Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia para planejamento de projetos de automação industrial, considerando o alinhamento do Planejamento Estratégico, Plano Diretor da Automação Industrial e Desenvolvimento Sustentável. Intitulada MAPEAS, esta metodologia visa contribuir para o aprimoramento do processo de tomada de decisões em relação ao planejamento de projetos de automação industrial de forma que, além dos ganhos de eficiência e econômicos, também sejam atingidos bons níveis de sustentabilidade. A literatura apresenta alguns trabalhos relativos a Planejamento Estratégico e Sustentabilidade, porém a relação com automação industrial ainda não é abordada de forma sistemática e científica nas publicações acadêmicas ou mesmo técnicas. Para desenvolvimento da metodologia MAPEAS, o modelo de relatório da Global Reporting Initiative (GRI) foi utilizado devido à adoção do mesmo por 80% das 250 maiores empresas, segundo relatório da empresa KPMG International (2011). A avaliação da metodologia foi realizada a partir da análise de projetos de automação industrial de uma indústria química, sua aplicação e identificação dos benefícios alcançados. / This thesis presents a methodology for industrial automation projects planning, considering the alignment of Strategic Planning, Master Plan of Industrial Automation and Sustainable Development. Entitled MAPEAS, this methodology aims to contribute to the improvement of the decision making process regarding industrial automation project planning so that, in addition to efficiency and economic gains, good levels of sustainability are also achieved. The literature presents some papers on the Strategic Planning and Sustainable Development, but the relationship with industrial automation is not yet addressed in a systematic and scientific way in academic or technical publications. In order to develop the methodology MAPEAS, the sustainability report model of the Global Reporting Initiative (GRI) was used due to its adoption by 80% of the 250 largest companies, according to a report from KPMG International (2011). The evaluation of the methodology is performed through the analysis of industrial automation projects in a chemical industry, its application and identification of the benefits achieved.

Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia para planejamento de projetos de automação industrial, considerando o alinhamento do Planejamento Estratégico, Plano Diretor da Automação Industrial e Desenvolvimento Sustentável. Intitulada MAPEAS, esta metodologia visa contribuir para o aprimoramento do processo de tomada de decisões em relação ao planejamento de projetos de automação industrial de forma que, além dos ganhos de eficiência e econômicos, também sejam atingidos bons níveis de sustentabilidade. A literatura apresenta alguns trabalhos relativos a Planejamento Estratégico e Sustentabilidade, porém a relação com automação industrial ainda não é abordada de forma sistemática e científica nas publicações acadêmicas ou mesmo técnicas. Para desenvolvimento da metodologia MAPEAS, o modelo de relatório da Global Reporting Initiative (GRI) foi utilizado devido à adoção do mesmo por 80% das 250 maiores empresas, segundo relatório da empresa KPMG International (2011). A avaliação da metodologia foi realizada a partir da análise de projetos de automação industrial de uma indústria química, sua aplicação e identificação dos benefícios alcançados. / This thesis presents a methodology for industrial automation projects planning, considering the alignment of Strategic Planning, Master Plan of Industrial Automation and Sustainable Development. Entitled MAPEAS, this methodology aims to contribute to the improvement of the decision making process regarding industrial automation project planning so that, in addition to efficiency and economic gains, good levels of sustainability are also achieved. The literature presents some papers on the Strategic Planning and Sustainable Development, but the relationship with industrial automation is not yet addressed in a systematic and scientific way in academic or technical publications. In order to develop the methodology MAPEAS, the sustainability report model of the Global Reporting Initiative (GRI) was used due to its adoption by 80% of the 250 largest companies, according to a report from KPMG International (2011). The evaluation of the methodology is performed through the analysis of industrial automation projects in a chemical industry, its application and identification of the benefits achieved.

Submitted by Geyciane Santos (geyciane_thamires@hotmail.com) on 2015-07-15T15:57:53Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Victor Enrique Lauria Valenzuela.pdf: 5796083 bytes, checksum: 3c0dc048049ae6179326dc7fbe8aa9ae (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-07-20T15:41:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Victor Enrique Lauria Valenzuela.pdf: 5796083 bytes, checksum: 3c0dc048049ae6179326dc7fbe8aa9ae (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2015-07-20T15:45:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Victor Enrique Lauria Valenzuela.pdf: 5796083 bytes, checksum: 3c0dc048049ae6179326dc7fbe8aa9ae (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-20T15:45:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Victor Enrique Lauria Valenzuela.pdf: 5796083 bytes, checksum: 3c0dc048049ae6179326dc7fbe8aa9ae (MD5) Previous issue date: 2013-06-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As market demands increased worldwide in response to economic growth, industrial automation systems became larger and more complex in order to meet these demands. This also increased the number of failures and maintenance necessity. However, solutions in automation often involve proprietary setups from manufacturers of industrial devices, preventing automation systems to be reused in different industrial applications without large efforts of development. Thus, systems that can be applied to a large number of industrial applications are desired by many companies, since they can reduce costs with deployment, maintenance and training, and even more if these systems also enable remote collection of information from their operation status. This work proposes a reusable hardware and software architecture to monitor and control industrial automation systems, which is not limited to a single industrial application; instead, it can be connected to any other one, as long as a communication port is available to access the process automation protocol. This is achieved by utilizing standardized technologies in the interfaces between components of the architecture, as well as by defining the structures of the software running on the hardware devices. A prototype was developed based on the proposed architecture and its application cases are later shown in a voice-activated coffee dispenser with a CANOpen protocol and in a wireless network of sensors and actuators with ZigBee-enabled devices. Finally, the deployment procedures of the prototype are described in a generalized application case. / Com o aumento das demandas de mercado a nível mundial, em resposta ao crescimento econômico, os sistemas de automação industrial tornaram-se maiores e mais complexos a fim de atendê-las, o que também aumentou o número de falhas e a necessidade de manutenção. No entanto, as soluções em automação muitas vezes envolvem configurações proprietárias dos fabricantes de equipamentos industriais, prevenindo sistemas de automação de serem reutilizados em diferentes aplicações industriais sem grandes esforços de desenvolvimento. Então, sistemas reutilizáveis em um grande número de aplicações industriais diferentes são desejados por muitas empresas, visto que se podem reduzir os custos com o desenvolvimento, manutenção e treinamento, ainda mais se também permitem coleta remota de informação sobre seu estado de funcionamento. O presente trabalho apresenta uma arquitetura reutilizável, composta de hardware e de software, para monitorar e controlar os sistemas de automação. Esta, por sua vez, não se limita a uma única aplicação, podendo ser ligada a outras, desde que uma porta de acesso ao protocolo de automação esteja disponível. Isto é alcançado através da utilização de tecnologias padronizadas nas interfaces entre os componentes da arquitetura, bem como definindo as estruturas para o software em execução nos mesmos. Um protótipo foi desenvolvido com base na arquitetura proposta e seus casos de aplicação são apresentados em uma máquina industrial de café, ativada por voz e com protocolo CANOpen, bem como em uma rede de sensores e atuadores sem fio, com dispositivos ZigBee. Finalmente, o processo de implantação é descrito em um caso de aplicação generalizado.

O processo de fabricação de papel é uma tecnologia multidisciplinar, na qual a maior parte do processo de produção consiste em uma série de operações e sistemas correlacionados. Com a evolução tecnológica a fabricação de papel moderna passou a ser uma instalação industrial de grande complexidade, com processos e máquinas contínuas de alta tecnologia e elevada capacidade de produção, levando a maioria das indústrias papeleiras no mundo à necessidade de ser controlada por modernos computadores e sistemas de automação. Esta dissertação apresenta a análise da integração do sistema de automação aplicada ao processo de fabricação de papel, visando a integração da automação desde o chão de fábrica até o sistema supervisório, utilizando o modelo da estrutura hierárquica para automação industrial, e a interface de operação. Inicialmente será apresentado o processo de fabricação de papel, em seguida, os sistemas convencionais de automação, na etapa seguinte a estrutura hierárquica do sistema de automação e finalmente o desenvolvimento da integração da automação, abordando a metodologia utilizada, aplicação e benefícios. Dentre os benefícios obtidos destacam-se a estrutura organizada no sistema de automação, a interface de operação amigável, o controle do processo na sala de controle, a disponibilidade dos dados de chão de fábrica na sala de controle, a redução no tempo de solução de anomalias, estabilidade no processo, redução de insumos e refugos. / Papermaking is a comprehensive technology, in which most of the production process consists of a series of related operations and systems. Throughout the technological evolution, modern papermaking has become an industrial plant of great complexity, with continuous high-tech processes and machines, and high production capacity, which lead most paper mills in the world to the need of being controlled by modern computers and automation systems. This dissertation presents the analysis of integrated automation system applied to papermaking process, in order to integrate the automation system in all levels, from operation to supervisory system, using the model of hierarchical structure for industrial automation and operator interface. Initially the process of papermaking will be presented, then, conventional automation systems. The following section will be the hierarchical structure of the automation system and, finally, the development of the integration of automation, covering the methodology, application and benefits. Among the benefits, the organized structure in the automation system, the friendly operation interface, process control in the control room, the availability of plant floor data in the control room, the reduction in solution time anomalies, process stability, reduction of inputs and waste will be will be highlighted in this work.

A laminação a frio de aços planos é um processo industrial de grande complexidade, executado num ambiente bastante agressivo e caracterizado por parâmetros incertos, grandes tempos de atraso, múltiplas entradas e múltiplas saídas e por forte interação entre as diversas variáveis (GUO, 2000). As referências necessárias para o controle de tal processo são obtidas por meio de um modelo matemático, responsável pela sua otimização. Dadas as particularidades do processo, o modelo deve ser do tipo adaptativo, ou seja, deve ter seus parâmetros continuamente ajustados com base nos resultados efetivamente obtidos durante a operação. A adaptação do modelo é essencial para a consecução dos requisitos de qualidade do produto e, em conseqüência, para a viabilidade da planta. Este trabalho primeiramente investiga as estratégias tradicionalmente empregadas no desenvolvimento de modelos adaptativos para o processo de laminação de aços, identificando os pontos fortes e deficiências de tais técnicas. Com o objetivo de minimizar essas deficiências e aperfeiçoar o desempenho do modelo, o trabalho propõe em seguida a utilização de ferramentas de Inteligência Computacional (mais especificamente, Redes Neurais Artificiais) para tornar mais eficiente a adaptação de dois importantes parâmetros: o limite de escoamento do material e o coeficiente de atrito entre a tira e os cilindros de trabalho. O texto apresenta os fundamentos teóricos, a metodologia de desenvolvimento e a implantação da solução, bem como os resultados preliminares obtidos com a aplicação da proposta num laminador real. Finalmente, discutem-se esses resultados, apresentam-se as conclusões, sumarizam-se as contribuições da pesquisa e se sugerem futuras linhas de pesquisa para extensão dos resultados. / Flat steel cold rolling is a complex industrial process, carried out into a very harsh environment, characterized by uncertain parameters, large delay times, multiple inputs and outputs, and having a strong interaction between the diverse variables (GUO, 2000). The control system of such a process obtains its setpoints from a mathematical model, responsible for process optimization. Given process peculiarity, the mathematical model must have adaptive features, that is, its parameters need to be continuously adjusted, on the basis of actual operational results. Adaptation is an essential characteristic for achieving product quality requirements and, as a consequence, for the plant feasibility itself. First of all, this work surveys the strategies commonly used in the development of cold rolling adaptive models, pointing out their strengths and deficiencies. Following to this, aiming at the minimization of such deficiencies and by this way improving the performance of the model, this work proposes the application of Computational Intelligence techniques (specifically Artificial Neural Networks) in order to bestow greater effectiveness to the adaptation of two important parameters, namely, the material flow stress and the friction coefficient between rolled strip and rolling cylinders. The text presents the theoretical foundations, the methodology and the implementation of the solution, as so the preliminary results after its application in a real steel mill plant. Finally, the text presents the conclusions, sums up the contributions of the research work and suggests further research to improve the results.

Devido às necessidades do mundo moderno, os sistemas de automação têm aumentado sua complexidade, fazendo com que sejam desenvolvidas ferramentas de engenharia cada vez mais poderosas para modelá-los e analisá-los. Em sistemas de automação industrial, os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) têm sido amplamente empregados. Os CLPs são geralmente programados por meio da linguagem de programação Ladder, uma das cinco linguagens definidas pela IEC 61131-3. Entretanto, apesar da linguagem de programação Ladder ser flexível e de fácil aprendizado por parte dos usuários, ela apresenta limitações quanto à: detecção de erros no algoritmo de controle do sistema de automação; torna as modificações muito trabalhosas e não possibilita a simulação, análise de performance e análise operacional do sistema. Este trabalho de pesquisa apresenta o desenvolvimento e os testes da metodologia denominada MARPASI - Metodologia de Aplicação das Redes de Petri em Automação de Sistemas Industriais. Como o desenvolvimento da MARPASI foi efetuado baseado na teoria de Redes de Petri, este trabalho também apresenta uma revisão bibliográfica sobre o tema de aplicação de Redes de Petri para a programação de CLP. A MARPASI possibilita analisar um sistema de automação por meio das Redes de Petri e na geração da linguagem de programação Ladder. Portanto, o emprego da MARPASI contribui para a otimização do processo de engenharia de automação e também para a programação mais eficiente de CLPs. / Due to the needs of the modern world, the systems of automation have increased their complexity, forcing the development of ever more powerful engineering tolls to shape and analyse them. In systems of industrial automation, the Programmable Logic Controllers (PLCs), have been widely applies. The PLCs are generally programmed through the use of the Ladder programming language, one of the five languages defined by the IEC 61131-3. Unfortunately, while the Ladder programming language is flexible, and easily learned by its users, it evinces limitations concerning: error detection in the control algorithm of the automation system: makes modifications very laborious and does not allow any simulation, performance analysis and operational systems analysis. This study presents the development and tests of the methodology denominated as MARPASI - Methodology of the application of Petri Net in the automation of industrial systems. Since the development of MARPASI was made based on Petri Net Theory, this study also presents a bibliographic review about the theme of the application of Petri Net for the programming of PLC. MARPASI makes it possible to analyse a system of automation through Petri Net and in the generation of the Ladder programming language. Because of these, the utilization of MARPASI contributes for capacities, the optimization of automation engineering processes, and also for a more efficient programming of the PLCs.

A Indústria 4.0 surge com o objetivo de desenvolver fábricas inteligentes, com alto grau de autonomia e flexibilidade, através da adoção de tecnologias digitais de forma integrada nas empresas e suas cadeias de valor. Ao mesmo tempo, a Indústria 4.0 promove benefícios que vão além da performance operacional, como o desenvolvimento de novas ofertas e novos modelos de negócios para as empresas. A Indústria 4.0 é originada na Alemanha, país com alta performance tecnológica, e rapidamente inspira outras iniciativas no mundo inteiro, inclusive em países emergentes como o Brasil. Estes países possuem maiores barreiras para a adoção das tecnologias relacionadas ao conceito, principalmente devido à atual situação tecnológica dos seus parques industriais. Embora a Indústria 4.0 seja um tema crescente na literatura, ainda existem grandes lacunas de estudo sobre a adoção de tecnologias relacionadas ao conceito no contexto de países emergentes, principalmente por se tratar de uma iniciativa recente. Logo, o objetivo desta dissertação é estudar o conceito da Indústria 4.0 no Brasil, de forma a entender quais são os benefícios do conceito para a performance industrial e as tecnologias habilitadoras. O trabalho tem uma abordagem quantitativa, com análises estatísticas aplicadas em dados de pesquisas surveys conduzidas em nível nacional. Os principais resultados obtidos foram: (i) identificação da relação entre as tecnologias e os benefícios esperados do conceito, (ii) identificação de disparidades entre a percepção industrial brasileira e a literatura sobre os benefícios da Indústria 4.0, (iii) identificação da abrangência do conceito da Indústria 4.0, compreendendo elementos que transcendem a manufatura avançada, e (iv) identificação de tecnologias habilitadoras para a implantação do conceito. Sob a perspectiva acadêmica, esta dissertação traz importantes contribuições para o entendimento do conceito e das tecnologias da Indústria 4.0, assim como o impacto destas na performance industrial. Do ponto de vista prático, os resultados auxiliam na compreensão de um tema de alta relevância empresarial, contribuindo com perspectivas para a diretriz estratégica das empresas à Indústria 4.0. / Industry 4.0 arises with the goal to develop smart factories, with advanced autonomy and flexibility, through the adoption of digital technologies in an integrated manner in companies and in their value chains. The Industry 4.0enables benefits beyond operational performance, as the development of new offerings and new business models for companies. Industry 4.0 was developed in Germany, a country with high technological performance, and quickly inspires other initiatives in the whole world, in developed and emergent countries such as Brazil. These countries face major barriers for the adoption of technologies related to the concept, mainly due to the current technological level of their industrial sites. Even though Industry 4.0 is a growing field in literature, there are still considerable gaps of studies about the adoption of technologies related to the concept in the context of emergent countries, mostly due to its novelty. Therefore, this dissertation aims to study the concept of Industry 4.0 in Brazil, in order to understand its benefits for industrial performance and its enabling technologies. This study has a quantitative approach, with statistical analysis of data from national surveys. The main outcomes obtained were: (i) the identification of a relation between technologies and the expected benefits of the concept, (ii) the identification of disparities between Brazilian industrial perception and the literature about Industry 4.0 benefits, (iii) the identification of a wide scope of Industry 4.0 concept, comprising elements that transcends smart manufacturing, and (iv) the identification of enabling technologies for the implementation of the concept. Under academic perspective, this dissertation brings important contributions to understand the Industry 4.0 concept and technologies, and its impact on industrial performance. As practical contributions, the results contribute for the understandings of a high relevant theme for companies, contributing with perspectives for their strategical orientation towards Industry 4.0.

Atualmente, a maior parte das indústria de manufatura utiliza seus operadores de máquinas para fazer a verificação dimensional das peças usinada. Esses operadores geralmente escolhem algumas amostras aleatoriamente, num determinado período de tempo, para fazer a inspeção manual, ou utilizam dispositivos de medição automáticos no lote todo. Esses procedimentos podem implicar em perda de tempo, ou grandes investimentos, o que eleva os custos do produto final. Este trabalho propõe uma nova metodologia para a medição de peças em processo de retificação, utilizando uma máquina retificadora com funções inteligentes. As tecnologias de um encoder incremental óptico rotacional e de um chip contador são utilizadas para fazer o monitoramento da posição do cabeçote porta rebolo. Utilizando um sistema de cooordenadas baseado no Comando Numérico (CN) da máquina, associado a inspeção por Emissão Acústica (EA) pode-se monitorar a posição do rebolo do ponto de início ciclo de retificação até o início do contato com a peça. Os erros associados a deformação térmica da máquina e o desgaste do rebolo são levados em consideração e compensados. Desta maneira, é possível medir a dimensão e a excentricidade das peças geradas pela operação imediatamente anterior, com uma precisão suficiente. Este sistema pode ajudar na redução do nível de refugo e do tempo total de e produção, criando um diferencial para o aumento da confiabilidade do processo e da automação. / Most of the industries today use their machine operators to make the Workpiece dimensional verification. For this task they generally chose samples, doing manual inspection, or use automatic measuring devices in a whole lot. These procedures can implies in loss of time, a high investment, what may raise the costs of the final product. This work proposes a new methodology for in-process workpiece gagging, using a grinding machine associated with intelligent functions. The technology of an incremental rotational optical encoder and an external counter chip are used to perform the wheel head position monitoring. Using a NC (Numerical Control) coordinate system associated with AE (Acoustic Emission) inspection it was possible to get the position of the grinding wheel from the start of the grinding cycle until the first contact with the workpiece. The errors associated with the grinding machine deformation and wheel wear are considered and compensated. Thus, it is possible to measure the dimension and the run out of the workpiece, generated by a previous operation, with enough precision. This system may help to reduce the scrap leveI and the overall production time, creating a differential for process reliability and automation.

Este trabalho traça um panorama dos PLCs e tecnologias associadas em momentos anteriores e posteriores à publicação da norma IEC61131-3 e discute aspectos relativos à sua adoção. A aplicação deste norma pode trazer ganhos de produtividade no projeto e implementação de sistemas de automação industrial. Esta dissertação apresenta o caso do "Projeto de modernização dos navios-varredores da Marinha do Brasil" no qual alguns dos conceitos desta norma foram utilizados com sucesso. Ferramentas e metodologias desenvolvidas para adequar o PLC existente a alguns requisitos da norma são descritas ao longo da dissertação. A operação do novo sistema de varredura pode ser verificada através dos resultados experimentais apresentados. / This work presents an overview of the PLC and associated technologies before and after the publication of the IEC61131-3 standard. Some aspects concerning the adoption of this standard are also discussed. The application of this standard can increase productivity in the design and implementation of industrial automation systems. Some concepts of this standard were applied, succesfully, to the modernization of the Brazilian Navy mine-sweepers. Tools and methods that were required in order to adapt the existing PLC to the IEC standard are described. The operation of the newly developed system can be verified by experimental results.

Redes de sensores sem fio tem ganhado grande destaque em diferentes aplicações, tais como, domésticas, comercial e industrial, trazendo mais flexibilidade e mais conveniência em nossas vidas. Entretanto, seu desempenho é influenciado por diversos fatores como, por exemplo, características do ambiente de propagação das ondas de rádio e outras tecnologias de comunicação sem fio que podem coexistir em uma mesma área de cobertura. Os recursos utilizados nas comunicações sem fio são limitados e muitas vezes não exclusivos possibilitando interferências provenientes de diferentes tipos de fontes. O presente trabalho busca soluções para o uso mais eficiente dos recursos da rede de comunicação sem fio, são investigados e propostos métodos adaptativos para uma rede sem fio industrial, o protocolo WirelessHART, utilizando mecanismos dinâmicos de sensoriamento de espectro e seleção de canal entre os dispositivos da rede. É apresentado uma arquitetura de gerenciamento do espectro em conformidade com o protocolo, baseado em sensoriamento do espectro distribuído e no monitoramento do desempenho das comunicações. A arquitetura utilizada permite a classificação de um conjunto de canais específicos entre os pares de dispositivos durante a operação da rede de comunicação. O trabalho demonstra o desempenho dos mecanismos desenvolvidos para a detecção de interferências com redes do tipo IEEE 802.11. / Wireless sensor networks have been expanding rapidly in many applications for different areas such as residential, office and industrial. Wireless connections bring many advantages as installation feasibility, scalability, mobility and reduce infrastructure costs. However, wireless network performance is affected by many factors as, for example, environment characteristics and other wireless communication technologies at the same coverage area. The wireless communication resources are limited and many times shared, allowing interferences from different kind of electromagnetic sources. This work presents a solution for an efficient use of the wireless communication network resources, investigate and propose adaptive methods for an industrial wireless network, the WirelessHART protocol, using dynamic mechanisms of spectrum sensing and channel selection between the devices. A protocol spectrum management architecture based on distributed sensing and monitoring of communications performance is presented, in compliance with WirelessHART protocol, allowing the classification of a set of specific channels between peer devices during the communication network’s operation. Also, it is presented the channel selection performance for IEEE 802.11 interference.