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ENGG55 – REDES INDUSTRIAISIntrodução à Automação Industrial
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Prof. Eduardo Simas
Essa apresentação foi adaptada do material elaborado pelo Prof. Bernardo Ordoñez em 2013.2
DEE – Departamento de Engenharia ElétricaEscola Politécnica - UFBA
Redes industriais
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PARTE IIntrodução à Automação Industrial
Redes industriais
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Visão geral de uma planta automatizada
Redes industriais
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Visão geral de uma planta automatizada
Redes industriais
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Visão geral de uma planta automatizada
E nosso dia-a-dia?
Em casa
Na rua
No trabalho...
Redes industriais
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Automação Industrial
Uso de dispositivo mecânico ou eletro-eletrônico paracontrolar máquinas e processos computadores,CLP, CNC...
Substituição de tarefas da mão-de-obra humana.
Realização de outras que o ser-humano não consegue realizar.
Passo além da mecanização, em que os operadores humanos são
providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos.
Quantidade com qualidade e economia competitividade!
Automação x Desemprego
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Automação Industrial Exemplo clássico:
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Automação Industrial
LC
LCV
SP
LE ligado
desligado
cheia
vazia
ligado
desligado
presente
ausente
ligado
desligado
motor da
esteira
garrafa
válvula
vazão saída
vazão entrada
Exemplo clássico:
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Objetivos da Automação Industrial
Qualidade: controle de qualidade eficiente,compensação automática sobre as deficiências doprocesso, processos de fabricação sofisticados.
Viabilidade técnica: processamento imediato de grandevolume de informações complexas, limitações dohomem, condições desumanas de trabalho.
Flexibilidade: inovações frequentes no produto,atendimento a especificidades do cliente, produção depequenos lotes.
Produtividade: produção de refugo zero, redução dosestoques.
Redes industriais
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Objetivos da Automação Industrial
Aumento da segurança.
Diminuição dos custos operacionais.
Melhoria das condições de operação.
Simplificação das instalações.
Aumento dos níveis de controle.
Aumento dos níveis de acompanhamento.
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Níveis de automatização Industrial Exemplo clássico:
Processo não automatizadoControle de nível local mediante atuação na válvulavolante.
Processo semi-automatizadoControle de nível mediante atuação na válvula comatuador para acionamento remoto.
Processo automatizadoControle de nível mediante atuação na válvula comatuador e controlador automático.
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Áreas de atuação
Projetos de novas unidades de operação.
Modernização da planta industrial.
Integração de procedimentos e equipamentos emunidades de produção já existentes, e em operação.
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Disciplinas envolvidas
Sistemas de controle.
Instrumentação.
Informática.
Processos dinâmicos.
Comunicações.
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Motores, robôs, caldeiras, etc.
Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc
Algoritmos de controle
Tecnologias e protocolos de comunicação
Visualização, configuração e armazenamento e variáveis
Geração de informação estratégica
Níveis de abstração do problema
Nível de Gerência
Nível de Supervisão
Nível de rede de comunicação
Nível de controle direto: PC, CLP,...
Nível de sensores e atuadores
Nível de processos físicos
Redes industriais Automação Industrial + Gerencial
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VENDAS
PLANEJAMENTO
BANCO DE DADOS CORPORATIVOS
INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO
INTEGRAÇÃO DE CAMPO
OPERAÇÃO E SUPERVISÃO(OTIMIZAÇÃO)
CONTROLE E SEGURANÇA
CAMPO
Sistema Gerencial
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Elementos Sensores e Atuadores
PLC’s Controladores
Estações de Trabalho
Servidores
Estações de
Trabalho
Redes industriais Estrutura da automação industrial
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Rede de Comunicação de Dados Local
Processo Físico 1
Sensores Atuadores
Condicionamentode sinais
Controlador Local 1
Processo Físico n
Sensores Atuadores
Condicionamentode sinais
Controlador Local n
. . .
Supervisor Base de Dados
Gerência de Informação
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Condicionamento de sinais
Estratégias de supervisão.
Atuadores Calibração Segurança Economia de energia
Sensores
Processos
Hardware computacional
Conversão de sinais
Sistemas operacionais
Estratégias de controle e segurança (inter travamento)
Linguagem de programação
Elementos básicos:
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Processos ContínuosAs variáveis manipuladas têm natureza contínua
Processos químicos e robótica
Processos Discretos As variáveis manipuladas têm natureza discreta
Políticas de inter-travamento e manufatura
Sistemas HíbridosVariáveis contínuas + Variáveis discretas
Processos “Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados, gerenciados”
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Componentes transdutores de sinais
Condicionamento de sinais
Calibração de sensores
Sistemas de proteção
Valor verdadeiro
Sistema de
mediçãoProcesso
medido
SaídaEntrada
Valor medido
Observador
Sistemas de medição: sensores
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Termopares (sensores de temperatura)
Encoderes (sensores de velocidade e deslocamento)
Barômetros (medidor de pressão atmosférica)
Potenciômetros
Fibras ópticas
Ultra-som (medição indireta da distância / nível)
Exemplos de sensores
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Termopares: simples, robusto e baixo custo
Encoderes
Barômetros
Potenciômetros
Fibras ópticas
Ultra-som
Exemplos de sensores
• Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir dacontagem de pulsos digitais.
Estrutura interna: Sinais produzidos:
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Exemplos de sensores
Tipos de Encoder:
• Encoder Incremental – a posição é obtida em a partir da contagem de pulsos apartir do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informaçãoda posição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para oreinício da contagem
• Encoder Absoluto – há uma
codificação mais sofisticada na
estrutura do sinal gerado
(existem mais pulsos, não apenas
o A e B do encoder incremental),
que permitem a localização a
partir de qualquer posição inicial.
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Exemplos de sensores
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• Tipos de Encoder:
• Encoder Linear
• Encoder Angular
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Exemplos de sensores
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Termopares
Encoderes
Barômetros
Pote\nciômetros
Fibras ópticas
Ultra-som
Exemplos de sensores
• Aplicações de sensores ultrassônicos:a) Medidas de diâmetro;b) Detecção de objetos;c) Presença de pessoas;d) Medição de densidade.
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Exemplos de sensores
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Conforme o tipo de energia podem ser:
Transmissão pneumática (3-15PSI).
Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc).
Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus,RS-232 protocolo HART, RS-422, “FoundationTM
Fieldbus”.
Transmissão hidráulica;
Transmissão eletromagnética (sem fios);
Transmissão óptica (fibra-óptica).
Telemetria (modo como a informação étransmitida):
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Amplificadores de energia
Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em
outras formas de energia
SaídaSistema de comando
Sinal de comando
Processo
Atuador
Sistemas de comando: atuadores
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Válvulas
Pistões
Inversores de frequência
Resistências
Relés (eletromecânicos ou de estado sólido)
Exemplos de atuadores
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Válvulas
Pistões
Inversores de frequência
Resistências
Exemplos de atuadores
Válvula de controle (Fisher) Transmissor eletrônico
Relé eletromecânico
• Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivosauxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensãoalternada.
• Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico:
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Nos terminais da bobina são
conectados o sinal de comando dos
sensores ou controladores.
Nos terminais dos contatos e no
terminal comum são conectados a
fonte de tensão AC.
A existência de tensão nos terminais
da bobina gera um campo magnético
que movimenta a armadura mudando
a posição dos contatos mecânicos.
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Inversores de Frequência
• Circuitos eletrônicos utilizados para controlar a velocidade de máquinas AC.
• Permitem a operação suave de máquinas AC e a economia de energia elétrica por evitaresforço elétrico na partida das máquinas.
• Utilizado atualmente também em ambientes residenciais e comerciais (elevadores,geladeiras, ar-condicionados)
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Redes industriais
Redes industriais
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Sensores
Atuadores
A/DD/D
D/AD/D
Relógio Externo
ControleDireto
RegistroDe Dados
Gerência deInformação
InterfaceHomem/Máquina
Base de Dados
. . .
Terminais, impressoras, etc.
Processo Físico
O problema do controle automático
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Processo
Sistema de controle com computador
produto
Esquema de controle automático
Redes industriais
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Alarmes e guias para operador
Processo
Sistema de controle com computador
material
energia
produto
Informação do produtoSinais de
controle
Informação do processo
Registros e relatórios
Informação de entrada
Objetivos e informação de gerenciamento
Esquema de controle automático
Redes industriais Controladores industriais
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Trocador de calor a vapor
O tanque armazena e fornece um determinado produto em um ponto desejado detemperatura; O vapor utilizado na serpentina advém de uma caldeira e pode ser controlado poruma válvula; Não há controle sobre a entrada de produto para o tanque; Perturbações: Variações no fluxo e temperatura do fluido de entrada.
Redes industriais Controladores industriais
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Fluxo constante do produto frio o controle da válvula é função datemperatura do produto quente e do fluxo de vapor na entrada;Objetivo: manter a temperatura do produto quente.
Estratégia por relação:
Redes industriais Controladores industriais
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Problema: variação da pressão do vapor altera seu fluxo troca decalor; Malha de controle para o fluxo de vapor malha rápida evitandooscilação no sistema; O controle fica mais rápido utilização na indústria.
Estratégia por cascata:
Redes industriais Controladores industriais
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Mudança de carga pode demorar para ser percebida tamanho daserpentina; Sistema pode tornar-se instável devido à variação no fluxo atraso detransporte; Solução: tomar uma ação antecipativa conhecimento da planta.
Estratégia por controle antecipativo:
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PARTE IIIntrodução à Automação Industrial
Redes industriais
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Arquitetura de Automação Industrial
Redes industriais
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Arquitetura de Automação Industrial
Sala de controle
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Arquitetura de Automação Industrial
Comunicação
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Hardware e software que permitem ao operadorter acesso a informações do processo
Sistema de supervisão
Estado operacional do equipamento
Valores das variáveis de processo
Alarmes!
Relatórios
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Coletar dados dos dispositivos de campo. Apresentá-los em formato padronizado e amigável(gráficos!).
Função:
Interação eficiente entre processo e sistemasupervisório!
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Exemplo: ITAIPU Binacional
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Hardware do Sistema de Supervisão
Estações de supervisão (central e local)
Redes de comunicação
Impressoras
Controladores (CLPs)
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Telecomunicações
???
Hardware do Sistema de Supervisão
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Sistema Supervisório Um sistema estruturado através
de uma série de telas e janelas
Exibem os diversos dados disponibilizados pelo sistema,
ocupando todo o espaço disponíveldo monitor.
Idem à tela, porém ocupando apenas umaparte do espaço disponível do monitor.
TELA
JANELA
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Classificação das telas e janelas
Instrumentação
Alarmes
Segurança
Processo/
Utilidades
Conforme o tipode informa-
ção apresentada
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Principais funçõesSistema Supervisório:
Apresentação das variáveis do processo em tempo real
Gráficos de tendência de variáveis de processo
Anunciação e Reconhecimento de alarmes
Sinalização do estado operacional de equipamentos
Registro de eventos
Emissão de relatórios
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Principais funçõesSistema Supervisório:
Ligar e Desligar equipamentos
Registro histórico de variáveis de processo
Armazenamento, recuperação de dados de equipamentos
Alteração de parâmetros de operação
Referência de operação
Seleção da saída
Parametrização de instrumentos
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Evolução da Estrutura de Automação
Controle Direto
Controle Ponto-a-ponto
SCDC (Sistemas Digitais
de Controle Distribuído)
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Estratégia de Controle Direto
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Estratégia de controle ponto-a-ponto
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Sistemas Digitas de Controle Distribuído - SDCD
Sistema introduzido para substituir painéis de controleconvencionais, centralizando tarefas e distribuindofunções (1974).
Sistema configurável.
A filosofia do sistema digitais de controle distribuído é a de dividir os equipamentos em
vários módulos funcionalmente distintos.
Comunicação
Gerenciamento
OperaçãoControle
Processo
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Visão Geral:
Interface IHM poderosa e amigável.
Evolução da instrumentação comfunções distribuídas geograficamente.
Substituição deequipamentos analógicos.
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Os sistemas SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition) começaram a seridealizados desde a primeira metade do séculoXX, com a necessidade de obtenção de dadosmeteorológicos em grande volume.
Atualmente eles estão sendo largamenteutilizados na indústria, principalmente quandoo chão de fábrica é geograficamente bastantedistribuído.
SCADA
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Centro de Operações (CO) com uma Unidade Mestre (UM), que interage com as URs e uma Interface Homem-Máquina (IHM)
Uma ou mais Unidades Remotas
(URs) que interagem diretamente
com os processos
Sistema de comunicação que permite a troca de informações entre o CO e as URs
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Computador(es) principais (host computers)
Rede(s) de Área Local
Estação Mestre
Modem(s) Mestre(s)
Rede(s) de Telemetria
Modem(s) Remoto(s)
Estações Remota(s)
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Desafios da Automação Industrial
Interoperabilidade e padronização
Algoritmos de controle eficientes
Algoritmos de detecção e previsão de
falhas
Diminuição de custo
Sistemas de gerência de informação
Escalabilidade
Redes determinísticas e tolerante a falha
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Desafios da Automação Industrial
Solução integrada de automação quepermita disponibilizar informação dequalidade, em tempo real, em nível gerencial.
Para uma integração simples, é necessáriointeroperabilidade de diferentes sistemas, ouseja, sistemas abertos a produtos de terceiros.
O processo de automação não deve serconsiderado algo isolado na indústria. Essaárea precisa estar aberta para as novastecnologias já disponíveis.
Interoperabilidade e padronização
Algoritmos de controle eficientes
Algoritmos de detecção e
previsão de falhas
Diminuição de custo
Sistemas de gerência de informação
Escalabilidade
Redes deterministicas e tolerante a falha
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O termo "sustentabilidade" passou a ter uma conotação mais ampla,difundindo- se rapidamente, e agora incorporado ao vocabuláriopoliticamente correto das empresas, dos meios de comunicação demassa, das organizações da sociedade civil.
No entanto, a solução das causas da insustentabilidade pareceavançar em ritmo muito mais lento.
Sustentabilidade
Desde a colheita até a comunidade, 20% de todoalimento produz ido no país é desperdiçado(IBGE).
Desperdício de 50% da água tratada em todo país. Damesma forma, desperdiçamos 9,5% de toda a produçãoanual de energia.
A Associação Brasileira de Manutenção indica que os custos com manutenção noPaís atingem a marca de 4,2% do PIB, além de 4% do faturamento bruto dasempresas ser gasto em ações de manutenção.
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Efetivamente existe um cenário complicado, cheio de desafios, noqual a engenharia de automação pode dar o suporte necessário embusca do ponto "ótimo" de equilíbrio para requisitos ecológicos,sociais e econômicos.
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O apoio tecnológico de organizações mundiais na padronização de recursos de equipamentosfazem com que soluções inteiras de automação saiam de fábrica com o selo verde desustentabilidade, não só por consumirem menos, mas também por terem sido concebidos emum perfil de aplicação padronizado, que permite por exemplo, que a própria planta possadesligar-se em áreas ociosas.
Outros aspectos para melhoria de processos, como os sistemas de gerenciamento de ativos, ossistemas de controle de execução (MES) e de Inteligência de Negócios (Business Intelligence,BI), cujos objetivos são claramente traçados: aumentar a capacidade produtiva seminvestimentos em expansões e/ou plantas novas, trazendo a disponibilidade operacional ao seuponto máximo, evitando paradas não programadas, desperdícios com a variabilidade noproduto final e falhas no controlede produção (devidas à falta deinformações em tempo real paraos tomadores de decisão).
Com as redes industrias e equipa-mentos inteligentes, a base da au-tomação industrial passou a contarcom dados que até então não eramacessados.
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Comparação entre sistemas fieldbus e sistemas analógicosconvencionais mostra como se pode manter a lucratividade alta sem sepreocupar com as paradas não-programadas.
A estabilidade operacional da planta proporciona uma vida útil maislonga e lucrativa para os equipamentos, instrumentação e sistemas decontrole.
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A variação de foco em cada nível promove a execução de tarefas eanálises de informação com muito mais precisão e rapidez.
Os mesmos dados extraídos do campo passam por tratamentosdiferentes em cada nível de forma a mostrar somente o que éextremamente útil para aquela posição.
Operador estaria preocupado com a vazão de determinado produto Gerente de planta preocupado com o desempenho de determinado setor Gerente de produto acompanha a disponibilidade e qualidade dedeterminado produto final Diretoria avalia os índices produtivos de cada unidade.
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A Sustentabilidade vai muito além de Publicidade ePropaganda. É um conceito simples de se entender,mas que traz consigo todo um conteúdo históricode brigas de interesses, e a busca de entendimentoentre as partes envolvidas.
A velocidade de adoção de soluções sustentáveis estábem aquém do que é desejado:
É preciso vontade política para forçar mudanças. Vontade empresarial para criar melhorias significativas em seus meiosde produção. Cobranças enérgicas de toda a sociedade. E ainda, adotar umaconsciência sustentável, evitando o consumo desenfreado.
Através de novas pesquisas e da adoção de métodos e ferramentasde produção mais inteligentes, esse quadro pode melhorar.
Fim de Aula.