Principais tecnologias de automação industrial: Um guia de integração para 2025

Em sua forma mais simples, a automação industrial é a aplicação de sistemas de controle, que podem ser um computador ou um robô, e tecnologias de informação para gerenciar vários processos industriais e máquinas dentro de uma indústria no lugar de um ser humano. No entanto, a tecnologia de automação industrial inclui a arquitetura de hardware e software que permite que esses sistemas sejam executados de forma independente.

É a transição da operação manual para o controle preciso e melhor dos processos. Quando falamos de tecnologia de automação hoje em dia, estamos nos referindo a um complexo de sistemas que transformam matérias-primas em produtos acabados com o mínimo de intervenção humana e a um sistema coordenado de tecnologia automatizada que maximiza a eficiência, a segurança e a consistência das operações industriais.

O ecossistema moderno de tecnologia de automação industrial

O setor tem usado a pirâmide de automação, um modelo hierárquico rígido, em que os sensores estão na base, os controladores estão no meio e os sistemas corporativos estão no topo. Nesse modelo, o fluxo de dados era linear e geralmente lento. Essa hierarquia está mudando para uma estrutura mais fluida até 2025.

Estamos caminhando para uma pilha de tecnologia de automação moderna. Esse ecossistema não se concentra em camadas estruturais rígidas, mas em conectividade e fluxo de dados. A divisão histórica entre Tecnologia Operacional (TO - o hardware físico) e Tecnologia da Informação (TI - sistemas de dados) está se desfazendo. Os dispositivos de campo agora podem se comunicar com unidades de computação de ponta ou painéis de controle baseados em nuvem sem passar pelos gargalos tradicionais.

Essa mudança é a transição entre sistemas proprietários fechados para sistemas abertos e interconectados. O sistema é capaz de responder e se ajustar em tempo real às mudanças nas condições de produção à medida que sinais e dados são trocados em toda a rede. Para manobrar nesse terreno, é importante conhecer as principais camadas funcionais que compõem esse sistema.

As tecnologias discutidas neste guia têm um roteiro conforme mostrado abaixo:

Tecnologias de campo: Sensoriamento e atuação avançados

Essa camada é a interface física do sistema de automação. Ela coleta dados ambientais e realiza atividades físicas. O sistema de controle não tem a entrada necessária e não é capaz de afetar o processo físico sem uma tecnologia de campo confiável.

Sensoriamento inteligente e aquisição de dados

No passado, os sensores eram usados como interruptores discretos, que significavam estados binários simples, como Ligado/Desligado ou Presente/Ausente.

As aplicações industriais modernas da tecnologia de sensoriamento foram desenvolvidas para a aquisição de dados. Sensores inteligentes, como os que usam protocolos como o IO-Link, não enviam sinais simples, mas fornecem relatórios de status detalhados. Por exemplo, um sensor fotoelétrico pode enviar informações de diagnóstico sobre a contaminação da lente ou a intensidade do sinal diretamente para o controlador.

Essa mudança transforma os sensores em fontes ativas de dados, em vez de componentes passivos. Com sensores de proximidade indutivos para detectar componentes metálicos ou sensores fotoelétricos para contar objetos, a integridade do sinal é a prioridade. A condição prévia de um controle de processo confiável são dados de entrada precisos. Além disso, ao permitir o processamento preliminar de dados na fonte, esses sensores contribuem para a computação de ponta, reduzindo a latência e a carga nos data centers centrais.

Atuação de precisão e controle de movimento

Após a aquisição de dados, o sistema deve executar tarefas físicas por meio da atuação. Isso é feito transformando sinais de controle elétrico em movimento mecânico para acionar sistemas de transporte, máquinas CNC ou equipamentos de manuseio de materiais. O setor está se afastando da lógica pneumática básica para o controle de movimento de precisão.

• Sistemas Servo: Esses sistemas fornecem feedback de malha fechada sobre a posição, a velocidade e o torque, permitindo que os robôs industriais ou as mesas de posicionamento alcancem alta repetibilidade.
• Pneumática avançada: Os sistemas pneumáticos modernos incorporam componentes eletrônicos para controlar dinamicamente a pressão e permitir a manipulação de materiais delicados sem danos.
• Robótica: Desde robôs industriais pesados que levantam toneladas até robôs colaborativos que trabalham ao lado de trabalhadores humanos, esses sistemas automatizam tarefas repetitivas em linhas de montagem. Essa tecnologia pode substituir o trabalho manual em ambientes perigosos.

A precisão desses atuadores é diretamente proporcional à qualidade dos produtos. As inconsistências de atuação em sistemas elétricos podem causar erros de usinagem, vedação ineficaz ou falhas de montagem.

Tecnologias de controle: Lógica e processamento de sinais

A arquitetura de automação gira em torno da camada de controle. Ela recebe dados brutos de campo, executa a lógica programada e envia comandos aos atuadores. Essa camada é essencial para a segurança das operações e a eficiência da produção.

Evolução dos controladores lógicos programáveis (PLC)

O PLC ainda é o padrão de automação programável e controle discreto. No entanto, os requisitos dos controladores lógicos em 2025 são bem diferentes em comparação com os modelos antigos.

Os CLPs modernos têm como foco a velocidade de processamento e a modularidade do hardware. Eles devem ser capazes de realizar varreduras lógicas complexas em microssegundos para acompanhar o ritmo das rápidas linhas de embalagem ou montagem no setor de manufatura. A modularidade permite a incorporação de cartões de comunicação ou módulos de E/S para possibilitar a expansão dos sistemas de automação sem necessariamente substituir todo o hardware. Entretanto, a qualidade da fonte de alimentação é o único fator determinante da confiabilidade desses sistemas de controle.

• Estabilidade de tensão: Uma queda temporária de tensão pode levar a uma reinicialização do PLC, o que causa tempo de inatividade nos processos de produção e perda de dados. Fontes de alimentação de boa qualidade têm soft-start. Essa tecnologia é eficaz na eliminação das correntes de surto de entrada CA durante a inicialização, eliminando o estresse elétrico em cargas sensíveis, como as placas-mãe dos CLPs.
• Global Compatibilidade & Compacidade: Para acomodar os padrões internacionais de fabricação inteligente, são necessárias unidades de energia com uma ampla faixa de tensão de entrada CA de 100 a 240 V. Isso permite que os fabricantes de máquinas padronizem o design do gabinete de controle para os mercados internacionais. Além disso, componentes de controle menores permitem que mais dispositivos sejam instalados em trilhos DIN de 35 mm, maximizando o espaço do gabinete de controle.
• Proteção e integridade do sinal: A interferência eletromagnética (EMI) tem o potencial de interferir nos sinais lógicos em um gabinete de controle. As fontes de alimentação de controle industrial que possuem filtros EMI integrados são necessárias para garantir que o ruído gerado por dispositivos de alta potência não interfira na lógica de controle. Também há proteção integrada contra curto-circuito e sobrecarga, o que significa que a fonte de alimentação se desconectará automaticamente em caso de falha e se reconectará automaticamente, garantindo que o processo de fabricação continue com o mínimo de intervenções de manutenção.

Um processador de alto desempenho não pode funcionar corretamente sem um fornecimento de energia estável. As fontes de alimentação e os relés industriais são uma infraestrutura essencial para o PLC. Fontes de alimentação industriais OMCH são projetados para ser esse backbone confiável. Nossas unidades suportam uma ampla entrada de 100-240 V para compatibilidade global e apresentam filtros EMI integrados para proteger a lógica sensível do PLC contra ruídos. Com a funcionalidade de partida suave para evitar correntes de surto e resposta rápida a transientes, elas mantêm a tensão estável durante as flutuações. Todas essas proteções, inclusive a segurança contra curto-circuito, estão reunidas em um design compacto que maximiza o espaço do trilho DIN, garantindo que sua automação funcione sem interrupções.

Arquitetura de sistemas de controle distribuído (DCS)

Enquanto os PLCs são otimizados para controle discreto de alta velocidade, Sistemas de controle distribuído (DCS) são projetados para o controle de processos complexos.

Os PLCs foram projetados para serem usados em controle discreto de alta velocidade, enquanto os sistemas de controle distribuído (DCS) foram projetados para serem usados em controle de processos complexos.

Em outros setores, como refino de petróleo ou processamento químico, o uso de um único controlador representa um grande perigo. A arquitetura do DCS ajuda a superar isso, distribuindo as funções de controle entre vários processadores dentro da fábrica. A redundância é a característica de um DCS. Em caso de falha de um processador ou módulo, um sistema de backup entra em ação e o processo não é interrompido e é seguro.

Tecnologias de conectividade: Protocolos industriais e IIoT

Um dos maiores problemas da automação industrial é a interoperabilidade, ou seja, a capacidade dos dispositivos de vários fabricantes de se comunicarem entre si. Os padrões de empacotamento, transmissão e recepção de dados são determinados pelas tecnologias de conectividade. O objetivo é remover o isolamento dos dados, garantir que o fluxo de dados seja desimpedido e criar sistemas verdadeiramente abertos.

Há dois tipos principais de protocolos de comunicação usados no setor. Os protocolos Fieldbus (como Profibus e Modbus) são padrões de comunicação serial que se caracterizam por sua robustez e simplicidade, sendo adequados para a transferência de pequenos pacotes de dados por longas distâncias. O padrão moderno é a Ethernet industrial (por exemplo, Ethernet/IP, Profinet e EtherCAT). Esses protocolos industriais usam cabos Ethernet padrão, mas utilizam técnicas determinísticas para garantir que os dados sejam recebidos dentro de determinados limites de tempo.

A conexão é baseada em uma camada física forte. As pontes são fornecidas por gateways e dispositivos de borda, que convertem sinais legados em protocolos atuais da Internet das Coisas Industrial (IIoT), como OPC UA e MQTT, para integração com a nuvem. Essa integração de IIoT é a espinha dorsal das fábricas inteligentes. Para garantir que esses hubs de comunicação tenham tempo de atividade constante, a infraestrutura de energia por trás deles deve ser estável, mesmo quando o ruído elétrico e as flutuações comuns em um ambiente industrial estiverem presentes.

Tecnologias de supervisão: Visualização e SCADA

As tecnologias de supervisão são a interface entre o sistema automatizado e os operadores humanos, que convertem dados binários em visualização acionável.

Essa interface começa com a interface homem-máquina (HMI). Uma HMI oferece controle e monitoramento locais. Ela permite que os operadores enviem comandos (por exemplo, iniciar um lote) e obtenham feedback (por exemplo, alarmes ou relatórios de status). Um bom projeto de HMI se concentra na consciência situacional, em que indicadores visuais são usados para indicar anormalidades o mais rápido possível, minimizando o tempo de intervenção humana e evitando erros.

O SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) oferece uma visão global em toda a fábrica. Ao contrário de uma HMI, que geralmente está vinculada a uma máquina, os sistemas SCADA combinam os dados de vários PLCs para calcular indicadores de monitoramento em tempo real, como OEE (Overall Equipment Effectiveness, Eficácia Geral do Equipamento) e outros KPIs. Os novos sistemas SCADA baseados na Web estão se tornando padrão, fornecendo painéis de controle que podem ser monitorados e gerenciados remotamente. O principal valor é a velocidade da tomada de decisões, ou seja, a detecção de gargalos na produção em tempo real para manter as metas de produtividade.

Tendências emergentes: Integração de IA e computação de borda

As tecnologias avançadas estão aprimorando as pilhas de automação atuais, oferecendo a capacidade de tomar decisões mais rapidamente e analisar os dados com mais eficiência.

O Machine Learning (ML) e a Inteligência Artificial (IA) estão mudando a forma como os sistemas funcionam. Em comparação com a programação estática tradicional, o aprendizado de máquina se preocupa com os algoritmos que aprendem com os dados para se tornarem melhores com o tempo, sem que seja preciso dizer o que fazer. Essa capacidade transforma três aspectos importantes:

• Controle de qualidade: Os sistemas de visão orientados por ML aprendem a distinguir entre peças aceitáveis e defeituosas com precisão superior, identificando falhas microscópicas que os sensores padrão podem deixar passar.
• Preditivo Manutenção: Ao analisar padrões de dados históricos, como vibração do motor ou tendências de temperatura, os modelos de ML podem prever falhas nos equipamentos semanas antes que elas ocorram, permitindo uma intervenção proativa. Esse é um grande avanço para a melhoria contínua e a redução do tempo de inatividade inesperado.
• Processo Otimização: Algoritmos inteligentes analisam os dados do fluxo de produção em tempo real para ajustar os parâmetros, maximizando o rendimento, otimizando o uso de energia e reduzindo os prazos de entrega.

Os gêmeos digitais permitem a simulação dessas mudanças antes da implementação, auxiliando no gerenciamento de mudanças. Além disso, a computação de borda complementa isso processando dados na fonte. A latência é importante em aplicativos de alta velocidade, como um sistema de visão que inspeciona produtos em altas taxas. Os dispositivos de borda lidam com os dados no local para tomar decisões de controle instantâneas (por exemplo, rejeitar uma peça defeituosa) e só enviam aos servidores centrais os dados resumidos que são relevantes. Essas tecnologias forçam multiplicadores para o hardware existente e aumentam a eficiência do sistema.

Adaptação da automação às necessidades do setor

As estratégias de automação nos setores devem ser ajustadas às necessidades específicas do processo de fabricação e à estratégia mais ampla de transformação digital. A escolha da pilha de tecnologia depende muito do processo discreto ou contínuo.

Na Manufatura Discreta (por exemplo, no setor automotivo ou eletrônico), a produção é feita em unidades discretas e contáveis. Os principais objetivos são a redução do tempo de ciclo, a precisão posicional e a velocidade de montagem. PLCs de alta velocidade, controle de movimento servo e sensores de resposta rápida são as soluções de automação essenciais para a fabricação automotiva. Milissegundos de atraso na resposta do sensor podem causar colisões mecânicas ou defeitos.

Na fabricação de processos (por exemplo, produtos químicos, alimentos e bebidas), o produto é uma substância ou formulação contínua. Os objetivos incluem consistência, aderência às receitas e operação constante. A ênfase da tecnologia está no DCS, nas malhas de controle PID e na instrumentação analógica de precisão. A principal ameaça é a instabilidade dos processos; a falta de energia pode destruir todo um lote de produção ou representar riscos à segurança.

Há cenários híbridos em que os dois tipos se cruzam, por exemplo, uma instalação que recebe líquidos (processo) e os embala (discreto).

Apesar das diferenças arquitetônicas, a necessidade de “componentes de controle” confiáveis é universal. Tanto os sistemas discretos quanto os de processo dependem de fontes de alimentação estáveis e de componentes de comutação para funcionar corretamente.

Seleção de tecnologias com base na escalabilidade do aplicativo

A escolha da tecnologia de automação não é apenas a compra do hardware mais recente, mas também o alinhamento da complexidade da tecnologia com a escala específica e os objetivos estratégicos da instalação. Esse alinhamento estratégico é crucial para a redução de custos e para garantir um alto ROI (retorno sobre o investimento).

Para tomar essa decisão, os engenheiros e tomadores de decisão são aconselhados a classificar suas necessidades de acordo com a escala das operações:

No entanto, há um princípio que se aplica a qualquer grau de automação: A confiabilidade de um sistema é definida pelos elementos mais básicos de um sistema. Os recursos de alto nível não podem causar instabilidade no hardware.

É aqui que a OMCH se encaixa em sua estratégia. Nossos produtos são projetados para atender a altos padrões internacionais e garantir a continuidade de seus sistemas críticos em operação, com o suporte de transparência completa e relatórios de teste. Além disso, temos 38 anos de experiência em automação nos setores de energia, automotivo e de novas energias. Esse profundo conhecimento do domínio nos permite criar produtos específicos para os problemas do setor e fornecer soluções sistemáticas e personalizadas. Independentemente da escala de seu projeto de modernização ou de um projeto mais complexo, a colaboração com a OMCH significa que sua automação será construída com base na qualidade.