A automação elétrica é definida como a aplicação de sistemas automáticos e controladores elétricos para comandar e inspecionar processos industriais de diversos setores, como automotivo, eletrônico, alimentício, biotecnológico, farmacêutico, cosmético, químico, etc.
A partir do uso de sensores, atuadores, motores, remotas IO e controladores lógico-programáveis (PLCs), além de outros dispositivos elétricos, a produção é otimizada em relação à eficiência, qualidade, segurança, velocidade e redução de custos.
A partir do século XVIII, muitas fábricas substituíram ou complementaram a força do trabalho humano pela atuação das máquinas devido ao aumento de produtividade no trabalho – embora o modo de vida e os padrões de consumo da sociedade também sentiram seus efeitos.
Os primeiros equipamentos foram as máquinas a vapor, utilizadas principalmente em siderúrgicas, mineradoras e fábricas de tecelagem. Em 1788, o matemático e engenheiro britânico James Watt criou o regulador de velocidade, um sistema de controle automático de vazão de vapor para comandar máquinas.
Com o passar do tempo, os dispositivos foram ficando cada vez mais modernos. No final do século XIX, a produção e distribuição de energia elétrica começava a revolucionar o dia a dia das pessoas. Na mesma época, a indústria adotava a eletricidade em motores elétricos, sensores, atuadores, bobinas, entre outros equipamentos.
Em 1903, a indústria automobilística, as manufaturas e demais linhas de produção já haviam aderido a automação elétrica. Entre a metade e o fim do século XX, surgiram os computadores, transistores, PLCs e microcontroladores.
Hoje, a automação elétrica é essencial na indústria e no cotidiano como um todo, conduzida por contratos de concessão dos governos de cada país. No Brasil, é regulamentada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), operada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e monitorada pelo Ministério de Minas e Energia (CMSE).
Na automação elétrica, existem alguns conceitos fundamentais em seu pleno funcionamento para atingir os objetivos relacionados à economia de tempo e dinheiro, normas de segurança, aprimoração do produto e rapidez em todos os processos de produção.
Os sistemas de controle permitem alterações nas condições de operação de diversos equipamentos, possibilitando maior eficácia e fator adaptável às mudanças que podem acontecer – de acordo com as características de cada máquina e setor industrial.
Por mais que pareça algo moderno, o conceito de sistema de controle existe há milhares de anos, sendo o relógio de água (clepsidra), inventado pelo matemático e engenheiro grego Ctesíbio em algum momento entre 285 e 222 a.C., um dos exemplos mais antigos.
Nos equipamentos de climatização, por exemplo, o sistema de controle é implementado no condicionamento de ar, no ligar e desligar de compressores e no abrir e fechar de válvulas.
Por via de regra, o sistema de controle pode ser de malha aberta (open loop) ou malha fechada (closed loop). A grande diferença é a presença da retroalimentação (feedback) no closed loop, que realiza o monitoramento da variável controlada como parâmetro de entrada para alguma ação de correção.
Os sistemas de controle contam com alguns dispositivos principais:
Na prática, o sensor identifica uma determinada condição e se comunica com o controlador, que reconhece a solução e aciona o atuador para executar a ação necessária. Juntos, formam um sistema de controle.
Vale mencionar que combinar o sensor e o controlador em um único dispositivo é uma prática comum, como acontece com pressostatos e umidostatos, seguindo princípios de controle de diferencial de pressão e umidade relativa, respectivamente.
A padronização de componentes e protocolos de comunicação facilita a integração entre diferentes dispositivos e sistemas, tornando essa troca mais fluida e eficiente.
As redes de comunicação avançada permitem que a troca de informações entre dispositivos tenha mais velocidade, o que também acelera a aquisição, leitura, interpretação e tratamentos de dados importantes para tomadas de decisão.
Isso assegura um fluxo de informações organizado, algo essencial para a otimização do desempenho das máquinas e processos da indústria.
As redes industriais são estruturas de comunicação automatizadas que coordenam processos industriais acerca de sensores, controladores, atuadores, computadores, máquinas, rádios de comunicação, redes sem fio (wireless) industriais, fibra óptica e robôs.
Ao compartilharem dados relevantes entre si, essas redes contribuem para a construção de um funcionamento mais eficaz e produtivo, sempre seguindo os critérios de cada segmento e empresa.
Antigamente, os dados eram coletados através de uma série de cabos conectados aos dispositivos. Hoje, com a ajuda de tecnologias mais avançadas, são usados poucos equipamentos – e uma quantidade consideravelmente reduzida de cabos.
As redes industriais estão presentes em todos os níveis de uma empresa, desde o operacional das fábricas até o alto escalão administrativo. Por isso, as vantagens são diversas:
Embora existam várias redes, as mais utilizadas são:
Criada em 1973 pela Xerox PARC – empresa norte-americana que inventou o mouse, o gráfico em cores e a impressora a laser –, a Ethernet nasceu para suprir a necessidade de interligar uma grande rede de computadores.
Naquela época, as redes locais já existiam, mas eram muito limitadas com sua restrição de tamanho (conexão de até 16 computadores) e distância (equipamentos deveriam ficar no mesmo local). A Ethernet solucionou o problema: logo no começo, já conectava 255 aparelhos em uma distância de 1,5 km entre cada máquina.
A Ethernet funciona em todos os tipos de empresa e em ambientes domésticos, mas sua versão industrial utiliza diretrizes específicas para atender às demandas do setor.
Pelo custo-benefício positivo, implementação fácil e diversificada e estar em constante evolução, esse é considerado o padrão global para intercomunicação de dados em rede.
Por todos esses benefícios, também deu origem a outras redes, como a PROFINET e EtherCat, EtherNet IP, Modbus entre outras.
PROFINET é uma rede de Ethernet Industrial aberta com base em protocolos internacionais. Serve para compartilhar dados entre os componentes de um setor automatizado.
Para fazer conexão entre todos os seus componentes (alarmes, segurança funcional, diagnósticos e informações adicionais), a PROFINET exerce a Ethernet convencional como meio de comunicação.
A EtherCAT oferece mais capacidade computacional e flexibilidade de Ethernet na automação industrial, incluindo sistemas de controle, aquisição de dados e comando de movimentos.
Significa Ethernet for Control Automation Technology (Ethernet para Controle de Tecnologia de Automação, em tradução livre).
Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) é um protocolo de rede utilizado na automação industrial que combina a tecnologia Ethernet com o padrão Common Industrial Protocol (CIP).
Ele é amplamente utilizado para integrar dispositivos e sistemas de controle, oferecendo alta velocidade de comunicação e a capacidade de transmitir grandes volumes de dados em tempo real.
Ethernet/IP é ideal para aplicações que exigem robustez e confiabilidade, como sistemas de manufatura, controle de processos e robótica.
Modbus é um protocolo de comunicação serial amplamente utilizado na automação industrial para conectar dispositivos eletrônicos. Ele permite a comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes e é comumente empregado em sistemas de controle e monitoramento.
Existem duas versões principais do Modbus: Modbus RTU (Remote Terminal Unit), que opera em uma rede serial RS-485, e Modbus TCP/IP, que utiliza a tecnologia Ethernet para transmissão de dados. A simplicidade e a flexibilidade do Modbus o tornam uma escolha popular para a integração de sistemas de automação.
Programmable Logic Controller ou Controlador Lógico Programável, em português, é o nome oficial do PLC (ou CLP), um dispositivo eletrônico com memória digital e programável para arquivar instruções e administrar, vistoriar e controlar máquinas, processos e linhas de produção.
Sua operação é feita com a ajuda de softwares e hardwares exclusivos do meio industrial. Por causa disso, além de atenderem às exigências do segmento, os PLCs são altamente resistentes para suportar os eventos de uma fábrica, como vibrações, ruídos, poeira, etc.
Os controladores lógico-programáveis recebem informações dos dispositivos de entrada (pontos que se conectam aos sensores para captar variáveis), processam os dados e comandam os dispositivos de saída (recebem a mensagem de comando e executam as ações).
Desta forma, fazem uso de atuadores que exercem várias funções, como o liga/desliga automático de um equipamento e a coleta de referências do funcionamento para identificar imprecisões.
A estrutura básica dos PLCs é composta por:
Diante de tudo isso, os controladores lógico-programáveis servem para melhorar os procedimentos industriais em relação a eficiência, monitoramento a distância, otimização de operações (praticidade, rapidez e precisão), isolamento de ruídos eletromagnéticos e redução de custos devido à digitalização, fácil manutenção e rendimento geral do aparelho.
Por mais que a tecnologia da automação reduza de maneira significativa a carga da mão de obra, ainda existem cuidados humanos a serem tomados para que os mais altos níveis de qualidade e segurança sejam atingidos.
Essa atenção deve ser aplicada desde o design do projeto de automação até sua execução. Para garantir que tudo funcione como deve, existem normas regulamentadoras (NRs) brasileiras contempladas pelo Ministério do Trabalho e Emprego (MTE).
Outros órgãos estabelecem condições que devem ser respeitadas, como a Confederação Nacional da Indústria (CNI), Conselho Federal dos Técnicos Industriais e Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).
As normas ISO (International Organization for Standardization), que estabelecem padrões em diferentes setores, também são muito utilizadas. Dentre as principais, estão:
Os padrões de cada indústria também precisam ser considerados. Cada segmento tem um órgão regulamentador. A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), por exemplo, fica responsável por alimentos e medicamentos, enquanto a Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (ANFAVEA) rege sobre os veículos.
A manutenção preventiva é útil para eliminar, corrigir ou suavizar falhas que podem prejudicar a produção e colocar a saúde dos colaboradores em risco.
Cada processo e indústria têm etapas diferentes de prevenção, mas as inspeções, substituições, limpezas e ajustes são regimes utilizados na grande maioria dos casos.
Os testes também não podem ser deixados de lado. Depois de todas as condições de manutenção, e antes da execução da produção em si, é importante testar todos os equipamentos e processos.
Isso é particularmente crucial na parte elétrica, que pode ser muito perigosa se não for tratada da maneira correta. Os testes ajudam a detectar e corrigir problemas relacionados a isolamento, continuidade de circuitos, conexões, pontos de calor, qualidade energética, etc.
Os próprios PLCs, com suas funções de extração de dados e identificação de falhas, são ferramentas poderosas na manutenção preventiva.
A automação elétrica funciona a partir da tecnologia, ciência que está em constante desenvolvimento para entregar resultados cada vez melhores, sempre de acordo com as necessidades da sociedade.
A Indústria 4.0 é caracterizada pela adoção em massa de tecnologias digitais no setor industrial para automatizar, administrar e otimizar processos diversificados.
Essa ideia também é chamada de Quarta Revolução Industrial, por apresentar novidades que podem causar grandes alterações na produção e nos meios de consumo – assim com as Revoluções Industriais anteriores.
A intenção é que as máquinas se tornem cada vez mais inteligentes para poupar esforços humanos, aperfeiçoar ações que poderiam ser desenvolvidas ou realizadas com falhas e tornar todos os procedimentos mais práticos, rápidos, confiáveis e seguros.
A Indústria 4.0 se apoia em alguns elementos para criar soluções que realmente façam a diferença nas fábricas, como virtualização, recursos de detecção de erros e correção em tempo real, descentralização dos módulos de trabalho, interatividade, velocidade e modularidade. Naturalmente, todos esses aspectos são refletidos diretamente nos lucros.
De acordo com o relatório “Monitor da Indústria 4.0”, da empresa de consultoria norte-americana International Market Analysis Research and Consulting (IMARC Group), o mercado brasileiro da Indústria 4.0 chegou a US$ 1,77 bilhão em 2022, com crescimento anual composto de 18,8% em relação ao período de 2017 a 2022.
Estima-se que os números cheguem aos US$ 5,62 bilhões até 2028, com índice de crescimento de 21% ao ano, partindo de 2023.
Logo, a expectativa é que a indústria tenha maior participação no PIB (Produto Interno Bruto) do Brasil e ganhe mais espaço para o setor brasileiro em ambientes internacionais.
Além do ChatGPT e outras populares ferramentas de Inteligência Artificial para a produção de conteúdos (textos, imagens, vídeos), a IA é cada dia mais abraçada no cenário industrial.
Com o intuito de melhorar a qualidade dos entregáveis e tornar as atividades mais fáceis e precisas, essa tecnologia pode ser usada em diversas situações e segmentos.
Na maioria das vezes, no entanto, a IA é implementada no controle de produção em tempo real para analisar dados, identificar problemas e apresentar soluções que possam poupar dinheiro e salvar vidas.
Dentro da Inteligência Artificial, há o Machine Learning, ou aprendizado das máquinas, que é quando os robôs são capazes de assimilar diferentes informações a partir das situações que encontram ao longo do uso.
Sem que haja a necessidade de ajustes e programações manuais, os computadores conseguem “aprender com a experiência” e tornam suas habilidades ainda mais definidas e certeiras.
Mesmo que a supervisão humana ainda seja essencial, a inteligência e autonomia das máquinas é um grande método para tornar o dia a dia na indústria mais simples e produtivo.
A Festo nasceu em 1925 em Esslingen, na Alemanha. Desde então, já atendeu mais de 300 mil clientes em 176 países, empregando quase 21 mil colaboradores a nível mundial e movimentando pouco mais de 3,8 bilhões de euros.
Com uma jornada longa e números expressivos, a Festo tem alguns cases de sucesso que ajudam a ilustrar, de maneira prática e real, as vantagens da automação elétrica no setor industrial.
A empresa italiana Primon Automazioni, especialista no design e manufatura de sistemas automáticos, conquistou um impressionante marco: a produção de uma nova peça a cada 2,5 segundos.
A linha de montagem 100% autônoma tem foco na confecção de conectores hidráulicos para a fabricação de veículos, e é composta por diversas estações automáticas com eixos elétricos, motores sem escovas e reguladores de servoacionamento.
Permitindo grande flexibilidade do sistema, fácil operação e updates técnicos frequentes, o software da Festo foi criado exclusivamente para essa aplicação e tem a capacidade de ajustar automaticamente os cursos de trabalho de todos os eixos em função da peça carregada.
A alemã BEC Robotics é uma das empresas mais respeitadas do mundo na fabricação de máquinas de ressonância magnética. Em parceria com a provedora de equipamentos médicos Siemens Healthineers, são utilizadas bobinas nos ímãs dos aparelhos, cuja fixação é proporcionada pelos atuadores elétricos da Festo.
As máquinas são montadas por robôs articulados com capacidade de carga de até 2,3 toneladas. Os braços agarram as bobinas, que pesam cerca de 1.500 kg, e as posicionam sobre os imãs.
Como as peças não podem escorregar ou ficar torcidas, a tolerância máxima de espaço é de 0,5 milímetros. Parece algo quase impossível, mas os atuadores elétricos da Festo apresentam o desenho certo para atingir a todos os requisitos e, assim, contribuir para a entrega de equipamentos médicos de alto padrão para milhões de pacientes ao redor do globo.