pode ser um registrador ou um controlador, ou simplesmente indicador. Os
primeiros transmissores criados foram desenvolvidos com envio de sinal
pneumático. Os transmissores eletrônicos possuem sinal de saída em 4 a 20
mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V, mais comumente. Há transmissores a 2 fios e a 4
fios. Os transmissores a 2 fios possuem um cabo com 2 condutores e uma
malha de terra, que servem tanto para transmitir o sinal de corrente de 4 a 20
mA quanto para alimentar o instrumento em 24 V CC. Para instrumentos que
requerem uma alimentação em 110 Vac ou 220 Vac, utiliza-se transmissores a
4 fios, com um cabo de alimentação independente. (TEIXEIRA E MOTA LTDA.,
2008)
Esses instrumentos são denominados convencionais, em cujas funcionalidades
são limitadas. As informações enviadas se resumem às variáveis de processo
medidas e o instrumento não tem capacidade de processar as informações e
executar funções de controle. Normalmente, esses instrumentos convencionais
utilizam envio de valores das variáveis de processo medidas padronizadas em
40
4-20 mA, como valores de temperatura, pressão, nível, que possuem ranges de
valores que correspondem a um sinal de corrente entre 4 e 20 mA. Para o
envio ou comando de valores binários, do tipo aberto/fechado ou liga/desliga,
como botoeiras locais, chaves de fim de curso para informar se a válvula está
aberta ou fechada e acionamento/bloqueio de válvulas, utiliza-se sinais entre 0
e 24 VCC.
2.2.
Sistemas de Controle
Os sistemas de controle na indústria operam em paralelo à linha de produção e
são utilizados para coordenar, monitorar, alterar e registrar as condições de
máquinas, produtos e processos. Têm como principais requisitos, que devem
ser atendidos simultaneamente, a minimização da intervenção humana, a
manutenção de condições de segurança operacional e a garantia de respostas
em tempo real. Na automação de um processo produtivo, é necessário
empregar dispositivos mecânicos, elétricos e eletrônicos que desempenhem
funções equivalentes às humanas nas atividades de supervisão e controle, tais
como coleta e análise de dados e correção de rumos. Conforme citado
anteriormente, para o atributo dos sentidos humanos, foram desenvolvidos os
sensores ou instrumentos de medição, que medem e informam os dados sobre
o andamento do processo. Para as funções executadas pelo cérebro humano,
foram criados dispositivos denominados controladores, que recebem e
processam as informações fornecidas pelos sensores, calculando as medidas a
adotar e emitindo instruções para os atuadores. Esses são os dispositivos que
executam as ações que seriam realizadas pelos membros humanos para
corrigir variações detectadas pelos outros dispositivos ou alterar as respostas
do processo. O controlador é um dispositivo que monitora e pode alterar as
variáveis de saída de um sistema dinâmico por meio do ajuste das variáveis de
entrada do sistema. Por essa razão, as variáveis de saída recebem o nome de
controladas e as variáveis de entrada são chamadas de manipuladas. Podem
ser variáveis, seja de entrada ou de saída, temperatura, pressão, nível, vazão,
densidade, tempo, velocidade, potência, tensão (elétrica), corrente, freqüência,
estado (ligado ou desligado), peso, dimensão e posição.(BNDES,2009)
41
Pode-se imaginar um tanque de água alimentado por uma bomba simples, no
qual o líquido deve manter-se entre os níveis mínimo e máximo. Tem-se, então,
como variável controlada a altura do líquido e como variável manipulada o
estado da bomba (ligada desligada). Sempre que a água atinge o nível mínimo,
um sensor detecta essa condição e informa ao controlador, o qual aciona a
bomba. Quando a água atinge o nível máximo, outro sensor envia essa
informação ao controlador, que desliga a bomba. Esse exemplo ilustra um
sistema de controle simples, no qual apenas uma variável é manipulada e pode
assumir somente dois estados discretos.
Denomina-se malha de controle ao circuito composto pelos sensores,
controladores e atuadores, que realiza o ciclo de ações básicas necessárias ao
controle automático de um processo produtivo. Uma máquina ou uma planta
industrial completa pode ser composta por apenas uma ou por centenas de
malhas de controle que, em conjunto, executam a automação total da máquina
ou unidade produtiva.
Um conceito básico na teoria de controle é o de malha fechada, com
realimentação (feedback), na qual a variável de saída é realimentada ao
controlador. Este compara o nível da saída como valor de referência definido
(set point) e, em função da diferença (erro), aumenta ou diminui o valor da
entrada, até que o valor da saída alcance o valor ideal. Casos imprevistos são
detectados e tratados pelo controlador, porém, caso haja um desvio muito
grande do valor de referência, pode ser necessário certo tempo para que seja
recobrado o equilíbrio do sistema. (BNDES,2009)
Outro conceito importante é o de malha aberta, ou seja, que não possui
realimentação, caso em que o controle é conhecido como antecipativo
(feedforward). Tal controle é adequado aos processos em que seria muito
longo o período de tempo necessário para que as variáveis de saída
apresentassem
mudanças
em
função
da
realimentação.
Contudo,
é
42
fundamental que o comportamento do processo controlado seja perfeitamente
conhecido para que as respostas possam ser adequadamente antecipadas. Ao
ser
detectado
qualquer
distúrbio
que
afete
a
variável
de
entrada,
imediatamente é tomada uma ação corretora. O inconveniente da malha aberta
é que, caso ocorram variações imprevistas, não há como o sistema corrigir sua
atuação.
Os sistemas de controle de processos podem ser classificados da seguinte
forma:
• Discretos. Referentes à fabricação de produtos ou peças que podem ser
contados como unidades individuais e na qual predominam as atividades
discretas. São exemplos desse tipo de processo a produção de placas de metal
estampadas,
de
automóveis,
aviões,
bens
de
capital,
brinquedos,
eletroeletrônicos, computadores, vestuário, tijolos, pneus e calçados.
• Bateladas. Relativos a bens cuja produção requer que determinadas
quantidades de matérias-primas sejam combinadas de forma apropriada
durante um dado período de tempo. Apesar de intermitentes (descontínuos),
tais processos têm natureza contínua durante o período de atividade. São
exemplos a fabricação de colas ou de alimentos, em que a mistura de insumos,
em proporções calculadas, precisa ser mantida aquecida durante um tempo
preestabelecido. Também podem ser classificadas nessa categoria as
indústrias farmacêuticas, de bebidas, de produtos de limpeza, de alimentos,
cerâmica, fundição e de embalagens.
• Contínuos. Referentes a sistemas em que as variáveis precisam ser
monitoradas e controladas ininterruptamente. É o caso, por exemplo, de
siderúrgicas, da produção de combustíveis, gás natural, produtos químicos,
plásticos, papel e celulose, cimento e açúcar e álcool.(BNDES, 2008)
Em síntese, os sistemas de controle mantêm a variável controlada no valor
especificado, comparando o valor da variável medida, ou a condição de
43
controlar, com o valor desejado (ponto de ajuste, ou set point), e fazendo as
correções em função do desvio existente entre estes dois valores (erro ou
offset), sem a necessidade de intervenção do operador. (TEIXEIRA E MOTA
LTDA., 2008). Os mais empregados na indústria são os Sistemas Digitais de
Controle Distribuído (SDCD) e o Computador Lógico Programável (CLP), que
serão detalhados a seguir.
2.2.1. SDCD
O SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) é um sistema de controle
industrial micro processado, criado em 1970 pela Honeywell3, inicialmente para
efetuar especificamente o controle das variáveis analógicas, e foi sendo
expandido em suas aplicações até abranger praticamente todas as aplicações
de controle usuais, incluindo variáveis discretas, controle de bateladas, controle
estatístico de processo, geração de relatórios, etc. O SCDC utiliza as
informações de forma automática, fazendo com que os controles se adaptem a
qualidade instantânea do processo, das medições e dos elementos finais do
controle, tomando inclusive ações de segurança, como abertura ou fechamento
de válvulas ou mudança no controle de automático para manual. 4 O SDCD se
compõe de três elementos básicos: a interface com o processo, que integra os
controladores e as unidades de aquisição de dados, a Interface HomemMáquina (IHM) e a via de dados que interliga as primeiras. Sua grande
vantagem é permitir aos operadores uma melhor visualização da operação da
unidade, permitindo também melhor operá-la (BEGA, 2006).
3
Honeywell é uma empresa fundada em 1906, inicialmente chamada Honeywell Heating Specialty Co.
Hoje é uma das líderes do mercado de automação e está presente em diversos setores da indústria e
tecnologia.
4
Dois exemplos recentes de planta digital ligadas a Petroquímica podem ser citados, em São Paulo: A
refinaria da Petrobras e a planta de polipropileno da Braskem. (Petro& Química, 2009)
44
2.2.2. CLP
O CLP é um equipamento de controle industrial micro processado, criado
inicialmente para efetuar especificamente o controle lógico de variáveis
discretas e atualmente é usado em diversos tipos de controle. Foi criado para
substituir os relés de um circuito lógico seqüencial ou combinatório para
controle industrial. O CLP funciona seqüencialmente, olhando o estado dos
dispositivos ligados às suas entradas, operando a lógica de seu programa
interno e determinando o estado dos dispositivos ligados às suas saídas. O
usuário carrega o programa, geralmente via software, que produz os resultados
desejados. (BEGA, 2006)
A origem do CLP data de 1968, criado por Richard Morley, em uma
especificação da divisão de hidramáticos da General Motors Co., com o nome
de MOdular DIgital CONtroler, de onde derivou o nome MODICON (BEGA,
2006). A sua função original era de simplesmente substituir os grandes
gabinetes de lógica a relés em algo menor, mais confiável e, principalmente,
mais flexível à programação, robusto. Os antecessores, os relés, eram muito
complexos e inviabilizavam a modificação das suas lógicas e a pronta detecção
de erros cometidos durante a execução das mesmas. (BEGA, 2006)
Muitos avanços tecnológicos ocorreram nos CLPs. Melhorias de interface com
o operador, inserção de algoritmos e medidas corretivas automáticas, memória,
melhorias de desempenho, dentre tantas outras, tornaram ampla a aplicação
desses equipamentos nas indústrias.
Os CLPs recebem as entradas e saídas dos instrumentos de campo em
módulos, comunicam-se com as Unidade Centrais de Processamento (UCPs),
que executam as lógicas armazenadas em sua memória. Os CLPs também se
comunicam em outra camada com equipamentos micro processados, como
outros CLPs, SDCDs e microcomputadores de interface homem-máquina
(IHMs).
45
Em algumas das aplicações menos críticas, o CLP pode ser substituído por um
microcomputador (PC), usando as mesmas linguagens de programação e,
freqüentemente, os mesmos módulos de entrada e saída fabricados pelos
fornecedores de CLP mais tradicionais (BEGA, 2006). O uso dos CLPs ainda é
muito
comum,
e
inclusive
exigido,
em
sistemas
críticos
como
os
intertravamentos lógicos de segurança.
É importante estar ciente que a automação tem associação direta com a
instrumentação industrial. A escolha do tipo de comunicação entre os
instrumentos de campo e a camada de automação depende de diversos
fatores, como o custo de instalação, de manutenção, segurança e
confiabilidade da informação enviada por cada uma das tecnologias. Além
disso, vale ressaltar que a evolução destes dispositivos levou a redução de
seus tamanhos e preços, devido ao aumento de suas escalas de produção e
avanços científicos em pesquisa.
Hoje os processos são bem mais complexos, devido as transformações
tecnológicas ocorridas ao longo dos anos. Paralelamente, a necessidade de
controle também foi sendo alterada, passando de manual para mecânico e
hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico, controle
digital e atualmente, controle em redes.
2.3.
Tipos de Controle Automático
2.3.1. Controle Automático por Transmissão Pneumática
As necessidades de se obter um controle automático das variáveis de processo
são um tanto óbvias. As ações executadas pelo sistema de controle automático
são as mesmas executadas pelo operador quando fazendo controle manual
(medir, comparar, computar e corrigir). Entretanto, muitas vantagens são
adquiridas. As falhas diminuem, pois o controlador automático é totalmente
programado para executar estas tarefas, diferentemente da mente humana.
46
Processos onde o contato humano é impedido como, por exemplo, controle de
temperaturas muito altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se
tornam possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de
velocidade de controle e diminuição de riscos de acidentes.
Por todas essas necessidades, foi iniciado o controle automático, onde a
medição é feita pelo sensor de temperatura, que é conectado a um transmissor
de temperatura (TT), a comparação do valor medido pelo TT com o set point
dado pelo operador para obtenção do valor do erro e a computação (ação que
considera os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas
pelo controlador de temperatura (TRC) e a correção é efetivada pela válvula de
controle (TV), com base no sinal recebido do TRC.
Em 1788, James Watt criou o primeiro dispositivo de feedback mecânico com
funções de controle proporcional. Mas somente em 1933, a Taylor Instrument
Company, agora parte da ABB5, desenvolveu o primeiro controlador
pneumático com todas as capacidades de controle proporcional (VANDOREN,
2003).
Os transmissores pneumáticos geram sinal variável, linear, de 3 a 5 psi, que
são calibrados de acordo com um range de 0 a 100% da variável. Essa faixa de
transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatus Makers Association),
a Associação de Fabricantes de Instrumentos, composta pela grande maioria
dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos.
(ONOFRE, 2009)
Vale ressaltar que, com o advento da instrumentação pneumática, surgiram
não apenas os transmissores, mas também válvulas de controle automáticas,
válvulas de bloqueio, e muitos outros instrumentos foram completamente
modificados para se adequarem a esta tecnologia.
5
A ABB foi formada em 1988, quando a sueca Asea e a suíça Brown Boveri BBC uniram-se adotando o
nome ABB. É a empresa líder em faturamento no setor de automação industrial
47
Para concentrar todos os controladores em um só ambiente, obtendo assim
uma visão geral da planta, criou-se a Sala de Controle Central. Isto representou
um avanço da automação, já que os sinais de campo de todas as variáveis de
processo podem ser facilmente acessados, detectando assim os problemas e
desvios operacionais da planta e possibilitando ao operador visualizar
possíveis focos de acidentes e locais onde se necessita manutenção, tudo isso
em tempo real.
2.3.2. Controle Automático por Transmissão Eletrônica
A instrumentação pneumática demandava um abastecimento enorme de ar de
instrumento, o que ao longo dos tempos se tornou um pouco inviável
operacionalmente. Além do fato de ter perda de pressão ao longo do trajeto
Controlador – Instrumento, influindo em alguns casos no valor da variável
medida. Com o advento dos circuitos eletrônicos, essa tecnologia foi
substituída, até a transmissão pneumática ser praticamente extinta. Algumas
malhas pneumáticas ainda se encontram em operação, e o sinal pneumático
continua sendo empregado na atuação de válvulas de controle (BEGA, 2006).
O
advento
da
instrumentação
eletrônica
formou
uma
geração
de
instrumentação e automação bem mais próxima à existente nos dias de hoje.
Na década de 50 datam os primeiros controladores eletrônicos. (VANDOREN,
2003). Os instrumentos eletrônicos analógicos chegaram ao mercado no
mesmo período e até hoje são muito utilizados.
O surgimento dos transmissores eletrônicos permitiu que os sinais de campo
fossem enviados para Controladores Lógicos Programáveis (CLPs).
48
2.3.3. Controle Automático em Redes
O caminho para criação das tecnologias de redes iniciou-se na década de 70
com a primeira atenção dada à funcionalidade do controle distribuído na
camada de campo. Com a introdução do SDCD, tornou-se possível distribuir
controle inteligente nos instrumentos das plantas de processo.
Antes da criação das redes, dispositivos de campo não se comunicavam entre
si e enviavam uma quantidade mínima de dados ao SDCD. A maioria dos
dispositivos comunicavam aos controladores usando sinais pneumáticos ou
analógicos 4-20 mA. Informações reais do processo eram limitadas e
freqüentemente obtidas por interpolação, inferência ou por CLPs que eram
muito caros e utilizavam aquisição de dados proprietária, isto é, comunicavamse com protocolos próprios de cada fabricante. Os custos e a complexidade
para obtenção de dados eram enormes (TEIXEIRA E MOTA LTDA., 2008).
Nos anos 80, um avanço considerável aconteceu com o desenvolvimento da
comunicação digital para instrumentos de campo. Nesta década, foi criado o
comitê de membros da ISA-SP50. A The Instrumentation, Systems, and
Automation Society, ISA, é uma organização sem fins lucrativos, que foi criada
com o intuito de desenvolver padronizações para automação, dar suporte para
solucionar dificuldades técnicas e promover capacitações técnicas, como
treinamentos, publicações de livros e artigos técnicos e conferências técnicas
das mais respeitadas por todos os profissionais de automação. O ISA-SP50 é
um comitê de membros da ISA, que foi criado com o intuito de desenvolver as
normas e padronizações para sinais analógicos e digitais usados nos
processos de medição e controle (ISA Home). Esse comitê foi responsável
inclusive pela especificação 4-20 mA como range de sinal da transmissão de
dados analógica, e gastou anos definindo requisições técnicas e construindo
um consenso para a rede de campo digital.
49
Nesse momento, vários fornecedores de instrumentos de controle de processo
começaram a criar seus protocolos de comunicação próprios. Iniciou-se a
criação de vários protocolos competidores, que não operavam juntos.
É imprescindível nas indústrias atuais que se tenha um controle eficiente da
produção, da qualidade do produto, e de todos os parâmetros de processo, em
tempo real. A velocidade do trânsito das informações é requisito fundamental.
A evolução da informática permitiu a implantação do conceito de inteligência
distribuída em ambientes industriais, que ainda hoje envolve diversas
inovações.
Para que haja uma completa automação, é preciso que os instrumentos
convencionais sejam trocados por instrumentos inteligentes para controle ou
simples aquisição de dados, além da conseqüente interligação destes
dispositivos, construindo um sistema de aquisição de informações para
acompanhamento da produção ou estado do processo em tempo real.
A instalação e manutenção dos sistemas de controle convencionais trazem
consigo custos muito altos, principalmente quando se deseja fazer expansões
de sistemas. Isto se deve, além dos custos de projeto, aos custos com
cabeamento dos instrumentos de campo à sala de controle. O conceito de rede
trouxe como principais vantagens a redução de custos e o aumento na
operacionalidade, devido à grande melhoria na tecnologia aplicada. Por conta
disso, desde 1972 não ocorrem inovações técnicas na área, e a tendência é
que os sistemas convencionais sejam movidos gradualmente para a
transmissão digital Fieldbus.
A rede de comunicação para sistemas de automação é um conjunto de
sistemas independentes, autônomos e conectados de forma a permitir a troca
de informações entre si. A rede possui meios físicos e lógicos que integram o
sistema através da troca de informações. As Redes industriais são
padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela
50
conexão de diferentes tipos de instrumentos com suas próprias características
de informação, conforme ilustra a figura 26.
O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador
central que processa o escalonamento da produção da planta e permite
operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado,
geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o
protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) é o mais
comumente utilizado neste nível. As redes desse nível são chamadas Redes
de Gerenciamento.
O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na
planta incorporando CLPs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste
nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que
realizam a supervisão da aplicação. As redes desse nível são chamadas
Redes de Controle.
O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações
físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os instrumentos de
baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os
sensores discretos, contatores e blocos de I/O. As redes desse nível são
chamadas Redes de Campo.
51
Figura 26: Hierarquia das redes industriais
Fonte: Teixeira e Mota LTDA., 2008
As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento
conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser
em bits, bytes ou blocos. As redes Sensorbus, com dados em formato de bits,
normalmente transmitem sinais discretos contendo condições ON/OFF. As
redes Devicebus, com dados no formato de byte podem conter pacotes de
informações discretas ou analógicas. As redes Fieldbus, com dados em
formato de blocos, ou pacotes de mensagens, transmitem pacotes de
informação com tamanhos variáveis.
Alguns exemplos de Redes Sensorbus são ASI, LonWorks e Seriplex. Algumas
Redes Devicebus existentes são CAN, DeviceNet, LonWorks, Profibus DP e
Interbus. No que diz respeito às Redes Fieldbus existentes, Foundation
Fieldbus, Profibus PA, HART e Modbus são as mais utilizadas. As redes
citadas possuem suas particularidades, e as principais serão descritas ao longo
deste trabalho.
A rede Sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à
rede. Utiliza-se este tipo de rede quando são necessárias comunicação rápida
em níveis discretos e instalação de conexões de baixo custo. Utiliza sensores e
atuadores normalmente baratos.
52
As redes Devicebus podem cobrir distâncias de até 500m, valor intermediário
entre os Sensorbus e Fieldbus. Instrumentos conectados a esta rede terão
mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou ambos. Algumas redes até
permitem transferência de blocos. Possuem os mesmos requisitos de
transferência rápida de dados das redes Sensorbus, porém é possível
gerenciar mais instrumentos e dados.
As redes Fieldbus utilizam instrumentos inteligentes e fazem a interconexão
destes com os sistemas de controle, responsáveis pelo comportamento das
variáveis de processo industriais. Fisicamente, essas redes ligam os
instrumentos de campo ao sistema de controle. Cobre distâncias maiores que
as outras redes.
A figura 27 mostra os principais equipamentos utilizados por cada um dos tipos
de rede, sendo os principais previamente descritos na seção 2.1.
Figura 27: Tipos de Equipamentos usados em cada Rede
Devido à grande importância e maior aplicabilidade das redes Fieldbus na
automação de processos industriais, maiores informações acerca destas redes
serão descritas abaixo.
53
2.3.3.1.
Redes Fieldbus
Como anteriormente fora citado, a tecnologia Fieldbus na automação industrial
é muito complexa, em função da variedade de aplicações. As opções de
arquitetura também são numerosas e as padronizações internacionais são
fixas, pois os sistemas sempre envolvem sensores, atuadores e controladores
conectados em rede.
A partir de concepções históricas, pode-se entender a origem das redes
Fieldbus. Na década de 80 iniciou-se a pesquisa dessas redes de campo.
Havia necessidades dos usuários finais para a otimização dos processos
industriais e obtenção de maior controlabilidade e segurança para a Planta.
Além disso, eram necessárias mais informações acerca dos dispositivos de
medição. Por outra vertente, também havia capacidades tecnológicas para que
esse desenvolvimento pudesse suceder.
Uma das necessidades dos usuários finais era a Padronização. As redes mais
utilizadas na época eram Modbus, da Modicon Bus, e Westinghouse
Distributed Processing Family (WDPF), da Westinghouse. Eram redes sólidas,
maduras e garantidas pelas suas funcionalidades e aceitação mundial. Outras
redes também existiam, mas sem muita notoriedade eram aplicadas em
situações específicas como, por exemplo, a Alliance Research Centre Network
(ARCNET), criada em 1977 e utilizada a princípio em escritórios e depois
usada para aquisição de dados. Outra rede específica era a Military Standard
1553, usada para aviões e aplicações do espaço aéreo. Na instrumentação
nuclear, a rede CAMAC, criada na década de 60, foi considerada a primeira
rede de instrumentação. Muitas redes proprietárias conviviam e eram usadas
no final da década de 70 para conectar controladores lógicos programáveis
(CLPs), tanto quanto nos processos industriais (THOMESSE, 2005).
A integração desses diferentes sistemas era dificultada por conta das
diferenças de padronizações, e pelos custos com gateways, adaptadores e
54
conversores de protocolo. A partir de então se iniciou o processo de criação de
um perfil de padronização da comunicação. Duas companhias iniciaram dois
projetos. A Boeing Company lançou o Technical and Office Protocol (TOP) e a
General Motors o Manufacturing Automation Protocol (MAP). O primeiro deles
tinha aplicação em projetos de escritórios e indústrias e de máquinas e robótica
e o segundo tinha aplicação em manufatura, com o objetivo de ligar todos os
instrumentos sem o desenvolvimento de hardware ou software específico
(THOMESSE, 2005).
Esses sistemas foram então integrados e surgiu o conceito de Arquitetura
Hierárquica. As tecnologias de computação foram aproveitadas em todos os
níveis, tanto na automação do processo quanto no transporte de peças e
materiais no caso das indústrias de manufatura, aumentando o controle da
qualidade do produto gerado. Cada rede gerencia as funções relativas à sua
camada, e serve como interface para a camada acima. Em processos
industriais, a primeira camada é a automação, a segunda a supervisão e a
terceira a otimização.
Outra grande necessidade era a redução dos cabos. Anteriormente, cada sinal
digital ou analógico em 4-20 mA era enviado individualmente, ponto a ponto, do
campo até os controladores. Os custos com cabeamento, tanto na compra
quanto no detalhamento de instalação, bem como a manutenção, eram
altíssimos.
No começo dos anos 80, diversos projetos iniciaram na Europa depois do
projeto MAP ter inicio nos Estados Unidos. Na França, o projeto Fieldbus FIP
iniciou em 1982 sob o apoio do Ministro da França para Pesquisa e Indústria.
Um processo similar a esse aconteceu com o projeto Fieldbus chamado
Process Field bus (PROFIBUS) na Alemanha, em 1984 e com o P-Net na
Dinamarca
em
1983.
Neste
mesmo
ano
a
Bosch
desenvolveu
as
especificações do Controller Area Network (CAN) (THOMESSE, 2005).
55
O processo de padronização iniciou neste momento em diversos países e em
nível internacional, com a IEC TC 65/SC65C/WG6 e simultaneamente com a
ISA SP50, pertencente à The Instrumentation, Systems, and Automation
Society (ISA), nos Estados Unidos. Atualmente é possível encontrar diversas
especificações técnicas que dão informações específicas e importantes para o
projeto de automação em rede, pois o sistema está bem consolidado.
Podemos observar algumas características das redes Fieldbus nas indústrias
atuais:

Redução dos custos de cabeamento e facilitação da engenharia
de detalhamento. Essa é a principal vantagem.

Todos os instrumentos são inteligentes, facilitando a calibração,
manutenção e acompanhamento da qualidade da informação enviada.
Os instrumentos desempenham funções específicas de controle, como
loops PID, controle de fluxo de informações e processos.

Interoperabilidade.

Possibilidade de conexão com vários dispositivos.

Tempos de transferência longos, mas a rede tem capacidade de
comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros,
programas e informações do usuário)

Velocidade pode atingir até 1 Mbps.
A opção pela implantação das redes é feita analisando quais os tipos de rede
disponíveis no mercado, as vantagens principais de cada uma delas e a
compatibilidade da maioria dos dispositivos nesta plataforma (TEIXEIRA E
MOTA LTDA., 2008).
Além disso, deve-se atentar para o desenvolvimento tecnológico de recursos,
permitindo que as necessidades das plantas sejam atendidas de maneira
simples e eficiente, tanto as tarefas básicas como as complexas. Tratando-se
de tecnologias de ponta, é extremamente necessário que haja, além do
desenvolvimento tecnológico, o desenvolvimento humano, afim de que todos
56
os recursos existentes sejam bem utilizados, executando projetos de maneira
natural e de alta qualidade.
Uma parte importante no desenvolvimento das tecnologias de rede é a
compatibilidade
das
diversas
versões
de
instrumentos,
garantindo
a
interoperabilidade dos instrumentos existentes em campo com as novas
aquisições.
Para tanto, havia uma necessidade grande de arquiteturas de sistemas
abertos, permitindo ao usuário encontrar em mais de um fabricante a solução
procurada e colocando em comunicação, dispositivos de vários fabricantes
distintos. A substituição dos sistemas proprietários pelos sistemas abertos
possibilitou um crescimento tecnológico bem maior, ocasionado pelo aumento
da concorrência e do compartilhamento de informações necessárias às
correções de sistema e updates.
Essa substituição dos sistemas proprietários ocorreu na maior parte dos
instrumentos de controle. Entretanto, existem certos equipamentos críticos das
plantas que são fornecidos por empresas detentoras da tecnologia, que
possuem operação controlada em unidades específicas, mas sempre
conectadas ao SDCD da planta. Seus painéis de controle são locados em
campo. Isso ocorre para que os fornecedores desses “pacotes” se
responsabilizem pelo bom funcionamento do equipamento.
Como essas unidades pacote possuem sua automação em um controlador
separado do restante da planta, mas que se comunica com o sistema de
controle da unidade. Muitas vezes esses pacotes operam com redes
proprietárias diferentes da filosofia do restante da planta, a exemplo do sistema
de controle e monitoração de máquinas críticas como bombas e compressores.
57
a. Protocolo HART
O protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) é um sistema a 2
fios, mestre escravo, com taxa de comunicação de 1200 BTS e modulação
FSK (Frequency Shift Key). Foi uma das primeiras implementações de
barramento de campo. Embora digital, aceita também comunicação analógica
no padrão 4-20mA, o que o torna compatível com a enorme base instalada
analógica existente no mundo.
Desenvolvido pela empresa Rosemount6 (EUA) em meados da década de
1980 como um protocolo proprietário, o HART tornou-se pouco depois um
padrão aberto e tem evoluído desde então. (GUTIERREZ & PAN, 2008)
Esse sistema digital aumenta a confiabilidade sobre o sinal de corrente em mA
enviado pelo transmissor, além de permitir que outras informações do
instrumentos sejam enviadas. Usa o mesmo par de cabos para o sinal de
corrente e para a comunicação digital. Este cabo é o mesmo usado na
instrumentação analógica.
Esse protocolo de comunicação tem sido muito utilizado, por isso todos os
instrumentos podem ser encontrados em diversos fabricantes. Os principais
motivos de ainda ser muito utilizado nas indústrias em geral são o baixo custo
dos instrumentos em relação aos instrumentos de outras tecnologias e a alta
velocidade de tráfego da informação medida. Além disso, a tecnologia HART
encontra-se bem consolidada nas indústrias, o que facilita a busca de
instrumentos nesta tecnologia relacionados a medições de todos os tipos de
processo, inclusive as não tão usuais, bem como existência de mão-de-obra
qualificada para manutenção e detecção de problemas encontrados na
instalação.
6
Rosemount é uma das maiores empresas fabricantes de instrumentos de medição para indústrias de
processo, associada a Emerson Process Management.
58
Por ser mais maduro, esse protocolo de comunicação se apresenta mais
confiável que os demais que ainda precisam ser adaptados aos sistemas das
indústrias já existentes.
b. Rede DeviceNet
DeviceNet é uma rede de dispositivos, comumente usada para interligar
instrumentos de campo tais como sensores, partidas de motor, atuadores,
drives e CLPs a uma rede com maior capacidade, reduzindo o número de
cabos. Industrialmente, normalmente é usado em dispositivos não muito
críticos. A figura 28 apresenta um esquema representativo de uma rede
DeviceNet.
Figura 28: Topologia da rede DeviceNet – Barramento
A transferência de dados se dá pelo modelo produtor-consumidor, em
velocidades ajustáveis em 125, 250 e 500 Kbps. Nesse modelo, o dado é
identificado pelo seu conteúdo. Não necessariamente necessita explicitar o
endereço da fonte e destino dos dados. Também não existe um mestre na
rede. Qualquer nó pode iniciar a transmissão.
59
No caso particular do DeviceNet, o protocolo de comunicação é o chamado
Controller Area Network, CAN. Este identificador da rede define graus de
prioridade dos nós no processo de arbitragem, mantendo a ordem da
transmissão, e é usado pelos nós que recebem a mensagem, filtrando as
mensagens de interesse.
Há também a designação de mensagens de entrada/saída e mensagens
explícitas. As mensagens de entrada e saída são dados de tempo crítico
orientados ao controle. Por isso, são mensagens de alta prioridade. As
mensagens explícitas são referentes aos dados de configuração e diagnóstico
ponto a ponto. São mensagens de baixa prioridade.
No nível físico, tem como características uma topologia básica do tipo linha
principal com derivações, barramentos separados para sinal e alimentação 24
Vcc no mesmo cabo (4 fios), inserção e retirada de nós à quente, em uma
ligação de troncos e droplines.
O CAN foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóveis europeus,
substituindo os chicotes de cabo por um cabo em rede, diminuindo o custo do
sistema, além de ter uma alta confiabilidade para aplicações como controle de
freios ABS e Air bags. Nas indústrias tem maior aplicação em sensores
específicos de equipamentos como motores, além de interligação entre CLPs,
dentre outros.
c. Redes Profibus
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto, i.e., independente de
fornecedor. Foi criado em 1989 na Alemanha por um consórcio de companhias
e indústrias, a PROFIBUS User Organization. Hoje é uma tecnologia sólida e
apresenta-se com grande peso nas plantas de produção em todo o mundo.
60
Esse padrão é regido pelas normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de
2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, nas divisões
DP e PA, ao lado de mais sete outras redes de campo. Mundialmente, os
usuários podem se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo
desenvolvimento tem como objetivos a redução de custos, flexibilidade,
confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações,
interoperabilidade e múltiplos fornecedores.
Atualmente é considerado o protocolo mundial líder em número de nós
instalados (jan/fev de 2008). Estima-se que haja mundialmente 20 milhões de
nós PROFIBUS, e mais de 1000 plantas com a tecnologia PROFIBUS PA, com
uma projeção de atingir 30 milhões de nós em 2010. (PADOVAN, s.d.)
Hoje são mais de 2800 produtos e 2000 fornecedores, presentes em toda a
área da indústria, nos mais diversos segmentos e em variadas aplicações nas
indústrias de processo e manufatura, nas variações descritas a seguir.

Profibus DP (Descentralized Peripheria)
É um protocolo otimizado para alta velocidade em conexões de baixo custo.
Essa versão de Profibus foi criada especialmente para sistemas de controle e
automação e dispositivos de campo que necessitam de respostas rápidas do
sistema. Muito aplicado em módulos de I/O digitais e analógicos, drivers para
motores, IHMs e dispositivos críticos como válvulas de bloqueio motorizadas
para isolamento de unidades de processo.
Esta rede possui as seguintes características:

Utiliza o meio físico de transmissão rápida RS-485 ou fibra ótica
com velocidade de até 12 MBps;

Comunicação mestre-escravo;

Capacidade de até 128 dispositivos divididos em 4 segmentos;
61

Distância de 100 a 120 m de acordo com o número de
instrumentos;

Possui 3 versões V0, V1 e V2. A versão V0 corresponde à
comunicação cíclica, a versão V1, comunicação acíclica e V2
comunicação direta de escravo para escravo. É imprescindível para a
interoperabilidade, que todos os componentes da malha possuam uma
mesma versão;

Profibus PA (Process Automation)
Foi criado com o intuito de substituir os tradicionais sinais analógicos (4-20
mA), sendo muito aplicado em transmissores (de pressão, vazão, temperatura
e nível) e analisadores industriais.
Atendendo às normas FISCO, podem ser aplicados em áreas classificadas
com categoria de proteção IS (Segurança Intrínseca). Essa substituição
alcança uma economia de custo de aproximadamente 40% nas etapas de
engenharia de detalhamento, cabeamento, partida e manutenção, além das
vantagens de aumentar a praticidade e a segurança (TEIXEIRA E MOTA
LTDA., 2008).
Tudo isto se deve ao fato de o Profibus PA utilizar apenas um par de fios para
transmitir tanto as informações do dispositivo de campo quanto à alimentação.
A alimentação pode ser feita utilizando fontes intrinsecamente seguras, ou
utilizando-se barreiras e isoladores de rede. Além de poupar custos e aumentar
a segurança nas áreas classificadas, esse tipo de alimentação da rede permite
que o operador faça manutenção, conexão e desconexão dos instrumentos
durante a operação normal da planta, mesmo em áreas potencialmente
explosivas.
62
Esta rede possui as seguintes características:

Utiliza o meio físico de transmissão IEC61158-2 H1, com
velocidade de 31,25 KBps;

Capacidade de até 32 dispositivos sem alimentação e 12 com
alimentação por rede;

Distância de até 1900 metros por segmento, de acordo com o
número de instrumentos;

Necessita de aterramento, afim de que haja proteção contra
ruídos e interferências eletromagnéticas. Um projeto feito sem
aterramento compromete a transmissão do sinal e o conseqüente
controle da planta.

Profidrive: Perfil do Profibus para controle de movimentos
(controle de motores), utilizando o meio de transmissão RS-485, na
versão do Profibus DP-V2;

Profisafe: É o perfil do Profibus utilizado para aplicações com
segurança, como por exemplo, botoeiras manuais de alarme de incêndio
em campo. Pode ser utilizado no meio físico RS-485 ou IEC61158-2 H1,
nas 3 versões (V0, V1 e V2).
Com toda essa diversificação, observa-se que esta tecnologia é preparada
para ser aplicada em diversas áreas da indústria, desde a automação de
pequenas máquinas até o controle total da planta. Essa é uma grande
vantagem, visto que o controle total da planta feito no mesmo sistema atinge
alto nível de integração entre as diversas partes da planta, já que toda a
configuração e manutenção da planta são feitas no mesmo ambiente,
diminuindo assim tempo de configuração, ajustes e manutenção da automação.
Obviamente esta não é uma conquista fácil, já que na grande maioria dos
casos o que é feito é uma expansão ou adaptação do sistema de uma indústria
às novas tecnologias. Sendo assim, apenas parte do sistema de automação
sofre modificações. Além disso, para o projeto de uma planta nova, ou nova
63
unidade de uma planta, normalmente são utilizados sistemas já em operação
de outras plantas/unidades semelhantes. Dificilmente todo o controle é dado
em uma única tecnologia, mas são usadas as tecnologias já aplicadas a fim de
evitar que no momento da implantação, ou ao longo da operação da planta,
sejam encontradas dificuldades desconhecidas. Prefere-se confiar no que já foi
implantado e testado em campo, tendo assim maior garantia de funcionalidade.
d. Redes Foundation Fieldbus
No final de 94, dois consórcios de fornecedores paralelos, o InterOperable
Systems Project (ISP) e o WorldFIP North America, uniram-se para criar
Fieldbus
Foundation.
A
nova
organização
organizou
programas
de
desenvolvimento, treinamentos de condutores de campo, e estabeleceu o mais
rigoroso programa para teste e registro de instrumentos de campo (Fieldbus
Foundation, 2009).
Assim, muitos fornecedores se interessaram pela tecnologia e se tornaram
membros da Fieldbus Foundation e desenvolveram as especificações desse
protocolo aberto e não-proprietário.
Essa solução de comunicação digital avançada foi designada pelo grupo para
ser aplicável a aplicações de controle críticas, tomando o mercado de redes
incompatíveis, operando com arquitetura aberta completamente integrada para
distribuir e agrupar as informações em tempo real. A tecnologia garante ganhos
de potência, velocidade e qualidade da informação.
Atualmente tem sido fortemente aplicada em Sistemas de Controle de
Processos nas Refinarias e Plantas em geral. Por esse motivo, o trabalho
contém informações mais detalhadas desta tecnologia, a fim de que sejam
conhecidas as principais características e vantagens que motivaram a sua
aplicação.
64
A arquitetura Foundation, aberta, não-proprietária, disponibiliza um protocolo
de comunicação para sistemas de controle que operam em uma rede de
múltiplos instrumentos inteligentes que são conectados por um sistema de
comunicação digital e bidirecional, pelo modelo mestre-escravo, conforme
mostrado na figura 29.
Figura 29: Arquitetura simplificada da rede Foundation Fieldbus
Fonte: http://www.endress.com/
Alguns conceitos são importantes para o conhecimento da arquitetura desta
rede:
Ramal (spur):

Cabo que interliga um instrumento de campo à caixa de junção. O
comprimento máximo do ramal em cabo tipo “A” é de 30 m para áreas
classificadas ou de 120 m para áreas não-classificadas.
Tronco (trunk):

Cabo principal de comunicação Fieldbus, que faz o suprimento
dos ramais. Interliga a gateway às caixas de junção. Os cabos dos
ramais e troncos são diferenciados apenas pelo nível de potência, já que
o tronco possui segurança aumentada (Ex e) e o ramal possui
segurança intrínseca (Ex i).
65
Segmentos:

Uma seção Fieldbus que compreende um cabo e dispositivos
instalados entre um par de terminadores. O comprimento do segmento
corresponde ao comprimento total do tronco e dos ramais.
As topologias aplicáveis ao Fieldbus podem ser:
Topologia tronco e ramais:

Um barramento tronco único é usado e ramais são conectados
diretamente ao tronco, conectando assim os instrumentos aos
segmentos.
Topologia ponto a ponto:

Ligação em série dos instrumentos de um segmento. O cabo é
ligado de instrumento em instrumentos em um mesmo segmento, e
interconectado nos terminais de cada instrumento.
Topologia em árvore:

Utiliza caixas de junção em campo para a ligação de vários
instrumentos.
Topologia fim para fim:

Faz a conexão de apenas dois equipamentos. Pode ligar
instrumento de campo ao Host, bem como conectar dois Hosts.
Topologia mista:

É possível encontrar as três topologias mais comuns juntas:
ramos, ponto a ponto e árvore.
Quanto ao meio físico, IEC 61158-2, para que seja feita a análise dos tipos de
ligações possíveis com cabos, conexões, terminadores, características
elétricas e outras informações, é necessário conhecer a especificação técnica
66
internacional que padroniza a linguagem, a Norma ANSI/ISA-S50.02-1992.
Algumas características são relevantes:
 Transmissão de dados somente digital
 Self-clocking
 Comunicação bidirecional
 Código Manchester
 Modulação de voltagem
 Velocidades de transmissão de 31,25 kbit/s e 100 Mbit/s
 Barramentos com ou sem energia, intrinsecamente seguro ou não
Para instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade usada
é de 31,25 kbps e as outras velocidades são comumente usadas para
interligação de gateways em alta velocidade.
A norma possui informações detalhadas, e informa o número de
instrumentos conectados para cada tipo de aplicação: com ou sem
segurança intrínseca, com alimentação separada ou não. Cada valor é
estimado levando em conta o consumo de cada dispositivo, a tensão de
alimentação dos mesmos, a existência de barreiras de segurança intrínseca
e sua corrente máxima de saída.
Seguem algumas imposições da norma:
•
Quanto ao número de dispositivos por segmento

Entre 2 e 32 instrumentos em ligação sem segurança
instrínseca e alimentação a 4 fios (alimentados em voltagem
superior a 20VCC);

Entre 2 e 6 instrumentos alimentados em um mesmo fio
com segurança instrínseca;

Entre 1 e 12 instrumentos alimentados em um mesmo fio
sem segurança instrínseca;
67
•
Quanto à distância máxima por cabo

Um barramento carregado com o número máximo de
instrumentos na velocidade de 31,25 Kbps não deve ter a soma
dos trechos do tronco e todos os ramais maiores que 1900m,
conforme figura 30.
Figura 30: Comprimento máximo do segmento
•
Quanto aos Sistemas com meio físico redundante

Cada canal deve atender as regras de configuração de
redes;

Não existir um segmento não redundante entre dois
redundantes;

•
Números dos canais mantidos no Foundation Fieldbus
Quanto ao Aterramento

O “shield” dos cabos não deve ser usados como
condutores de energia.
Essas e outras especificações contidas nessa norma visam a segurança da
aplicação, e a padronização para os projetos nesta tecnologia, fazendo com
que as instalações sejam feitas de forma que problemas de instalação, de
ruído, má operação, dentre outros, sejam minimizados.
68
Nos sistemas tradicionais, o volume de informações é reduzido à praticamente
apenas informações de controle. Já no Sistema Foundation Fieldbus o volume
de informações é bem maior, devido à facilidade de comunicação entre os
instrumentos da rede.
Isto ocorre pelo seguinte fato: o tempo de ciclo em um barramento é dividido
em Período Cíclico e Acíclico. No Período Cíclico são publicadas as
informações de controle e no Período Acíclico são publicadas as informações
que não são de controle. O Período Acíclico compõe 70% do Tempo de
Macrociclo, que é o tempo gasto para que todos os instrumentos dos
barramentos publiquem seus dados de controle e monitoração do processo.
Devido ao sistema ser mestre-escravo, o sistema é programado para que os
instrumentos críticos informem suas informações de controle com maior
prioridade e em ciclos determinados, e nos intervalos essas informações extras
dos instrumentos inteligentes podem ser enviadas.
Temos informações extras muito importantes, como o diagnóstico do
instrumento, o envio da confiabilidade do valor da variável de processo
informado pelo instrumento, dentre diversas outras.
Outra grande vantagem do Foundation Fieldbus é que, sendo os instrumentos
inteligentes, eles podem exercer as funções de controle dentro do próprio
instrumento sem depender do controlador situado no SDCD. E como a
alimentação dos instrumentos é distinta, caso haja uma falha de alimentação
no SDCD o controle da planta continua funcionando em operação normal.
A inclusão de novas malhas de controle ou de instrumentos de monitoração a
esta rede também é facilitada, pois o cabo não precisa percorrer toda a
distância do campo até a Sala de Controle, mas pode ser incluída na forma de
ramais a segmentos já anteriormente instalados.
69
Devido às grandes vantagens da tecnologia Foundation Fieldbus, o SDCD
tradicional não é recomendado em novos projetos. E nos sistemas já existentes
a substituição dos instrumentos representa altos custos. Além disso, como o
sistema de controle fica obsoleto, a vida útil do SDCD é abreviada e a
tecnologia Foundation Fieldbus pode ser introduzida através da introdução de
gateways7 com cartões com portas convencionais para os pontos já existentes
e Foundation Fieldbus para os novos pontos.
2.3.3.2.
Redes Ethernet
Um sensor pode ter interface com o protocolo Ethernet facilmente e com baixo
custo, através da utilização de um micro controlador que adapta o sinal
recebido à comunicação internet. Essa vantagem possibilitou a utilização de
sensores internet para automação industrial.
A proposta do sensor internet requer cerca de 15 kbytes de C-code e 1 kbyte
de Memória RAM, suporta fragmentação IP, gerencia simultaneamente duas
conexões TCP (com velocidades distintas) e troca informação com browsers
comerciais em web Page.
Algumas vantagens desse sistema podem ser estabelecidas:

Velocidade superior aos sistemas de baixa velocidade como o
protocolo Modbus RTU via RS-485;

Quantidade de ferramentas capazes para detecção de problemas
e otimização da rede;

Ampla base de suporte e produtos competitivos;

Grande número de pessoas treinadas e familiarizadas com a
tecnologia.
7
Gateways, ou hosts, são equipamentos responsáveis pela transposição de camadas de rede, que
traduzem o protocolo FF H1 das redes de campo para o protocolo HSE das redes de controle.
70
Embora não tenha sido projetada para redes de automação industrial, a
tecnologia Ethernet apresenta-se viável devido ao desempenho elevado,
interoperabilidade e baixo custo. É uma das mais recentes redes de campo
com fio. A facilidade de configuração e a variedade de equipamentos
disponíveis contribuíram para a sua popularização. Entretanto, as redes
Ethernet ainda compartilham um mesmo problema das outras redes industriais:
cabeamento e mobilidade. O alto custo do cabeamento em alguns cenários e
as interrupções na rede para a realocação de instrumentos ou ampliação da
rede e necessidade de dispositivos móveis são os pontos fracos para o uso da
mesma, visto a tendência mundial da aplicação de redes sem fio. (DRAGO,
2008)
2.3.3.3.
Wireless - Redes de campo sem fio
2.3.3.3.1. Motivações para implantação da tecnologia
A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na
automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de
custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral,
pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanecem, tais como ruído,
má instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a
sala de controle, altos custos, dentre outros.
Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível
encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo,
onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de
petróleo. Outro exemplo é a presença de sensores em regiões muito distantes.
No passado, apenas era resolvido cavando trincheiras ou correndo conduítes e
puxando fios para adquirir os sinais. Por essas e outras limitações tornou-se
interessante o estudo de redes sem fio na automação industrial.
71
Como resultado, agora as indústrias podem usufruir do verdadeiro potencial
dos seus ativos de produção, com a ascensão dessa infra-estrutura Wireless
de campo, tendo acesso seguro a informações oportunas para obter e manter
um excelente retorno das informações de produção em virtude das melhorias
dramáticas em freqüência e confiabilidade, também gerando economias de
custo substanciais e mensuráveis tanto em engenharia como instalação e
logística.
Mas qualquer nova tecnologia passa por um período de sedimentação, quando
seus princípios, limites e contornos ficam obscuros para o mercado. A
tecnologia Wireless passa por esse momento e iremos entender o motivo
conhecendo suas características.
2.3.3.3.2. Wireless – Conceitos
O Wireless é uma camada física pela qual sinais analógicos (4-20mA, 1-5VCC e
similares), sinais discretos e sinais brutos fazem transmissões via rádio a partir
do dispositivo de uma central de processamento, como o SDCD, um CLP ou
uma UTR (Unidade Terminal Remota) (SAVELLS & ADAMS, 2008).
O Wireless imita a comunicação com fio numa aplicação já existente. Não é
exigida mudança na arquitetura do sistema. Os links Wireless transmitem os
mesmos dados que os fios físicos um dia transportaram. Além da monitoração
remota, a funcionalidade de controle remoto também pode ser usada através
do Wireless.
É uma tecnologia livre de licença no espectro de rádio 2.4 GHz, 5.4 GHz ou
900 MHz, projetada, especificamente, para integração de ativos remotos e
sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). A maioria dos
sistemas é oferecida na faixa de 2.4 GHz, e é nessa faixa que os padrões
SP100 e Wireless Hart se concentram. Essa tecnologia tem sido muito usada
72
na automação de óleo e gás por cerca de 20 anos, aumentando sua
confiabilidade ao longo desses anos (ALIPERTI, 2008). No mercado, é possível
encontrar vários tipos de implementações Wireless, não existindo ainda um
padrão. Usualmente, encontram-se dois protocolos: um baseado no IEEE
802.118 (normalmente 802.11 a/b/g) e outro baseado em protocolos
proprietários desenhados especificamente para ambientes industriais.
As redes Wireless em ambientes industriais são padronizadas pela norma ISA
SP100, que considera suporte para as seguintes aplicações (ALIPERTI, 2008):

Operador Móvel: a possibilidade de dar suporte a um operador
de campo munido de um palmtop que se comunica com o sistema
central através da rede Wi-Fi;

Rede de Sensores: transmissores de campo que se comunicam
de volta para um sistema central, atualmente através de sistemas
proprietários;

Monitores de Equipamentos: CLPs locais que executam lógicas
de sistemas específicos, como por exemplo, monitores de vibração de
máquinas rotativas críticas, que podem se comunicar ou pela rede Wi-Fi
ou pela rede proprietária dos sensores, servindo como uma extensão
dessa rede.
A arquitetura de uma rede Wireless é composta normalmente por vários
dispositivos que distribuem sinal, conforme representado na figura 31. Cada
dispositivo possui no mínimo um rádio e uma interface Ethernet. Sistemas mais
modernos contam com dois rádios, um para a interligação de equipamentos e
outro para a cobertura de determinada área.
8
A norma IEEE 802.11 (ISO/IEC 8802-11) é um padrão internacional que descreve as características de
uma rede local sem fios (WLAN). As redes sem fio IEEE 802.11, que também são conhecidas como redes
Wi-Fi (Wireless Fidelity) ou wireless, foram instauradas por membros do Institute of Electrical and
Electronics Engineers (IEEE).
73
Figura 31: Arquitetura de uma rede Wireless
Fonte: Aliperti, 2008
Os dispositivos de campo se comunicam de volta com um sistema central, o
SDCD. Este sistema recebe as informações dos dispositivos de campo pela
sua gateway. Em função das grandes distâncias a serem percorridas entre os
dispositivos e a central, é criada uma malha de cobertura sem fio, através da
qual os sinais de campo transitam. Isto é denominado backbone, a espinha
dorsal.
Este backbone, diferentemente dos instrumentos que não possuem fios, possui
diferentes graus de fiação para se comunicar, variando de conexões opcionais
para alimentação ou conexões de comunicação (por fibra ótica ou cabo
coaxial), ou pode não ter fio algum, nos casos de não serem alimentados e das
transmissões de comunicação via rádio (ALIPERTI, 2008).
Em todos os sistemas disponíveis no mercado, apesar das diferentes filosofias
de comunicação dos sensores com a central, podem-se encontrar os mesmos
problemas de contorno para definir sua eficácia, como o tempo de resposta e o
número de dispositivos que a rede consegue comportar.
Como todas as tecnologias, o Wireless também possui limitações. A escolha da
solução de rede sem fio requer a análise da transmissão de dados e das
características operacionais dos equipamentos. A seguir, algumas limitações e
74
características da rede serão descritas, para um melhor entendimento dessa
tecnologia.
2.3.3.3.3. Limitações da Rede Wireless
A faixa de operação de 2.4 GHz é uma faixa em que não é necessária uma
licença para operar. Essa faixa se estende de 2.4 GHz até 2.483 GHz, com 83
MHz de largura. É a faixa liberada pela Anatel no Brasil e pela FCC nos EUA.
Com isso, vários outros tipos de comunicação a utilizam, como a Wi-Fi, por
exemplo. Isso pode trazer congestionamentos, dependendo dos canais
utilizados (ALIPERTI, 2008).
Os dispositivos possuem acesso a todos os canais, livremente. Para minimizar
as interferências e bloqueios, o transmissor e o receptor alternam freqüências
em uma seqüência, tornando a rede mais resistente, já que os bloqueios não
costumam ocorrer em todo o espectro, mas em canais isolados. Também
aumenta a segurança, pois a seqüência é pré-determinada e somente o
transmissor e o receptor a detém. Esse é o chamado Frequency Hoping. Essa
técnica impede que um intruso na rede interrompa, capte ou falseie as
comunicações (ALIPERTI, 2008).
Os dispositivos que se comunicam nessa faixa competem pela transmissão,
através do CSMA-CD (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection).
Carrier Sense, pela escuta e detecção. Multiple Access, pelos diversos
dispositivos que podem acessar a rede. O rádio do dispositivo opera “na
escuta” e liga o portador de transmissão, anunciando que a informação será
enviada, sempre que não há tráfego. Se dois dispositivos tentam acessar a
rede simultaneamente, ocorre a colisão. O Colision Detection surge porque
esses dispositivos descansam em tempos randômicos e depois voltam a tentar
transmitir (ALIPERTI, 2008).
75
No ambiente industrial, vários são os fatores que interferem na propagação de
sinal de RF (RadioFrequência) gerando atenuação no sinal, como a reflexão de
sinal
de
RF
face
à
movimentação
de
pontes
rolantes
e
indução
eletromagnética. Em áreas abertas, ainda há o problema do “Efeito Chuva”,
que é um fenômeno de interferência na propagação dos sinais de RF por
reflexão, gerado pela chuva, afetando o desempenho do sistema e chegando
até a travá-lo (DRAGO, 2008). Esse problema ocorre para os padrões 802.11g
ou 802.11a (10 ou 54 Mbps). Não existe solução técnica para esse problema,
pois a solução seria o aumento de potência dos rádios nos terminais móveis
(coletores) e APs (Acess Points), mas há uma limitação na EIRP (potência
irradiada) pela Anatel. Infelizmente, esses problemas na propagação do sinal
de RF diminuem velocidade e a confiabilidade desse sistema.
2.3.3.3.4. Capacidade da rede
O tempo de resposta e a quantidade de dispositivos na rede são determinados
pelas freqüências usadas. Em geral, e de acordo com a necessidade de
atualização das informações, os tempos de transmissão são programados,
geralmente entre 1 segundo e 1 minuto. Dependendo dos tempos de
atualização, a carga da rede varia, e pode-se compor uma rede de poucos
instrumentos em tempos mais rápidos ou de mais instrumentos em tempos
mais lentos. Mas a capacidade da rede só pode ser determinada a partir de
uma análise estatística.
Em primeiro lugar, é avaliado o desempenho. Costuma-se obter 95% de
sucesso nas transmissões na primeira tentativa. Chega-se a estimar
estatisticamente, baseado neste valor, a capacidade da rede em números
muito altos, como 30 mil dispositivos a cada meio minuto ou 1 mil a cada
segundo. Entretanto, esses valores absolutos não levam em consideração os
dispositivos fora da rede analisada, que também competem à rede. É muito
comum que um rádio receba interferência de outra rede de dispositivos que
76
esteja ao seu alcance. Quando essas interferências ocorrem, a malha não
consegue comportar mais que algumas centenas de dispositivos (ALIPERTI,
2008).
O conjunto de fatores como freqüência de operação, localização geográfica em
relação a outros sistemas que competem pela mesma faixa de transmissão e
tempo de atualização desejada são denominados air space, e definem os
contornos do sistema.
2.3.3.3.5. Extensão dos canais
A SP100.11A da ISA comporta a extensão dos canais em 4 MHz. Essa é a
maneira mais convencional de usar o air space, e é empregada inclusive por
tecnologias do tipo Wireless Hart. Os rádios que praticam o Frequency Hopping
nessa faixa são chamados de fat hoppers, pois a largura dos canais é bem
grande. Mas hoje existem rádios que fazem divisão dos 83 MHz em 80 canais.
E cada canal é subdividido em 4 bandas de 20 canais, e são chamados narrow
hoppers. A vantagem dos sistemas que utilizam narrow hoppers é que
possuem mais de quatro vezes a capacidade de sistemas com fat hoppers,
com desempenho de 20 a 30 % maior (ALIPERTI, 2008).
Enxerga-se nitidamente que o Wireless ainda caminha em seus primeiros
passos, visto que esses sistemas ainda não estão padronizados na SP100,
bem como muitas outras otimizações da tecnologia, que ainda não foram
ratificadas em padronização, dificultando assim o desenvolvimento da
tecnologia.
2.3.3.3.6. Transmissão de dados
A transmissão dos dados é feita de maneira automática (self routing), sem a
necessidade de intervenção do usuário. Na medida em que é formada uma
77
malha, os próprios dispositivos automaticamente destinam seus dados pelo
encaminhamento que for mais conveniente. Caso um instrumento não consiga
se comunicar diretamente com o sistema central, o sinal é enviado para outro
instrumento da malha, e se este também não conseguir efetuar comunicação,
ele se comunica com outro instrumento, e segue até que o sinal seja
transmitido para a central. No self routing, se houver um bloqueio, caminhos
alternativos são traçados (self healing) e o ajuste é feito automaticamente (self
configuring), conforme mostrado na figura 32.
Embora esta seja uma vantagem em relação à facilidade operacional, em
alguns casos pode ser uma desvantagem, já que os sinais possuem tempos
determinados para serem atualizados. Sinais que passam por muitos
instrumentos, além de consumir energia da bateria de vários dispositivos,
podem chegar ao sistema central com defasagem grande. Uma alternativa para
isso é que um dispositivo seja usado como concentrador dos sinais que não
conseguem alcançar a rede de imediato. Este terá desempenho afetado, mas
diminui o problema da defasagem de sinal. O ideal é que o estudo da
localização dos nós (ou portais) seja feito corretamente, para que todos os
sinais cheguem à central na primeira tentativa. Os nós são efetivamente
projetados para receber esses sinais e comunicarem entre si até enviar os
dados para a central, pois na maioria das vezes são alimentados por fontes
convencionais e trafegam dados em velocidades superiores às dos
dispositivos. É imprescindível que a locação deles seja bem prevista.
78
Figura 32: Self Routing
Fonte: Aliperti, 2008
Outro problema é o efeito Multi Path Fade, que acontece quando várias cópias
de um mesmo sinal chegam ao receptor através da reflexão por diversos
caminhos, o que pode resultar em uma interferência destrutiva, reduzindo a
força do sinal, a cobertura efetiva e a taxa de transferência, conforme
representado na figura 33. Uma solução para isso é o uso de duas antenas de
recepção no mesmo cartão Wireless, para que o equipamento decida qual
deles possui melhor recepção.
Figura 33: Interferência destrutiva por reflexões de sinal.
Fonte: Drago, 2008
Desafios ainda maiores são impostos para a rede Wireless no ambiente
industrial, haja vista o ambiente em que trabalham os equipamentos, sujeitos a
79
pó, poeira, calor, umidade, etc. Os índices MTBF (tempo médio entre falhas)
devem ser altos e o MTRR (tempo médio entre reparo) deve ser o menor
possível. Além disso, equipamentos que operam na mesma freqüência também
são fontes de interferência, como fornos microondas, aquecedores industriais e
equipamentos de solda. Além destes, praticamente todos os equipamentos que
produzem interferência eletromagnética e de rádio freqüência contribuem
negativamente para o fluxo da rede Wireless.
2.3.3.3.7. Instalação e evolução da comunicação
Para a concepção de um projeto de rede Wireless, é realizado o Site Survey,
que é uma simulação da situação próxima a real. Nessa fase é definida a
topologia da rede: quantidade de Acess Points (AP), tipo de antena, tipo e
comprimento dos cabos e configuração do sistema.
Atualmente, a indústria de equipamentos Wireless tem evoluído bastante,
minimizando os problemas em ambientes industriais. Alguns mecanismos
foram criados de forma a contornar problemas como interferência e falha
repentina de um equipamento.
No início da tecnologia, toda a inteligência e processos eram realizados nos
APs. Surgiu a necessidade do gerenciamento centralizado. Com isso,
introduziram-se os controladores, que recebem informações dos APs,
monitoram e gerenciam a rede.
Foram implementados os mecanismos de Auto-RF, que consistem na
identificação por parte do Controlador de interferência em algum canal usado
por um AP, e a conseqüente troca automática por outro canal com ruído menor,
mantendo a qualidade das informações (DRAGO, 2008).
Os Controladores também possuem a capacidade de identificar queda de sinal
em algum AP da rede, causando um buraco na cobertura. O Controlador envia
80
um aviso ao administrador, que aumenta a potência dos outros APs vizinhos
para compensar e cobrir as regiões afetadas.
A segurança das redes Wireless também evoluiu. O primeiro mecanismo
estudado foi implantado em 1999, o chamado WEP (Wired Equivalent Privacy).
Os instrumentos atuais utilizam o WPA2 (Wi-Fi Protected Access), que
substituiu o WEP, tornando o sistema menos vulnerável. Este sistema possui
autenticação usando um servidor 802.1X. Ainda que este servidor opcional não
seja utilizado o sistema tem segurança pessoal com uma chave de acesso.
Enquanto uma chave WPA com 21 caracteres leva em torno de 4 x 1020 anos
para ser quebrada, uma chave WEP pode ser quebrada em menos de 10
minutos. Além disso, existe o IPSec, que identifica ameaças por rádio
freqüência ou pela rede cabeada, e as bloqueia automaticamente(DRAGO,
2008).
Também existem Controladores que possuem o Sistema de detecção de
intrusos (IDS), que busca na rede alguns padrões pré-definidos de ataques,
tanto os simples quanto os mais complexos, como seqüências de operações
em múltiplos Hosts.
Evoluções ocorreram também no tráfico de voz sobre IP (VoIP). As chamadas
de voz podem ser feitas através da rede Wireless sem interrupções na ligação,
pois os Controladores fazem balanceamento de carga entre APs, negando a
conexão a um AP que esteja em seu limite de carga, redirecionando
automaticamente a ligação (DRAGO, 2008).
Todos esses avanços na tecnologia permitem que hoje o sistema esteja bem
mais seguro, confiável e imune a ataques e interferências externas. Pode-se
observar que o Wireless hoje apresenta maior robustez e pode ser aplicado
nas indústrias com confiabilidade, mantendo a qualidade do controle e
monitoração das variáveis de processo.
81
2.3.3.3.8. Vantagens sobre as redes com fio
•
Economias na instalação:
Essa é a vantagem mais clara, há redução de custos de materiais
relativos a instalação dos cabos e da mão-de-obra empregada. Os
custos do cabeamento são ainda mais elevados nas regiões de área
classificada, com riscos de explosão e conseqüente necessidade de
blindagem dos cabos e de isolamento para proteção contra agentes
químicos.
Em projetos com cronogramas apertados, esta tecnologia apresenta a
vantagem do tempo de montagem, que é bem menor que em sistemas
com fio.
•
Economia de escala:
As ampliações em uma indústria são situações comuns, que devem ser
analisadas desde as instalações iniciais. Nas redes com fio, cada ponto
individual deve ser encaminhado ao SDCD, passando por toda planta.
As redes Fieldbus facilitaram muito o encaminhamento, levando os
cabos do instrumento até o tronco do barramento apenas. Entretanto,
não eliminaram o problema do cabeamento. Nas redes sem fio, a
instalação dos novos instrumentos é facilitada, pois só é necessária a
adição de um escravo compartilhando o mestre comum da rede. Não é
necessária a previsão de reserva instalada como acontece nos projetos
das redes com fio, o que diminui ainda mais os custos com instalação.
•
Segurança contra falhas:
A instalação dos cabos de instrumentação necessita de muitos cuidados
para que a transmissão dos dados seja feita sem interferências. É muito
82
comum
problemas
como
fios
cortados
durante
instalações
ou
manutenções de rotina. Ações do tempo como ferrugem, corrosão,
dentre outras, podem danificar os cabos, e a causa da ausência de sinal
não consegue ser detectada pelo Controlador. Sabe-se que qualquer
sistema está sujeito a perda de sinal, porém os links Wireless possuem
alarmes que permitem a identificação da perda de sinal em algum
instrumento.
Além disso, na condição de falha na comunicação o escravo controla
suas saídas com base na condição de segurança contra falhas préprogramada, isto é, aberta, fechada, ou permanecendo na última
posição.
•
Flexibilidade:
Wireless pode ser implantado lentamente e integrado a sistemas já
existentes, sem que seja preciso substituir a infra-estrutura. Qualquer
dispositivo que anteriormente enviava sinais através de protocolos via
cabos pode ser adicionado à rede sem fio pela adição de um link. A
ausência dos cabos também facilita a realocação dos instrumentos.
•
Confiabilidade:
Três fatores determinam a confiabilidade do sinal: perda de rumo,
interferência RF e energia transmitida. Visando identificar e potencializar
ao máximo e a confiabilidade do sinal, é necessário um levantamento do
site do RF ou um estudo de rumo. Para este estudo, a mão-de-obra
deve ser altamente qualificada, o que encarece a instalação.
•
Monitoração de diagnóstico:
Outra vantagem é a monitoração do diagnóstico da confiabilidade do
sinal dentro do sistema de rádio. Essa atividade de diagnóstico pode ser
83
alimentada em um pacote de software segregado, que permite ao
usuário conhecimento de qualquer anormalidade de operação, como
barulho, temperatura, voltagem, energia refletida, etc. (SAVELLS &
ADAMS, 2008).
Conclui-se acerca das redes Wireless que a tecnologia ainda precisa evoluir
muito para que sua confiabilidade seja comprovada em ambientes industriais.
Toda tecnologia tem um período de sedimentação, que normalmente dura
cerca de 30 anos. Nesse período são feitas as melhorias na tecnologia,
aumento na segurança e correção das falhas.
Outro ponto importante desse período transiente é a tomada de conhecimento
a fundo da tecnologia, para que seja bem projetada, operada e aproveitadas
todas as suas funcionalidades. Sabe-se seguramente que mais de 90% de
falhas da aplicação de protocolos digitais ocorrem devido ao maudimensionamento ou instalação e, na grande maioria das vezes, devido ao
desconhecimento dos profissionais envolvidos no projeto. Essas falhas
acarretam danos enormes, gerando atrasos na partida da planta, degradação
do sinal da rede, fazendo com que a mesma trabalhe abaixo da faixa ideal de
velocidade e estabilidade (PADOVAN, s.d.). Isso ocorre muito nas redes
cabeadas, e nas redes Wireless isto não está isento de ocorrer, já que a má
projeção dos APs pode acarretar falhas na transmissão. Portanto, enquanto os
profissionais não estiverem habituados à tecnologia não adianta implantá-la.
2.3.3.3.9. Aplicações industriais atuais
Atualmente verifica-se larga aplicação em mineração e Produção de Petróleo.
Nas mineradoras, é usado em Stacker rotativo e Reclaimers, aplicados na
África do Sul. Sua grande vantagem nessa aplicação é devido às grandes
distâncias da Sala de Controle. Um esquema da automação é representado na
Figura 34.
84
Figura 34: Automação Wireless em Mineração
Fonte: Drago, 2008
A Produção de Petróleo é o setor pioneiro no uso das redes Wireless, sendo o
grande responsável pelo sucesso da implementação da tecnologia. Sua
aplicação se deve à impossibilidade de lançar cabos em instrumentos
localizados em poços.
85
86
3.
Estrutura da cadeia produtiva
3.1. Mercado Mundial
A importância da automação na indústria de processos cresceu muito nos
últimos anos. Ela tomou força nas indústrias químicas de óleo & gás e
biotecnologia. Sistemas de instrumentação inovadores foram introduzidos,
garantindo segurança e confiabilidade dos processos e fornecendo uma base
para estratégias avançadas de gerenciamento. Controles de processos
garantem que os ativos da planta operem continuamente com os mais
lucrativos ranges esperados guiando às melhores saídas de produtos,
rendimento e qualidade usando pouca energia. (BENSON, 1997)
Apesar do desaquecimento da economia americana, os negócios passaram por
um bom período em 2007 para os fornecedores e para os usuários de
tecnologias de automação. A demanda por automação permanecia forte. A
construção de novas plantas acelerada na Ásia e os preços ascendentes do
óleo e gás viabilizaram a exploração, a produção, e novos projetos de refinarias
em todo o mundo, o que torna o momento atual também propício ao
desenvolvimento mediante o andamento dos projetos já fechados. A
modernização necessária da infra-estrutura industrial norte-americana, o
crescimento do setor dos hidrocarbonetos, e a expansão em outras indústrias
como as de ciências da vida e de metais básicos alavancaram o crescimento
total na América do Norte no ano de 2008.
Estudos mais elaborados do ano de 2003 feitos pela ARC 9, com previsões até
2011, mostram que se espera uma continuação desse crescimento, conforme
podemos observar na figura 35. Entretanto, com a crise mundial que se iniciou
no ano passado, as previsões tendem a ser um pouco menos otimistas.
9
ARC Advisory Group é uma empresa fundada em 1986, e presta serviços de consultoria na análise de
estratégias mercado e de tecnologias industriais.
87
Figura 35: Mercado mundial de automação
Fonte: ARC, 2009
Mesmo com a retração da economia, o desenvolvimento das tecnologias de
automação tende a continuar. Há espaço para a coexistência das diversas
tecnologias, mas nesta fase os usuários tendem a se retrair à inserção de
novos sistemas, o que deve atrasar um pouco a implantação efetiva de
tecnologias como Wireless. Também se pode sugerir que neste momento a
escolha de soluções mais econômicas e com menor custo de mão-de-obra
também ganhe preferência.
3.1.1. Evolução do Mercado de Automação para Indústrias
de Processos

Análise por Indústria
A empresa de consultoria Intechno Consulting realizou um estudo de projeção
de mercado em 2003 (SCHRODER, 2003). Segundo este estudo, o setor de
automação de processos iria crescer em uma taxa anual de 5,1% entre 2005 e
2010, alcançando US$ 94,2 bilhões em 2010. Estes valores se referem à
indústria de processo em sua definição mais ampla, que engloba o setor de
extração de materiais primários (carvão, urânio, petróleo e gás), indústrias
básicas (produção de vidro, cerâmica, metais e papel e celulose), geração de
energia e tratamento de resíduos, além da indústria de processo em seu
sentido mais restrito (química, farmacêutica, petroquímica, alimentos e
bebidas). Através da figura 36 é possível observar que a indústria de processos
predomina frente as demais no que concerne a automação.
88
2000
50
2010
45
US$ Bilhões
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Extração de
materiais
primários
Indústrias
básicas
Processos
Industriais
Geração de
energia
Tratamento
de resíduos
Figura 36: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 – segmentação
por indústrias
Fonte: Schroder, 2003

Análise por regiões
Em termos geográficos, a América do Norte lidera o mercado de automação de
processos. A Ásia e a Europa Oriental estão ganhando mercado da Europa
Ocidental e América do Norte, principalmente devido ao potencial de
crescimento para automação na China, que apresenta baixos níveis de
automação de suas indústrias. A Índia também está ganhando mercado
mundialmente. A figura 37 mostra o desenvolvimento do mercado mundial por
regiões.
89
2010
US $ 94,2 bilhões
2000
US $ 61,3 bilhões
3,2%
27,5%
25,2%
3,7%
25,9% E uropa O c idental
E uropa O riental
27,6%
A méric a do norte
A méric a do S ul
4,9%
Á s ia - P ac ífic o
4,5%
4,4%
4,9%
35,3%
33,0%
R es to do mundo
Figura 37: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de
processos até 2010 – segmentação por regiões
Fonte: Schroder, 2003

Análise por produtos e serviços
Cerca de 40% dos hardwares de automação adquiridos em 2000 foram para
controles de processos, e 61% para instrumentação de campo, incluindo os
sensores, equipamentos de medidas e atuadores integrados. A previsão para
2010 é que a participação dos hardwares no nível de controle caia para 35,8%.
A inteligência está sendo movida para os níveis de campo e a camada dos
controladores e sistemas está se tornando mais barata, caminhando para
produtos com características de commodities. A previsão de crescimento nos
componentes de comunicação Fieldbus e Ethernet é de 8,2% e 17% ao ano,
respectivamente.
As expectativas em relação à participação dos gastos em engenharia também
são de crescimento, de 13,9% em 2000 para 15,5% em 2010. As tendências de
racionalização e otimização das plantas, acompanhadas pela adoção da
integração dos sistemas de automação com os sistemas de informação do site
de produção e da camada de operação adicionarão para a engenharia parte
dos custos totais do projeto. A figura 38 retrata o cenário descrito.
90
2000
US$ 94,2 bilhões
2000
US$ 61,3 bilhões
11,1%
11,0%
23,8%
9,6%
20,5%
10,8%
Hardware - nível de
controle
Hardware - nível de
campo
Software padrão
Engenharia
13,9%
15,5%
4,7%
Instalação e partida
5,4%
36,9%
36,7%
Manutenção
Figura 38: Desenvolvimento do mercado mundial para automação de processos até 2010 – segmentação
por produtos e serviços externos
Fonte: Intechno, 2003
3.1.2. Empresas Internacionais
Apesar dos efeitos da crise financeira internacional, os fornecedores de
automação continuaram obtendo forte crescimento nos resultados no final do
ano de 2008, impulsionados pela robusta construção de novas plantas em
regiões em desenvolvimento e pela forte atividade de projetos no setor de óleo
& gás. Os fornecedores reportaram a entrada de grandes pedidos nos setores
de óleo & gás, refino, petroquímica e de mineração. A demanda por produtos
de automação tende a permanecer forte graças à modernização da infraestrutura
industrial necessária
para
que
os fabricantes melhorem a
produtividade e aumentem a segurança de suas fábricas. Neste sentido, é
importante ressaltar que a motivação para a adoção de automação industrial
varia entre países com graus de desenvolvimento diferentes. Em países
altamente industrializados, a automação de processos é incorporada com o
objetivo de melhora da qualidade do produto, aumento da segurança do
processo redução de emissões de gases poluentes e uso eficiente dos
recursos. Por outro lado, empresas de países em desenvolvimento são
motivadas pela possibilidade de aumento no volume de produção, apesar de
aspectos relacionados à qualidade e ao meio ambiente estarem ganhando
importância (JAMSA-JOUNELA, 2007).
91
A Tabela 1 apresenta as principais empresas de automação no mundo,
mostrando seu faturamento e gastos com P&D, que são bastante elevados
neste setor.
Empresa
Faturamento em
2007 (US$ Bilhões)
% do faturamento
em automação
industrial
Dispêndios em
P&D (% do total do
faturamento)
ABB
29,2
27,0
3,9
Emerson
22,0
45,0
1,8
GE Fanuc
n.d.
n.d.
n.d.
Honeywell
34,1
36,6
4,2
Invensys
5,1
45,2
2,8
Rockwell
5,0
100,0
2,4
Schneider
25,5
28,5
2,4
Siemens
102,0
22,9
4,9
Yokogawa
5,0
100,0
7,0
Tabela 1: Principais Fabricantes Internacionais Ligados à Automação Industrial
Fonte: Gutierrez & Pan, 2008
Vale à pena ressaltar que a dinâmica competitiva deste setor é bastante
característica. Nos mercados de cada tipo de sistema de controle, existe o
predomínio de um grupo ou outro de empresas, certamente por causa da
origem e do histórico de atuação. Assim, o mercado de SDCDs é liderado pelas
empresas Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Já o mercado de CLPs é
liderado pela Siemens e pela Rockwell (GUTIERREZ E KOO PAN, 2008)
Observa-se um crescimento generalizado na grande maioria das empresas de
automação mundiais. Isso comprova a grande demanda mundial no setor e o
conseqüente aquecimento nas vendas de produtos para suprir a necessidade
das indústrias operantes de otimizarem sua produção e das novas indústrias
em implantarem sistemas modernos de controle e aquisição de dados.
92
3.2.
Caracterização da cadeia produtiva10
Por ter uma natureza multidisciplinar, a automação industrial incorpora
conhecimentos de diferentes áreas, como mecânica, eletrônica, elétrica, física,
química e informática. Atualmente, é um setor com grande dinamismo
tecnológico, onde o aparecimento de novas tecnologias e produtos acontece
com freqüência e a incorporação dessas tecnologias pelas indústrias de
processo tem forte efeito sobre o aumento de sua competitividade. Segundo a
Abinee (2009) este é um setor com uma dinâmica de inovação peculiar, mais
voltado para inovações de aplicação do que inovação de produtos
propriamente ditos, sendo estes fortemente influenciados por desenvolvimentos
em elos da cadeia a montante.
A Figura 39 apresenta um esquema da cadeia produtiva de automação
industrial. Alguns padrões dominantes deste setor são: ciclo de vida curto dos
produtos do tipo commodity; progressiva segmentação para soluções
específicas e importância da marca, associada à confiabilidade. Esta última
característica configura-se como uma importante barreira à entrada de novos
concorrentes, fortalecendo os produtores já atuantes no mercado.
10
Para maior detalhamento e profundidade deste item será necessário que seja realizado uma
continuação dessa pesquisa, com uma etapa denominada “pesquisa de campo”, onde poderão ser
elaborados questionários e visitas aos diversos atores do setor.
93
Figura 39: Representação da cadeia produtiva de automação industrial
Fonte: Elaboração própria
É possível identificar basicamente duas modalidades de contrato em
automação industrial: o formato tradicional e o chamado Main Automation
Contractor (MAC) ou Contrato Global de Automação (CGA) (BOSCO, 2009).
No primeiro, empresas diferentes ficam responsáveis pelo fornecimento dos
instrumentos dos sistemas de controle, e da configuração do sistema, sendo
que esta etapa pode ficar a cargo da equipe da própria contratante caso haja
expertise para tal. No segundo caso, a empresa responsável pela solução em
automação responde pela gestão e fornecimento de hardware, licenças de
software do sistema de controle e de segurança de processo e instrumentação
de campo. Além disso, fica responsável pela interface do sistema de controle
da planta com os fornecedores de equipamentos e unidades que tenham
solução de automação separadas, e por prestar assistência técnica em todas
as fases da obra. Ou seja, um único fabricante responde pelas diferentes
etapas da cadeia produtiva até a implantação do sistema no processo
industrial.
A relação entre os diferentes elos da cadeia, desde o produtor dos dispositivos
até o usuário final, a indústria de processo, é bastante estreita. Todas as
atividades de assistência técnica e treinamento ficam a cargo do fornecedor do
94
dispositivo, ou seja, existe uma relação direta entre o elo final e os
fornecedores de hardware, que passam pelos elos de projeto e construção. No
caso dos fornecedores de software, em caso de desenvolvimento sob
encomenda, a relação também se dá de maneira direta, sendo a firma de
engenharia uma ponte para esta relação.
Existe uma tendência de adaptar produtos de uso geral aos requisitos de
automação das diversas plantas industriais, numa tentativa de conciliar o
universal com o específico. Empresas menores têm conseguido sucesso em
nichos do mercado internacional, integrando produtos de terceiros através do
fornecimento de soluções de automação e de processo.
Os equipamentos de automação podem ser utilizados de forma autônoma ou
interligados em sistemas. Para as atividades de integração, o hardware é
considerado commodity e a diferenciação acontece no software e na
sistemática de integração. O conceito de computer integrated manufacturing
(CIM) prevê a integração dos sistemas de automação e de informática com o
uso de redes de comunicação de dados com protocolos padronizados.
No que diz respeito aos dispositivos e protocolos de comunicação, há uma
tendência de padronização, o que leva a redução dos custos de implantação de
sistemas de automação e aumento da competitividade entre os fabricantes. Há
de se ressaltar também que a convergência tecnológica, ocorrida a partir da
utilização da eletrônica digital, vem permitindo uma integração entre os
sistemas de controle de processos e as ferramentas de gestão corporativa.
3.3.
O mercado de automação industrial no Brasil
Segundo estudo recentemente publicado pela Arc (2009), são crescentes as
oportunidades
em
conseqüentemente,
automação
no
Brasil.
de
processos
na
Desenvolvimento
América
em
Latina
e,
infraestrutura,
industrialização, forte investimento nos setores de petroquímico, mineração e
95
outros mercados estão combinados com uma visão de valorização da
automação industrial. Ao mesmo tempo, existe uma forte demanda global por
engenheiros qualificados e profissionais de automação de processos cuja
ausência representa um obstáculo a ser superado.
Considerando o mercado latino americano como um todo, o mercado de
automação de processo vem oferecendo ótimas oportunidades de crescimento
para as empresas fornecedoras desse segmento. Após muitos períodos de
economia e política instáveis, muitos países latinos americanos estão
novamente em um caminho para a estabilidade e crescimento a longo prazo.
Um exemplo de como a demanda latino-americana por produtos e soluções em
automação tem crescido é o aumento de importação de produtos voltados para
comunicação Fieldbus, mostrado na figura 40.
180,0
Milhões de dólares
160,0
140,0
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Ano
Figura 40: Exportações de produtos e soluções Fieldbus para a América Latina.
Fonte: ARC, 2009
O mercado de automação de processo da América Latina é em grande parte
guiado pelas práticas das companhias líderes. Em muitos casos, essas
companhias determinam os padrões das melhores práticas em automação de
processo para toda a América Latina. No Brasil, por exemplo, a Petrobras
controla uma porção significativa do setor de petroquímico e é uma das líderes
mundiais em tecnologia de águas profundas e ultra profundas. Os avanços na
abordagem da Petrobras em automação influenciam o resto do Brasil e
certamente toda a América Latina.
96
No Brasil, mercado de automação industrial tem crescido nos últimos anos.
São vários os fatores que vêm influenciando o desempenho positivo desse
setor. Entre eles, está a necessidade de atualização tecnológica dos
instrumentos de controle, tendo possibilitado a inserção de novos sensores,
transmissores, meios de comunicação entre equipamentos, sistemas de
supervisão e controle, além de muitos softwares aplicativos que vão do setor
de produção ao planejamento e gerenciamento global da empresa. (ABINEE,
2009)
Segundo a ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica), o
faturamento de 2006 foi de pouco acima de R$ 2,7 bilhões. Segundo a mesma
entidade, o faturamento em 2007 aumentou em 14% e em 2008, o aumento foi
de 11%, tendo alcançado R$ 3,45 bilhões, como mostrados na figura 41. Isso
prova que o setor cresceu em volume de negócios, impulsionado pelo aumento
da atividade industrial nos últimos anos no país e aos investimentos em setores
específicos como petróleo, açúcar e álcool, mineração e siderurgia, indústria
Bilhões de reais
automobilística e papel e celulose. (ABINEE, 2009)
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
2006
2007
2008
2009 (previsão)
Ano
Figura 41 – Faturamento Anual do Setor de Automação no Brasil.
Fonte: ABINEE, 2009
O bom resultado alcançado em 2007 e 2008 está relacionado aos
investimentos em modernização e ampliação de fábricas já existentes. Com
isso, o parque instalado de sistemas de automação e controle tornou-se grande
97
o suficiente para gerar uma demanda estável e significativa para manutenção,
renovação e melhoria. Os setores que mais contribuíram para este resultado
foram os de petróleo, álcool e energia. (ABINEE, 2009)
Mesmo com a gravidade da crise econômica, a perspectiva de crescimento do
setor ainda é otimista, prevendo um lucro de R$ 3,55 bilhões para 2009,
representando um aumento de 3% em relação a 2008. Esta previsão otimista
se deve principalmente ao setor de Petróleo e Gás, que vem ampliando os
investimentos, gerando importantes negócios, o que vem garantindo um nível
razoável de atividade para parcela apreciável das empresas do setor. Também
vêm sendo mantidos novos investimentos nos setores cujos equipamentos são
destinados à infra-estrutura de Telecomunicações e de Geração, Transmissão
e Distribuição de Energia Elétrica. (ABINEE, 2009)
Devem ser consideradas as diferenças entre projetos de automação e controle
na instalação de uma fábrica totalmente nova e na atualização de indústrias já
existentes. No Brasil, por exemplo, ainda existem muitas empresas químicas
de médio porte que não utilizam sistemas de controle, onde a operação
depende da intervenção direta dos operadores. Portanto existe um mercado
amplo a ser explorado (FAIRBANKS, 2008).
Os investimentos em atualização de plantas costumam ser feitos por etapas,
tanto para diluição de custos de investimentos quanto para evitar paradas
longas no processo. O primeiro passo se dá, na maioria das vezes, pela
instalação da sala de controle e de alguns instrumentos de campo,
aproveitando-se ao máximo os recursos existentes. Posteriormente, implantase a instrumentação e a malhas digitais de campo. Em seguida já podem ser
feitas as primeiras incursões em controle avançado, gerenciamento de ativos e
até modelos de simulação e treinamento virtual. Durante as etapas de
substituição de sistemas, é comum a convivência entre diferentes concepções
de produtos e de protocolos de comunicação, exigindo a colocação de
conversores para estabelecer uma comunicação mínima. A utilização desses
98
conversores não é necessária quando se trata do sistema de uma fábrica nova.
(FAIRBANKS, 2008).
O setor petroquímico e as refinarias de petróleo sempre se destacaram por
manter atualizados os sistemas de controle. As grandes empresas de celulose
e papel e as siderúrgicas nacionais, também operam com sistemas modernos
de última geração. Até mesmo setores considerados conservadores, como
açúcar e álcool, estão adotando sistemas digitais. (FAIRBANKS, 2008)
3.3.1. A divisão nacional do setor de automação
O setor de automação industrial é pequeno na economia brasileira, mas é uma
área estratégica que contribui ativamente para todas as empresas. Segundo a
ABINEE, em 2008 o faturamento total da indústria eletroeletrônica foi de R$
123,1 bilhões, conforme pode ser observado na tabela 2. Desse total, cerca de
3% são referentes ao setor de automação. No entanto, a representatividade do
setor de Automação se torna mais perceptível quando se analisa a taxa de
crescimento anual, pois apesar de baixa representatividade em termos de
faturamento anual, a sua taxa de crescimento é bastante relevante, quando
comparada com outros setores com maior faturamento anual. Entre 2007 e
2008, o setor cresceu 11% frente à 12% de Informática e 23% de
Telecomunicações, que são os setores que mais lucraram em 2008. Isso
demonstra que, no Brasil, o setor de Automação se apresenta em forte
expansão, oferecendo boas oportunidades de negócios.
99
Faturamento total por área
2006
2007
2008
Crescimento
(R$ milhões)
2007/2008
Automação Industrial
2.708
3.097
3.446
11%
Componentes Elétricos e Eletrônicos
9.409
10.150
9.500
-6%
Equipamentos Industriais
13.322
15.541
18.369
18%
GTD*
9.169
10.599
11.919
12%
Informática
29.418
31.441
35.278
12%
Material Elétrico de Instalação
6.755
7.646
8.323
9%
Telecomunicações
16.742
17.465
21.546
23%
Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas
16.560
15.773
14.710
-7%
104.083 111.711 123.092
10%
Total
*Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica
Tabela 2: Faturamento Total por Área
Fonte: ABINEE, 2009
A mesma observação pode ser feita em relação à exportação, pois conforme
pode ser observado na tabela 3, a taxa de exportação do setor de Automação
(12%) para o período 2007-2008, também é relevante se comparada com
outros setores.
Exportação de produtos por setor
2006
2007 2008 Crescimento
(US$ milhões)
Automação Industrial
Componentes Elétricos e Eletrônicos
2007/2008
239
280
314
2.708 3.151 3.304
5%
Equipamentos Industriais
918
GTD
516
657
865
32%
Informática
411
338
313
-7%
Material Elétrico de Instalação
308
289
325
13%
Telecomunicações
1.013 1.141
12%
13%
3.115 2.491 2.540
2%
Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 1.035 1.081 1.088
1%
Total
6%
9.249 9.300 9.891
Tabela 3: Exportação de Produtos por Setor
Fonte: Abinee, 2009
Até setembro de 2008, o setor de Automação apresentava uma taxa de
crescimento de importação de 15%, e a partir de outubro esta taxa caiu para
5%. Esta queda se deve ao agravamento da crise econômica mundial.
100
De acordo com a ISA, cerca de 1,5 mil empresas de variados portes atuam em
automação de controle de processos industriais no Brasil. (GUTIERREZ &
PAN, 2008).
No Brasil, as empresas que participam do segmento de automação industrial
podem ser divididas nos seguintes perfis:

grandes empresas internacionais, equivalentes a aproximadamente 30%
das empresas brasileiras, que oferecem amplo espectro de produtos e
soluções completas de automação;

micro e pequenas empresas integradoras, formadas em muitos casos
por ex-funcionários de empresas internacionais, que atuam de forma
independente ou associadas a fabricantes de equipamentos;

pequenas e médias empresas, formadas com capitais internos, que
oferecem um espectro limitado de produtos – hardware e/ou software –,
desenvolvidos com tecnologia própria, e raramente oferecem sistemas
completos de automação.
O mercado brasileiro é fortemente competitivo e dominado por gigantes
internacionais líderes em automação industrial. Este grupo é formado pelas
empresas ABB, Emerson, GE Fanuc, Honeywell, Invensys, Rockwell,
Schneider, Siemens e Yokogawa. Todas estão presentes no país e oferecem
soluções completos, fornecendo hardware, software e serviços. As estratégias
das empresas internacionais não contemplam o desenvolvimento nem a
fabricação local de dispositivos, os quais são por elas importados. As
atividades que realizam no país restringem-se ao desenvolvimento e à
integração das soluções finais (aplicações) para as plantas industriais. A
utilização de mão-de-obra local limita-se às etapas de comercialização e
implantação dos sistemas e produtos nos clientes.
Abaixo estão alguns exemplos de como estas empresas estão investindo para
acompanhar a expansão do mercado: (FAIRBANKS, 2008)
101

A empresa japonesa Yokogawa tem mantido expansão de negócios na
média de 20% ao ano. A empresa investe para aumentar sua capacidade de
produção e atendimento. As equipes também foram reforçadas para
acompanhar a expansão dos negócios.

A americana Emerson Process Management, outra gigante da área de
automação e controle, obteve forte crescimento em 2008, tendo sua filial
brasileira ultrapassado o volume de vendas da filial mexicana, onde existem
mais fábricas do grupo. Este fato pode ser justificado pela proximidade com o
mercado americano. Entre seus projetos, estão a implementação do sistema
SDCD em uma refinaria da Petrobrás e uma planta de polipropileno da
Braskem, ambas em Paulínia, São Paulo (BOSCO, 2009).

A suíça ABB foi reestruturada e reforça sua participação no segmento,
especialmente nas refinarias de petróleo. Em 2008, firmou um contrato com a
Petrobrás no valor de US$ 61 milhões para fornecer sistemas de automação e
controle de processos em oito refinarias. O contrato também prevê o
gerenciamento do projeto e a parte de engenharia. Um exemplo é a
implementação de controladores e Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED)
na Refinaria de Duque de Caxias (BOSCO, 2009).

A empresa alemã Siemens aumentou sua participação no mercado de
controle de processos industriais desde que unificou as linhas de SDCS e CLP
em 1995. O maior destaque da empresa sempre foi ligado ao gerenciamento
de energia nas fábricas. A partir de 2000, a companhia ampliou o leque de
segmentos atendidos, oferecendo o controle integrado do processo e dos
sistemas de energia, além de apresentar a linha completa de instrumentos de
campo.
Por outro lado, existe um grupo de empresas nacionais, na maioria de pequeno
e médio portes, que vem conseguindo manter-se há anos nesse mercado
ofertando produtos inteiramente desenvolvidos no país com capacitação
própria.
102
De forma geral, as empresas nacionais possuem um portfólio de produtos
limitado. Poucas são as empresas que fornecem um leque amplo de soluções
completas, competindo diretamente com as grandes marcas internacionais.
Isso leva a uma atuação predominante no mercado de reposição e de
fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos particulares, como o das
usinas de açúcar e de álcool.
Contudo, essas empresas têm conseguido não apenas se manter no mercado
interno como também se internacionalizar, criando bases próprias de
comercialização e assistência técnica em vários países.
A empresa mais dinâmica e avançada em termos de desenvolvimento de
tecnologia é, sem dúvida a SMAR. Dessa forma, o estudo dessa empresa se
torna bem interessante para avaliar os mais altos níveis de desenvolvimento
tecnológico em que se encontra o Brasil.
O conhecimento mais profundo da SMAR, devido a sua grande importância no
mercado brasileiro como indústria nacional, nos leva a crer que o patamar
tecnológico em que se encontra o país está ao nível das redes Fieldbus, e que
as redes sem fio estão tomando força neste momento. Até o ano passado,
nenhum produto associado a redes Ethernet ou mesmo Wireless era produzido
por essa empresa, pois as soluções Wireless foram apresentadas no evento
ISA Show 2008.
Nesse mesmo evento, muitas empresas ampliaram seu portfólio Wireless. A
National Instruments11 apresentou os recém lançados dispositivos de dados
sem fio NI Wi-Fi DAQ, aptos para receber sinais de variáveis como
temperatura, vibração, deformação, tensão, correntes, entre outros. Possuem
taxa de aquisição de dados de até 50 mil amostras por segundo por canal. São
ideais para aplicações de condicionamento de máquinas, monitoração
11
A National Instruments foi criada em 1976, e fornece softwares e hardwares de automação e controle.
103
estrutural, ambiental e remota. Atuam na banda padrão IEEE 802.11g e
possuem segurança WPA2 de nível corporativo.
Tais fatos nos permitem as seguintes conclusões. Primeiramente, os produtos
fornecidos pela empresa são tecnologicamente atualizados e comercialmente
competitivos, em função dos seus investimentos constantes em P&D. Caso
contrário, a inserção dos seus produtos no mercado internacional não seria
possível. Posteriormente, os principais produtos da SMAR têm enfoque no
mercado nacional, visto que aproximadamente dois terços da sua produção
são para eles destinados.
As empresas mais conhecidas deste mercado são Altus, ATAN, Atos, BCM,
Coester, Ecil, Elipse, Presys, Sense, SMAR, Trisolutions e WEG. (Gutierrez e
Koo Pan,2008). Abaixo está uma breve descrição destas empresas:
Altus
A Altus Sistemas de Informática S/A, é líder no Brasil dentre as empresas que
utilizam tecnologia própria no setor de automação e controle de processos
industriais. Em 2008 foi recebeu o Prêmio FINEP de Inovação na região sul.
Seus serviços incluem a avaliação técnica de propostas de grandes sistemas e
do
projeto
ao
serviço
de
pós-venda,
software;
projetos
elétricos,
instrumentação e civil; fabricação de painéis elétricos; elaboração de propostas
e soluções técnicas de grandes sistemas; execução de montagens e
instalações em campo; posta-em-marcha dos sistemas desenvolvidos; revenda
de produtos e equipamentos de terceiros; assistência técnica e suporte aos
sistemas desenvolvidos.
Dentre os produtos oferecidos, pode-se citar:

Ampla variedade de controladores e SDCDs com interface dos
instrumentos de campo nas redes ALNET, Profibus DP, Modbus-RTU e
104
Modbus-TCP, além de entradas analógicas em 4-20 mA, 0-20 mA e digitais em
0-20Vcc;

Unidades Terminais Remotas (UTRs) como objetivo a automação de
subestações de energia e centrais elétricas, permitindo a execução de funções
de supervisão, telecomando e intertravamento. Entradas e Saídas analógicas e
digitais;

Interface Homem-Máquina (IHMs);

Softwares de configuração de controladores.
A empresa oferece ainda cursos de introdução à automação e programação e
treinamento no uso de equipamentos.
Suas áreas de atuação incluem: siderurgia, petroquímica, geração de energia,
distribuição de energia, saneamento, máquinas especiais e operatrizes,
plásticos, alimentos, embalagens, transportes e comunicações.
Dentre seus principais clientes, estão: Petrobras, CHESF, STEMAC, ALSTOM,
SABESP, CESP, Gerdau, Ipiranga, COSIPA, COPESUL, Metrô SP, CTMP,
Tramontina, INFRAERO, SANEPAR, entre outros.
ATAN
Fornecedora de soluções de engenharia, projeto, montagem e manutenção,
além de software e soluções para monitoramento de sistemas. Realiza serviços
de engenharia de instrumentação e controle, desenvolvimento de sistema
SCADA, implantação e manutenção.
Entre seus produtos, pode-se citar:

Aplicação de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) de fabricantes
high-techs: Siemens, Ge-Fanuc, Allen Bradley, Schneider, Reliance, Altus entre
outros;
105

Softwares Supervisórios (SCADA) para controle de processos, tais
como: iFIX e Cimplicity da GE-Fanuc, Rockwell Scada, FactoryLink da USData,
Wizcon da PC Soft, InTouch da Wonderware, RealFlex, entre outros;

Sistemas baseados em computadores nas plataformas Pentium, PC-AT,
VAX, RISC, etc;

Ambiente de comunicação com uma grande variedade de redes
Ethernet, R/Net, Arcnet, Token Ring e protocolos TCP/IP, DECnet, IBM Lan
Server, Netware, etc.;

Ambientes de softwares, tais como: Microsoft Windows, IBM OS/2, QNX
e VMS.
A empresa oferece também treinamentos básicos e avançados na área de
automação. Possui parceria com as empresas ABB, GE Fanuc, GE Supply,
Siemens, e Rockwell Automation. Em abril de 2008 foi incorporada pela
Accenture. Entre seus clientes estão: Chocolates Garoto, CRVD, Unilever,
Votorantim Metais, Votorantim Cimentos, Souza Cruz, Petrobrás, Holcim e
Rhodia.
Atos
Fornece serviços em engenharia, projeto, implantação e assistência técnica.
Entre seus produtos, estão:

Interface Homem-Máquina (IHM);

Controladores
Lógicos
com
entradas
digitais
e
analógicas
e
possibilidade de inserção de módulos de entradas e saídas em comunicação
Modbus RTU;

Fontes de alimentação;

Ferramentas de programação.
A Atos, através da Schneider, oferece cursos regulares e operacionais para a
utilização dos produtos.
Os cursos são nas áreas de CLP´s, redes,
106
programação e configuração de interface homem maquina e softwares de
supervisão.
Entre seus clientes, destacam-se: Sabesp, Petrobrás, Tractebel Energia, Arno,
Mercedez Benz, Lorenzetti, TV Globo, e Centro Tecnológico da Aeronáutica.
Esta empresa foi incorporada pela Schneider em 2007.
BCM
Desde a sua fundação em 1980, a BCM trabalha desenvolvendo produtos e
soluções em automação em diversas áreas, como processos industriais,
petroquímica, álcool e açúcar, energia elétrica, coureiro calçadista e metalurgia
e siderurgia. Utiliza tecnologia 100% nacional e soluções tecnológicas próprias.
Alguns dos produtos que a empresa oferece são:

Interface Homem-Máquina (IHM);

CLPs de pequeno, médio e grande portes, com entradas digitais e
analógicas;

Software de programação.
Entre seus clientes, estão: Cemig, CESP, CVRD, Eletrobrás, Gerdau, Sadia,
Sabesp, AGCO, Grendene, Embrasul, Areva, Grupo Avipal e Casan.
Coester
Essa empresa possui um nicho de mercado menos abrangente, atuando no
ramo de fornecimento de atuadores elétricos para acionamento de válvulas e
dampers.
Como atua em um ramo especifico, tende a explorar melhor as tecnologias
mais usadas no mercado. Por isso possui como top de sua linha os atuadores
inteligentes. Os atuadores inteligentes disponibilizam os mais avançados
recursos para controle de processos. Além da motorização precisa e segura, o
equipamento traz informações extremamente úteis ao usuário e potencializa a
107
redução de perdas na manutenção da planta. O controle e informação são
disponibilizados através de interfaces abertas de comunicação com os
barramentos de campo Fieldbus.
Classificada como “Empresa de Base Tecnológica” pela FINEP -Financiadora
de Estudos e Projetos- ligada ao Ministério da Ciência e Tecnologia, passou a
contar com o apoio integral a Agência, para seu Plano de Negócios 2003/2009,
que tinha entre outros objetivos, o de acelerar a internacionalização da
empresa.
É uma das empresas nacionais inovadoras que tem recebido incentivos
governamentais.
E,
visto
que
seu
plano
de
negócios
que
visa
a
internacionalização da empresa ainda está em andamento, pode-se concluir
que grande parte das vendas da empresa se dão em âmbito nacional. Com
isso, verifica-se que há uma forte demanda pelos barramentos Fieldbus em
controle de processos no mercado brasileiro.
Além de seus serviços e produtos, oferece cursos básicos e avançados
focados na automação de válvulas com a utilização de atuadores elétricos.
Ecil
A Ecil Informática nasceu em 1992, e fornecia sistemas de automação
industrial para grandes empresas, das áreas petroquímica, química e
siderurgia. Em 1994 iniciou o desenvolvimento de plataformas para automação
de subestações e redes públicas de distribuição de energia.
A empresa desenvolve simultaneamente soluções para 3 segmentos distintos,
mas que possuem sinergia tecnológica. Esses segmentos são: Energia e
Utilidades, Telecomunicações e Automação Industrial.
108
Produtos:

Computadores industriais;

Cartões de entradas e saídas digitais e analógicas.
Elipse
A Elipse Software atua há mais de 20 anos no mercado de automação,
desenvolvendo soluções HMI/SCADA e interfaces para os mais variados
sistemas. Líder no mercado nacional de software para supervisão e controle, a
Elipse oferece soluções de fácil configuração e rápida implementação para
criação de aplicações HMI/SCADA.
Os aplicativos E3 e Elipse SCADA são utilizados por importantes empresas,
nos mais diversos ramos de atividades.
Oferece cursos básicos e avançados em E3 e Elipse SCADA, além de
certificação em E3. Entre seus principais clientes podemos citar: Banco Itaú,
Elektro, Brasil Telecom, Michelin, General Motors, Mercedes Benz, Fiat,
Vokswagen, Ford, Dana Albarus, Petrobrás, Stihl, Sadia, Ceval, Perdigão,
Nestlé, Batavo, Gerdau, CSN, CVRD, Usiminas, Sabesp e Copel.
Presys
A Presys produz instrumentos e sistemas que abrangem duas linhas: Controle
de Processos e Calibração. Os produtos feitos pela Presys são totalmente
desenvolvidos por engenheiros e técnicos brasileiros. A empresa possui o
certificado ISO 9001, além de dispor de laboratórios totalmente equipados, com
profissionais treinados e padrões comparáveis ao INMETRO.
A empresa também possui uma estrutura de desenvolvimento, produção,
vendas, assistência técnica, laboratório de calibração, treinamento e suporte.
109
Entre seus produtos, estão:

Software para monitoração e registro de variáveis de processo;

Indicadores digitais, módulos de aquisição de dados e módulos de
controle;

Calibradores de pressão, temperatura e malha;

Software para calibração.
Sense
Fundada em 1976, a SENSE conquistou, ao longo de mais de três décadas o
título de umas das mais renomadas empresas brasileiras do mercado de
automação
industrial.
Com
profissionais
qualificados
e
equipamentos
especializados, a empresa gera soluções por meio de tecnologia de ponta,
processos automatizados e serviços.
Produtos:

Sensores Industriais;

Produtos para Atmosferas potencialmente explosivas;

Redes Industriais nos padrões DeviceNet, AS-Interface e Profibus DP

Sinalizadores de Válvulas.
SMAR
A SMAR foi fundada em 1974 com objetivo de prestar serviços de campo para
turbinas à vapor da indústria açucareira brasileira. A empresa cresceu
rapidamente, impulsionada por uma iniciativa bem sucedida do governo
federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como
combustível de veículos automotores. Em 1988 a SMAR tornou-se o maior
fabricante de instrumentos para controle de processos no Brasil, sendo que sua
atuação nesta área só começou em 1982. Atualmente, mais de um terço da
produção da empresa são vendidos no mercado internacional.
110
Alguns produtos de sua linha são:

Instrumentação de campo como transmissores, medidores de vazão,
atuadores e analisadores nas tecnologias Foundation Fieldbus, 4-20mA, 420mA+HART, Modbus e Profibus;

Todos os equipamentos necessários para a implantação das redes
Fieldbus, tais como fontes de alimentação, terminadores, acopladores,
barreiras de segurança intrínseca, dentre outros;

Fornece SDCD com possibilidade de interligação de dispositivos em
redes Fieldbus;

Softwares de configuração, integração e gerenciamneto;

Soluções completas e Planos de Automação.
Oferece cursos em sistemas de controle Smar SYSTEM302, sistemas para
medição de tanques e em 4-20mA Hart.
As principais áreas de atuação da empresa são nos setores de Açúcar e
Álcool, Alimentos e Bebidas, Papel e Celulose, Petróleo e Gás, entre outros.
Sua lista de clientes inclui: Klabin, COPEL, COSIPA, Cervejarias Kaiser, Tetra
Pak, Sadia, Petrobrás, Continental Produtos Automotivos, entre outros.
TriSolutions
A TriSolutions é uma empresa que alia a prestação de serviços com o
desenvolvimento de software nas áreas de modelagem, otimização e controle
avançado para a indústria de processos. Dentre seus projetos, estão a
instalação de controladores preditivos não-lineares em reatores da Braskem e
Quattor, ambos realizados em 2008.
111
Seus principais produtos são:

TriCLPM: monitoramento e auditoria de desempenho de malhas de
controle em tempo real;

TriNMPC:
Controlador
preditivo
não-
linear.
Este
software
foi
desenvolvido em parceria com a Petrobras, Braskem e UFRGS;

Control Performance Monitor (CPM): Ferramenta para monitorar,
identificar, diagnosticar e corrigir os problemas relacionados a todos os ativos
de controle, desde a instrumentação até aplicações de controle avançado de
processos;

Alarm Manager (AM): gerenciamento de alarmes e eventos.
Oferece cursos para turmas fechadas e abertas em controle básico e
avançado. Entre seus clientes, encontram-se: Ipiranga, Braskem, Refap,
Revap, Petrobrás e Quattor.
WEG
A WEG fornece serviços de engenharia de aplicação, projetos de automação,
supervisão de montagem, manutenção e treinamento.
Produtos:

Inversores de freqüência;

CLPs de pequeno, médio e grande portes;

Relés programáveis compactos para pequenos empreendimentos;

Soluções completas em automação.
Oferece cursos na área de automação industrial, visando capacitar os
profissionais da área a especificar e aplicar conceitos básicos de hardware e
software para controladores lógicos programáveis de pequeno porte.
Estas empresas possuem uma linha de produtos limitada, em função do
pequeno porte ou de origem em outros setores, como é o caso da WEG,
112
fabricante de máquinas elétricas, motores e geradores. Devido ao limitado
leque de soluções completas, essas empresas atuam predominantemente no
mercado de reposição e de fornecimento de pequenos sistemas ou em nichos
particulares, como o setor de açúcar e álcool (Gutierrez e Koo Pan, 2008).
3.3.2. Tipos de sistemas de controle mais utilizados nas
empresas
Com relação aos tipos de sistemas de controle utilizados, pode-se citar o
SDCD e CLP. O mercado de SDCDs no Brasil é dominado pelas internacionais
Emerson, Yokogawa, Honeywell e ABB. Vale citar que nenhuma empresa
brasileira fornece SDCDs. (Gutierrez e Koo Pan,2008)
Quando se trata de CLPs, as líderes de mercado são a Rockwell, Siemens,
Altus e Schneider. Neste setor, as empresas brasileiras tem uma participação
de cerca de 25% do mercado nacional. Dentre as nacionais, destacam-se a
Atos, SMAR, BCM e Novus. (Gutierrez e Koo Pan,2008)
113
3.4.
Desafios Modernos da Automação Industrial
A área de automação industrial está sendo repensada em função do grande
desenvolvimento experimentado pelas técnicas digitais. No contexto industrial,
há algumas décadas os problemas de automação são cada vez mais
importantes. A sociedade depara-se com o avanço da tecnologia e com os
seus desafios, que não são poucos. No entanto, observa-se que algumas
perguntas precisam ser respondidas para melhor encaminhar esta importante
área do conhecimento: como as instituições podem formar profissionais
capazes de ter uma capacitação técnica suficiente para contornar suas próprias
dificuldades? E garantir uma relação técnica com a sociedade sem assustá-la?
O assunto é diversificado, pois abrange desde tópicos relativos à arquitetura de
hardware e software, programação de controladores lógicos programáveis,
controle de malhas contínuas até o gerenciamento estratégico de uma
empresa, passando pela supervisão dos processos industriais e pela logística
da produção. (NEVES et al, 2007)
As técnicas desenvolvidas para o tratamento desses problemas atingiram hoje
um relativo grau de sofisticação tecnológica e formal, exigindo pessoal técnico
com formação específica para sua aplicação adequada.
Os cursos de engenharia elétrica, engenharia mecânica, engenharia de
produção, engenharia de controle e automação vêm se colocando na
contingência de munir seus estudantes de ferramentas que os possibilitem de,
no menor tempo possível, se adequarem ao cotidiano técnico de uma empresa
e, pelo maior tempo possível, estarem preparados para se atualizar
tecnicamente. Estes objetivos, em parte conflitantes, conduzem para a seguinte
questão: qual o compromisso ideal entre profundidade e abrangência quando
se leciona uma disciplina de automação industrial? De fato, as limitações de
tempo num curso de engenharia obrigam que se opte ou por aprofundar certos
tópicos da matéria, deixando o aluno sem visão de conjunto, ou por dar uma
idéia geral do problema, deixando lacunas na formação do estudante que
114
tornarão mais lento o acompanhamento dos avanços de seu campo de
trabalho. E assim, a formação de engenheiros qualificados para o futuro é
necessária equilibrando estas decisões sobre profundidade e abrangência.
O atual desenvolvimento da tecnologia e, em termos mais específicos, da
automação, levou ao surgimento de novas técnicas de implementação de
funcionalidades de forma a aperfeiçoar a produção industrial, a operação de
equipamentos, construção de dispositivos simples e baratos em larga escala e,
em último caso, fornecer um benefício ao usuário final. O aumento da
capacidade computacional dos dispositivos de processamento, o surgimento de
novas formas de comunicação industrial, com protocolos bem definidos e de
desempenho eficiente, o desenvolvimento de sistemas embarcados e
implementação em hardware, as novas formas de gerenciamento de
informações de produção, através de sistemas especializados, enfim, a
tecnologia evoluiu bastante e, a serviço da automação dispõe uma variedade
de alternativas para a implementação de formas mais eficazes na resolução de
problemas.
A seguir, serão discutidos alguns itens primordiais para a automação moderna:
1) Segurança e Confiabilidade em Sistemas Críticos
Ao avaliar este tema, identifica-se um sistema crítico em automação quando
está intimamente ligado ao risco de vida humana, desastres ambientais e
perdas econômicas. Para isso, há necessidade de o sistema de automação ser
avaliado até para situações que poderiam ser consideradas impossíveis de
acontecer. Nestas condições, estão os serviços de emergências hospitalares,
aviões, fábricas (do ponto de vista da economia), etc. (CABRAL,1999)
A segurança e confiabilidade decorrem da exaustiva execução das tarefas.
Porém, a segurança e a confiança ainda perpassam pela boa qualificação do
profissional que responde pela área específica do sistema. Em sistemas
críticos é essencial a busca por falhas que podem ocorrer e suas devidas
115
soluções no momento da ocorrência ou em tempo real. Não obstante disso
está a realização de redundância para todas as tarefas que o sistema irá
realizar. Isto caracteriza um Sistema de Tempo Real que pode ser classificado
em função das conseqüências oriundas de uma falha no cumprimento dos
limites de tempo especificados. Tal classificação está diretamente relacionada
com a natureza do elemento (objeto ou sistema) a ser controlado. Segundo
este ponto de vista, tem-se a seguinte classificação: Soft Real Time e Hard
Real Time (ou Sistema de Tempo Real Crítico) (CABRAL, 1999). Soft RealTime
são os sistemas em cuja falha no cumprimento dos limites de tempo não
acarreta em danos e/ou prejuízos significativos, tais como: sistemas que
envolvem compartilhamento de voz e de imagem, transações bancárias on-line,
dentre outros. Por outro lado, os sistemas ditos Hard RealTime (Tempo Real
Crítico) são aqueles cujas conseqüências de uma falha no cumprimento dos
limites de tempo podem ser catastróficas, ou melhor, o custo de tais falhas é de
uma ordem de grandeza que é superior à da própria utilidade do sistema, tais
como: controle de processos industriais, controladores de vôo, dentre outros. É
importante ressaltar que apesar da velocidade de execução freqüentemente
ajudar na construção de um eficiente Sistema de Tempo Real Crítico, este tipo
de sistema não deve necessariamente ser associado à velocidade (tempos de
resposta reduzidos).
A ordem de grandeza do tempo de resposta necessário para o sistema está
diretamente relacionada com o tipo de equipamento, processo ou sistema a ser
controlado. Além do escalonamento de tarefas, outro campo de interesse, a fim
de se garantir a confiabilidade de um Sistema de Tempo Real Crítico, é a
tolerância a falhas. Uma alta confiabilidade somente pode ser atingida com um
alto grau de tolerância a falhas. O sistema deve ser capaz de tolerar
determinados tipos de falhas e ainda concluir uma operação com sucesso. Isto
pode
ser
atingido
usando
redundância
de
hardware
e/ou
software,
escalonamento tolerante a falhas e estratégias de recuperação.
116
2) Otimização de Informações, no Sentido de Fornecer uma Interface
Homem Máquina Apropriada
O tempo de realização de uma determinada tarefa com rapidez e confiabilidade
é característica da sociedade moderna. Neste sentido a otimização de
informação, através de estudo da otimização, passa a ser um ponto de
destaque entre os desafios da automação. Ainda hoje existe ainda
compatibilidade de interface causando transtornos para os usuários que
dispõem de pouco conhecimento na área tecnológica, além de outros tipos de
conseqüências de um mal projeto de interface como perdas industriais,
econômicas, ecológicas e até de vidas humanas. A pesquisa na busca de
otimizar a automatização entre as interfaces é percebida no momento da
utilidade do equipamento de automação.
As empresas de grande reconhecimento no mercado de Hardware atuam na
compatibilidade de interfaces. Isso facilita para o mercado, pois o usuário pode
escolher com segurança e confiabilidade de interfaces compatíveis. Porém,
neste artigo, busca-se uma maneira de otimizar as informações sem a
interferência de hardware ou software. Neste sentido, há necessidade de
estabelecer um critério de detectar como estabelecer a otimização das
informações.
3) A questão do desemprego e a Qualificação de mão de obra
A complexidade crescente dos sistemas de automação, associada à
necessidade constante de novos desenvolvimentos, faz com que os seus
efeitos sobre o emprego tenham sido objeto de diversos debates. Desde o
início do século XIX, quando do surgimento dos primeiros teares automáticos,
muito se tem falado sobre a ameaça da substituição da mão-de-obra por
sistemas automáticos. Segundo tal ponto de vista, níveis crescentes de
automação conduzem a níveis também crescentes de desemprego. Sob outra
ótica, pode-se argumentar que a implantação e a manutenção de um processo
117
automatizado geram grandes necessidades de emprego, embora com um grau
de qualificação superior ao do trabalho substituído. O efeito líquido é de difícil
quantificação, pelo menos no curto prazo. Entretanto, há que se perguntar qual
a possibilidade de um trabalhador substituído pela automação vir a ser
empregado no novo processo, uma vez que isso pode significar uma mudança
completa em sua atividade original. (DEITOS, 2006).
Inicialmente, a implantação de processos automatizados na indústria tinha o
objetivo de alcançar maior produtividade e redução de custos. Contudo, a
experiência revelou que isso nem sempre é verdadeiro. O investimento para
implantação de sistemas automáticos é elevado e, além disso, a nova
instalação requer recursos, inclusive humanos, dispendiosos para sua
manutenção.
Atualmente, o principal motor da automação é a busca de maior qualidade dos
processos, para reduzir perdas (com reflexo em custos) e possibilitar a
fabricação de bens que de outra forma não poderiam ser produzidos, bem
como do aumento da sua flexibilidade.
Outra justificativa para os pesados investimentos em automação que têm sido
feitos é a segurança de processos industriais e de infra-estrutura críticos, pois a
automação tem sido vista como uma forma de minimizar o erro humano.
Entretanto, alguns acidentes graves em plantas químicas e nucleares têm
chamado a atenção para a possibilidade de ocorrência de eventos não
previstos pelos projetistas dos sistemas de controle. Nesses casos, a farta
disponibilidade de informações não-relevantes, ocupando tanto os sistemas
quanto seus operadores, fez com que irregularidades rapidamente evoluíssem
para catástrofes. Verificou-se também que nem sempre os operadores
possuem um conhecimento sobre o processo coerente com quem o projetou.
No antigo caso do tear, houve uma migração da inteligência do operador, que,
por meio de várias operações, produzia desenhos no tecido, para “dentro” da
máquina. É um caso semelhante ao dos tornos mecânicos, em que o
118
conhecimento do operador é “internalizado” na máquina-ferramenta por meio
de um programa, gerado autonomamente ou na atividade de projeto da peça. A
montagem de placas eletrônicas, necessariamente automática por causa das
minúsculas dimensões manuseadas, obedece a programas gerados durante o
projeto dessas placas.
A multiplicação dos exemplos leva sempre ao fato de que, independentemente
da natureza do processo ou do produto, o conhecimento está “embutido” no
sistema de controle automático e seus dispositivos. Isso é particularmente
importante na elaboração de políticas de atração de investimentos produtivos,
pois o fomento também às atividades de engenharia de produtos ou processos
associadas a esses investimentos é o primeiro passo no sentido do seu
“enraizamento”.
Por outro lado, as indústrias e atividades associadas à automação do controle
de processos podem representar um importante papel na geração de
empregos altamente qualificados em física, química, engenharia, software e
eletrônica e microeletrônica. Mais, a automação industrial pode contribuir para
canalizar atividades científicas para a criação de produtos com elevado
conteúdo tecnológico e alto valor agregado. Contudo, para que estes efeitos
benéficos se tornem realidade, é fundamental incrementar o valor agregado no
país aos produtos e serviços de automação que aqui são consumidos.
4) Os desafios das variáveis
Um dos grandes desafios da automação consiste em determinar com precisão
quais são as variáveis que devem ser manipuladas e em que magnitude, para
que as variáveis controladas se mantenham nos valores desejados. Os
cálculos efetuados com esse objetivo são incorporados aos algoritmos
executados pelos controladores, para emissão das ordens enviadas aos
atuadores. O procedimento mais adotado para esses cálculos e também o mais
tradicional é o denominado controle PID (Proporcional – Integral– Derivativo),
que se baseia nos desvios já ocorridos. Contudo, a pesquisa nesse campo é
119
intensa e outros procedimentos vêm sendo testados e implementados, como
sistemas especialistas e os baseados em lógica fuzzy, que incorporam a
experiência humana nos modelos de determinação das respostas de controle.
5) Desempenho de cada componente crítico
Como o sistema de automação precisa atuar de forma interativa, coordenada e
integrada, o desempenho de cada componente é crítico para a eficiência do
conjunto, o que, por sua vez, pode afetar o desempenho de toda a planta.
Entre os vários fatores que podem afetar o desempenho do sistema de controle
automático, podem ser citados os seguintes:
• a qualidade dos dispositivos sensores, controladores e atuadores, pois deles
dependem diretamente a precisão e a velocidade de resposta do sistema;
• as estratégias de controle adotadas, inseridas nos algoritmos executados pelo
controlador, as quais determinam as ações a serem executadas;
• as velocidades de processamento e de resposta do controlador;
• a qualidade da rede de comunicação de dados intra-sistema.
As novas redes, denominadas redes de campo, ou redes industriais
(Fieldbuses), trouxeram vários benefícios para a automação, tais como:
redução de custos de instalação da rede, pois técnicas como a multiplexação
fazem com que a mesma infra-estrutura seja capaz de transportar uma
quantidade de dados centenas de vezes superior; acesso remoto a dispositivos
para configuração, diagnóstico e detecção precoce de falhas, fornecendo
elementos para manutenção preditiva; distribuição de tarefas de controle a
dispositivos de campo sob supervisão central; e troca de informações entre
dispositivos como sensores, controladores e atuadores, todos conectados ao
mesmo barramento de controle, em tempo real. (PEREIRA, 2001).
Como desvantagens, podem ser citadas a necessidade de maior qualificação
dos usuários e das equipes de manutenção e o preço mais elevado dos
120
componentes individuais, que precisam incorporar elementos de comunicação
mais poderosos.
As redes industriais distinguem-se das redes de comunicação corporativas por
precisarem atender a requisitos mais rigorosos de resistência mecânica, por
serem compatíveis com ambientes agressivos e corrosivos, com operação em
temperaturas elevadas, e por possuírem maior imunidade a interferências
eletromagnéticas.
6) A questão da Concepção e projeto de dispositivos
É a etapa com maior conteúdo de trabalho criativo, que requer a participação
de equipe multidisciplinar constituída por pessoal especializado das áreas de
ciências dos materiais, ciências da computação, engenharia mecânica,
eletrônica e elétrica. Suas atividades incluem:

Elaboração de normas e protocolos de automação;

Desenvolvimento de software produto;

Elaboração de estratégias de automação e controle. As estratégias são
determinadas por atuação conjunta da engenharia de controle e da
engenharia de processo, que conhecem as variáveis relevantes e suas
relações de causa e efeito;

Especificação e dimensionamento dos sistemas de Instrumentação;

Projeto de detalhamento do sistema de automação;

Desenvolvimento e implantação de novas técnicas de controle
avançado. Envolve a utilização de sistemas especialistas, programação
de MPC (controlador preditivo multivariável) etc;

Fabricação de dispositivos de automação;

Desenvolvimento da aplicação de software;

Projeto da rede industrial. Projeto da rede de comunicação de dados
entre os instrumentos de campo e os equipamentos de controle e
supervisão, com definição da forma de transmissão de dados, de
protocolos de comunicação e dimensionamento e especificação do
121
cabeamento e dos dispositivos e/ou equipamentos de transmissão e
recepção;

Implantação e operação do sistema de automação. Envolve seleção,
aquisição, instalação, adaptação, ajuste,configuração e teste dos
instrumentos, dispositivos, equipamentos e software que constituem a
plataforma de automação, bem como da rede de comunicação de
campo, e a sua integração.
7) As redes Fieldbus
A aplicação das redes Fieldbus representou um grande passo tecnológico na
automação industrial trazendo, dentre outros avanços, uma grande redução de
custos com cabeamento. Entretanto, essa eliminação ainda não foi integral,
pois os problemas gerados pelos cabos ainda permanece, tais como ruído, má
instalação, espaço na planta para que os cabos sejam encaminhados até a
sala de controle, altos custos, dentre outros.
Alem desses problemas, existem aplicações específicas em que não é possível
encaminhar cabos até os instrumentos, a exemplo das plataformas de petróleo,
onde existem instrumentos e válvulas operando na região dos poços de
petróleo.
Da ultima década até os dias atuais, os sistemas de automação de processos
das plataformas de petróleo e gás do Brasil incorporaram muitas novas
tecnologias. Uma das mais importantes foram os sistemas de controle de
processo baseados na tecnologia Foundation Fieldbus – FF. As exigências,
cada vez maiores, de dados precisos de produção de segurança obrigam as
unidades offshore de prospecção de petróleo e gás a seguir normas cada vez
mais rígidas. Nesse cenário, a busca por novas tecnologias que possam
agregar confiabilidade, eficiência, otimização, redução de custo e menor tempo
de manutenção, é um caminho sempre seguido por esse segmento de
mercado.
122
VANTAGENS: O menor tempo para implantação, a grande flexibilidade, o
grande numero de fornecedores para a tecnologia, a possibilidade de controle
distribuído no campo e a rapidez para diagnostico e resolução de problema são
algumas características que podem fazer da FF um padrão para os sistemas
de controle de plataforma no Brasil.
123
124
4.
A Prospecção Tecnológica Como Ferramenta de
Competitividade
A necessidade de aumento da competitividade por parte de organizações e
países pode ser explicada, em parte, pelo grande desenvolvimento das
tecnologias da informação. Isso tem levado o mundo ao que se denomina
“aldeia global”, fazendo com que os países e as organizações se encontrem
frente a um mercado global altamente competitivo. Esse aumento nos níveis
competitivos faz com que a antecipação das mudanças tecnológicas se torne
um fator importante, levando a que a capacidade de uma empresa, indústria ou
país em identificar novas tecnologias e tomar ações apropriadas seja de vital
importância.
O comportamento dinâmico e as inter-relações entre os componentes de uma
sociedade provocam modificações nas demandas por tecnologia, sendo esta
considerada
um
importante
componente
para
a
sobrevivência
das
organizações e, de certa forma, para o crescimento da sociedade como um
todo, trazendo a possibilidade de se criar novas oportunidades. Neste contexto,
fazem-se mais do que necessário os estudos de prospecção tecnológica,
fundamentados principalmente por quatro fatores:
• o crescimento dos mercados, e o conseqüente aumento da produção
necessitam cada vez mais de sistemas estruturados de inovação e
organizações e
serviços
baseados no conhecimento.
Isto tem
aumentado a relevância dos investimentos em ciência e tecnologia.
Como tais investimentos são, a princípio, elevados e de certa forma
arriscados, a utilização de ferramentas que possam auxiliar no
direcionamento desses investimentos tem se tornado cada vez mais
freqüente entre países e organizações;
125
• a restrição e a justificativa aos gastos públicos têm se tornado comum
em vários países, independente de seu grau de desenvolvimento.
Assim, todo investimento público, além de justificado, deve mostrar seu
grau de relevância ao país ou setor;
• as modificações sofridas pela gestão da produção, no que se refere ao
aumento de flexibilidade nas tomadas de decisões, trabalho em equipe e
maior enfoque nas relações empresa-cliente, bem como maior ênfase
nos processos de “aprendizagem” e “conhecimento” suscitam a maior
necessidade de se desenvolverem “visões compartilhadas sobre o futuro
da organização e os fatores sociais que afetam sua criação”;
• as mudanças sofridas no processo de geração do conhecimento, que
se caracteriza por uma maior interdisciplinaridade e heterogeneidade de
áreas. Sua construção se dá através da contextualização de aplicação,
onde se espera que ocorram parcerias e da criação de redes de
informações entre pesquisadores e usuários, que de alguma forma se
beneficiam com a pesquisa.
A análise prospectiva é uma importante ferramenta de gestão que se apóia na
premissa da complexidade e na necessidade de explorar e entender uma teia
de relações complexas, para se estabelecer possíveis alternativas de futuro.
Entre muitos possíveis usos, a prospecção tecnológica pode indicar
oportunidades e ameaças ao desenvolvimento tecnológico, setorial e regional,
apontando gargalos, limitações, oportunidades e demandas por tecnologias.
Entre várias definições de prospecção tecnológica, pode-se citar que é um
meio sistemático de mapear desenvolvimentos científicos e tecnológicos
futuros capazes de influenciar de forma significativa uma indústria, a economia
ou a sociedade como um todo.
Diferentemente das atividades de previsão clássica, que se dedicam a
antecipar um futuro suposto como único, os exercícios de prospecção são
126
construídos a partir da premissa de que são vários os futuros possíveis e são
conduzidos de modo a “construir conhecimento”, ou seja, buscam agregar valor
às informações do presente, de modo a transformá-las em conhecimento e
subsidiar os tomadores de decisão e os formuladores de políticas destacando
rumos e oportunidades para os diversos atores sociais.
Fazer prospecção significa identificar quais são as oportunidades e
necessidades mais importantes para a pesquisa no futuro, sem perder de vista
que os desenvolvimentos científicos e tecnológicos são resultantes de
complexa interação entre diferentes fatores, da existência e ação de atores
sociais diversos, de trajetórias tecnológicas em evolução e competição, de
visões de
futuro
conflitantes,
de
urgentes necessidades sociais,
de
oportunidades e restrições econômicas e da crescente consciência ambiental.
Os processos sistemáticos de analisar e produzir julgamentos sobre
características de tecnologias emergentes, rotas de desenvolvimento e
impactos potenciais no futuro estão inseridos no conceito de Technology Future
Analysis, que incorpora uma grande variedade de métodos de prospecção
tecnológica. Neste sentido, TFA busca integrar conceitos de technology
foresight e assessment studies, predominantes no setor público, e de
technology forecasting e intelligence, mais ligados à demandas do setor
privado.
Um estudo prospectivo envolve o uso de múltiplos métodos ou técnicas,
quantitativos e qualitativos, de modo a se obter a complementaridade. Uma vez
que não faz sentido definir uma fórmula pronta para uma metodologia de
prospecção, a escolha dos métodos e técnicas e seu uso dependem
intrinsecamente de cada situação. São considerados aspectos tais como
especificidades da área de conhecimento, aplicação das tecnologias no
contexto regional ou local, governamental ou empresarial, abrangência do
exercício, horizonte temporal, custo e objetivos. Mesmo que nenhuma técnica,
em específico, possa eliminar as incertezas sobre o futuro, um processo
127
estruturado que permita se previr o futuro tecnológico e avaliar as tecnologias
emergentes pode ser de grande ajuda para a tomada de decisão tecnológica.
Dentro do contexto da inovação, a prospecção tecnológica auxilia no sentido de
1) promover canais e linguagens comuns para a circulação de informação e
conhecimento de caráter estratégico para a inovação;
2) Fornecer mais
inteligência antecipativa inserida no processo de tomada de decisão em
ciência, tecnologia e inovação; 3) Incorporar visões de futuro no pensamento
dos atores sociais envolvidos no processo de tomada de decisão e de criação
de redes; e 4) Apoiar as decisões relativas ao estabelecimento de prioridades
para P&D, gestão dos riscos das inovações tecnológicas, melhoria da
competitividade tecnológica de produtos, processos e serviços.
Quanto às estratégias de execução, de modo geral, consideram-se dois
grandes pontos de partida simultaneamente, uma vez que são essencialmente
complementares:
Evolução Tecnológica: busca-se, a partir do referencial tecnológico, estudar
as características das trajetórias tecnológicas consolidadas e identificar
possíveis desdobramentos e principais condicionantes, além de identificar
trajetórias emergentes e/ou alternativas. Neste caso, por meio da gestão da
informação se pode visualizar o estado-da-arte e as tendências de determinado
setor ou tema, com o objetivo de gerar informações sobre a sua trajetória
passada e sobre as perspectivas futuras, bem como emitir a percepção sobre
tendências inovadoras não consensuais.
Evolução Sócio-Institucional: busca-se examinar as maneiras pelas quais a
ciência e a tecnologia se relacionam com a evolução da sociedade em distintos
cenários. Para isso busca-se avaliar os possíveis impactos de diferentes
estratégias de C&T no desenvolvimento, identificar incentivos e restrições
sociais, políticas, econômicas e institucionais para as diferentes trajetórias de
C&T, além de identificar e analisar a opinião pública e seu conjunto de valores.
128
As principais variáveis que compõem o escopo dos estudos de prospectiva
tecnológica podem ser assim consideradas:
• comunicação entre diferentes grupos: pesquisadores de diferentes
campos científicos, tecnológicos, mercadológicos e etc, usuários e
financiadores.
• concentração em um futuro de longo prazo, o que de certa forma não é
um processo rotineiro comum.
• coordenação entre pesquisadores e usuários, das atividades científicas
e tecnológicas futuras.
• consenso sobre os futuros mais prováveis, desejáveis e tendências e
as prioridades para a pesquisa e desenvolvimento.
• compromisso dos participantes com os resultados obtidos e na
tentativa de converter em ação as informações obtidas no estudo
prospectivo.
Métodos e Técnicas:
As diferentes abordagens, métodos e técnicas podem ser consideradas
como um meio para aperfeiçoar a atividade prospectiva e seus resultados. A
lista de campos de estudo relacionados com a temática de explorar o futuro é
grande e tende a crescer ainda mais. Uma simples revisão dos termos na
literatura identifica diferentes denominações para grupos e estruturas
conceituais, tais como: technology forecast, technology foresight, social
foresight, technology assessment, monitoring (environmental scanning, veille
technologique, vigilância tecnológica), prospective studies, roadmapping,
scenarios studies, multicriteria decision analysis, competitive intelligence, etc.
Métodos e técnicas tendem a diferir em abordagens e em habilidades
requeridas. Podem ser classificados como "hard" (quantitativos, empíricos,
numéricos) ou "soft" (qualitativos, baseados em julgamentos ou refletindo
129
conhecimentos tácitos). Muitos métodos e técnicas atualmente em uso se
originam de outros campos do conhecimento, tais como modelagens e
simulações e se valem das facilidades aportadas pela tecnologia da informação
coletando e tratando grandes quantidades de dados disponíveis de forma
eletrônica para identificar tendências através de processos de "mineração de
dados".
130
4.1.
Metodologia
A metodologia adotada nesse projeto, baseada na demanda especificada pelo
SENAI foi organizada em duas partes, análise de artigos e de patentes
organizada da seguinte forma:
Foi realizada uma análise de artigos e patentes na base de dados SCIRUS,
que
é
uma
máquina
(http://www.scirus.com).
de
procura
especializada
em
ciência
Foram determinados os critérios de busca e a
metodologia de acordo com a demanda especificada pelo SENAI. Inicialmente,
realizou-se uma pesquisa na literatura e uma busca preliminar de artigos e
patentes, visando identificar possíveis palavras-chaves relevantes para o
projeto. Norteados pelo artigo “Future Trends in Process Automation”, de
Sirkka-Liisa Jamsa-Jounela, da Helsinki University of Technology, Laboratory of
Process Control and Automation de 2007,
as palavras-chave específicas
escolhidas foram os grupos de tecnologias: “Fieldbus”, “Ethernet” e “Wireless”,
que, posteriormente, foram individualmente cruzadas com a expressão
“Industrial process automation”.
Em relação ao intervalo temporal, utilizaram-se os limites que a base de dados
oferece, ou seja, de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para
artigos quanto para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a 2009. Em
relação às áreas relacionadas, com o intuito de filtrar os documentos que
possivelmente fugiriam do assunto, restringimos em: Chemistry and Chemical
Engineering; Computer Science; Economics, Business and Management;
Engineering, Energy and Technology; e Material Science. E, para os artigos, foi
dada ênfase na fonte da Science Direct.
Todos os artigos e patentes identificados foram organizados e analisados de
acordo com o assunto predominante, como por exemplo: Equipamentos,
quando o foco do material é algum equipamento, como sensores e
131
controladores; Sistemas, quando se trata de algum método ou sistema
específico de controle ou transmissão de dados. Os outros grupos podem ser
conferidos a seguir, nas análises de assuntos dos artigos e patentes.
4.2.
Análise de Artigos
Seguindo a metodologia acima descrita, no tocante a artigos, foram
encontrados 56 para tecnologia “Fieldbus”, 183 para tecnologia “Ethernet” e
344 para tecnologia “Wireless”. Após análise preliminar, excluindo-se os artigos
irrelevantes, os repetidos ou aqueles sem informações (apenas o título), foram
analisados respectivamente 42, 72 e 80 para cada palavra-chave, cruzando
ainda com o termo “industrial process automation”.
N° de
N° de
Artigos
Artigos
encontrados
relevantes
56
42
183
72
344
80
TOTAL
583
195
Cruzamentos de palavras-chave
utilizadas na busca
Tabela 4 – Metodologia de busca de artigos
Fonte: Elaboração Própria
4.2.1. Análise Temporal
Através dos resultados obtidos, foi realizada uma análise temporal dos artigos,
que é capaz de mostrar a evolução e o estado-da-arte das tecnologias.
Inicialmente, temos que, para a tecnologia “Fieldbus”, o primeiro pico em
número de publicações foi atingido em 2001 e, após um leve decréscimo nos
anos posteriores, voltou a ser atingido em 2007, em níveis maiores. Esse
comportamento pode ser observado na figura 42.
132
10
9
8
Número de Artigos
7
6
5
4
3
2
1
0
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 abr/09
Ano
Figura 42 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Observando-se a figura 43, nota-se que para a tecnologia “Ethernet”, a
quantidade de publicações seguiu em níveis crescentes desde o primeiro ano,
1995, tendo os ápices em 2002, 2005 e 2007 e um decréscimo a partir de
2008.
Figura 43 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
133
Em “Wireless”, na figura 44, percebe-se que o comportamento é mais
oscilatório, intercalando, anualmente, entre quedas e aumentos na quantidade
de publicações, tendo o máximo sido atingido em 2007, tal qual o ocorrido para
“Fieldbus”.
Figura 44 – Análise temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
4.2.2. Distribuição dos artigos por país
Com relação à distribuição do número de artigos por país do autor, tem-se que,
para “Fieldbus” e “Ethernet”, a parceria entre pesquisadores de países
diferentes obteve maior destaque e, em “Wireless”, o maior número de
publicações advém dos Estados Unidos, que também merece menção nas
outras duas tecnologias, onde obteve o 2o lugar no ranking. Para o Brasil, o
maior número de artigos publicados foi em “Fieldbus”, onde está logo abaixo
dos Estados Unidos; nas demais tecnologias, há uma grande lacuna entre o
número de publicações brasileiras e a quantidade das nações que estão nas
134
primeiras posições do ranking. Todo este comportamento pode ser observado
nas figuras 45, 46 e 47 a seguir.
Figura 45 – Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
135
Figura 46– Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
136
Figura 47 – Análise de países do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
137
4.2.3. Distribuição dos artigos por fonte de informação
(periódicos, congressos, conferências, teses)
Quando se está delineando o estado-da-arte de uma tecnologia, um fator
relevante a ser estudado é onde as informações estão sendo divulgadas, ou
seja, quais são os periódicos que abordam determinado assunto. Neste
sentido, para “Fieldbus” e “Wireless” observa-se que os principais periódicos
são “Annual Reviews in Control”, seguida da “Computers in Industry”. Os
mesmos periódicos merecem
destaque
para
“Ethernet”, todavia
com
posicionamento invertido, “Computers in Industry”, seguida de “Annual Reviews
in Control”. Nas figuras 48, 49 e 50 a seguir, podem-se observar outras fontes
de informação que merecem destaque.
Figura 48 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Tabela 5 – Fontes de informação com menor destaque e com apenas 1 artigo
do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
138
Figura 49 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
139
Figura 50 – Análise de fontes de informação do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
140
4.2.4. Distribuição dos artigos por origem do autor
Além das fontes de publicações, é importante delinear onde estão as fontes de
conhecimento, ou seja, universidades, empresas, centro de pesquisas ou
associações entre estas partes. Para todas as tecnologias, o conhecimento
advém, em grande parte, das universidades. Para “Fieldbus” são 76%, para
“Ethernet”, 83% e, para “Wireless”, 75%. Para “Fieldbus” e “Ethernet”, o
segundo destaque são parcerias entre empresas e universidades e, para
“Wireless”, as pesquisas são oriundas das empresas. Este comportamento
pode ser observado nas figuras 51, 52 e 53 a seguir.
Figura 51 – Análise da origem dos autores dos artigos
do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
141
do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
142
4.2.5. Objetivo dos artigos
Quanto aos objetivos dos artigos, de uma maneira geral, estão o “Diagnóstico
de falhas”, “Descrição de sistemas e estabelecimento de novas arquiteturas”,
“Otimização”, “Interoperabilidade de redes”, “Estabelecimento de redes
híbridas”, “Aumento de escala de sistemas”, “Teste de algoritmos”, “Simulação
de modelos matemáticos”, “Redução de custos de redes” e “Estabelecimento
do estado-da-arte da automação industrial”.
4.2.6. Distribuição dos artigos por assunto
Visando aprofundar nossa análise, todos os artigos de cada grupo (Fieldbus,
Ethernet e Wireless) foram classificados de acordo com o assunto
predominante: “Sistema”, quando o foco principal do artigo é o aprimoramento,
o teste, a descrição ou diagnóstico de falhas de sistemas, ou redes de
automação; “Software” quando o foco principal do artigo é o desenvolvimento
ou estudo de softwares de automação; “Equipamento”, quando o foco principal
do artigo é a utilização, o aprimoramento, o teste ou o diagnóstico de falhas de
sensores e/ou outros equipamentos de automação; “Algoritmo” quando o foco
principal do artigo é um algoritmo alternativo ao tradicional binário; “Aplicação”
quando o foco principal do artigo é a aplicação específica de um sistema ou
equipamento em automação; “Análise de tendências” quando o foco principal
do artigo é delinear o panorama atual da automação industrial e, portanto,
tange todos os demais assuntos; “Simulação” quando o foco principal do artigo
é a simulação de modelos matemáticos que descrevem determinado sistema
ou algoritmo. A tabela 8 sintetiza a classificação dos artigos para cada grupo de
tecnologias estudadas.
143
Assunto
Fieldbus
Ethernet
Wireless
Sistema
70,7%
61,8%
44,0%
Análise de tendências
9,8%
7,4%
24,0%
Equipamento
7,3%
8,8%
12,0%
Software
0,0%
5,9%
8,0%
Algorítmo
4,9%
4,4%
2,7%
Aplicação
2,4%
5,9%
6,7%
Sistema/Equipamento
4,9%
1,5%
0,0%
Simulação
0,0%
4,3%
2,6%
Tabela 8 – Distribuição dos artigos por assunto
Observa-se na tabela 8 que, para todas as tecnologias, o destaque na
classificação de assuntos é para “Sistema”. Em segundo lugar tem-se, para
“Ethernet”, o estudo de “Equipamento” e, para “Fieldbus” e “Wireless”, a
“Análise de Tendências”.
A categoria “Sistema”, onde está se destacando os subgrupos de tecnologias,
será melhor detalhada no item 4.4 do presente trabalho.
Dentre a categoria “Equipamento” estudada nos artigos, pode-se destacar, na
tecnologia “Fieldbus”, aqueles para registro de imagens médicas. No caso de
“Ethernet”, temos a concepção de “narizes eletrônicos” compostos de sistemas
multi-sensores para detecção de gases poluentes e estudo de sensores de
gás, de maneira geral. Já para “Wireless”, tem-se o estudo de sensores,
protótipos e fibra ótica.
Na categoria “Software”, em “Ethernet” tem-se os seguintes estudos:
desenvolvimento de sistemas de software, seguido de testes destes por
simulação para componentes “object-oriented”; design e desenvolvimento de
interface para sistemas “real-time” distribuídos; pontos críticos do sistema
144
“DataMining Grid” (flexibilidade, extensibilidade , escala, eficiência, simplicidade
conceitual e facilidade de uso); estudo evolutivo de métodos computacionais
em engenharia de software de teste; e, mudança de plataforma que podem
afetar o comportamento do software determinístico e portátil do sistema “realtime”; já em “Wireless”, destaca-se a descrição de um software de tomada de
decisão.
Na categoria “Algoritmo”, pode-se destacar tanto em “Fieldbus” quanto em
“Ethernet”, aquele que se baseia na lógica fuzzy que se trata de uma lógica
multi-valores derivada da teoria “fuzzy set”.
Por fim, para tecnologia “Fieldbus”, na categoria “Aplicação” o monitoramento
de corrosão geral ou localizada em canos e vasos.
4.2.7. Setores de atuação
Ao se analisar todo o conteúdo dos 195 artigos, encontrou-se uma diversidade
de setores de atuação que foram analisados e organizados de acordo com sua
maior relevância.
Foi possível detalhar, para todas as tecnologias estudadas ( Fieldbus, Ethernet
e Wireless), os principais setores de atuação de seus respectivos artigos. De
uma maneira geral o principal setor de atuação são as indústrias
automatizadas.
Pode-se observar que nas três tecnologias estudadas, a maior parte dos
artigos analisados apontou para “Aplicações industriais em geral”, não sendo
específico para um segmento industrial propriamente dito.
Além disso, cabe destacar que apareceram, ao longo das pesquisas, diferentes
setores de atuação para as tecnologias estudadas, que não se enquadram no
145
escopo do presente trabalho, como por exemplo, setores “Comércio e
Financeiro”, “Construção Civil”, e “Aplicações Militares”.
Quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x
Fieldbus”, observa-se um ranking em relação aos setores de automação, de
acordo com a tabela 9.
Setor
Número de artigos
Aplicações Industriais em Geral
40,0%
Indústria Química e Petroquímica
15,0%
Sistemas mecatrônicos e Robótica
10,0%
Medicina
5,0%
Comunicação
5,0%
Manufatura
5,0%
Metalurgia
5,0%
Aplicações Militares
5,0%
Indústria de Energia
5,0%
Indústria Biotecnológica
5,0%
Tabela 9 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Fieldbus
O maior número de artigos específicos foi para “Aplicações industriais em
geral”, onde os principais assuntos são “Arquitetura de controles metamórficos
para sistemas de fábrica” e “Sistemas de controle”.
Em segundo lugar temos a “Indústria Química e Petroquímica” que teve o total
de 15%, dentre os principais assuntos tratados neste setor estão “As futuras
tendências na automação de processos”, “Arquitetura de hardwares de
sistemas operacionais” e “Controle de plantas químicas e petroquímicas”.
Em terceiro lugar estão os “Sistemas Mecatrônicos e Robótica” onde os artigos
citam a apresentação da estrutura de comunicação necessária para desenhar e
implementar a arquitetura de robôs e apresentação de um layout de estrutura
padrão, estruturados através do modelo de sistema de operação multiuso, de
forma a desenvolver um bom entendimento e mecanismo genérico.
146
Já quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x
Ethernet”, observa-se a seguinte tabela 10.
Tabela 10 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra -chave Ethernet
Quando a palavra-chave é Ethernet, observa-se que grande parte dos artigos
focou em “Sistemas Mecatrônicos e Robótica”, no entanto muitos ainda
apresentaram características genéricas e foram alocados em “Aplicações
industriais em geral”. Essa generalização se deve ao fato de Ethernet ser uma
arquitetura de interconexão de computadores em rede de alta velocidade, que
define tipos de cabos, conectores, sinais elétricos, ópticos e protocolos de
comunicação que são conceitos fundamentais nesses setores.
Em terceiro lugar observa-se “Sistemas de Automação”, onde os principais
assuntos são a construção de sistemas no complexo de automação baseado
na simulação de componentes básicos e diagnósticos de falhas no sistema de
controle.
Quando o estudo foi feito para o cruzamento “Industrial process automation x
Wireless”, pode-se observar a seguinte tabela 11.
147
Tabela 11 – Divisão de artigos por setor de atuação para a palavra- chave Wireless
Para a análise dos artigos do cruzamento “Industrial process automation x
Wireless”, é possível observar que o maior número de artigos foi para
“Aplicações Industriais em geral”, corroborando com o fato que as redes locais
sem fio constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio,
fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível de fácil
configuração e com boa conectividade e dessa forma se encaixam bem na
maioria dos setores.
Além disso, é possível observar que a maior diversidade de setores específicos
foi obtida através da palavra-chave Wireless. “Comércio e Financeiro” foi o que
obteve maior freqüência com 12,3% dos artigos.
4.2.8. Subgrupos de tecnologias
Alguns dos artigos analisados continham subgrupos de tecnologias, isto é,
derivações das tecnologias estudadas. Estas derivações tanto podem ter sido
desenvolvidas pelo próprio autor, como podem ser citações de subgrupos de
domínio público. A figura 54 mostra a alocação destes subgrupos nas
148
tecnologias estudadas que, conforme citado anteriormente, serão melhor
detalhados no item 4.4 deste trabalho.
Ethernet
PLC
DCS
TCP/IP
OPNET
CAN LAN
CNC
CIDER
TDL
CSMA/CD CAN-bus
STEP-NC
LAN-TCP
WATM
Distributed Real-time system
PCDS
CAD
ERP
PDA
SCM
NCS
FMS
Distributed Embedded System
Wireless LANCIM
Profibus
FLEXICON
IMS LonWorks
CORBA
Wireless mesh networks
Fieldbus
NCS
Profibus
Fieldbus Foundation
DCS
LonWorks
CSMA/CD
CAN
WATM
FMS-Profibus
MCS
FoundationTM Protocol
OPNET
TIPPtool
Simplebus
CORBA
ATM´s QoS Control
Wireless sensor networks
DOC
Wireless
CAN
DCS
WLANs
SCM
NCS
DRES
CIM
Embedded system
Wireless LAN
PDA
CBM
WiMax
Wireless sensor networks
CAP
WiMax
Neuro fuzzy controller
Profibus
ERP
ATM´s QoS Control
Rtnet
WATM
WPANs
MMS
WMANs
Wireless mesh networks
FMS
FMFNNs
Real-time system
AEM
PLM
LonWorks
Figura 54 – Subgrupos de Tecnologias
149
4.3.
Análise de Patentes
Com relação à análise das patentes, foram realizadas as buscas de acordo
com a metodologia descrita anteriormente. No total, foram encontradas 388
patentes, sendo que, retirando as repetidas e as que não eram pertinentes,
fica-se com um total de 305 patentes. A tabela 12 apresenta os resultados das
buscas para cada cruzamento.
N° de
N° de
Patentes
Patentes
encontradas
relevantes
42
32
126
104
220
169
TOTAL
388
305
Cruzamentos de palavras-chave
utilizadas na busca
Tabela 12 – Metodologia de busca de patentes
4.3.1. Análise Temporal
Através dos resultados obtidos pela busca, foi realizada uma análise temporal
das patentes, que é capaz de mostrar a evolução das tecnologias. Lembrando
que a busca foi feita em todos os limites que a base de dados oferece, ou seja,
de 1900 a 2009, porém, os resultados encontrados tanto para artigos quanto
para patentes, se localizaram no intervalo de 1995 a 2009. Os gráficos a seguir
mostram os resultados para cada um dos três cruzamentos: Fieldbus, Ethernet
e Wireless.
150
Figura 55 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Figura 56 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
Figura 57 – Análise Temporal do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
151
Com os resultados anteriores, pode-se destacar que no primeiro cruzamento,
“industrial process automation x Fieldbus”, o ano que obteve destaque foi o de
2006, com o maior número de depósitos de patentes, seguido de um relativo
declínio nos anos seguintes. No segundo grupo de patentes, relativo ao
cruzamento “industrial process automation” com “Ethernet”, o ano de 2006 é
também o que apresenta maior destaque. Pode-se perceber que o período com
o maior número de patentes vai de 2003 até 2007. Finalmente, na análise do
último cruzamento com a palavra-chave “Wireless”, é possível perceber que o
surgimento de depósitos de patentes ocorre no ano de 2001, mostrando ser a
tecnologia mais recente de todas e, o ápice recai sobre o ano de 2005, com
mais de 30 patentes.
4.3.2. Países depositantes de patentes
A análise dos países depositantes das patentes é importante, visto que com ela
pode-se perceber a origem das tecnologias e inovações. No caso dos três
grupos, os Estados Unidos se destaca com mais de 50% das patentes em cada
caso.
GrãBretanha
3%
Alemanha
Arábia
6%
Saudita
3%
Austrália /
Estados
Unidos
6%
Canadá
10%
Estados
Unidos
69%
Dinamarca
/ Estados
Unidos
3%
Figura 58 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
152
Taiwan
3%
GrãBretanha
2%
Outros
(Com 1
patente)
8%
Alemanha
8%
Austrália /
Estados
Unidos
2%
Coréia do
Sul
2%
Japão
4%
Estados
Unidos
71%
Figura 59 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
Outros
(Com 1
patente)
9%
Rússia
1%
Suécia /
Alemanha
1%
Taiwan
3%
Suécia
1%
Finlândia
2%
Estados
Unidos /
GrãBretanha
2%
Áustria
1%
Alemanha
China
7%
1% Coréia
do Sul
7%
Japão
7%
Estados
Unidos
58%
Figura 60 – Análise de Países do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
Outros pontos a
se
destacar são algumas parcerias entre
países,
principalmente dos Estados Unidos com Grã-Bretanha, Austrália e Dinamarca.
Pode-se perceber também no primeiro grupo de patentes há um número de 7
países envolvidos nos depósitos das mesmas, no segundo grupo, um número
um pouco maior e, no terceiro grupo, há 16 países no grupo de depositantes
das patentes do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”, o que
153
mostra uma expansão do interesse mundial em inovações a respeito de
controle de processos industriais.
4.3.3. Depositantes das Patentes
A partir das informações das patentes selecionadas, foram listados os
depositantes de cada grupo, como se pode observar nas tabelas 13, 14 e 15.
A empresa que se destacou no primeiro grupo de patentes oriundas do
cruzamento de “industrial process automation” com “Fieldbus” foi a “Rosemount
Inc”, uma empresa especializada em desenvolver instrumentos de medição de
variáveis de processo, tais como: pressão, temperatura, vazão, nível e
controles de intertravamentos de segurança (são lógicas de segurança
implementadas fisicamente ou através de linguagem de programação que
garantem a segurança em aplicações de risco). A “National Instruments
Corporation”, empresa que comercializa softwares gráficos e hardwares que
auxiliam a otimização de diversos sistemas, inclusive automação de processos,
ficou em segundo lugar em depósitos de patentes neste grupo.
154
Depositantes
N° de Patentes
País de Origem
Atividades
Rosemount Inc
8
Estados Unidos
Equipamentos de Controle e
Automação
5
Estados Unidos
3
Estados Unidos
Husky Injection Molding
3
Canadá
Tridium Inc
2
Estados Unidos
Saudi Arabian Oil Co
Phoenix Contact GmbH &
Co.
1
Arábia Saudita
1
Alemanha
Ncapsa Ltd
1
Reino Unido
Micro Motion Inc
1
Estados Unidos
Invensys Sys Inc
1
Estados Unidos
Fieldbus Foundation
Cooley Godward, LLP
ABB Patent GmbH
Próprio Inventor
1
1
1
3
Estados Unidos
Estados Unidos
Alemanha
-
National Instruments
Corporation
Rockwell Automation Tech
Inc
Softwares / Interfaces
Gráficas
Automação
Automação
Gráficas
Petrolífera
Automação
Gráficas
Automação
Automação
Arquiteturas / Sistemas
Outros
Outros
-
Tabela 13 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Após uma análise das atividades das empresas depositantes deste primeiro
grupo, chega-se aos resultados da Figura 61. A maioria delas com 46% exerce,
principalmente, um trabalho de pesquisa, desenvolvimento e comercialização
de equipamentos de controle e automação de processos, tais como: válvulas,
sensores, controladores, transmissores, entre outros. Em seguida, ficam as
empresas desenvolvedoras de sofwares e interfaces gráficas, responsáveis
pela otimização e gerenciamento dos controles de processos.
155
Figura 61 – Classificação das Empresas depositantes das patentes
do cruzamento “industrial process automation x Fieldbus”
No segundo grupo de patentes, o maior número foi daquelas depositadas pelos
seus próprios inventores, não estando ligadas a alguma empresa ou instituição.
Em segundo lugar aparece a “Rockwell Automation Tech Inc”, empresa de
tecnologia que fornece equipamentos de controle e automação industrial,
consultoria para soluções de problemas e softwares para otimização de
sistemas.
156
Depositantes
N° de Patentes
País de Origem
Rockwell Automation Tech Inc
9
Estados Unidos
Siemens
8
Alemanha
Microsoft Corporation
7
Estados Unidos
Rosemount Inc
6
Estados Unidos
5
Estados Unidos
2
Estados Unidos
Chipcon AS
2
Estados Unidos
Lg Electronics Inc
2
Coréia do Sul
Schneider Automation Inc
2
França
Sun Microsystems Inc
Tridium, Inc
2
2
VIA Technologies, Inc
2
Estados Unidos
Estados Unidos
Taiwan
National Instruments
Corporation
Applied Systems Intelligence,
Inc
Empresas com 1 depósito
somente
Próprio Inventor
27
27
Atividades
Automação
Automação
Softwares / Interfaces Gráficas
Automação
Automação
Automação
Outros
Automação
-
Automação
-
-
-
Tabela 14 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
De acordo com a Figura 62, que mostra a classificação da atividade das
empresas deste segundo grupo, a maioria delas, com 59%, também é referente
a Equipamentos de Controle e Automação e em segundo, com 33%, as
desenvolvedoras de softwares e interfaces gráficas.
157
8%
33%
59%
Equipamentos de Controle e Automação
Outros
do cruzamento “industrial process automation x Ethernet”
No último grupo, de acordo com a Tabela 15, o resultado anterior se repete,
tendo o maior número de patentes depositadas pelos próprios inventores. A
“Rockwell Automation Tech Inc” aparece também em segundo lugar e a
“Siemens” em terceiro.
Pode-se destacar a presença de empresas especializadas em equipamentos e
sistemas de controle de processos, tais como a: “Rockwell Automation Tech
Inc”, “Rosemount Inc” e a “National Instruments Corporation”, bem como o
surgimento do interesse em controle de processos de empresas como a
“Microsoft Corporation” e a “Lg Eletronics”, líderes em desenvolvimento de
tecnologias para eletroeletrônicos e eletrodomésticos de consumo.
158
Depositantes
N° de
Patentes
País de Origem
Rockwell Automation Tech Inc
14
Estados Unidos
Siemens
11
Alemanha
Atomate Corp
7
Estados Unidos
Microsoft Corporation
5
Estados Unidos
Amerasia Internat Technology I
4
Estados Unidos
Abb Ab
3
Suécia
Abb Patent GmbH
Entek IRD Intern Corp
3
3
Alemanha
Estados Unidos
Matsushita Electric Ind Co Ltd
3
Japão
Abb Research Ltd
2
Suíça
Canon Kabushiki Kaisha
2
Japão
Chipcon AS
2
Estados Unidos
Lg Electronics Inc
2
Coréia do Sul
Metso Automation Networks Oy
2
Finlândia
Mitsubishi Denki Kabushiki
Kaisha
2
Japão
Samsung Electronics Co, Ltd.
2
Coréia do Sul
Sk Telecom Co Ltd
2
Coréia do Sul
Sun Microsystems Inc
2
Estados Unidos
Eletroeletrônicos /
Telecomunicações
Telecomunicações
Taiwan S Manufacturing Co Ltd
Empresas com 1 depósito
somente
Próprio Inventor
2
Taiwan
51
-
-
45
-
-
Atividades
Automação
Automação
Automação
Sofwares / Interfaces Gráficas
Automação
Automação
Outros
Outros
Telecomunicações
Outros
Telecomunicações
Automação
Telecomunicações
Automação
Outros
Tabela 15 – Análise de Depositantes do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
Quanto à classificação das empresas em relação as suas atividades, o maior
destaque permanece para aquelas especializadas em equipamentos de
controle e automação, com 37%, seguidas pelo grupo de empresas de
eletroeletrônicos e telecomunicações, com 26%.
159
do cruzamento “industrial process automation x Wireless”
Após uma análise geral das informações dos depositantes para os três grupos
de tecnologias (Fieldbus, Ethernet e Wireless), pode-se destacar a presença da
empresa “Rockwell Automation Tech Inc”. Já as empresas “Siemens” e
“Microsoft Corporation” aparecem em destaque nos grupos “Ethernet” e
“Wireless”, não aparecendo em “Fieldbus”. Outro dado que merece ser citado é
o fato de que, nos três grupos, uma grande parte das patentes de cada um
deles foram depositadas pelos próprios inventores, sem vínculos, a princípio,
com qualquer empresa.
4.3.4. Classificação e Análise dos Assuntos das Patentes
A automação de processos é um assunto muito discutido atualmente. A maioria
das empresas percebeu que para se manterem competitivas, assegurarem a
sua sobrevivência e desenvolverem-se na economia global, tem que, de forma
contínua e incremental, mapear e gerir os seus processos de negócio,
viabilizando desta forma uma melhoria continuada. Isto envolve de forma
indiscutível a adoção de processos de fabricação e gestão automatizados.
As patentes analisadas foram divididas em categorias denominadas “Sistema”,
“Software” e “Equipamento”. Essa mesma classificação foi utilizada no item
160
“Análise de Artigos”, onde, cabe ressaltar, foi encontrada uma variedade maior
de categorias. Na análise dos dados obtidos foram citados os grupos de
tecnologias que mais apareceram, estes serão definidos mais a frente no item
4.4 do presente trabalho.
Patentes que tratam de desenvolvimento, inovação ou estudo de algum
equipamento foram alocadas na categoria “Equipamento”. A categoria
“Sistema” englobou patentes cujo objetivo é registrar metodologias, ações ou
sistemas propriamente ditos para automação de processos. Já a categoria
“Software” foi criada exclusivamente para as patentes que tratam de
desenvolvimento e/ou análise de softwares.
A Figura 64 sintetiza o resultado obtido para a classificação das patentes em
cada categoria no cruzamento das palavras “industrial process automation” x
“Fieldbus”.
Figura 64 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Para o cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”, observa-se que
a maioria (53%) das patentes trata de assuntos relacionados a ”Sistema”.
Esse domínio se dá justamente porque a palavra Fieldbus está diretamente
relacionada com sistemas interoperáveis, ou seja, sistemas desenvolvidos para
que equipamentos trabalhem com troca de dados contínua. Dentro da
161
classificação de sistemas, foi possível observar várias patentes tratando de
sistemas de controle, comunicação e transmissão de dados, reafirmando esta
relação. Além disso, foram identificadas tecnologias como “Foundation Fieldbus
TM”, “PLC (Programmable Logic Controller)” e “DC Link”. A outra metade das
patentes analisadas neste cruzamento dividiu-se entre “Equipamento” (25%)
e “Software” (22%). Na categoria “Equipamento” as tecnologias mais citadas
foram “Conversor A/D (analogic to digital)”, “Transmissores de Pressão
específicos”.
Na Figura 65 é possível observar os resultados obtidos com o cruzamento das
palavras “industrial process automation” x “Ethernet”.
Figura 65 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
Com relação às patentes encontradas no cruzamento “industrial process
automation” x “Ethernet” a categoria “Sistema” se mantém em primeiro lugar
com 60%. Umas das tecnologias mais citadas foi EtherCAT, que será explicada
no item 4.4 sobre tecnologias. Já no segundo lugar, com 25%, ficaram as
patentes sobre “Software”. Nas patentes analisadas para essa categoria
destacaram-se
softwares
de
atualização
de
aplicativos
de
sistemas,
programados para evitar que falhas ou perda de informações ocorram no
processo de atualização do sistema; softwares de interface gráfica para
visualização dos bens em um sistema de gestão de ativos e outros que visam
162
exclusivamente a melhoria da qualidade de controle do sistema em questão
citado na patente. Já a categoria “Equipamento” obteve apenas 15% das
citações, a maioria dessas patentes tratou de métodos de transmissão de
dados através de dispositivos de controle e se basearam no TCP
(Transmission Control Protocol).
A Figura 66 sintetiza a classificação das patentes para cada categoria no
cruzamento das palavras “industrial process automation” x “Wireless”.
Figura 66 – Análise de Assuntos do cruzamento “industrial process automation” x “Wireless”
Conforme mostrado na figura 66, no resultado obtido pelo cruzamento das
palavras “industrial process automation” x “Wireless”, 49% das patentes
trataram de sistemas. Foram registrados patentes que propunham sistemas
para diversos fins, no entanto a maioria delas fazia referência à melhoria,
controle ou ajuste de algum processo específico. Observou-se desde patentes
mais específicas como a que fez menção a sistemas de controle remoto de
inflamabilidade em células combustíveis até outras mais abrangentes como a
que propunha um sistema para o monitoramento de qualquer produto no
processo de exportação.
Após “Sistema”, a categoria que mais se destacou, com 43% das citações, foi
“Equipamento”. Os mais citados foram sensores, chips ou placas para
aplicações em tecnologias de controle remoto de processos. Na maioria dos
163
casos a patente foi utilizada para registrar alguma melhora na fabricação de
equipamentos já existentes, pouco se observou sobre registros de tecnologias
totalmente novas.
O restante das patentes analisadas registrou assuntos referentes à categoria
“Software”, estes foram citados em 8% delas. Qualquer patente que registrou
o desenvolvimento de programas de computadores para automação processos,
análises de softwares, geração de cenário para simulação dos mesmos, estão
inseridos nesta categoria.
4.3.5. Objetivo das Inovações
A análise das patentes revelou que o estudo da automação em processos
industriais resulta em tecnologias aplicáveis para diversos fins. No entanto, a
maioria delas converge para objetivos similares.
No cruzamento com a palavra Fieldbus foi observado que 100% das
tecnologias têm como objetivo a melhoria da qualidade do processo industrial.
Todos os sistemas, equipamentos ou softwares descritos nas patentes tinham
a finalidade de melhorar a qualidade do processo em questão ou de processos
genéricos. Na maior parte delas essa otimização refere-se à maior facilidade de
controle resultando em um processo operado com mais segurança. Além disso,
a diminuição dos gastos com energia e uma maior agilidade na obtenção de
respostas também foram objetivos citados.
Da mesma forma, quando o foco é Ethernet, o desenvolvimento de novas
tecnologias visa à melhoria da qualidade do processo. Neste caso, além das
patentes sobre a otimização de processos visando o maior controle e
conseqüente segurança, também foram observadas muitas que tratavam da
simplificação na transferência, recolhimento e tratamento de dados através de
circuitos integrados por Ethernet.
164
No cruzamento com a palavra Wireless foi encontrada uma diversidade maior
de objetivos. Muitas dessas patentes registram o projeto e modelagem de
nanoestruturas e dispositivos diversos, como por exemplo, dispositivos
pneumáticos para controle de fluidos industriais, dispositivos de segurança, e
de armazenagem de dados. Além disso, sistemas para controle remoto de
processos e a implementação de conjuntos de programas utilizados para
introdução da informática na integração de módulos industriais, também foram
observados.
4.3.6. Principais Setores
As patentes também foram analisadas quanto aos principais setores envolvidos
e/ou beneficiados com as pesquisas.
A Figura 67 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o
cruzamento das palavras “industrial process automation x Fieldbus”.
Figura 67 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation” x “Fieldbus”
Quando a palavra chave é Fieldbus, fica claro que, a maior parte dos
equipamentos, softwares, análises ou sistemas registrados em patentes
poderiam ser utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria.
165
Isso se deve ao fato dessas serem tecnologias que gerariam respostas
genéricas em qualquer processo automatizado.
Neste cenário é importante destacar que o número de patentes específicas
para o setor petrolífero é significativo. Neste setor ainda são muito utilizadas
redes Fieldbus para transferência de dados, por ser considerada uma
tecnologia mais confiável.
A Figura 68 ilustra os resultados obtidos para o cruzamento “industrial process
automation x Ethernet”.
Figura 68 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation” x “Ethernet”
Já quando a palavra chave é Ethernet, 85% das patentes registradas
apresentam tecnologias nas indústrias automatizadas em geral, podendo ser
utilizada na maioria dos processos automatizados. Essa característica também
se apresenta marcante aqui porque Ethernet trata, justamente, da interconexão
para redes locais, baseada no envio de pacotes, um conceito básico na
automação de processos. No entanto neste cruzamento foi observada uma
variedade maior de patentes voltadas para setores específicos.
O setor de biotecnologia, por exemplo, apareceu em segundo lugar com 6%
das citações. Nessas patentes foram registradas principalmente o uso de
166
sistemas automatizados para controlar as condições de cultivo de bactérias e
outros microrganismos.
Outros setores menos citados foram petrolífero, com 4%, computação/
informática com 2% e financeiro, telecomunicações e meio ambiente
empatados com 1%.
A Figura 69 mostra uma distribuição percentual dos resultados obtidos para o
cruzamento das palavras “industrial process automation x Wireless”.
Figura 69 – Análise dos Principais Setores do cruzamento “industrial process automation x Wireless”
Para o cruzamento das palavras “industrial process automation x Wireless”,
“Aplicações industriais em geral” englobam 72% das patentes analisadas.
Nestas os equipamentos, softwares e sistemas registrados poderiam ser
utilizados na automação de, praticamente, qualquer indústria. Ainda sim, foram
observadas algumas patentes nas quais as tecnologias registradas atenderiam
apenas setores específicos.
167
Por ser um setor em plena atividade, financiador de muitas pesquisas e
gerador de novas tecnologias, o setor de química e petroquímica foi o que
obteve mais patentes, dominou com 7% sendo seguido pelo setor comercial e
financeiro e pelo setor de informática, ambos com 5%.
4.4.
Subgrupos de Tecnologias destacadas na Prospecção de
Artigos e Patentes
Ao se analisar o material das patentes e, principalmente, dos artigos (conforme
mostrado na figura 54 da página 145) de cada grupo, algumas tecnologias se
destacaram. Elas podem ser algum equipamento específico, algum sistema ou
algum tipo de software. As tecnologias que se destacaram no geral são as
seguintes12:

AEM (Abnormal Event Management): O AEM lida com a detecção
dinâmica, diagnóstico e correção de condições anormais ou de falhas
em um processo. A detecção e diagnóstico de falhas para uma planta
operando em uma região controlável pode ajudar a evitar a progressão
de eventos anormais e redução na perda de produtividade. Em operação
normal, uma unidade industrial possui estatística conhecida para as
variáveis operacionais importantes. A ocorrência de uma falha causará
no mínimo um resíduo que mudará as estatísticas e assim a detecção
pode ser realizada pela inspeção de mudanças no valor médio desses
resíduos.

AMS (Asset Management System): São aplicativos que trabalham
para reunir informação de sistemas conectados em sua rede. Cada
usuário pode checar o sistema e obter informações sobre o inventário da
rede. Isto permite conhecer a localização de cada componente da rede,
mesmo que este tenha sua localização alterada dentro de ambiente.
12
As informações referentes a esse item foram buscadas nas diversas referências listadas ao longo do
texto, com destaque ao dicionário “Automation, Systems, and Instrumentation Dictionary”.
168

APIs (Application Program Interfaces) ou Interfaces para Programas
de Aplicação: são interfaces para programadores usando diretamente
os serviços da camada de transporte. Seu objetivo é facilitar a
implementação de programas de aplicação que fazem uso dos serviços
de comunicação da rede. APIs são usualmente oferecidas para alguns
sistemas operacionais (ex.: LINUX) e algumas linguagens (ex.: C).

ASIC (Application-specific Integrated Circuit): É um circuito integrado
(CI) personalizado para um determinado uso, e não destinados à
utilização para fins gerais.

Associated Motion Control Interface Card: aparelho para realizar o
interfaceamento de equipamentos e controladores, permitindo a
comunicação entre eles.

Associated Fieldbus Interface Card: aparelho que permite o
interfaceamento de equipamentos que se comunicam através de
diferentes linguagens dentro de uma rede fieldbus.

AWT (Autonomous Wireless Transmitter): Transmissor de sinal
wireless dentro de uma rede aberta.

BACnet (Building Automation and Control NETworks): É um
protocolo de comunicação de dados voltado para atuomação predial.
Este protocolo foi definido primeiramente pela associação americana
ASHRAE, depois se tornado um protocolo padrão da ANSI e ISO.

BAS (Building Automation System): É um exemplo de um sistema de
controle distribuído. O sistema de controle é informatizado, dispositivos
eletrônicos de rede inteligente, destinada a acompanhar e controlar os
sistemas de iluminação e mecânica em um edifício.

Bus Loop Power Interface: Equipamento que compreende um módulo
de controle de voltagem que recebe um loop de voltagem e distribui
voltagem com impedância pré-determinada.
169

CAD (Computer Aided Design): É o uso de tecnologia computacional
para desenvolver objetos reais ou virtuais. CAD envolve mais que
formatos de objetos. CAD pode trabalhar com informação simbólica,
processos, dimensões e tolerâncias, de acordo com as especificações.
Pode ser utilizado para trabalhos em 2D, duas dimensões, e 3D, três
dimensões. Este sistema tem sido utilizado em diversas áreas, desde
animação até indústria aeroespacial.

CAN (Controller Area Network): As redes CAN, as quais são um tipo
de NCS (Network Controller System), consistem em redes que
abrangem um espaço geográfico de uma Personal Area Network às
LAN (Local Area Network) dependendo do propósito a ser utilizado. Pelo
fato das CANs basearem-se na aplicação de sistemas real-time
(sistemas em que as informações são transmitidas em tempo real) é
necessário um controle rígido de erros e garantia de recebimento de
mensagens. As CANs baseam-se no conceito do uso de mensagens
geradas por broadcast contendo um dispositivo central controlador de
mensagens.É também um padrão de barramento que possibilita a
comunicação de microcontroladores e dispositivos entre si sem a
necessidade de um computador host.

CBM (Condition-based maintenance): Este sistema foi criado para
tentar manter o equipamento correto na hora certa. CBM é baseada no
uso de dados em tempo real para priorizar e otimizar recursos de
manutenção. Observar o estado do sistema é conhecido como condição
acompanhamento. Esse sistema irá determinar a saúde do equipamento
e agir apenas quando a manutenção é realmente necessária.

CIM (Computer-Integrated Manufacturing): Em engenharia CIM é um
método de fabricação em que todo o processo produtivo é controlado
por computador. O tradicional método de processos separados é unido
através de um computador pelo CIM. Esta integração permite que os
processos troquem informações entre si e são capazes de iniciar ações.
Através deste, a integração dos processos de fabricação pode ser mais
170
rápido e com menos erros, embora a principal vantagem é a capacidade
de criar processos de fabricação automatizados. Tipicamente CIM
depende de processos de controle de ciclo fechado, com base em
tempo-real de entrada a partir de sensores. É também conhecido como
desenho e fabricação flexível. A figura 70 apresenta um exemplo de
CIM.
Figura 70: Exemplo de Computer-Integrated Manufacturing (CIM)
Fonte: Jean-Baptiste Waldner, John Wiley & Sons, 1992

Closed-loop control feedback system: Neste sistema um sensor
monitora a saída e alimenta os dados para um computador que ajusta
continuamente o controle de entrada quando necessário, para manter o
controle do erro para um mínimo.

CLPM (Control Loop Performance Monitoring): Sistema utilizado para
controle da qualidade, minimização de custos e detecção rápida de
anomalias de uma planta industrial.

CNC (Comando Numérico Computadorizado): é um equipamento
eletrônico capaz de receber informações, compilar essas informações e
transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz, fazendo com
que esta realize as operações na sequência programada, sem a
intervenção do operador.
171

Controle Automático por transmissão pneumática: é um sistema de
controle automático são as mesmas executadas pelo operador quando
fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir).
Entretanto, muitas vantagens são adquiridas. As falhas diminuem, pois o
controlador automático é totalmente programado para executar estas
tarefas, diferentemente da mente humana. Processos onde o contato
humano é impedido como, por exemplo, controle de temperaturas muito
altas e outras variáveis não tão facilmente mensuráveis, se tornam
possíveis de controlar automaticamente. Além dos ganhos de velocidade
de controle e diminuição de riscos de acidentes.

Conversor A/D: Conversor de sinal de analógico para digital.

CORBA (Common Object Request Broker Architecture): é a
arquitetura padrão criada pelo Object Management Group para
estabelecer e simplificar a troca de dados entre sistemas distribuídos
heterogêneos. Em face da diversidade de hardware e software que
encontra-se atualmente, a CORBA atua de modo que os objetos
(componentes dos softwares)
possam
se
comunicar
de
forma
transparente ao usuário, mesmo que para isso seja necessário
interoperar com outro software, em outro sistema operacional e em outra
ferramenta de desenvolvimento. CORBA é um dos modelos mais
populares de objetos distribuídos, juntamente com o DCOM, formato
proprietário da Microsoft.

CRPTA (Constraint Programming for Solving Real-Time Allocation):
É baseada em constrangimento de programação para resolver um
problema de alocação estática de tarefas pesadas em tempo real. Este
problema consiste na atribuição de tarefas periódicas a transformadores
distribuídos no âmbito da prioridade fixada na preferência programação.
CPRTA é construído sobre a dinâmica de constrangimento da
172
programação juntamente com um método de aprendizagem para
encontrar um processador de atribuição viável sob condicionalismos.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection): É
um conjunto de regras que determinam como dispositivos de rede
devem responder quando dois dispositivos tentam utilizar um canal de
dados simultaneamente (chamado de uma colisão). CSMA / CD é um
tipo de protocolo de discórdia, Redes utilizando o procedimento CSMA /
CD são simples de implementar, mas não têm características
determinísticas de transmissão, pois é um método é padronizado.

Data Mining System: Processo para extração de padrões escondidos
em dados. A medida que a quantidade de dados aumenta, o Data
Mining System tem ganhado grande importância em transformar dados
em informação. Normalmente é utilizado em detecção de fraude,
pesquisa científica, sistemas de vigilância, etc.

Data Processing System: Sistema computadorizado que realiza
operações matemáticas (manipulações) em dados de entrada para
transformá-los em dados de saída (audio/video, gráfico, numérico ou
texto) como desejado pelo usuário.

DCS (Distributed Control System): Um sistema de controle distribuído
(DCS) se refere a um sistema de controle geral de um sistema de
produção, processo ou qualquer tipo de sistema dinâmico, em que o
controlador não são elementos centrais no local (como o cérebro), mas
estão distribuídos ao longo de todo o sistema, com cada componente do
sub-sistema controlado por um ou mais controladores. Todo o sistema
de
controladores
está
ligado
por
redes
de
comunicação
e
acompanhamento. DCS é um termo muito usado em uma ampla
variedade de indústrias, para monitorar e controlar equipamentos
distribuídos, como redes de energia elétrica, produção de energia,
173
sistemas de controle ambiental, sistemas de gestão da água, refino de
petróleo, indústria farmacêutica, sensor redes, etc.

Devicenet: É uma rede aberta no topo do controle de rede local. Foi
criada por Allen Bradley, agora pertence e é operada pela Open
DeviceNet Vendors Association.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): É um protocolo de
serviço TCP/IP que oferece configuração dinâmica de terminais, com
concessão de endereços IP de host e outros parâmetros de
configuração para clientes de rede. Resumidamente, o DHCP opera da
seguinte forma:
1. Um cliente envia um pacote UDP em broadcast (destinado a
todas as máquinas) com um pedido DHCP;
2. Os servidores DHCP que capturarem este pacote irão responder
(se o cliente se enquadrar numa série de critérios) com um pacote
com configurações onde constará, pelo menos, um endereço IP,
uma máscara de rede e outros dados opcionais, como o gateway,
servidores de DNS, etc.
O DHCP usa um modelo cliente-servidor, no qual o servidor DHCP
mantém o gerenciamento centralizado dos endereços IP usados na rede.
 Distributed real-time system: Um sistema em tempo real é aquele no
qual o tempo é expressamente considerado nos requisitos, na
especificação, na concepção e na execução. Eles necessitam de
respostas cronometradas para eventos mesmo sob condições fracasso
e mesmo sob condições extremas de carga. A figura 71apresenta um
exemplo de Distributed real-time System.
174
Figura 71: Exemplo de Distributed real-time system
Fonte: Hermann Kopetz, 1997
 DOC (Distributed Object Computing):
aplicativos
com
interface
com
Utilizado para construir
componentes.
Componentes são
tipicamente desenvolvidos para distribuição através de redes para uso
em sistema computacionais. Como os componentes são de uso
distribuído, padronização de interface e métodos de comunicação são
importantes.
 DRES (Distributed real-time embedded systems): Os principais
desafios em desenvolvimento de DRES incluem a composição segura
dos componentes do sistema, mapeamento e as especificações
funcionais para a plataforma alvo. Modelos baseados em verificações
técnicas fornecem um caminho para a análise do tempo de design de
sistemas que permitam rápida avaliação das alternativas em relação as
dadas medidas de desempenho antes de se comprometer a uma
determinada plataforma.
 DSP (Digital Signal Processor): São microprocessadores utilizados
para processamento digital de sinal usado para processar sinais de
áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line. Um dos usos do
DSP que chamaram a atenção da mídia foi a proposta do cancelamento
de ruídos: através do sistema proposto, um dispositivo captaria o ruído
ambiente e geraria um "anti-ruído", com as ondas simétricas: a cada
vale corresponderia um pico e vice-versa. Assim poderia se cancelar o
ruído de um ambiente, por exemplo, dentro de um automóvel.Outra
grande característica do DSP é sua alta velocidade comparada a outros
175
microcontroladores. Os DSPs ganharam popularidade na eletrônica em
aparelhos como os teclados, que sintetizam os sons de diversos
instrumentos, como por exemplo os órgão de tubos, o piano e o violão.
 EIB OPC: O servidor EIB-OPC foi desenvolvido pela EIBA e é usado por
usuários da Software Informer. A versão mais popular deste produto é a
2.0. Em breve existirá uma nova versão.
 Eletric Double Layer Capacitor: Também conhecidos como supercapacitores,
são
capacitores
eletroquímicos
que
possuem
alta
densidade de energia quando comparados com capacitores comuns.
 Embedded System: É um objeto específico de sistema de computador
projetado para executar uma ou algumas funções específicas, muitas
vezes condicionalismos de computação em tempo real. É normalmente
embutido como parte de um dispositivo completo, incluindo hardware e
peças mecânicas. Em contraste, um computador de uso geral, como um
computador pessoal, pode fazer várias tarefas diferentes, dependendo
da programação. Embedded systems controlam muitos dos dispositivos
comuns em uso hoje. A figura 72 apresenta um exemplo de Embedded
System.
Figura72: Exemplo de Embedded System
Fonte: Eurasip Journal on Emdedded Systems
 ERP (Enterprise Resource Planning): ERP (Enterprise Resource
Planning) ou SIGE (Sistemas Integrados de Gestão Empresarial, no
Brasil) são sistemas de informação que integram todos os dados e
processos de uma organização em um único sistema. A integração pode
176
ser vista
sob
a
perspectiva
funcional (sistemas de: finanças,
contabilidade, recursos humanos,
fabricação, marketing, vendas,
compras, etc) e sob a perspectiva sistêmica (sistema de processamento
de transações, sistemas de informações gerenciais, sistemas de apoio a
decisão, etc). Os ERPs em termos gerais, são uma plataforma de
software desenvolvida para integrar os diversos departamentos de uma
empresa, possibilitando a automação e armazenamento de todas as
informações de negócios.
 EtherCAT: é o sistema Ethernet em tempo real para a automação
industrial, que se destaca entre outros devido a sua topologia flexível e o
manuseio fácil. O desempenho extremamente alto permite concepções
de controle e regulagem que não podem ser realizados com sistemas
clássicos. Visto que além da porta padrão de Ethernet não há
necessidade de placas encaixáveis específicas, o EtherCAT também
pode ser utilizado especialmente em um nível de controle baixo e médio.
O sistema EtherCAT também pode ser conectado com o cabo CAT-5
padrão, permitindo ainda a integração vertical.

Fast Ethernet: Em Rede de computadores, Fast Ethernet é um termo
dentre vários para padrões de Ethernet que levam o tráfego de dados à
taxa nominal de 100 Mbit/s, contra a taxa de transmissão de 10 Mbit/s de
Ethernet original. O padrão mais comum de Ethernet de 100 megabit é o
100BASE-TX sendo utilizado por muitos dos os fabricantes de placa de
rede. Fast Ethernet foi introduzido em 1995 e permaneceu a versão mais
rápida de Ethernet durante três anos até ser substituído pelo Gigabit
Ethernet.

FDA (Field Device Acess): O agente FDA permite que serviços FMS
(Fieldbus message specification) e de gerenciamento usados em
dispositivos
H1
sejam
transportados na
Ethernet
usando
TCP
(transmission control protocol) e UDP (user datagram protocol).
Permitindo dispositivos HSE se comunicarem com dispositivos H1
conectados por um dispositivo de enlace. O agente FDA é também
177
usado pelos blocos de função locais em dispositivos HSE. Assim, o
agente FDA habilita aplicações remotas a acessar dispositivos H1 e HSE
através de uma interface comum.

Fibre Bragg Gratings: Sensor de fibra ótica que tem várias vantagens
sobre os sensores tradicionais, por isso, tornou-se uma das mais
populares.
Os
setores
de
aplicação
são
os
mais
diversos:
monitoramento de turbinas a vento, exploração de petróleo e saúde.

FLEXICON: Flexible Control Systems Development and Integration
Environment for Control Systems – Conjunto de ferramentas para
integração de sistemas de controle abertos, de alta performance,
voltados para controle de falhas em escala de tempo reduzida e baixo
custo.

FMFNN (Fuzzy membership function-based neural networks): Rede
que utiliza lógica fuzzy. Usada para monitoramento e detecção de
elementos de um ambiente.

FMS–Profibus (Fieldbus message specification network-Process
Field Bus): é um padrão para a comunicação na tecnologia de
automatização e foi promovido primeiro em 1989 pelo BMBF
(departamento alemão de educação e pesquisa). O objetivo foi o de
implementar e disseminar a utilização de um serial de bits Fieldbus
baseado nos requisitos básicos do campo dispositivo de interfaces. Para
este propósito, os membros das respectivas companhias concordaram
em apoiar um conceito técnico comum para a produção e processo de
automação, sendo o protocolo do complexo de comunicação Profibus
FMS (especificação de mensagem Fieldbus) adaptado para tarefas de
comunicação exigentes especificadas. Na figura 73 é possível visualizar
um conector elétrico Profibus
178
Figura 73: Exemplo de conector elétrico Profibus
Fonte: Associação Brasileira Profibus
 Foudation Fieldbus TM: A rede Foundation Fieldbus (FF) é uma rede
digital cuja padronização levou mais de dez anos para ser concluída.
Existem duas redes FF, uma de baixa velocidade concebida para
interligação de instrumentos (H1 - 31,25 kbps) e outra de alta velocidade
utilizada para integração das demais redes e para a ligação de
dispositivos de alta velocidade como CLPs (HSE - 100 Mpbs). Deve-se
tomar cuidado para não confundir o nome da rede FOUNDATION
Fieldbus com o da fundação que a criou e a mantém, esta sim
denominada Fieldbus Foundation.
 GEC (Generic Embedded Controller): Originalmente desenvolvido e
instalado para sistemas de detecção em sistemas biológicos, foi
estendido a outras áreas e tornou-se uma solução flexível para controles
internos. O que torna o GEC tão impressionante é sua facilidade de
configuração, possibilitando uma instalação personalizada e econômica
em tempo e dinheiro.
 Globus Toolkit: é um conjunto de serviços que facilitam a computação
em grade. Esses serviços podem ser usados para a submissão e
controle de aplicações, movimentação de dados, segurança no ambiente
do grid (grade) e descoberta de recursos. Atualmente, é a solução de
maior impacto na comunidade da computação de alto desempenho.
Globus e os protocolos definidos em sua arquitetura tornaram-se um
padrão como infraestrutura para computação em grade.
179
 GRC (Generic Remote Controller): É uma instrumentação usada em
redes wireless. Pode automaticamente detectar um controlador e
dinamicamente fazer o download de informações do controlador.
 GUI (Graphical User Interface): É um tipo de interface de usuário que
permite que as pessoas a interajam com dispositivos eletrônicos, tais
como computadores, dispositivos de mão como MP3 Players, Portable
Media Players ou dispositivos de jogos, aparelhos e equipamentos de
escritório com imagens em vez de comandos de texto. A GUI oferece
ícones gráficos e indicadores visuais, em oposição ao texto base de
interfaces de comando digitado, rótulos de texto ou navegação para
representar plenamente as informações e ações disponíveis para um
usuário. As ações são normalmente realizadas através de manipulação
direta dos elementos gráficos.
 Hardware-in-the-loop Simulation: É uma técnica que é utilizada no
desenvolvimento e teste de sistemas complexos incorporados em tempo
real. A simulação fornece uma plataforma eficaz, adicionando a
complexidade da planta sob controle para o ensaio de plataforma. A
complexidade
da
planta
sob
controle
é
incluído
no
teste
e
desenvolvimento, acrescentando uma representação matemática de
todos os sistemas dinâmicos. Estas representações matemáticas são
referidas como a "simulação de plantas".
 HART (Highway Addressable Remote Transducer): Protocolo aberto
para instrumentação de campo desenvolvido pela empresa Rosemount
que foi adotado por muitas outras empresas, criando assim um padrão
para fieldbus.
 Host Computer System: Um sistema de computador que é acessado
por um usuário que trabalha em um local remoto. Normalmente, o termo
é usado quando existem dois sistemas de computadores ligados através
de modems e linhas telefônicas. O sistema que contém os dados é
chamado de hospedeiro, enquanto o computador no qual o usuário está
é chamado de terminal remoto.
180
 HSE (High-speed Ethernet): Ethernet com 1000mbit/seg. Protocolo de
rede industrial, baseado em Ethernet comercial. Utiliza TCP/IP e UDP
para comunicação no nível dos controladores, e contém todas as
funções da camada fieldbus.
 HTTP (Hypertext Transport Protocol): Código de comunicação de
computadores via Internet, padronizado para troca de dados através da
Web.
 ICC - Integrated Circuit Card: Um smart card, cartão chip, ou carão
com circuito integrado (ICC), é um cartão com circuitos integrados
embutidos, que pode processar dados. Esses dados podem ser
armazenados e transferidos por meio de contato com suporte fixo
integrado a rede. Exemplo cartões de crédito e SIMs para telefones
móveis.
 ILC (Iterative Learning Control): Método de manter o controle em
sistemas que trabalham em modo repetitivo. Exemplos destes sistemas
são braços de robôs, processos químicos em batelada e testes de
confiança de torres de perfuração. Em cada um desses casos, o sistema
tem que realizar a mesma ação várias vezes com alta precisão.
Utilizando infprmação das repetições anteriores, a ação de controle pode
ser encontrada iterativamente, podendo alcançar uma condição de
controle ótima.
 IMS (Intelligent Manufacturing System): Sistema que incentiva a
formação de consórcios de investigação internacional para abordar os
desafios organizacionais e de produção industrial no século 21.
Estabelece um quadro para a indústria e o meio acadêmico para a
identificação de parceiros em todo o mundo e para o co-operar ao longo
de todo o ciclo da inovação. Oferece ampla base de tecnologia e
ensaios, garantindo a aplicabilidade geral da tecnologia desenvolvida e
181
proporcionando uma melhor compreensão dos mercados globais através
de uma melhoria do mercado de inteligência.
 Internet: Rede de comunicação digital que conecta muitas outras redes.
Literalmente, uma “rede de redes”, a Internet é global. Utiliza o protocolo
HTTP como meio de comunicação entre os usuários.
 Internet Based Virtual Private Networks: Rede privada baseada em
protocolos de Internet. Semelhante a Intranet, mas não permite acesso
externo à rede.
 ISC (Innervated Stochastic Controller): Desenvolvido para otimizar
decisões de gerência sob condições instáveis. O Innervated Stochastic
Controller utiliza um algoritmo de aprendizagem para tratar multiplos
dados e otimizar a tomada de decisão.
 Java: linguagem de programação orientada a objeto desenvolvida na
década de 90 por uma equipe de programadores chefiada por James
Gosling, na empresa Sun Microsystems. Diferentemente das linguagens
convencionais, que são compiladas para código nativo, a linguagem
Java é compilada para um “bytecode” que é executado por uma
máquina virtual. A linguagem de programação Java é a linguagem
convencional da Plataforma Java, mas não sua única linguagem.
 LAN (Local Area Network): LAN é a sigla inglesa da expressão Local
Area Network e é uma rede de computadores que abrange uma
pequena área física, como uma casa, escritório ou pequeno grupo de
edifícios, tais como uma escola, ou um aeroporto. As características
definidoras de LANs, em contraste com a ampla área de redes (WANs),
incluem geralmente suas maiores taxas de transferência de dados, o
fato de ocupar um espaço físico menor e a falta de uma necessidade de
182
linhas alugadas de telecomunicações. A figura 74 mostra um exemplo
de LAN.
Figura 74: Exemplo de LAN
Fonte: http:\\wally.cs.iupui.Edu

Lonworks: Padrão de protocolo de rede especificamente dirigida ao
desempenho e confiabilidade de aplicações de controle. A plataforma é
construída em um protocolo de baixa largura de banda criado pela
empresa americana Echelon Corporation na década de 90 para
dispositivos de controle funcionarem sobre par trançado, transmissão de
dados sobre a rede elétrica, cabo de par trançado, fibras óticas e radio
freqüência.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): É a integração de
elementos mecânicos, sensores, atuadores, e eletrônica em um
substrato de silício comum através de uma tecnologia de micro
fabricação. Enquanto os eletrônicos são fabricados utilizando circuito
integrado (IC) seqüências processo (por exemplo, CMOS, Bipolar, ou
BICMOS processos), os componentes micro mecânicos são fabricados
utilizando processos compatíveis "micromachining" que seletivamente
adicionam novas camadas estruturais para formar os dispositivos
mecânicos e eletromecânicos.

NCS (Networked Control System): É um sistema de controle onde o
controle de loops é fechado através de uma rede em tempo real. A
característica que define um NCS é que o controle e os sinais de
183
feedback são trocados entre os componentes do sistema, sob a forma
de pacotes através de uma rede de informações. A funcionalidade de
um típico NCS é estabelecida através da utilização de quatro elementos
básicos: Sensores, para adquirir informações, Controladores de decisão
e para fornecer comandos, Atuadores, para executar comandos de
controle e Rede de comunicação, para permitir a troca de informações.
A característica mais importante de um NCS é que ele se conecta ao
ciberespaço, portanto, espaço físico, permitindo execução de várias
tarefas de longa distância. Eles também podem ser facilmente
modificados ou atualizados, adicionando sensores, atuadores e
controladores para eles com um custo relativamente baixo e sem
grandes alterações em sua estrutura. Além disso, com eficiente partilha
de dados entre os seus controladores, NCS são capazes de fundir
facilmente informação global para fazer decisões inteligentes sobre
grandes espaços físicos.

Neuro Fuzzy Controller: Controladores Fuzzy pertencem à classe de
sistemas baseados no conhecimento. O seu principal objetivo é
implementar know-how humano ou regras heurísticas sob a forma de um
programa de computador. A lógica fuzzy fornece um formalismo
matemático para este objetivo. A figura 73 mostra um esquema de
Neuro Fuzzy Controller.
Figura 75: Exemplo de Neuro Fuzzy Controller
Fonte: www.stowa-nn.ihe.nl
184
 NMS (Network management system): Um Sistema de Gestão de Rede
que é uma combinação de hardware e software usado para monitorar e
administrar uma rede. Redes de elementos individuais em uma rede são
geridas por um elemento do sistema de gestão.
 PCD (Plataformas de Coletas de Dados): As PCDs são equipamentos
completamente automáticos, dispondo de sensores eletrônicos capazes
de medir precipitação, pressão atmosférica, radiação solar, temperatura
e umidade do ar, direção e velocidade do vento e nível de corpos de
água. Os dados são coletados através dos satélites brasileiros SCD1 e
SCD2, e transmitidos para o Centro de Recepção do INPE em Cuiabá MT e Natal - RN, sendo então retransmitidos para o Centro da Missão
de Coleta de dados do INPE, em Cachoeira Paulista - SP, de onde são
divulgados aos usuários, via Internet: www.cmcd.inpe.br. Esse sistema
de aquisição de dados via satélite permite coletar informações a cada
100 minutos, estando os dados disponíveis aos usuários de 3 a 6 horas
após sua coleta, com a vantagem de não necessitar de intervenção
humana.
 PCDS (Production Control Decision Support): É um sistema
desenvolvido, o qual é composto de uma freqüência de rádio de
identificação de base tecnológica e um sistema de captação de dados,
um modelo PCDS compreende um bi-nível genético e um processo de
otimização heurística.
 PDA (Personal Digital Assistant): Personal Digital Assistants (PDAs ou
Handhelds), ou Assistente Pessoal Digital, é um computador de
dimensões reduzidas (tamanho aproximado de uma folha A6), dotado de
grande capacidade computacional, cumprindo as funções de agenda e
sistema informático de escritório elementar, com possibilidade de
interconexão com um computador pessoal e uma rede informática sem
fios (wi-fi) para acesso a correio eletrônico e internet. Os PDAs de hoje
185
possuem grande quantidade de memória e diversos softwares para
várias áreas de interesse. Os modelos mais sofisticados possuem
modem (para acesso à internet), câmera digital acoplada (para fotos e
filmagens), tela colorida, rede sem fio embutida. Guardam das agendas
eletrônicas somente as dimensões, pois sua utilidade e aplicabilidade
estão se aproximando cada vez mais rapidamente dos computadores de
mesa. Através da figura 76 é possível visualizar um PDA.
Figura 76:Exemplo de PDA
Fonte: http:\\www.unm.edu

PID fuzzy: Controlador PID baseado em lógica fuzzy. As vantagens
desses controladores sobre os sistemas convencionais é que são mais
baratos para desenvolver, cobrem grandes condições de operabilidades
e podem ser programados numa linguagem mais simples.

PLC (programmable logic controller) ou Controlador Lógico
Programável: pode ser definido como um dispositivo de estado sólido um Computador Industrial, capaz de armazenar instruções para
implementação de funções de controle (seqüência lógica, temporização
e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e
aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo
utilizado no controle de Sistemas Automatizados. PLC’s estão sendo
usados para controlar processos como a produção química, produção de
papel, produção de aço, e processamento de alimentos. Em processos
tais como estes, PLC’s são usados para controlar a temperatura,
pressão, mistura, concentração, e assim por diante. São usados também
186
controlar a posição e a velocidade em muitos tipos de processos de
produção. Por exemplo, podem controlar sistemas automatizados
complexos de armazenamento e de fornecimento assim
como
equipamentos tais como robôs e máquinas-ferramenta.

PLM (Product Lifecycle Management): É o processo de gestão de
todo o ciclo de vida de um produto desde a sua concepção, até o design
e manufatura, para serviço e disposição. PLM integra pessoas, dados,
processos e sistemas empresariais e fornece informações sobre
produtos, uma espinha dorsal para as empresas.

Profibus: é um padrão aberto de rede de comunicação industrial,
utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da
manufatura, de processos e predial. Sua total independência de
fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e
EN50254. Com o Profibus, dispositivos de diferentes fabricantes podem
comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.

PROMCALC - Software de analise matemática para mapeamento de
possibilidades de decisões.

Protocolo TCP: Um dos protocolos de transporte do conjunto de
protocolos Inter Rede é o Transmission Control Protocol (TCP). O uso do
protocolo TCP é indicado para transferências de dados. O mesmo
oferece um serviço com garantia de entrega baseado em conexão. Ou
seja, deve ser estabelecida uma conexão entre os elementos TCP
participantes da transmissão. O TCP irá solicitar retransmissões quando
necessário, realizando o controle de erros. Também será realizado o
controle de fluxo – normalmente o TCP colabora com a rede reduzindo
sua taxa de transmissão quando são identificados problemas de
congestionamento. O TCP permite a transmissão “full duplex” de
inúmeras sessões simultâneas.
187

RF Wireless Interface: A RF (Radio Frequency) Wireless Interface
prevê a comunicação, por freqüência de rádio, entre os controladores e
outros componentes no interior do controlador ou externos ao
controlador.
Essas
informações
são
gravadas
e
podem
ser
compartilhadas nessa interface através de uma rede, em especial, uma
rede on-line, como a Internet.

RMS (Reconfigurable Manufacturing System): É aquele desenvolvido
em princípio para uma rápida mudança em sua estrutura, bem como
seus componentes de hardware e software de forma a ajustar
rapidamente a sua capacidade de produção e de funcionalidade dentro
de um âmbito familiar em resposta a mudanças repentinas no mercado
ou mudanças intrínsecas no sistema. Um esquema de um RMS é
mostrado na figura 77.
Figura 77: Exemplo de RMS
Fonte: Journal of Intelligent Manufacturing, 2000

Rtnet: é um protocolo de rede em tempo real, é usado em Ethernet
padrão e em muitos chipsets que é um conjunto de chips usado na placa
mãe. Implementa UDP/IP, ICMP e ARP de uma maneira determinística.
Algumas aplicações possíveis são: substituição de Fieldbus, distribuição
de computação em tempo real. RTnet foi originalmente desenvolvida por
Ulrich Marx em sua tese no Institute for Systems Engineering, Real-Time
Systems Group, University of Hannover (Germany).

SCM (Supply chain management): É a gestão de uma rede interligada
de empresas envolvidas no fornecimento do produto final e pacotes de
188
serviços exigidos por clientes finais. Supply Chain Management abarca
todos os movimentos e armazenagem de matérias-primas, trabalhos em
processo de inventário, e de produtos acabados, desde o ponto de
origem até a ponto de consumo.

SDP (Service Discovery Protocol) ou SSDP (Simple Service
Discovery Protocol): Foi um projeto expirado, desenvolvido pela
Microsoft e Hewlett-Packard. SSDP é a base do protocolo universal
plug-and-play. SSDP possui um mecanismo em que usuários podem
utilizar serviços de rede com pouca ou nenhuma configuração.

Simplebus: Sistema para gerar um sinal para unir áudio, vídeo e sinais
de dados em forma comprimida e transmitir via rede.

STEP-NC (Standard for the Exchange of Product - Numerical
Control): Apesar do desenvolvimento que tem melhorado a arquitetura
do software e das máquinas ferramentas a CNC (Computer Numeric
Control), os fabricantes e usuários continuam a procura de uma infraestrutura comum para sistemas CAD, CAPP, CAM e CNC que integre e
traduza o conhecimento de cada um dos estágios da cadeia. É com o
propósito de prover um padrão consistente e de qualidade para a
manufatura baseada em CNC, que a STEP-NC vem sido desenvolvida.
Ao contrario da ISO 6983, conhecida pelos códigos G/M, a ISO 14649
não é um método de programação nem descreve os movimentos da
ferramenta para uma máquina CNC. O que a ISO 14649 provê é um
modelo de dados orientado a objetos para CNC, com uma estrutura
detalhada de interface de dados que incorpora a programação baseada
em Features, onde há uma gama de informações tais como a Feature a
ser usinada, tipo de ferramentas a usar, as operações a realizar, e o
plano de trabalho. Um exemplo de STEP-NC é mostrado na figura 78.
189
Figura 78: Exemplo de STEP-NC
Fonte: http:\\www.stepools.com

TCP/IP Ethernet device: Equipamento desenvolvido pela Siemens,
especificamente para uso com o servidor KEPServerEXOPC, utilizado
para interfaceamento entre rede Ethernet e protocolo de comunicação
TCP/IP.

TIPPtool: Ferramenta que nasceu a partir do projeto TIPP, e tem como
objetivo criar um protocolo básico que contenha especificações
funcionais e performance em um único formato de processo algébrico.

UDP (User Datagram Protocol): É um protocolo simples da camada de
transporte. O UDP é uma escolha adequada para fluxos de dados em
tempo
real,
especialmente
aqueles
que
admitem
perda
ou
corrompimento de parte de seu conteúdo, tais como vídeos ou voz.
Aplicações sensíveis a atrasos na rede, mas poucos sensíveis a perdas
de pacotes, como jogos de computadores, também podem se utilizar do
UDP.

VMD (Virtual Manufacturing Device): Usado no controle de robôs e
utilizando elementos abstratos do MMS (Manufacturing Message
Specification), possui uma estrutura de dados, que permite sua
utilização em arquiteturas de controle de robôs.
190

WAN (Wide Area Network): A Wide Area Network (WAN), rede de área
alargada ou rede de longa distância, também conhecida como rede
geograficamente distribuída, é uma rede de computadores que abrange
uma grande área geográfica, com freqüência de um país ou continente.
Difere, assim, da LAN.

Watchdog Timer: É um dispositivo eletrônico temporizador que dispara
um reset ao sistema se o programa principal falhar, devido a alguma
condição de erro, tais como hang.

WATM (Wireless ATM): Wireless ATM é uma tecnologia emergente que
combina a rede multi-serviços, capacidades multimídia de ATM com
mobilidade do usuário e livre acesso. O usuário final e os requisitos de
operação para Wireless ATM indicam que devem ser integrados com
redes fixas ATM. Wireless ATM é, sobretudo considerada como uma
questão de "Acesso a uma rede ATM". Dependendo sobre que tipo de
rede ATM está para ser acessada, diferentes aspectos de rede sem fio
precisam ser abordados.

WiMAX (Worlwide Interoperability for Microwave Acess): é uma
tecnologia padronizada de rede sem fio que permite substituir as
tecnologias de acesso de banda larga por cabo e ADSL.O WiMAX
permite a comunicação fixa entre um ou mais pontos, comunicação
portátil e, eventualmente, comunicação móvel sem fio sem a
necessidade de visada direta com a estação base.

WMN (Wireless Mesh Network): Em uma malha WMN, não só cada
extremidade nó pode transmitir a sua própria informação (ou seja,
informações recolhidas a partir de seu próprio sensor), mas também
pode transmitir informação gerada a partir de outros nós. Em WMNs, os
nós são compostos de malha de roteadores e malha clientes. Cada nó
funciona não só como um anfitrião, mas também como um roteador,
encaminhando pacotes em nome de outros nós que podem não estar
diretamente dentro da transmissão sem fio na gama dos seus destinos.
Um WMN é dinamicamente auto-organizado e auto-configurado, com
191
nós na rede automaticamente, que institui a manutenção da malha e a
conectividade entre si. Este característica traz muitas vantagens, tais
como a WMNs up-front baixo custo, fácil manutenção da rede, robustez
e serviço de cobertura.

WSN (Wireless Sensor Network): É constituído por uma rede sem fio
autônoma espacialmente distribuída utilizando dispositivos de sensores
para monitorar cooperativamente condições físicas ou ambientais, como
temperatura, som, vibração, pressão, movimento ou poluentes, em
locais diferentes. Redes de sensores sem fios são hoje usados em
muitas áreas de aplicação industrial e civil, incluindo a vigilância e
controle de processos industriais, máquinas, saúde, meio ambiente e
monitoramento do habitat. A figura 79 exemplifica uma WSN.
Figura 79: Exemplo de WSN
Fonte: Adi Mallikarjuna Reddy V
192
193
5.
Conclusões
A automação industrial, cada vez mais, busca abranger não apenas a
automação do processo, no chão de fábrica, mas abre suas fronteiras,
abrangendo a automação do negócio como um todo. Surgem então sistemas
de gerenciamento de produção, de materiais, de vendas e da cadeia de
suprimentos. No entanto, o presente trabalho teve como foco as mudanças
tecnológicas da camada supervisora, conforme Figura 1, ou seja, buscou-se
entender as tendências especificamente da indústria de processo, suas
trajetórias de mudança, paradigmas tecnológicos e especificidades. As demais
camadas de automação não foram exploradas, apesar de aparecerem nas
buscas realizadas em patentes e artigos científicos. Estas camadas de
automação têm características comuns a aplicações em outras indústrias e
setores e econômicos, os quais não eram alvos dessa pesquisa.
O negócio de automação ainda cresce nos países em desenvolvimento.
Observa-se em projetos de engenharia atuais que algumas tecnologias
coexistem na arquitetura de automação das indústrias. Não existe uma
tecnologia que seja aplicada em todos os equipamentos. Isto ocorre em função
de diversos motivos.
O principal deles é que cada protocolo possui suas vantagens e desvantagens,
e relações custo-benefício que levam a aplicações variadas para cada padrão.
Outro motivo é a existência de empresas específicas que detêm a tecnologia
de automação de equipamentos críticos, que operam com os mesmos
protocolos há anos no mercado, que dificilmente serão substituídos facilmente
por padrões mais atuais.
E por outro lado, existem os sistemas Instrumentados de Segurança,
responsáveis por todas as ações mais críticas da planta, que exigem
velocidade no tráfego de dados e confiabilidade das lógicas de intertravamento,
194
processadas em CLPs específicos que demandam exigências de integridade e
que em alguns casos não são encontrados em tecnologias mais recentes.
Todas essas peculiaridades causam impedimentos para inserção de novas
tecnologias em algumas aplicações dentro da indústria. Por isso, cada
tecnologia nova leva um tempo para ser utilizada industrialmente, em função
das diversas adaptações que precisam sofrer até que cheguem a um patamar
de confiabilidade. Elas também precisam apresentar muitas vantagens
operacionais, inclusive de qualidade das informações processadas, que
compensem a substituição dos sistemas convencionais por estas tecnologias.
No âmbito comercial, mediante as análises feitas das empresas nacionais de
automação, podemos ratificar estas expectativas, e obter algumas conclusões
acerca do mercado nacional.
A primeira delas é que, visto que os fabricantes nacionais de sistemas
automação hoje fornecem um grande portfólio de instrumentos e equipamentos
associados a redes Fieldbus, pode-se verificar que há uma oferta nacional
muito grande desses sistemas na automação industrial, principalmente nas
tecnologias Fieldbus Foundation e Profibus. A avaliação das empresas
nacionais também dá indícios sobre que tipos de tecnologias possuem
demanda no mercado nacional, visto que a maior parte da produção dessas
empresas é destinada a suprir demanda interna.
Entretanto, esses sistemas estão em início de modificação, com a inserção das
redes sem fio. Os negócios envolvendo as redes sem fio despontam como os
de maior perspectiva de crescimento, apesar da crise econômica mundial
agravada em outubro de 2008. Até 2010, segundo a ARC Advisory Group, o
segmento deverá apresentar taxas superiores a 32% de incremento e deverá
atingir uma receita de US$ 1,18 bilhão. Em 2005, segundo o BNDES, esses
valores foram de apenas US$ 325 milhões (LOBO, 2009).
195
No quesito “Redes sem fio na automação industrial”, constata-se que no Brasil,
fisicamente as redes industriais ainda são construídas com cabos metálicos –
par trançado e cabo coaxial – e fibras ópticas. O uso da rede Wireless, ainda
não é freqüente, apesar de já existirem algumas implementações no país.
Apesar de suas diversas limitações, inclusive de confiabilidade da rede, a
grande vantagem da inexistência de cabos se sobrepõe em muitos casos a
falta de confiabilidade, em virtude das limitações físicas. No momento, essas
redes sem fio estão sendo amplamente aplicadas nos sistemas que não
requerem respostas em tempo real, como manutenção de equipamentos e
monitoramento de redes de distribuição de água, energia e combustíveis.
Também é muito aplicada onde é inviável transmitir informação via cabos,
como áreas de extensões muito longas, monitoração de instrumentos isolados,
monitoração de locais onde não é possível trafegar cabos, como nos casos de
instrumentos localizados em poços de petróleo. Essa grande vantagem, a
ausência de limitações físicas, tem feito com que os estudos da tecnologia
cresçam rapidamente e sejam foco de muitas inovações.
Assim, espera-se que as redes Wireless nos próximos anos comecem a ser
inseridas em maior escala no ambiente industrial, não apenas nas aplicações
onde existem impedimentos para a existência de cabos, mas também como
inovações, substituindo as atuais redes com fio aplicadas a monitoração e
controle de variáveis de processo.
A tendência à padronização de elementos e de protocolos de comunicação
vem reduzindo os custos associados à implantação dos sistemas de controle,
naturalmente quando se comparam sistemas com especificações idênticas,
porém produzidos em épocas diferentes. A convergência tecnológica, originada
na utilização da eletrônica digital, vem aproximando os sistemas de controle da
TI (tecnologia da informação) e de seus paradigmas, no sentido da interligação
desses sistemas com os sistemas de gestão integrada das empresas e o
acesso a informações e relatórios de controle pela Internet e terminais
196
portáteis. Os dispositivos de controle vêm se apropriando das mais modernas
conquistas da eletrônica, por meio da utilização de componentes com maior
velocidade e capacidade de processamento, o que se reflete imediatamente na
miniaturização dos dispositivos e no aumento da sua funcionalidade,
sensibilidade e precisão, assim como na diminuição do seu tempo de resposta.
Têm sido intensos os investimentos em desenvolvimento de software, tanto no
software embarcado em dispositivos de controle, que aumentam a facilidade e
flexibilidade do seu uso, quanto de produtos voltados à otimização de sistemas
e controle avançados de processo.
Quanto à análise das principais empresas nacionais relacionadas ao ramo da
automação, pode-se avaliar que a maioria delas ainda se encontra distante das
expectativas de mercado e apresentam soluções e produtos isolados. A
principal causa das empresas líderes internacionais estarem em um patamar
superior às empresas nacionais é o diferencial do fornecimento de soluções
completas. À medida que as especificações de projeto exigem que as
empresas fornecedoras da automação se responsabilizem pela instalação dos
equipamentos e instrumentos, pelo fornecimento dos softwares, pela colocação
dos mesmos em operação e pela manutenção dos sistemas, as empresas que
não
possuem
soluções
integradas
não
conseguem
obter
a
mesma
lucratividade.
Dadas às diferenças entre os competidores acima mostrados são as empresas
multinacionais dominantes que normalmente fornecem os principais pacotes de
automação, ou seja, são elas as responsáveis pela totalidade do fornecimento
da solução de automação das grandes plantas industriais. Isso é verdadeiro
tanto para os novos projetos quanto para os projetos de modernização de
unidades completas de plantas já existentes. Nesse caso, a participação de
qualquer outro fornecedor, na qualidade de subcontratado, é eventual e ocorre
caso haja uma exigência do cliente, ou pelo uso de um produto em particular,
ou pela redução de custo em um dado dispositivo. Isso porque nem sempre o
fornecedor do pacote dispõe, entre seus produtos, de dispositivos que atendam
à totalidade dos requisitos especificados, inclusive a relação custo/benefício.
197
No que diz respeito à difusão tecnológica, é possível afirmar que a falta de
mão-de-obra qualificada torna-se uma barreira para o aumento na utilização
das novas tecnologias de automação industrial. É fundamental que o
aprendizado acerca dessas novas tecnologias, do projeto à instalação e
operação dos sistemas esteja presente nos cursos de formação dos
profissionais que irão trabalhar em áreas direta ou indiretamente envolvidas na
automação de processo industriais. O projeto e a manutenção desses sistemas
requerem uma grande demanda de mão de obra especializada, o que torna
necessária uma nova abordagem no ensino dos cursos responsáveis pela
formação desses profissionais, de forma a desenvolver as habilidades
necessárias e prover os conhecimentos práticos que estas novas tecnologias
demandam.
As tecnologias encontradas na prospecção em artigos e patentes foram
classificadas em cinco grupos. Através da análise de artigos e patentes, foi
possível construir as tabelas 16 a 20 seguir, onde é possível perceber com
mais clareza as tecnologias em destaque de cada grupo:

Instrumentação: dentro de um ambiente automatizado, além dos
computadores, existem sensores, atuadores, controladores e servidores.
Todos estes se encontram neste grupo.

Protocolo: neste grupo se encontram as tecnologias utilizadas para
comunicação dentro de redes. Protocolo é a linguagem com que os
equipamentos e computadores vão se comunicar dentro de uma
determinada rede;

Rede: as tecnologias classificadas como rede, são as que permitem a
conexão de equipamentos e computadores de forma física. Através de
uma rede, é possível dar e receber ordens, monitorar equipamento e
variáveis entre outras operações. Toda a informação que circula dentro
de uma rede é através de protocolos;
198

Software: aplicativos de computador e linguagens de programação
estão neste grupo. As linguagens de programação permitem a criação
de aplicativos e estes, por sua vez, a arquitetura e configuração e
controle de uma rede;

Sistema: neste grupo estão as tecnologias que controlam todo um
ambiente automatizado. Estão neste grupo as estratégias de controle,
sistema de automação, etc. Essas tecnologias estão no nível acima das
outras descritas anteriormente, funcionando como um elemento
integrador de todo o ambiente automatizado.
Instrumentação
Ethernet
Fieldbus









Associated Motion
Control Interface Card
Associated Fieldbus
Interface Card
Bus Loop Power
Interface
Conversor A/D
(analogic to digital)
DSP
EIB OPC
PID-fuzzy
Transmissor de
pressão
WATM



PDA – Personal Digital
Assistant
PCDS
TCP/IP Ethernet
device
Wireless













ASIC - applicationspecific integrated
circuit
AWT – autonomous
wireless transmitter
EDLC - Electric
double layer
capacitor
FBG - Fibre Bragg
Gratings
GEC - Generic
embedded controller
GRC - Generic
remote controller
ICC - Integrated
Circuit Card
ILC - Iterative
Learning Control
Innervated
Stochastic Controller
Neuro fuzzy
controller
PDA – Personal
Digital Assistant
RF Wireless
Interface
Wireless sensor
networks
Tabela 16 – Instrumentação
199
Protocolos
Ethernet
Fieldbus






CIM - ComputerIntegrated
Manufacturing
HSE FDA - Ethernet
Field Device Access
Foundation ™ Protocol
HSE
HART
STEP-NC – Standart
for the Exchange of
Product – Numerical
Control

Manufacturing
 LonWorks
 Service discovery
protocol
 Rtnet
 HTTP
 STEP-NC – Standart
for the Exchange of
Product – Numerical
Control
 TCP
Tabela 17 – Protocolos
Fast Ethernet
High Speed Ethernet
Internet
DeviceNet
Profibus
Simplebus





Redes
Ethernet
Fieldbus






Wireless









EtherCat Network
LAN
Profibus
Wireless LAN
Wireless mesh
Network
WAN Wireles Area
Network
Wireless Network
Real-Time Ethernet
WIMAX – Worldwide
Interoperability for
Microwave Acess
CAPP - Computeraided process
planning
Manufacturing
DHCP - Dynamic
Host Configuration
Protocol
HTTP
LonWorks
Wireless







FMFNN - Fuzzy
membership
function-based
neural networks
Internet based Virtual
Private Networks
LAN
Profibus
Wireless Network
Wireless Mesh
Network
WIMAX – Worldwide
Interoperability for
Microwave Acess
Tabela 18 – Redes
200
Software
Ethernet
Fieldbus





CPRTA – Constraint
Programming for
Solving Real-Time
Allocation
CORBA – Common
Object Request Broker
Architecture
JAVA
TIPPtool
Data Processing
System

API – Application
Programming Interface
 CAD – Computer
Aided Design
 CORBA - Common
Object Request Broker
Architecture
 Data Mining System
 DOC – Distributed
Object Computing
 FLEXICON - Flexible
Control Systems
Development and
Integration
Environment for
Control Systems
 Globus Toolkit
 Java
 VMD – Virtual
Manufacturing Device
Tabela 19 – Software






BACnet
Block-Oriented
Control System
CAN - Controller
Area Network
CLP
CLPM – Control
Loop Performance
Monitoring
Controle
Automático por
Transmissão
Pneumática
CSMA/CD –
Carrier Sense
Multiple
Access/Collision
Detection
Centralised ScanBased Control




Asset Management
Systems
API – Application
Programming
Interface
CAD – Computer
Aided Design
PROMCALC
Sistema
Ethernet
Fieldbus


Wireless











Asset
Management
System
BACnet
BAS
CAN – Controller
Area Network
CLP
DCS – Distributed
Control System
Distributed RealTime System
DRES
ERP – Enterprise
Resource Planning
Graphical User
Interface
IMS – Intelligent
Manufacturing
Wireless









AEM – Abnormal
Event
Management
Controle
Automático por
Transmissão
Pneumática
Closed-loop
feedback
CBM - Conditionbased
maintenance
CNC
DRES
MEMS
NMS
NCS Networked
Control System
201









Systems
Distributed RealTime System
DCS – Distributed
Control System
DRES
Graphical User
Interface
Hardware-in-theloop Simulation
Host Computer
System
MCS –
Manufacturing
Control System
NCS – Networked
Control System
RTO – Real Time
Optimization and
Dynamic
Optimization




System
NMS
NCS – Networked
Control System
PCDS –
Production Control
Decision Support
Watchdog Timer


PLM - Product
Lifecycle
Management
SCM - Supply
chain
Management
Tabela 20 – Sistema
Em linhas gerais, entende-se que as tecnologias coexistem ao longo dos anos.
Pode-se
observar
que
várias
indústrias
ainda
utilizam
atualmente,
instrumentação tipicamente convencional, sinalizando que o advento das
tecnologias sem fio não traz a eliminação completa das demais tecnologias. Ao
longo de muitos anos ainda teremos a coexistência de redes como Foundation
Fieldbus, Profibus, Hart, Wireless, dentre tantas outras, participando dos
sistemas de automação industrial.
202
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206

estudo tecnológico para o setor de automação de processos

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