thumb|250x250px|Sistema automático de esteiras, utilizado para transportar os mais diversos tipos de materiais Engenharia de Controle e Automação é a área dentro da engenharia voltada ao projeto de máquinas automáticas e controle de processos industriais. Para isso são utilizados elementos sensores, elementos atuadores, sistemas de controle, sistemas de supervisão e aquisição de dados e outros métodos que utilizem os recursos da elétrica, mecânica e computação.Zhang, Jianhua . Mechatronics and Automation Engineering. Proceedings of the International Conference on Mechatronics and Automation Engineering (ICMAE2016). Xiamen, China, 2016.
Descrição A Engenharia de controle e automação tem como objetivo a concepção de máquinas e sistemas para automatizar processos industriais, ou seja, substituir o esforço físico e mental do ser humano em atividades perigosas, repetitivas ou insalubres. Além disso, busca-se garantir máxima qualidade e eficiência dos processos em geral. Para obter-se a automação de um sistema, é necessário ter uma visão global do processo a ser automatizado e combinar esse conhecimento com os princípios de elétrica, mecânica e computação.Automation and Mechatronics Msc. engineering program, Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI" ETU, Russia. Accessed: 16 May, 2019.
A automação é completa quando toda uma linha de produção funciona do começo ao fim sem a intervenção humana, agindo apenas pela ação das próprias máquinas e controladores.
As etapas para se desenvolver um sistema automático podem ser resumidas da seguinte forma: inicia-se com o reconhecimento de um problema e a modelagem matemática do processo, a partir do qual se analisa o comportamento dinâmico da planta, e então se projeta as máquinas e o controlador eletrônico que fará o sistema evoluir da forma desejada, além de se adaptar a possíveis distúrbios e ruídos externos.
Os termos controle e automação já foram ponto de conflito, sobre qual seria o termo mais correto. Automação é um neologismo originado do inglês automation, e refere-se ao uso de máquinas eletromecânicas para facilitar o trabalho do ser humano ou estender sua capacidade física e mental. Controle refere-se ao uso de dispositivos eletrônicos (controladores) que, sem auxílio da ação humana, façam um sistema se comportar da maneira desejada.
Alguns exemplos de sistemas de controle e automação são: robôs industriais, linha de montagem de automóveis, casas inteligentes, caldeiras automáticas, refinarias de petróleo, sistemas de controle de nível em reservatórios, etc.FIALHO, A.B. Automatismos hidráulicos: Princípios básicos, dimensionamentos de componentes -1ª edição. São Paulo: Érica, 2014.
thumb|direita|350px|Diagrama de Automação
Na figura é possível observar esta relação, e em especial a interseção entre a mecânica, computação e elétrica - neste caso dividida em eletrônica e controle.
Histórico do curso de Engenharia de Controle e Automação História no mundo As primeiras máquinas desenvolvidas foram simples, apenas aumentando a capacidade física humana, como alavancas, polias, entre outras. Algum tempo depois, foram inventados os primeiros relógios mecânicos, porém estes necessitavam de regulagens frequentes. A Revolução Industrial gerou profundo impacto nos processos produtivos e no desempenho industrial, sendo a mecânica o início do que viria mais tarde a ser a automação industrial.
Foi também no século XVIII, que as primeiras máquinas de combustão surgiram, e eram utilizadas para o bombeamento de água em minas de carvão. Em 1769, James Watt aperfeiçoou a máquina a vapor, inserindo na mesma um controlador dando a ela regularidade de marcha. Tal dispositivo veio a ser conhecido mais tarde como regulador de Watt. Já no início do século XIX, surge a primeira máquina programável: o tear de Jacquard.Lima, Fábio Soares. A automação e sua evolução. Universidade Federal do Rio grande do Norte - UFRN, LECA. Artigo apresentado PPGEE. DCA2401, Natal, 2003
As máquinas complexas, desenvolvidas no período entre guerras, como navios e aviões, só foram possíveis graças ao desenvolvimento das primeiras técnicas de automação industrial, baseadas inicialmente em relés eletromecânicos. Com o surgimento da eletrônica do estado sólido e o aparecimento dos primeiros transistores, surgiram os computadores, o que ocasionou uma verdadeira revolução e tornou possível a criação de controladores inteligentes. Durante esse período, também houve avanços notáveis na Teoria de Controle, com os trabalhos de Evans, Nyquist, entre outros.IEEE Robotics and Automation Society. Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR) summer school. Curtin Research Publications, 2012.
A automação industrial moderna começou a ser delineada em 1953 quando a empresa Yaskawa, que até então fabricava e abastecia o mercado de mineração de carvão com equipamentos elétricos (principalmente motores), mudou de foco e passou a desenvolver produtos usados na fabricação de aço, para inicialmente atender as necessidades de uma usina siderúrgica das imediações. Ao tentar fazer um motor elétrico com pouca inércia, a empresa começou a refletir se algo antes feito de forma hidráulica também poderia ser feito de forma elétrica.
O resultado foi a criação de uma linha de servomotores batizada de Minertia – derivada das palavras minimum inertia – e que se caracterizava pela velocidade de partida e parada, justamente em decorrência da inércia extremamente baixa. O emprego desses servomotores contribuiu para o desenvolvimento de atuadores elétricos capazes de controlar livremente braços e dedos mecânicos, e por isso mesmo chamados de Mochicontrol (motor, machine and control). Essas foram as bases para que, no final de 1969, a Yaskawa passasse a conceber um modo totalmente diferente e integrado de olhar para o projeto e controle de máquinas. Foi nesse contexto que os cursos de Engenharia de Controle e Automação começaram a surgir em todo o mundo.
História no Brasil Durante a década de 40, disciplinas de Controle passaram a ser ministradas nos cursos de Engenharia, sendo que, nos Estados Unidos e na Europa Ocidental, essas disciplinas foram introduzidas, principalmente, nos cursos de Engenharia Elétrica.
O primeiro curso de Controle em uma universidade brasileira ocorreu no segundo semestre de 1953 para os alunos de Engenharia Eletrônica do ITA.
Porém o primeiro curso de Controle ministrado por brasileiros, só ocorreu em 1960, na Escola Politécnica da USP.
Em nível de graduação, a partir dos anos 80, surgem:
Na Escola Politécnica da USP, sob a denominação de Engenharia Mecânica – Habilitação Automação e Sistemas; As ênfases em Controle e Automação em cursos de Engenharia Elétrica; Os cursos de Engenharia de Controle e Automação, tendo sido o primeiro fundado na UFSC em 1990;
De acordo com a elaboração da Portaria 1694/MEC/94 (Brasil, 1994), foi estabelecido que: “A Engenharia de Controle e Automação é uma habilitação específica que tem sua origem nas áreas Elétrica e Mecânica do curso de Engenharia” (Art. 1º). Isso permitiu rápido crescimento do curso de Engenharia de Controle e Automação, que passou de 8 em 1996 para 60 em 2005.
História do nome O nome Engenharia de Controle e Automação (que é o aceito atualmente pelo MEC) surgiu pelas ideias propostas abaixo: Controle significa Controle Automático (isto é, que se move ou age por si, sem operador) de Sistemas físicos quaisquer.
Compõe-se de dois grandes campos de conhecimento:
Controle dinâmico de sistemas dinâmicos (representados por equações diferenciais ou de diferenças, pelo menos na variável tempo); Controle por eventos discretos de sistemas de eventos discretos (representados por modelos lógicos sequenciais).
Automação (do inglês automation) significa o emprego de máquinas para automatizar processos. Sua origem é um neologismo em língua inglesa, que na década de 60 foi adotado intensamente pelo marketing industrial.
De acordo com a Larousse Cultural (1998), os nomes Automação e Automática são definidos assim: “Automação- Parte da automática que trata dos automatismos mais complexos. Palavra utilizada pela primeira vez em 1936... na General Motors...” “Automática- Ciência e técnica da automatização, agrupando o conjunto das disciplinas teóricas e tecnológicas que intervêm na concepção, construção... dos sistemas automáticos.”
O curso de Engenharia de Controle e Automação No Brasil, o currículo do curso está organizado em três núcleos:
O básico é formado por disciplinas de cálculo, química, física, álgebra linear, mecânica dos sólidos, desenho técnico, ciências de materiais, humanas, ambientais, administrativas e econômicas.
O profissionalizante genérico compreende disciplinas de sistemas mecânicos, programação de computadores, eletricidade e eletrônica, sistemas digitais, comandos elétricos, mecanismos, elementos de máquinas, modelagem e simulação de sistemas físicos.
As disciplinas do núcleo profissionalizante específico apresentam conteúdos sobre controladores lógico-programáveis, instrumentação, processos de fabricação, robótica industrial, automação da manufatura e controle de sistemas. Esse controle se baseia na programação de máquinas, no monitoramento e aperfeiçoamento do desempenho de processos e adaptações de programas computacionais, com a finalidade de reduzir custos e prazos, aumentar a segurança da produção além de melhorar a qualidade dos produtos e da produtividade de empresas dos mais variados ramos.
Em algumas instituições pode ocorrer variação de ênfase. No CEFET/RJ, por exemplo, a base em Eletrônica é consideravelmente mais profunda que a base em Mecânica. Isso ocorre pela própria situação regional, visto que no Rio de Janeiro, o número de empresas no ramo da automação mecânica é bastante reduzido, frente a outros estados como São Paulo. Já outras instituições, oferecem um currículo equilibrado. Cabe ao aluno verificar através da própria grade curricular, qual a ênfase deste curso na instituição ou universidade desejada.
A pirâmide da Automação thumb|direita|300px| Pirâmide da Automação O trabalho de um Engenheiro de Controle e Automação pode ser representado pela pirâmide abaixo:Bonacorso, Nelso Gauze. Automação Eletropneumática 9ª ed. Erica, São Paulo, 2006
Nível 1: Aquisição de Dados e Controle Manual. Composto por máquinas, componentes e dispositivos da planta, como sensores, atuadores e dispositivos de campo.
Nível 2: Controle Individual (PLCs, SDCDs, relés). Nível onde se encontram os equipamentos que executam o controle automático das atividades da planta.
Nível 3: Controle de Grupo (célula de trabalho), gerenciamento e Otimização de Processo. Permite a supervisão do processo, normalmente possui banco de dados com informações relativas ao processo.
Nível 4: Controle fabril total, produção e programação. Nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção realizando o controle e a logística de suprimentos. Condiz com o gerenciamento da planta.
Nível 5: Planejamento Estratégico e Controle sobre vendas e custos. Administração de recursos da empresa. Neste nível encontram-se os softwares para gestão de venda e gestão financeira, o gerenciamento corporativo.
Sistemas de Controle Um sistema de controle é basicamente um sistema entrada(s)-saída(s). O sistema a ser controlado é, em geral, chamado de processo ou planta. O processo é um sistema dinâmico, ou seja, seu comportamento é descrito matematicamente por um conjunto de equações diferenciais. Como exemplos de sistemas dinâmicos temos, entre outros: sistemas elétricos e mecânicos. A entrada do processo é chamada de variável de controle ou variável manipulada (MV) e a saída do processo é chamada de variável controlada ou variável de processo(PV).J. Angeles. IEEE Robotics and Automation Society. Controller estimation for the adaptive control of industrial manipulators. Volume: 5 , Issue: 3, Jun 1989. INSPEC Accession Number: 3447299.