Sistemas de Produção:
Equipamento + Trabalhadores + procedimentos.
1) Sistema de Suporte à Manufatura (Manufacturing Support): administração, softwares...
Negócios → Projeto do Produto → Planejamento da Produção → Controle da Produção
a) Negócios: vendas marketing, custos e previsão de vendas (sales forecasting).
- Ordem de produção, ordem de compra e ordens internas.
b) Projeto de Produto: provido pelo cliente ou de acordo com as especificações necessárias.
c) Planejamento da Produção: inclui, planejamento do processo, programação da produção, estimativa dos materiais necessários e da capacidade de produção
d) Controle da Produção: Controle operacional, controle de estoque e controle de qualidade.
Tarefas relacionadas ao sistema de suporte: Manutenção dos equipamentos, Programação e operação dos computadores, Projeto, Administração da Fábrica.
2) Dispositivos (Faciliteis): máquinas e equipamentos
Tipos de Layout
A disposição das máquinas e departamentos numa fábrica é um processo dinâmico, pois o produto, o modo de fabricá-lo ou o cliente estão sempre evoluindo, mudando, daí vem a importância da flexibilidade do layout.
Baixa Quantidade de Produção
Layout de Processo (Job Shops): vários departamentos (corte, pintura, acabamento...), cada um executando um conjunto de tarefas. Objetivo da disposição dos departamentos: minimizar o tempo de viagem entre o cliente (produto/peça) e o trabalhador (máquina). Hospitais geralmente têm esse tipo de layout: setor de exames, raios-X, patologia, ultra-sonografia...
Layout Fixo (Fixed Posicion Layout): o produto permanece no mesmo lugar até o fim da manufatura devido à sua dificuldade de locomoção. Então trabalhadores, ferramentas e equipamentos se locomovem até o produto. Às vezes é necessário um guindaste para locomover o produto após o seu término. Ex. Construção de uma nave espacial, estaleiro....
Quantidade de Produção Intermediária:
Layout de Tecnologia de Grupo (Celullar Layout): produção em lotes (Batches). Agrupa-se os produtos da fábrica que requerem atividades semelhantes, então cada grupo é processado em uma ou mais células as quais contém várias máquinas diferentes capazes de realizar toda a parte do processo que é semelhante. Ex.: fabricação de chips de computador e trabalho de montagem.
Vantagens: Melhores relações humanas (a célula é operado por um grupo de trabalhadores), maior especialização (os trabalhadores não precisam conhecer todo o processo de fabricação, apenas os processos desempenhados na sua célula), redução dos estoques intermediários e manuseio de material (uma célula combina várias etapas da produção) e setup mais rápido (menos tarefas = menos trocas e trocas mais rápidas).
Alta Quantidade de Produção:
Layout de Produto (Product Layout): o layout é disposto de acordo com a seqüência de fabricação do produto. Às vezes o produto é movido entre as estações de trabalho através de uma esteira. Ex. eletrodomésticos.
- O trabalhador dita o ritmo: nas linhas de montagem mais modernas, é o trabalhador que dita o ritmo de produção e não o contrário. Dessa maneira, foi possível reduzir significativamente a quantidade de produtos defeituosos, pois o produto agora passa adiante quando o trabalhador termina uma dada etapa (antes passava-se adiante quando terminava o tempo, então o produto podia ir seguir com um parafuso a menos.).
- Balanceamento de Linha: é importante balancear a linha de produção, de modo que o conjunto de tarefas designadas a cada posto de trabalho tenha o mesmo tempo de duração, diminuindo a ociosidade em alguns postos e o gargalho em outros.
- Linha em forma de U: trabalhadores podem ajudar uns aos outros, pode-se adicionar mais um trabalhador sem grandes alterações.
Variedade de Produção
Baixa variedade de produção: pequenas diferenças entre um produto e outro. Ex.: Fiesta e Eco-Sport.
Alta variedade de produção: mudanças significativas de um produto para outro, para as quais são necessárias mais tempo de preparo das máquinas, ou até, máquinas diferentes. Ex.: Eco-Sport e Ranger.
Automação: softwares inteligentes: Ex.: redes neurais.
Automatização: substituição do homem pelas máquinas (processo mecânico): Ex. uma máquina que pinta a porta de um carro numa indústria automobilística.
Sistema de Manufatura automatizado:
- Automatização fixa
- Inflexível
- Alta taxa de produtividade (Mais eficiente)
- Operações Simples (Esticar, cortar, furar, pintar)
- Automatização Programável
- Mais adaptável à produção em lote
- Tempo gasto de preparo das máquinas (changeovers time)
- Automatização Flexível:
- Alta flexibilidade
- Não há tempo perdido ajustando-se as máquinas
- Custom-engeneered system.
Sistema de Manufatura Computadorizado
CAD: Computer-Aided Desing (Projeto auxiliado por computador)
CAM: Computer-Aided Manufacturing (Manufatura auxiliada por computador)
CIM: Computer Integrated Manufacturing (Sistema de Manufatura Integrado)
- No CIM, tanto o sistema de suporte como o de manufatura são controlados por computador.
Aspectos Positivos da Automatização:
- Aumento de produtividade
- Redução do custo de produção
- Amenizar a deficiência de falta de mão-de-obra.
- Reduzir o número de tarefas repetitivas as quais os trabalhadores não gostam de realizar.
- Aumento da segurança no trabalho
- Aumento da qualidade (qualidade de conformação)
- Redução do tempo total de fabricação (Lead-Time)
- Realizar processos que não podem ser feitos por humanos (Ex. Prensa)
- Eliminar os riscos da não automatização (Uma empresa não automatizada leva desvantagem)
Aspectos Negativos da Automatização:
- A tarefa é muito complexa para ser automatizada
- Produto de ciclo de vida curto
- Produto personalizado
- Riscos de flutuação de demanda
- Reduzir o prejuízo caso o produto não seja aceito no mercado.
Estratégias para Automatização:
- Princípio USA (Used Estrategies in Automation)
- Entender o processo produtivo
- Simplificar o processo
- Automatizar o processo.
- 10 Estratégias para Automatização:
- Especialização das operações
- Combinar Operações
- Realizar Operações simultaneamte
- Integrar as operações
- Aumentar a flexibilidade
- Aumentar o material de manuseio e estoque
- Inspeção on-line
- Controle e otimização do processo
- Controle das operações da fábrica
- CIM
Estratégia de Migração de Automação
- Fase 1: Produção Manual
- Fase 2: Produção Automatizada
- Fase 3: CIM
Manufatura: aplicação de processos físicos e químicos numa matéria-prima, alterando a sua geometria, propriedades e aparência, resultando em partes de um produto ou no próprio produto. Se o resultado for uma parte do produto, a etapa que consiste na montagem das partes, também é considerada da manufatura.
Indústria primária: cultiva ou explora os recursos naturais. (agricultura, mineração...)
Indústria secundária: converte o que foi elaborado na indústria primária em produtos. (Indústria automobilística)
Indústria terciária: setor de serviços. (bancos, hotéis...)
Indústria de produtos discretos: pode-se contar a quantidade produzida. (Ex. fábrica de computador)
Indústrias de processo: fluxo contínuo de produção; a sua capacidade é medida na forma toneladas/ano, m³/dia...
Obs.: uma indústria de processo pode vender seu produto final na forma discreta, por exemplo, a indústria farmacêutica.
Produção em lotes: tempo gasto nos ajustes de cada máquina, demanda limitada, produtos diferentes.
Produção contínua: equipamentos exclusivos para cada tipo de produto.
Atividades de fabricação: operações de processamento e montagem (melhoramento das propriedades mecânicas, acabamento de superfície, processos mecânicos, Montagem), manuseio de material e estocagem (em média, apenas 5% do tempo total de fabricação é gasto utilizado-se as máquinas, o restante é esperando que a máquina fique disponível ou aguardando para ser transportado.), inspeção e teste e coordenação e controle.
Parâmetros de produção que influenciam a maneira como os produtos são manufaturados:
1) Quantidade de produção e variedade do produto
Se considerarmos Q = quantidade produzida e P = variedade de produto, Q será referente ao número de unidades de uma parte ou do produto feitos anualmente numa fábrica. Qj é a quantidade produzida por ano de estilo j. Qf é a quantidade total de todas as partes ou produtos feitos na fábrica. P é o total de diferentes estilos das partes e dos produtos. A produção total é: 
2) Complexidade do produto e dos componentes
A complexidade do produto não é facilmente mensurável. Uma forma simplificada de medição é através de variáveis quantitativas. Para um produto composto, uma indicação de sua complexidade é o número de componentes que este tem (Np). Já a complexidade de cada componente pode ser medida pelo número de etapas de processamento necessárias para fazê-lo (No).
Uma fábrica pode ser produtora de componentes, montadora do produto composto ou produtora e montadora integrada do produto. Nesse caso, algumas relações entre as variáveis P, Q, Np, No podem ser expressas, considerando que P1 e P2 não têm diferenças, todos os produtos são montados e todos os componentes são produzidos na própria fábrica. Assim, se Npj = número de partes no produto j, o número total de partes manufaturadas pela fábrica por ano é dada por: 
Além disso, sob as mesmas condições, sendo Nojk o número de operações de processamento para cada parte k, o número total de operações de processamento da fábrica é: 
Se for assumido que o número de diferentes produtos e modelos P são produzidos em quantidades iguais Q, que todos os produtos têm o mesmo número de componentes Np e que todos os componentes precisam do mesmo número de etapas de processamento, o número total de unidades do produto feitas na fábrica pode ser dado pela relação mais simples: 
Do mesmo modo, o número total de partes produzidas na fábrica é: 
E ainda, o número total de ciclos de operações de manufatura na fábrica é: 
3) Limitações e capacidade de uma fábrica de manufatura
Para garantir seu pleno funcionamento, uma fábrica precisa definir bem as atividades que vai executar e os produtos que pretende fabricar de acordo com suas possibilidades de competitividade no mercado e qualidade de produção.
Ao limitar seu potencial, a fábrica decide que tarefas poderá cumprir. Então, deverá definir em quais tecnologias, produtos e volumes específicos vai se especializar. Essas decisões são responsáveis por delimitar a capacidade que a fábrica pretende atingir. Assim, capacidade produtiva refere-se às limitações técnicas e físicas de uma indústria manufatureira e cada uma de suas fábricas. As dimensões da capacidade são: capacidade tecnológica de processamento, tamanho físico e massa do produto e capacidade de produção.
Capacidade tecnológica de produção - é a disponibilidade de realizar certos tipos de processos produtivos. Uma característica que difere uma fábrica de outra é conjunto de operações manufatureiras de cada uma. Assim, existem máquinas diferentes para cada material que vai ser processado, para fabricar produtos distintos.
A capacidade tecnológica de produção faz menção não só à parte física dos processos, mas ainda ao grau de especialização em tecnologias de processamento dos empregados da fábrica. As empresas são limitadas por seus processos disponíveis. Utilizar sua capacidade tecnológica de processamento para explorar o desenho e a confecção do produto será essencial para obter vantagens competitivas.
Limitações físicas do produto – uma fábrica com vários tipos de processos, tem limitações quanto à massa e ao tamanho dos produtos que podem ser acomodados no seu espaço físico. Quanto maior e mais pesado o produto, mais difícil de movê-lo. Enquanto pequenas partes produzidas em grandes quantidades podem ser mais facilmente transportadas em etapas. As dimensões do produto dependem não só do espaço da fábrica, mas das próprias máquinas que vão produzi-lo, pois cada uma é projetada para fabricar materiais de tamanho e peso previstos e limitados.
Capacidade produtiva – é definida como a taxa de máxima produção num determinado período, sobre as condições operacionais assumidas. Dependendo do tipo de produção, pode ser medida pela quantidade de entradas no processo, como matéria-prima e funcionários, ou pela saída do processo, como número de unidades produzidas no período considerado.
Conceitos de produção e modelos matemáticos
Muitos conceitos de produção são quantitativos ou necessitam de um interpretação quantitativa para serem analisados. Os modelos usados a seguir são aproximados, pois negligenciam alguns fatores que acontecem na fábrica na realidade, para simplificar o estudo.
Taxa de Produção
É uma taxa normalmente expressa em quantidade de peças ou produtos por hora. É utilizada nos três tipos de produção: de grandes projetos, em bateladas e em massa.
Para qualquer operação de produção, o tempo do ciclo da operação (Tc) é o intervalo de tempo entre o começo da operação numa unidade até o começo da operação em outra unidade. É a soma do tempo real de operação nas máquinas (To), com o tempo de manuseio do produto em processamento (Th), com o tempo de manuseio das ferramentas (Tth).
Na produção em bateladas, o tempo total para produzir um lote (Tb) equivale ao tempo de preparação das máquinas (Tsu), mais o tempo do ciclo de operação para todas as unidades do lote, sendo estas definidas por Q.
Dividindo o tempo de produção do lote pela quantidade do lote, obtemos a média de tempo de produção por unidade produzida (Tp).
A quantidade de peças produzidas por hora (Rp) é obtida pela relação: 
Para a produção de grandes projetos, em que o número de unidades produzidas Q=1, o tempo de produção por unidade é a soma do tempo de preparação das máquinas com o tempo total dos ciclos de operação.
Se na produção de grandes projetos, houver mais de uma unidade produzida, são usadas as mesmas considerações da produção em batelada.
Para produção em massa contínua, pode-se dizer que a taxa de peças produzidas por hora tende a se igualar à taxa de ciclos de produção por hora. Isso porque o tempo de preparação é desprezível diante do grande número de unidade que estão sendo contabilizadas. Assim:
Na produção em massa de produtos discretos, de linha de produção, também pode ser desprezado o tempo de preparação da máquinas pelo mesmo motivo citado. Porém, não é possível normalmente dividir o tempo total de trabalho para cada estação de trabalho. Em vez disso, utiliza-se como parâmetro a estação que passa mais tempo processando cada unidade. É a estação que vai definir o tempo total de trabalho, pois seus atrasos comprometem toda a linha. Levando esses aspectos em consideração e contabilizando o tempo de movimentação das unidades de trabalho de uma estação para outra, o tempo total do ciclo de produção para uma linha de produção é:
Para se obter a taxa ideal de produção por hora (Rc), usa-se a relação:
As linhas de produção podem ser manuais ou automatizadas. Para a automatização, há ainda o agravante da confiabilidade das máquinas que transportam as unidades em processamento de um posto de trabalho para outro. Isso porque se um posto de trabalho quebra, os outros também se atrasam, já que um depende do outro. Em geral, a taxa real de produção (Rp) é de valor menor que a taxa ideal de produção (Rc).
O método de manufatura estar de acordo com a velocidade da demanda pelo produto fabricado. Assim, o tempo de atendimento à demanda é recíproco à taxa de demanda, ajustado aos turnos de produção disponíveis na fábrica.
Capacidade Produtiva
É definida como o total da produção em período, espaço e outras condições de operação definidas. Medidas quantitativas da capacidade produtiva (PC) podem ser desenvolvidas através dos modelos de taxa de produção vistos anteriormente. Se n é o número de máquinas ou centros de trabalho da fábrica, S é o número de turnos de trabalho por período, H o número de horas que cada centro de trabalho opera, e Rp a taxa de produção por hora para cada centro de trabalho, então a capacidade produtiva analisada em questão é:
Considerando a possibilidade de cada unidade processada passar por várias operações distintas (No), então a equação da capacidade produtiva no período passa a ser:
Utilização e Disponibilidade
Utilização é o quanto a empresa produz em relação à sua capacidade instalada. É definida pela equação:
PC→ Capacidade Instalada
Q→ Quantidade Produzida
A utilização pode ser medida para uma simples máquina, célula, toda a fábrica ou qualquer outra unidade de produção.
Disponibilidade é uma medida comum da confiabilidade de um equipamento. É dada pela fórmula:
MTBF→ Tempo médio entre duas falhas consecutivas
MTTR→ Tempo médio gasto para consertar
Quando se trata de um equipamento novo (em fase de ajustes) ou quando se trata de um equipamento que está chegando ao fim de sua vida útil, a disponibilidade tende a ser menor.
Tempo Total de Fabricação
É o tempo decorrido desde o pedido até a entrega do produto. Tem grande importância para ganhar concorrências.
→ Tempo de ajuste das máquinas para a atividade i
→ Quantidade do produto j no lote
→ Tempo do ciclo da operação i (min/pc)
→ Tempo improdutivo associado a atividades i tal como transporte.
Obs.: Essa equação não inclui o tempo que o material fica estocado.
Para simplificar, assumiremos as variáveis acima como independente de i e j, obtendo a equação do tempo médio total de fabricação:
→ Número de operações na linha
A equação acima pode ser ajustada para a produção de projetos (Q=1)
Já para a linha de produção, o tempo total é definido pela atividade que leva mais tempo ser concluída 
Essa atividade é chamada de gargalho da produção.
→ Tempo do ciclo da linha de produção
→ Tempo de transferência
Material em Processo (Work-in-process)
É a quantidade de partes ou produtos que estão sendo processados, também chamados de produtos em acabamento. Equação:
*As variáveis já foram definidas anteriormente.
Esse material representa um capital imobilizado para a empresa, pois ele só será efetivamente vendido, se a fábrica parar de fabricar tal produto. Então é interessante que esse tempo seja o menor possível, a fim minimizar tal capital, o qual poderia ser usado para ampliar a fábrica ou ser investido de outra forma que se tenha um retorno melhor.
Custos da Produção
Decisões em automatização e sistemas de produção são geralmente baseados nos custos relativos de cada alternativa, vejamos como esses custos são determinados:
Custos Fixos e Variáveis
Custos Fixos: independem do volume de produção (Aluguel)
Custos Variáveis: são proporcionais ao volume de produção (Matéria-prima)
→ Custo Total
→ Custo Fixo
→ Custo Variável (R$/Unidade)
→ Quantidade produzida (Unidades)
Comparando os custos da produção manual com a automatizada, vemos que o custo fixo dessa última é bem maior, entretanto, o custo variável é bem menor. Variando a quantidade produzida Q, encontramos um ponto onde os custos dos dois métodos de produção se igualam (Ponto de Equilíbrio). A automatização só vale a pena se planejarmos produzir mais de Q unidades.
Mão-de-obra direta, Matéria-Prima e Despesas Gerais
Mão-de-obra direta: salários e benefícios
Matéria prima: pode ser a matéria-prima em si, ou componentes do produto montado na empresa. Ex.: uma montadora de automóveis não muito grande pode comprar um motor pronto de uma fábrica de motores.
Despesas Gerais: pode ser dividida em duas:
a) Despesa da fábrica: iluminação, supervisor,seguranças...
b) Despesa da corporação: executivos, engenheiros, pesquisas...
Observações: i) O custo de fabricação é cerca de 40% do preço de venda
ii) A matéria-prima representa cerca de 50% do custo de fabricação
iii) Despesas e custos de fabricação têm a mesma ordem de grandeza
iv) Mão-de-obra direta representa apenas 5% do preço final de venda
As despesas da fábrica podem ser alocadas às fábricas a partir da seguinte regra:
DLC → Custo anual de mão-de-obra direta
FOCH → Despesa anual da fábrica
e as despesas corporativas por esta outra:
COCH → Despesa anual da corporação
Assim, o preço de venda deve ser maior que 
, onde UC é o custo unitário.
Custos de Uso dos Equipamentos
Se um mesmo item é produzido por uma máquina nova e mais moderna, deve custar menos que outra que desempenha a mesma tarefa de uma forma mais lenta. Como a expressão acima não reconhece essa diferença, dividimos o custo da operação em dois:
- Custo da mão-de-obra direta: já definido anteriormente.
- Custo da máquina:
IC → Valor pago pelo equipamento
i → Taxa anual de juros
n → vida útil do equipamento (em anos)
Custo de uma estação de trabalho (conjunto de trabalhadores e equipamentos) é:
Co → Custo horário da estação de trabalho.
CL → Custo horário da mão-de-obra direta
CM → Custo horário da máquina
FOHRL → Fator de alocação aplicado à mão-de-obra
FOHRM → Fator de alocação aplicado às máquinas
As despesas da corporação não devem ser levadas em conta na comparação de métodos de produção, pois ela existirá independentemente do método escolhido. Já na definição do preço de venda do produto, é necessária a sua inclusão.
Automação
O termo criado por um engenheiro administrador da Ford Motor Company em 1946 para descrever a variedade da automação de dispositivos de transporte e mecanismos instalados na linha de produção.
Linha do Tempo da Automação: desenvolvimento da roda (5200 ac), alavanca e guindaste (600 ac), engrenagens. Esses dispositivos foram utilizados como mecanismos na construção de moinhos, rodas de água, moinho de vento. Depois da Revolução industrial surgiram os motores a vapor e aparelhos elétricos. Depois veio o uso do computador na automação, até a integração total dele com a fábrica (CIM).
Um sistema automatizado é constituído por 3 elementos básicos:
- Energia para realizar o processo e operar o sistema.
- Programa de instruções para dirigir o processo.
- Sistema de controle para executar as ordens do programa de instruções.
Energia: a energia elétrica é a principal fonte de energia nos sistemas automatizados devido às seguintes características: (1) ampla disponibilidade a um custo moderado; (2) pode ser facilmente convertida em energia alternativa (mecânica, térmica, acústica, luminosa, hidráulica e pneumática); (3) pode ser utilizada na transmissão de sinais, informação e no processamento e armazenagem de dados. (4) pode ser armazenada em baterias de longa duração.
Em muitos casos, quando uma forma de energia alternativa é utilizada na operação, a energia elétrica é utilizada para controlar tal atividade. Ex: pode-se usar combustível fóssil para aquecer um material qualquer, contudo, a energia elétrica é utilizada para medir a temperatura e emitir um sinal avisando que tal temperatura foi atingida.
Energia para o processo:
- Carregamento e descarregamento das unidades de trabalho
- Transporte de material entre as operações
Energia para Automação
- Unidade de controle: energia elétrica é fundamental para ler programas de instruções e transmitir comandos.
- Amplificação dos sinais: os sinais elétricos que transmitem dados são enviados em baixas voltagens. Energia elétrica é necessária para amplificar esses impulsos, podendo assim, realizar o comando.
- Aquisição de dados e processamento de informação (Computador)
Programa de Instruções ("software"): dá as ordens.
Ciclo de tarefas (Work Cycle): o processo automatizado mais simples consiste em apenas uma etapa que é manter um único parâmetro em um determinado valor. O ciclo de tarefas pode envolver múltiplas etapas que são repetidas sem nenhuma variação de um ciclo para o outro. Ex.: carregar, aquecer, descarregar, carregar...
Antigamente o programa de instruções era controlado por câmeras, cronômetros, switchers (hardware em geral), tornando o processo difícil de ajustar, projetar e de fabricar. Hoje em dia o programa é controlado por softwares.
Ex.: Numa fábrica de papel, para mudar o formato de corte de carta para A4, seria necessário trocar as bobinas de corte por uma menor e afastá-la uma da outra. Além de ter em estoque uma bobina para cada tamanho de papel, a troca era demorada, complicada de ser feita (desmontar e montar) e passível de erros. Hoje em dia basta apenas um clique com o mouse.
Tomada de decisões no ciclo de tarefas: inúmeros processos automatizados sofrem variações no processo (mudança de especificações da peça) ou no insumo (mudanças nas propriedades mecânicas da matéria-prima). Para lidar com tais problemas, instruções relativas às tais variações são adicionadas ao programa. Algumas causas da variação:
- Interação do operador: entrada de dados
- Diferentes tipos de peça ou produto processado pelo sistema (Ex.: detectar se o carro é de duas ou 4 portas para executar a ação corretamente)
- Variações no material de entrada (matéria-prima ou peça pré-acabada): não há como exigir um material de entrada completamente uniforme, então as unidades de trabalho, principalmente as que lidam como material bruto, precisam se adaptar às variações de suas propriedades como resistência, tamanho...
Sistema de Controle: Executa as instruções fornecida pelo programa de controle.
O sistema de controle acima é um sistema fechado, ideal para quando não se tem certeza sobre o resultado da ordem do controlador. Ex.: para esquentar-se uma peça em um forno, precisa-se de um sensor que forneça um feedback para o controlador saber se o forno está na correta. O sistema de controle aberto não tem esse feedback, sendo mais simples e mais barato. Usa-se o sistema de controle aberto quando há uma relativa certeza sobre a execução da tarefa. Por exemplo, sabe-se que para elevar certa quantidade de água de 20ºC pra 50ºC são necessários 1000 joules e que a potência da resistência é de 200 watts. Veja que basta ligar o circuito por 5 segundos e teremos certeza de que a água estará em 50ºC desde que não ocorram oscilações na voltagem.
Funções Avançadas
Monitoramento de segurança: necessário quando se faz a automação de atividades perigosas (com riscos de contaminação, acidentes, etc.) com o objetivo de assegurar a integridade dos funcionários e dos equipamentos. Algumas ações que o monitoramento de segurança pode realizar:
- Parar ou reduzir a velocidade do processo
- Disparar um alarme sonoro
- Tomar ações corretivas
Alguns equipamentos usados para manter a segurança:
- Sensores fotoelétricos (detectar a presença de intrusos)
- Detector do fumaça
- Medidores de pressão e temperatura
Diagnósticos de Conserto e Manutenção
- Monitoração: registra os parâmetros do sistema e o status dos sensores. O registro é útil para prover dados para a realização do diagnóstico e também para prever uma possível falha.
- Diagnóstico de falha: analisa a falha após a sua detecção
- Recomendação de Conserto: avisa a equipe de manutenção para realizar o conserto necessário.
Esse monitoramento é importante pois várias vezes pode-se fazer uma manutenção rápida de uma máquina que detectou um erro antes que as peças processadas por ela passe adiante e cause problemas em toda a produção.
Recuperação e Detecção de Erros: Há uma tendência de usar os computadores não só para detectar e diagnosticar erros na produção, mas também para tomar as ações corretivas necessárias para que o sistema volte a funcionar normalmente. O sistema interpreta os sinais dos sensores disponíveis e determina quando ocorre um desvio ou mal funcionamento. Então o erro é classificado. O sistema só é capaz de corrigir os erros já classificados, daí a importância dessa tarefa. Tipos de erro:
a) Erros de Rotina (Random Errors): erros comuns, variação de dimensões...
b) Erros Sistemáticos: acúmulo de sujeira e sobras da produção na máquina, mudanças das propriedades do material a ser processado, etc.
c) Erros Críticos (Aberrations): falha do equipamento (quebra) ou do operador (manuseio errado)
O projetista desse sistema deve prever os possíveis erros e especificar um conjunto de sensores capazes de identificar tal erro.
As correções podem ser tomadas de diferentes maneiras, a saber:
- Quando o ciclo de tarefas termina
- Durante a realização do ciclo tarefas
- Parar o processo e tomar a ação corretiva necessária
- Parar o processo e chamar o pessoal de manutenção
Níveis de Automação
Nível de Dispositivo → sensores, atuadores...
Nível de Máquina → formado pelo conjunto de dispositivos
Nível de Célula → grupo de máquinas e estações de trabalho conectados a computadores e sistemas de manuseio de material
Nível de Fábrica → traduz as informações fornecidas pelas células e faz o plano de produção da fábrica
Nível Corporativo → ferramenta administrativa (informações sobre marketing, projetos, pesquisas, planejamento agregado, programa mestre de produção...)
Comando | Representação | 00 | 01 | 10 | 11 |
AND |
| 0 | 0 | 0 | 1 |
NAND |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
NOT |
| ||||
OR |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
NOR |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
XOR | 0 | 1 | 1 | 0 |
Sistemas de Controle Industrial
Controle industrial: regulação automática de uma unidade de operações e seus equipamentos associados, bem como a integração e a coordenação da unidade de operações dentro do sistema de produção como um todo.
4.1 Indústrias de Processo x Indústrias de Manufatura Discreta
Processo: montantes de material (incontável como gás, líquido)
Manufatura discreta: quantidades de material (contável, partes discretas)
4.1.1 Níveis de automação nas duas indústrias
Nível | Processo | Manufatura Discreta | Nível |
Corporativo | Administração, sistema de informação, planejamento estratégico, alta administração da empresa | Administração, sistema de informação, planejamento estratégico, alta administração da empresa | Corporativo |
Planta | Horários, direcionamento de materiais, monitoramento de equipamentos | Horários, direcionamento de trabalho em processo e das partes (nas máquinas), utilização de máquinas | Planta ou Fábrica |
Controle de Supervisão | Controle e coordenação das unidades de operação interligadas que constituem todo o processo | Controle e coordenação de grupos de máquinas e suporte aos equipamentos, incluindo manuseio de materiais | Célula de Manufatura ou Sistema |
Controle de Regulação | Controle das unidades de operação | Máquinas de produção e estações de trabalho para manufatura de partes e produtos discretos | Máquina |
Dispositivo | Sensores e atuadores compreendendo as malhas básicas de controle para unidade de operações | Sensores e atuadores para conseguir controlar as ações das máquinas | Dispositivo |
4.1.2 Variáveis e parâmetros nas duas indústrias
Variáveis contínuas (ou parâmetros) são ininterruptas com o passar do tempo, pelo menos durante a operação de manufatura. Geralmente são consideradas analógicas, o que significa que podem tomar qualquer valor em certo intervalo. São características tanto das atividades de produção das indústrias de processo como das de manufatura discreta, apesar de estarem mais presentes no primeiro tipo de indústria. Exemplos: força, temperatura, taxa de fluxo, pressão, velocidade.
Variáveis discretas (ou parâmetros) só podem tomar certos valores de um determinado intervalo. O tipo mais comum é o binário (só há dois valores possíveis). Exemplos: interruptores e motores ligados ou desligados, parte presente ou não na máquina, contagem diária de peças numa operação de produção, trem de pulsos.
4.2 Controle Contínuo x Controle Discreto
Com a substituição dos controles analógicos pelos computadores digitais nas aplicações do controle de processo contínuo, variáveis de processo contínuo não são mais medidas continuamente. Assim, mesmo as variáveis e parâmetros contínuos possuem características de dados discretos e estas devem ser consideradas no desenvolvimento da interface do computador de processo e nos algoritmos de controle usados pelo controlador.
4.2.1 Sistemas de controle contínuo
Objetivo é manter o valor de uma variável de saída no nível desejado. Exemplos: controle do produto de uma reação química, que depende de temperatura, pressão, taxa de fluxo dos reagentes, controle da posição de um parte relativa à uma ferramenta de corte (x,y,z).
a) Controle Regulatório: manter o desempenho do processo num certo nível ou em certa faixa de tolerância desse nível. Exemplo: medida de qualidade do produto. A desvantagem desse tipo de controle é que uma ação de compensação só é executada depois que o distúrbio afetou a saída do processo. É preciso um erro estar presente para que uma ação de controle seja realizada (erro significa que a saída do processo não está de acordo com o valor desejado). Mais usado em indústrias de processo contínuo.
b) Controle Antecipatório: a estratégia é antecipar o efeito do distúrbio sentindo-o e compensando-o antes que ele possa afetar o processo. Os elementos do controle antecipatório sentem a presença do distúrbio e realizam ações corretivas por meio do ajuste de parâmetros, o que compensa o efeito negativo. Uma compensação completa não é possível, já que há imperfeições nas medidas de feedback, nas operações dos atuadores, nos algoritmos de controle. Por isso, o controle antecipatório trabalha junto com o controle de feedback. Mais usado em indústrias de processo contínuo.
c) Otimização do estado permanente: refere-se a uma classe de técnicas de otimização para processos que possuem índice de desempenho bem definido, relação entre variáveis do processo e índice de desempenho conhecida. Além disso, os valores dos parâmetros que otimizam o índice de desempenho podem ser determinados matematicamente. Se o processo apresenta essas características, o algoritmo de controle pode ser desenvolvido para fazer ajustes nos parâmetros e levar o processo a um estado ótimo. Trabalha em sistema de malha aberta. Trabalha bem quando não há distúrbios que possam afetar a relação entre os parâmetros e o desempenho do processo.
d) Controle Adaptativo: combina controle de feedback com controle ótimo, medindo variáveis relevantes do processo durante a operação e usando uma algoritmo de controle que tenta otimizar certo índice de desempenho. O controle adaptativo é diferente do controle de feedback e do controle ótimo de estado devido a sua capacidade de lidar com um ambiente variável no tempo (variações do dia-a-dia nos materiais brutos, equipamentos, condições atmosféricas). Esse tipo de controle é desenvolvido para compensar as variações do ambiente por meio do monitoramento do seu próprio desempenho e da alteração de algum aspecto do seu mecanismo de controle para alcançar um desempenho ótimo (ou quase ótimo). É mais aplicado nos níveis dois e três da hierarquia de automação. Para avaliar o seu desempenho e responder corretamente, o controle adaptativo possui três funções:
- Função de identificação – o valor atual do índice de desempenho é determinado, baseado em medidas coletadas do processo. Se o ambiente muda, o índice muda. Por isso, essa função deve ser executada quase que continuamente no tempo.
- Função de decisão – decidir quais mudanças devem ser feitas para melhorar o desempenho. Essa função é implementada por meio do algoritmo programado do sistema adaptativo.
- Função de modificação – implementar a decisão (função lógica). Preocupa-se com as mudanças físicas no sistema. Envolve mais hardware que software. Os parâmetros são alterados por meio da utilização dos atuadores disponíveis para levar o sistema em direção a um estado ótimo.
e) Estratégias de Pesquisa On-Line: usado quando não se sabe ao certo a relação entre os parâmetros e o índice de desempenho, de maneira que a função de decisão do controle adaptativo não pode ser executada. São feitas pequenas mudanças nos parâmetros do processo para observar quais efeitos essas alterações terão nas variáveis de saída. Com base nos resultados, mudanças maiores são feitas para melhorar o desempenho do processo. Essas estratégias envolvem uma variedade de esquemas para explorar os efeitos das mudanças nos parâmetros (tentativa e erro até métodos gradientes). Todos os esquemas tentam determinar qual parâmetro causa o maior efeito positivo no índice de desempenho e leva o sistema nessa direção. Mais usadas em indústrias de processo contínuo.
f) Outras técnicas especializadas: envolvem teoria do controle e ciência da computação. Sistemas inteligentes, redes neurais.
4.2.2 Sistemas de controle discreto
No controle discreto, os parâmetros e variáveis são modificados em momentos discretos no tempo. Envolve parâmetros e variáveis discretos, tipicamente binários. As alterações são feitas ou porque o estado do sistema mudou ou porque certo período de tempo expirou. Muito utilizadas nos dois tipos de indústria.
Mudança direcionada por evento: é executada pelo controle em resposta a algum evento que alterou o estado do sistema. A mudança pode ser iniciar ou terminar uma operação, ligar ou desligar um motor, abrir ou fechar uma válvula. Exemplo: presença ou não de uma parte na máquina. Se ela está presente, o processo pode iniciar. Controle lógico combinado.
Mudança direcionada por tempo: executada pelo sistema de controle ou em um ponto específico do tempo ou depois de que determinado período de tempo expirou. Exemplos: tratamentos com calor precisam de tempo certo para serem realizados, ciclos de uma máquina de lavar. Controle de seqüenciamento.
4.3 Controle de Processo por Computador
O uso de computadores digitais no controle de processos industriais originou nas indústrias de processo contínuo no fim dos anos 50. Antes deles eram utilizados os sistemas de relé.
4.3.3 Níveis de controle de processo industrial
a) Controle Básico: nível mais baixo de controle. Corresponde ao nível de dispositivo na hierarquia da automação. Nas indústrias de processo, preocupa-se com o controle de feedback nas malhas de controle básico. Nas indústrias de manufatura discreta, preocupa-se em direcionar os servomotores e outros atuadores das máquinas de produção. Incluem funções de feedback, interruptores.
b) Controle por Procedimento: nível intermediário de controle. Controle regulatório da unidade de operações nas indústrias de processo e nível de máquina nas indústrias discretas. No controle contínuo, as funções do controle por procedimento incluem mudanças no setpoint e em outros parâmetros no controle básico. No controle discreto, as funções preocupam-se em executar o programa do ciclo de trabalho, ou seja, direcionar as máquinas atuar numa seqüência para realizar determinada tarefa produtiva. Esse tipo de controle também envolve detecção de erros, procedimentos de recuperação e decisões considerando a segurança em situações arriscadas que podem ocorrer durante o processo.
c) Controle de Coordenação: nível mais alto de controle. Envolve os três últimos níveis da hierarquia da automação. Inicia, direciona ou altera a execução de programas no controle por procedimentos. Suas ações mudam no decorrer do tempo, como no controle por procedimentos, mas seus algoritmos de controle não são estruturados para uma tarefa específica. É mais reativo e adaptativo. As funções de coordenação e no nível de célula inclui a coordenação das ações de grupos de equipamentos, do manuseio de materiais. Nos níveis de planta e da organização, o controle de coordenação preocupa-se com as funções de suporte à manufatura (planejamento de produção, supervisão de disponibilidade, utilização e capacidade de equipamento).
4.4 Formas de Controle de Processo por Computador
Monitoramento de processo: computador é usado apenas para coletar dados do processo.
Controle de processo: computador regula o processo.
4.4.1 Monitoramento de processo por computador
Envolve o uso de computadores para observar o processo e os equipamentos associados e coletar e gravar os dados da operação. O controle é feito pelos operadores que usam os dados para se quiar na administração e na operação do processo. Os dados coletados podem ser:
- Dados de processo – são medidas dos valores dos parâmetros e variáveis que indicam o desempenho do processo.
- Dados de equipamento – indica o status do equipamento na célula de trabalho. Algumas funções que se baseiam nesse tipo de dado: monitoramento da utilização de máquinas, horário de mudança de ferramentas.
- Dados do produto – regulações governamentais requer que as indústrias coletem e preservem dados de produção no produto. Exemplo: produtos farmacêuticos.
Os operadores podem fornecer dados por meio de terminais manuais ou esses podem ser coletados automaticamente por meio de sensores, interruptores.
4.4.2 Controle digital direto
Importante passo para o desenvolvimento do controle de processo por computador. É um controle de processo por computador no qual certos componentes de um sistema de controle analógico convencional são substituídos pelo computador digital. O computador calcula os valores desejados dos parâmetros de input e set points e esses valores passam para o processo por meio de uma ligação direta. O controle analógico convencional precisa de várias malhas de controle individual (sensor, transducer – instrumento para mostrar os valores das variáveis, comparador, controle analógico, amplificador, atuador). O DDC possui: sensor, transducer, amplificador, atuador, conversor analógico-digital, conversor digital-analógico, multiplexers – compartilhar dados de várias malhas com o mesmo computador. Vantagens do DDC:
- Mais opções de controle – é possível executar algoritmos de controle mais complexos.
- Integração e otimização de várias malhas – habilidade de integrar medidas de feedback de muitas malhas e implementar estratégias de otimização para melhorar o processo.
- Editar os programas de controle – é relativamente fácil modificar um algoritmo de controle. No controle analógico é necessário mudanças de hardware, o que é mais dispendioso.
4.4.3 Controle numérico e robótica
Envolve o uso do computador para direcionar uma ferramenta de máquina através de uma seqüência de passos definidos por um programa de instruções que especifica detalhes de cada passo e sua seqüência. A principal característica é o controle da posição relativa da ferramenta com o objeto que está sendo processado. Requer que o controlador execute a seqüência de controle e cálculos geométricos.
4.4.4 Controladores lógicos programáveis
Microprocessador que usa instruções armazenadas na memória programável para implementar funções de controle lógicas, aritméticas, de seqüenciamento, de temporização, de contagem para controlar máquinas e processos. Atualmente é utilizado nos dois tipos de indústria.
4.4.5 Controle de supervisão
Nível de controle mais alto que os anteriores (têm interface direta com o processo). Direciona as operações dos demais tipos de controle. Nas indústrias de processo, é representado pelo sistema de controle que administra as atividades de um número de unidades de operações integradas para atingir certos objetivos econômicos para o processo. Nas indústrias de manufatura discreta, é definido como o sistema de controle que direciona e coordena as atividades de algumas partes integradas de um equipamento numa célula de manufatura ou sistema, como um grupo de máquinas interconectadas pelo sistema de manuseio de materiais; os objetivos também são motivados por considerações econômicas. O controle de supervisão é todo automatizado. No entanto, muitas vezes, o esses controles são desenvolvidos para permitir a interação com os operadores. Assim, a responsabilidade do controle é dividida entre o controlador e o operador.
4.5.6 Sistemas de controle distribuído e PCs
Microprocessadores: chip de circuito integrado contendo elementos lógicos digitais necessários para desempenhar cálculos aritméticos, executar instruções armazenadas na memória, carregar outros dados do processo. Os elementos lógicos digitais e as conexões entre eles formam um conjunto de instruções que determinam a função do microprocessador.
Controlador precisa ser capaz de interagir com o processo que está sendo controlado
a) Sistemas de Controle Distribuído: descreve uma configuração com as seguintes características:
- Estações de controle de processo múltiplas localizadas por toda a planta para controlar as malhas individuais e os dispositivos do processo;
- Local de controle central onde é realizado o controle de supervisão;
- Estações locais para o operador distribuídas por toda a planta;
- Presença de redes de comunicação para que todo o processo e operador possam interagir.
Vantagens: se o sistema possui muitos computadores, facilita multitarefas paralelas; pode ser instalado para uma dada aplicação numa configuração básica e ser expandido de acordo com o necessário no futuro.
b) PCs: quando usado como interface do operador, o PC tem interface com PCLs ou outros dispositivos que controlam o processo diretamente. O PC realiza tarefas de monitoramento e supervisão, mas não controla o processo. Vantagens: interface fácil, o PLC que controla diretamente o processo é isolado do PC (se um PC falhar, não haverá interrupção do controle do sistema). O PC também pode ser usado como controle direto, mas é arriscado, pois se houver falha no PC, o controle do processo pára e pode ocorrer a produção de bens defeituosos, ou o processo pode tornar-se perigoso.
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