BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO BRUNO FERNANDO TAVARES DA SILVA VINÍCIUS SARDINHA LOPES

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1 BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO BRUNO FERNANDO TAVARES DA SILVA VINÍCIUS SARDINHA LOPES PROJETO DE AUTOMAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE E SUPERVISÃO DO NÍVEL DE ÁGUA DA CAIXA D'ÁGUA DO INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE CAMPUS-CENTRO Campos dos Goytacazes/RJ 2015

2 BRUNO FERNANDO TAVARES DA SILVA VINÍCIUS SARDINHA LOPES PROJETO DE AUTOMAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE E SUPERVISÃO DO NÍVEL DE ÁGUA DA CAIXA D'ÁGUA DO INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE CAMPUS-CENTRO Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para obtenção de título de Engenharia de Controle e Automação. Orientador (a): Profº. Milena Bissonho Soares Campos dos Goytacazes/RJ 2015

3 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca. Setor de Processos Técnicos (IFF) S586p Silva, Bruno Fernando Tavares da. Projeto de automação do sistema de controle e supervisão do nível de água da caixa d'água do Instituto Federal Fluminense campus-centro / Bruno Fernando Tavares da Silva, Vinícius Sardinha Lopes f.: il. color. Orientadora: Milena Bissonho Soares. Monografia (Engenharia de Controle e Automação). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense. Campus Campos Centro. Campos dos Goytacazes (RJ), Referências: p Água, abastecimento de. 2. Automação. 3. Controladores programáveis. I. Lopes, Vinícius Sardinha. II. Soares, Milena Bissonho, orient. III. Título. CDD 628.1

4 BRUNO FERNANDO TAVARES DA SILVA VINÍCIUS SARDINHA LOPES PROJETO DE AUTOMAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE E SUPERVISÃO DO NÍVEL DE ÁGUA DA CAIXA D'ÁGUA DO INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE CAMPUS-CENTRO Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para obtenção de título de Engenharia de Controle e Automação. Aprovada em de de 2015 Banca Avaliadora:... Profº Milena Bissonho Soares Especialista em Engenharia de Produção / UCAM Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Campos... Profº Nathálie Terra de Azevedo Bacharel em Engenharia de Controle e Automação / IFF Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Macaé... Profº Robson William Ribeiro Martins Especialista em Sistemas Offshore / COPPE-UFRJ Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Campos

5 I RESUMO O presente trabalho trata do desenvolvimento de uma proposta para a automatização do sistema de abastecimento de água do Campus Centro do Instituto Federal Fluminense, da aplicação de técnicas de controle e supervisão, aprimorando o controle já existente, buscando assim viabilizar um sistema eficiente, seguro e de qualidade. O número de sistemas de abastecimento de água automatizados e informatizados cresce cada vez mais e os benefícios com a diminuição de perdas de energia e da ação do homem confirmam as vantagens de utilização desta técnica. O sistema de abastecimento do Campus Centro do IFF é operado de forma manual e automática local com eletrodos mergulhados na água que funcionam como chaves de nível. Portanto foi elaborada uma proposta que sugere um sistema de abastecimento de água automatizada, com a implantação de CLP e de um sistema de supervisão, que opere de forma confiável e desassistida, ou seja, sem a ação do homem. Palavras - Chave: Automatização, sistema de abastecimento d'água, CLP, sistema de supervisão.

6 II ABSTRACT The present work demonstrates the development of a proposal for the system automation of the water supply at Federal Fluminense Institute, as well as the application of techniques for control and supervision, improving the preexisting control and aiming the viabilisation of an efficient, secure and quality system. The number of automated and computerized systems for water supply grows increasingly, and the benefits with the decrease of energy loss and human action confirm the advantages of using this technique. The supply system at the IFF s center campus is operated in a local, manually and automatically way with electrodes immersed in water that act as level switches. Therefore, a proposition was elaborated suggesting an automated water supply system, with the implementation of PLC and a monitoring system which operates in a reliable and unattended manner, ie, without human intervention. Key - Words: Automation, water supply system, PLC, monitoring system

7 III LISTA DE FIGURAS Figura 1- Níveis da pirâmide de automação Figura 2- Arquitetura Básica de um CLP Figura 3- Controlador Lógico programável ILC 150 ETH. Fonte: Phoenix Contact Figura 4-Cartões de entradas e saídas analógicas Figura 5- Workspace do Pcworx Express Figura 6- Componentes Físicos de Um Sistema SCADA Figura 7- Janela Principal do WebVisit Figura 8-Botão da barra de Ferramentas responsável pela compilação Figura 9-Botões da barra de ferramentas responsáveis por Gerar HTML e fazer o download do projeto no WebVisit Figura 10- Redes de Comunicação Industrial Figura 11- Topologia típica de uma rede Interbus Figura 12- Aplicação da Rede Ethernet no Ambiente Industrial. Fonte: AUTORES, Figura 13- Exemplo de Bornes no Geral Figura 14- Demonstração de conexão do condutor no borne tipo parafuso. Fonte: WEG Figura 15- Exemplo de conexões do Tipo Parafuso Figura 16- Demonstração de conexão do condutor no borne tipo mola Figura 17- Exemplo de conexões do Tipo Mola - Cage Clamp Figura 18- Exemplo de conexões do Tipo Mola - Push-In Figura 19- Esquema básico do Sistema de Abastecimento da Caixa D água Figura 20- Bombas Centrifugas B1, B3 e B Figura 21- Casa de Bombas e Caixa D'água do IFF Figura 22-Interno da Casa de Bombas Figura 23- Interior do quadro elétrico P1 e P Figura 24- Parte externa do painel elétrico Figura 25- Relé de nível alto localizado na caixa d'água Figura 26- Diagrama de aplicação de conexão do relé de nível alto Figura 27- Diagrama de aplicação de conexão do relé de nível baixo Figura 28- Relé de nível baixo localizado na cisterna Figura 29- Sistema DPS localizado no P Figura 30- Relé de falta de fase Figura 31- Diagrama de aplicação de conexão do relé de falta de fase

8 IV Figura 32- Esquema básico do Sistema de Abastecimento da Caixa D água após as modificações Figura 33- Arquitetura comunicação do Sistema Figura 34-Diagrama Elétrico da Ligação com a Fonte Figura 35-Diagrama elétrico das ligações das entradas e saídas Figura 36- Programa Alarmes Figura 37- Programa Intertravamento Figura 38- Programação de comando e status das bombas Figura 39- Programação interna do bloco de comando e status das bombas Figura 41-Continuação da programação principal do programa Figura 40-Programação principal do programa Figura 42- Aviso gerado pelo webvisit Figura 43- Menu de navegação entre telas Figura 44- Tela de Login Figura 45-Display Numérico Figura 46- Botões para acionamento das bombas Figura 47-Fluxograma de navegação das telas Figura 48-Tela de Processo Figura 49- Tela de Alarme Figura 50- Tela de Intertavamento

9 V LISTA DE TABELAS Tabela 1- Tabelas de Linguagens de Programação... 6 Tabela 2- Características das Bombas B1 e B Tabela 3- Característica da Bomba B Tabela 4- Características do Relé de Nível Jng Tabela 5- Característica do relé de Nível Digmec Tabela 6- Tabela de Classes do DPS Tabela 7- Característica do relé de falta de fase Tabela 8-Lista de Instrumentos Tabela 9- Lista de I/O`s das entradas digitais Tabela 10- Lista de I/O`s das saídas digitais Tabela 11- Lista de I/O`s das entradas analógicas Tabela 12-. Diagrama de causa e efeito... 48

10 VI LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS AC - Alternating Current (Corrente Alternada) ANATEL - Agência Nacional de Telecomunicações CLP Controlador Lógico Programável CPU Central Processing Unit CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access/ Colision Detection DC - Direct Current (Corrente Direta ou Contínua) DPS - Dispositivo de Proteção Contra Surto EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory ETH Ethernet FBD - Function Block Diagram (Diagrama de Blocos Funcionais) HTML Hypertext Markup Language HTTP - Hypertext Transfer Protocol I/O Input / Output (Entradas / Saídas) IEC - International Electrotechnical Commission IFF - Instituto Federal Fluminense IHM - Interface Homem Máquina IL - Instruction List (Lista de Instruções) ILC - Inline Controller LAN Local Area Network LD - Diagrama Ladder (Diagrama Ladder) NEMA National Electrical Manufactures PDO Process Point PDP Process Data Point SCADA Supervisory Control and Data Aquisition SFC Sequential Function Chart (Sequenciamento Gráfico de Funções) ST Structured Text (Texto Estruturado) TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol UCP - Unidade Central de Processamento VDC - Voltage Direct Current

11 VII SUMÁRIO RESUMO... I ABSTRACT... II LISTA DE FIGURAS... III LISTA DE TABELAS... V LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS... VI INTRODUÇÃO... 1 OBJETIVOS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA AUTOMAÇÃO CLP Arquitetura de um CLP Linguagem de programação ILC 150 ETH PCWorx Express SUPERVISÓRIO Definição Webvisit Estabelecendo comunicação com software de supervisão REDES Rede Interbus Ethernet Internet FUNÇÕES DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO EQUIPAMENTOS Bombas Chaves de nível Transmissor de nível PAINEL DE INSTRUMENTAÇÃO Bornes Relés... 26

12 VIII Fonte AUTOMAÇÃO DA CAIXA DE ÁGUA DESCRIÇÃO Modo de Operação do Sistema atual PROJETO DE AUTOMAÇÃO DESCRIÇÃO DO PROBLEMA ESTUDO DE CASO Proposta de melhoramento ARQUITETURA DE COMUNICAÇÃO DO SISTEMA SOFTWARES E HARDWARES UTILIZADOS DOCUMENTOS Listas de Instrumentos Lista de I/O s Diagrama de Causa e efeito Diagrama Elétrico LÓGICA GERADA PARA AUTOMAÇÃO E CONTROLE Alarmes Intertravamentos Bombas Main SISTEMA DE SUPERVISÃO Operação do sistema de supervisão e descrição das telas Fluxograma de navegação Telas de operação CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS REFERENCIAS... 62

13 1 INTRODUÇÃO A utilização responsável dos recursos naturais é fundamental, bens como a água e a energia são essenciais em nossas vidas e devem sempre ser usados de forma racional e consciente. Um sistema automatizado pode garantir o controle e a manutenção, através da tecnologia da informação, e ao mesmo tempo fazer uma melhor utilização e preservação dos recursos naturais. A automação vem se tornando uma tecnologia muito importante na otimização de processos industriais e não industriais. A automatização de sistemas também se torna um fator econômico importante, um sistema bem regulado e supervisionado tem uma qualidade maior, evitando desperdícios de água e energia. A demanda por uma maior eficiência de sistemas automatizados busca uma melhor interação entre hardware e software, além da constante atualização de tecnologias. O presente trabalho tem por objetivo aprimorar o sistema já existente, através de equipamentos e de um sistema de monitoramento remoto, automatizando o sistema para minimizar a necessidade de intervenção humana nesse sistema e utilizar com maior aproveitamento os recursos naturais evitando assim desperdício, através de uma proposta de implementação de um sistema automatizado para o sistema de abastecimento de água do Campus Centro do Instituto Federal Fluminense. Esse sistema poderá ser aplicado em diversos processos na indústria pois sua tecnologia o tornam versátil, sua praticidade está de acordo com a demanda do mercado. Essa tecnologia pode ser aplicada em processos que exigem uma demanda muito grande de monitoramento, tendo resultados significativos, garantindo assim sua importância na indústrias. OBJETIVOS Gerais:

14 2 Aprimorar o controle já existente na caixa d água do Instituto Federal Fluminense através da implementação de um sistema automatizado de controle e acesso remoto através da rede internet. Específicos: Instalar e programar o CLP; Empregar as ferramentas para criar a lógica da aplicação; Supervisionar e atuar no sistema de maneira remota; 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1.1 AUTOMAÇÃO A palavra Automação (do latim, automatus), significa mover-se por si. Como o nome já diz a automação está ligada diretamente a controle automático, ou seja, ações que não dependem da intervenção humana. A automação pode ser definida também como um conjunto de técnicas e soluções que podem ser aplicadas sobre um processo industrial ou não, com o objetivo de torná-lo mais eficiente através da maximização da produção com o menor consumo de energia, menor emissão de resíduos, com menor um menor índice da ação humana, melhores condições de segurança, tanto humana e material quanto das informações inerentes ao processo e com um menor custo possível. Então podemos pensar que a ação humana no processo é reduzida, gerando assim uma maior segurança aos trabalhadores, aos materiais e as informações envolvidas no processo. Segundo Silveira (2009), automação industrial é a aplicação de softwares ou equipamentos específicos para operacionalizar uma máquina ou uma célula de produção, com o objetivo de aumentar a eficiência e eficácia da organização. Este termo é aplicado dentro de indústrias, pois introduz nas mesmas máquinas de grande porte ou até mesmo pequeno, automatizadas, para manufaturar os devidos processos. A automação industrial pode ser vista como uma pirâmide, na Figura 1 ilustra as divisões da automação em seus diferentes níveis.

15 3 Figura 1- Níveis da pirâmide de automação. Fonte: CASSIOLATO, Nível 1 Nível de Campo - Rede de dispositivos de campo mais complexos (sensores, atuadores, etc.) Nível 2 Nível de Controle - Rede de equipamentos de controle automáticos como CLPs ou computadores Nível 3, 4 e 5 Nível de Gerenciamento ou Informação - Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLPs e etc. Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo CLP O CLP surgiu na indústria automobilística na década de 1960 para substituir os antigos painéis de controle a relés que realizavam a lógica sequencial do controle das máquinas. Naquela época ele era usado como um dispositivo desenvolvido para substituir os relês, que realizavam a lógica sequencial no controle das maquinas.

16 4 Há diversas definições e conceituações atualmente para CLPs. Segundo a Nema (National Electrical Manufacturers), o CLP pode ser definido como: [...] aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. (2005, p.6) Outra definição, de acordo com FILHO, os CLPs são: [...] dispositivos que permitem o comando de máquinas e equipamentos de maneira simples e flexível, de forma a possibilitar alterações rápidas no modo de operá-los, por meio da aplicação de programas dedicados armazenados em sua memória EPROM. (2010, p. 529) Arquitetura de um CLP A seguir são mostrados os principais elementos e detalhes de funcionamento de um CLP seguidos pela Figura 2, que ilustra a arquitetura básica de um CLP: Unidade Central de Processamento (UCP): executa os programas e algumas tarefas internas; Memória de Programa: armazena os programas ligados ao controle objetivado, geralmente são mantidas por baterias e são não-voláteis; Memória de Dados: armazenam as condições de entrada e saída, variáveis e constantes instantâneas relativas ao programa; Entradas e Saídas (I/O): são módulos que agrupam os sinais de I/O, podendo ser analógicos ou digitais; Fontes de Alimentação: as fontes devem alimentar tanto a CPU quanto os blocos de I/O;

17 5 Terminal de Programação: equipamento externo utilizado na programação e gravação na Memória de Programa. Figura 2- Arquitetura Básica de um CLP. Fonte: SILVA, De acordo com Franchi e Camargo (2009) o fato de ser de pequena dimensão, fácil montagem e manuseio e suas possibilidades de programação fazem com que o CLP seja ideal para aplicações nos seguintes ramos industriais: Indústria de Plástico; Indústria Petroquímica; Máquinas de embalagens; Instalações de ar condicionado e calefação; Indústria de açúcar e álcool; Papel e celulose; Indústrias alimentícias; Mineração.

18 Linguagem de programação Com o passar dos anos, os CLPs se evoluíram e assim surgiram diversas linguagens de programação, possibilitando a confecção de programas cada vez mais complexos e melhor estruturados. Foi criada uma norma internacional IEC ou IEC , devido ao vários fabricantes de CLPs, para padronização de linguagens de controladores programáveis, com o objetivo de principal de tornar-se padrão entre CLPs e de especificar uma linguagem portável, extensível, que eliminasse as barreiras de software proprietários e seus custos de treinamento. A norma define cinco linguagens, como textuais ou gráficas como mostra a Tabela 1. Tabela 1- Tabelas de Linguagens de Programação Textuais Gráficas Lista de Instruções (IL) Texto Estruturado (ST) Diagrama Ladder (LD) Diagrama de Blocos Funcionais (BFD) Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC) Textuais Lista de Instruções, IL (Instruction List) - É uma linguagem textual, próxima do código de máquina, é ideal para resolver problemas simples onde existem poucas quebras no fluxo de execução. Na verdade é apenas uma linguagem adicional, menos amigável e flexível e que deve ser usada para produzir código otimizado para trechos de performance crítica em um programa. É uma linguagem de baixo nível, bem semelhante ao Assembler. Texto Estruturado, ST (Structured Text) - Também é uma linguagem textual, porém de alto nível, que permite a programação estruturada. A vantagem do texto estruturado está na utilização de sub-rotinas para executar diferentes partes de uma função de controle.

19 7 Gráficas: Diagrama Ladder, LD (Ladder Diagram) - É uma linguagem gráfica, muito amigável, foi baseada na lógica de contatos o que a torna de fácil compreensão no meio elétrico. É a linguagem foco deste trabalho, assim no próximo a linguagem ladder será detalhada. Diagrama de Blocos Funcionais, FBD (Function Block Diagram) - É uma linguagem gráfica, e por isso é muito mais amigável que as textuais é baseada nos circuitos lógicos, portanto muito semelhante as portas lógicas estudadas em eletrônica digital. Também pode ser usado para modelar sistema em termos do fluxo de sinais entre elementos de processamento. Sequenciamento Gráfico de Funções, SFC (Sequential Function Chart) - É uma linguagem gráfica que permite a descrição de ações sequenciais, paralelas e alternativas existentes numa aplicação de controle. pode-se dividir um programa em passos, ações e transições bem definidas, formando um algoritmo sequencial de controle. Este tipo de linguagem define os blocos de controle e a forma que estão interconectados, qualquer outra das 4 linguagens pode ser utilizada para codificar as ações associadas a cada passo e as condições de cada transição ILC 150 ETH A Phoenix Contact é uma empresa antiga e atua no mercado a mais de 80 anos, oferecendo e produzindo produtos de alta performance. Ela desenvolve e fabrica produtos eletroeletrônicos para a indústria em geral que podem proteger, conectar e automatizar sistemas e equipamentos. Entre vários produtos oferecidos pela Phoenix está o Controlador Lógico programável ILC 150 ETH que pertence a família dos controladores Inline, com interface Ethernet integrada para ligação a outros controladores ou sistemas, de acordo com IEC Este controlador

20 8 é compacto e modular, sendo altamente adaptável, contudo permite a parametrização e programação com software de automação PC WorX Express de acordo com a IEC A figura 3 apresenta o CLP que foi utilizado. Figura 3- Controlador Lógico programável ILC 150 ETH. Fonte: Phoenix Contact. O ILC 150 ETH tem sua configuração básica com 8 pontos de entrada digital de 24 VDC e 4 de saída tipo transistor. Por ser modular as entradas e saídas digitais e analógicas do controlador podem ser facilmente acrescidas ou reduzidas através da inserção de novos cartões, a Figura 4 exemplifica esses cartões, caso for preciso expandir ou reduzir para atender a um determinado sistema. Figura 4-Cartões de entradas e saídas analógicas. Fonte: Phoenix Contact.

21 PCWorx Express O software de automação PC WorX Express foi desenvolvido para a programação de todos os controladores da Phoenix Contact. Ele combina a programação nas 3 das 5 linguagens de acordo coma norma IEC , a configuração do bus (Redes de Campo) e o diagnóstico da instalação, isso em um único software, por isso que há uma perfeita interação entre hardware e software. O software PC WorX Express suporta todos os protocolos de rede da família bus comuns e inclui muitas funções úteis para a configuração. A Figura 5 apresenta o workspace do programa. Figura 5- Workspace do Pcworx Express. Fonte: PC WorX Express. Uma das formas mais aplicadas e usual de fazer a comunicação entre o controlador e o software de programação é via Ethernet usando o protocolo de TCP/IP. TCP significa Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP Internet Protocol (Protocolo de Internet).

22 10 A Ethernet é uma tecnologia de interconexão para LANs (Local Área Network), que se baseia no envio de pacotes. Para estabelecer a conexão, o controlador deve estar configurado com um IP especificado e o computador com o software de programação com outro endereço de IP, esses endereços não podem ser iguais, pois causaria conflito na rede. 1.2 SUPERVISÓRIO Definição Sistemas supervisórios são softwares utilizados basicamente para a supervisão ou acompanhamento de processos, através da leitura de informações dos instrumentos. Um sistema supervisório é uma interface amigável, que utiliza a representação de objetos estáticos e animados, na qual ilustra todo o processo de uma planta em uma IHM (Interface Homem Máquina). Ele é responsável pelo monitoramento de variáveis de controle de um sistema, em tempo real, e tem como principal objetivo fornecer informações suficientes que permitirá que o operador controle ou monitore uma determinada planta automatizada. Tais informações são primeiro coletadas através de equipamentos de aquisição de dados, que são realizados pelos CLPs, seguido da manipulação e análise dessas informações e posteriormente são apresentadas ao operador através do software de supervisão. O sistema de supervisão possibilita a execução de ações baseadas em informações previamente informados, fazendo que o operador participe do processo de controle apenas quando exijam a intervenção humana. Para permitir isso, são usadas tags, que é a identificação das variáveis numéricas e alfanuméricas envolvidas no processo real. As tags representam pontos de entrada e saída de dados do CLP que está monitorando processo controlado ou funções computacionais (operações lógicas, com vetores ou strings e etc.). Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (SILVA; SALVADOR, 2005, p.1).

23 11 Existem vários tipos de sistemas sendo utilizados para gerenciar, controlar e monitorar qualquer tipo de planta industrial ou não, sendo os mais difundidos os Sistemas de Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) do inglês Supervisory Controle & Data Aquisition System, que é caracterizado como um processo de coleta, manipulação, análise e armazenamento de informações. As informações são provenientes do controle do CLP, podendo os softwares supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes auxiliam no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para gerenciamento e diretrizes. Desta forma, a escolha do software de supervisão é muito importante na estratégia de automação de uma empresa. Segundo Boyer (1993), um sistema SCADA permite a um operador, em uma localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como, óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos, fazer set-point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou chaves, monitorar alarmes, e armazenar informações de processo. A Figura 6 mostra todos os componentes básicos de um sistema SCADA, desde a estação de monitoração central, onde está o software de supervisão, passando pela rede de comunicação, CLP, sensores e atuadores até as máquinas e equipamentos (processo).

24 12 REDE DE COMUNICAÇÃO SENSORES E ATUADORES CLP ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO Figura 6- Componentes Físicos de Um Sistema SCADA. Fonte: Acesso Webvisit Segundo a Phoenix Contact o WebVisit é um software ferramenta para criação de páginas de internet animadas para os sistemas de controle, para controladores da Phoenix Contact na qual opera atraves da programação construída no software PC WorX, também da Phoenix Contact. O Supervisório WebVisit é um software de monitoração remota via web, usado para criação de interfaces de objetos animados. Este gera as páginas que ficam armazenadas na memória do controlador e através de um browser o componente Runtime, que é um servidor WEB, pode ser acessado. O sistema de supervisão remoto via web possui grandes vantagens comparado aos sistemas convencionais, dentre elas: uma grande economia de espaço e também de energia pois estas estações não são necessárias, qualquer computador conectado à internet pode ser considerado uma estação.

25 13 Os servidores web são responsáveis por armazenar e trocar informações com outros computadores. Para que haja troca de informação será necessário o envolvimento de dois componente, o cliente que solicita as informações, que neste caso é um browser ou navegador, os mais usuais são o Internet Explorer, Mozila Firefox, Google Chrome e o servidor, que atende a esses pedidos. O servidor tem várias opções de softwares disponíveis, mas todos têm uma tarefa semelhante: negociar transferências de dados entre clientes e servidores via HTTP (Protocolo de Transferência de Hipertexto), o protocolo de comunicações da WEB. A janela principal do WebVisit é apresentada na figura 7, e ela é dividida em duas seções: arquivos do projeto e visualização gráfica. Nesta interface de desenvolvimento ficam os arquivos do projeto que são mostrados na seção esquerda e na seção direita estes arquivos podem ser visualizados ou editados. Figura 7- Janela Principal do WebVisit. Fonte: Software WebVisit Estabelecendo comunicação com software de supervisão Para a criação de um novo projeto é necessário a importação das variáveis criadas na programação do CLP, ou seja, importar o arquivo no formato.mwt (formato de arquivo dos projetos do PC WorX Express). Após este passo, as variáveis ficam disponíveis para serem usadas nos objetos gráficos da tela de supervisão que está sendo criada. Os valores das variáveis

26 14 criadas no software PC WorX Express são visualizados através de qualquer navegador de Internet que tenha o aplicativo Java atualizando instalado. Na programação do CLP, as variáveis usadas na tela de supervisão devem ser marcadas como PDP (Process Data Point) no software PC WorX Express, esse passo tornará as variáveis visíveis e/ou habilitada para programação no software WebVisit, elas ficarão disponíveis para serem usadas nos objetos gráficos da tela de supervisão que está sendo criada. Essas variáveis habilitadas são chamadas de PDO no Webvisit. Além das variáveis do tipo PDO, no WebVisit também podem ser usadas as variáveis do tipo Container, conhecidas como variáveis locais ou auxiliares, que são específicas para o uso dentro do WebVisit. Este tipo de variável troca dados entre ícones gráficos de uma ou mais visualizações gráficas. Terminada a criação, o projeto deve passar por um processo de compilação Build All, responsável por salvar todas as modificações feitas nos arquivos.teq (formato de arquivo dos projetos do WebVisit) e também atualizar todas as variáveis, PPO ou Container ou auxiliares. A Figura 8 ilustra Botão da barra de ferramentas no Webvisit. Figura 8-Botão da barra de Ferramentas responsável pela compilação. Fonte: Software WebVisit Ao término da criação do projeto a próxima etapa é a geração das páginas HTML e o download para o controlador. Isto é feito de forma bem simples através de dois botões da barra de ferramentas expostos na Figura 4. Ao clicar no botão para geração de HTML o nome do arquivo HTML deve ser escolhido. Após salvar o arquivo, o projeto é enviado para a memória do controlador através do botão Download Project. Ao clicar neste botão, aparece a janela de download onde é feita a conexão com o controlador através do seu endereço de IP.

27 15 Figura 9-Botões da barra de ferramentas responsáveis por Gerar HTML e fazer o download do projeto no WebVisit. Fonte: Software WebVisit 1.3 REDES Rede de computadores está relacionado a uma coleção de computadores autônomos e interconectados. Dois dispositivos são considerados interconectados, quando são capazes de trocar informações, o que pode ocorrer através de um meio físico de comunicação. Este é composto, por exemplo, de fios de cobre, micro-ondas, fibras óticas ou satélites espaciais. Tanenbaum (1997) As redes industriais surgiram com a necessidade de integrar equipamentos e dispositivos, interconectar sistemas e de uma comunicação desenvolvida especialmente para as necessidades da indústria. Suas aplicações vão desde o controle de processos até à automação industrial. Com o objetivo de aprimorar o rendimento do controle de processo, aumentar a eficiência, qualidade e segurança do processo, facilitar a instalação dos instrumentos (utilizando menor quantidade de fios), fornecer diagnóstico mais detalhado, configurar os dispositivos com maior rapidez, facilitar a manutenção e reduzir custos. Os protocolos de redes industriais são divididos de acordo com o tipo de controle e tamanho de dados Os protocolos de redes industriais são divididos de acordo com o tipo de controle e tamanho de dados, essa divisão é apresentada na Figura 10.

28 16 Figura 10- Redes de Comunicação Industrial. Fonte: GUEDES, Rede Interbus A Rede Interbus foi desenvolvido pela Phoenix Contact em 1987 para utilizar ao nível do sensor/atuador, sendo continuamente aprimorado com novos recursos, sem perder os princípios aos quais foi idealizado: facilidade de engenharia e manutenção (VAZ, 2008). Esta se caracteriza como uma rede serial de campo para transmissão de dados entre sistemas de controle e unidades de I/O espacialmente distribuídas. A comunicação serial de dados é realizada através de um cabo único, que interliga o mestre aos demais módulos pendurados no sistema (escravos). O sistema é estruturado como anel de dados e ao contrário de outros sistemas em anel possui um único cabo para a comunicação o que possibilita utilizar todas as vantagens de um sistema em anel e caracterizando a aparência do sistema como de uma estrutura em arvore como pode ser visto na Figura 11. Uma linha principal sai do mestre e pode ser utilizada para diversas sub redes e assim bastante flexível para ser rapidamente adaptado a aplicações em mudança.

29 17 Todos os equipamentos são integrados num caminho de transmissão de dados fechado. Cada equipamento amplifica o sinal que entra e envia-o de novo, permitindo melhores velocidades de transmissão em distâncias maiores e a possibilidade de enviar e receber dados simultaneamente (full-dulplex). Figura 11- Topologia típica de uma rede Interbus. Fonte: BORGES, Segundo Schneider Electric o sistema Interbus é constituído por diversos subsistemas e componentes que serão descritos, juntamente com as suas funções. Módulo controlador É responsável pelo controle de todo o tráfico de dados existente. Através deste módulo, os dados de saída são transferidos para os módulos correspondentes. Recebe os dados de entrada e monitora a transferência dos dados. Mensagens de diagnóstico e de erros são transmitidas ao sistema principal (CLP p. ex) Bus Remoto O bus remoto liga o módulo controlador aos outros equipamentos. O bus remoto pode ser instalado, utilizando um cabo que para além da linha de dados tenha também uma linha de alimentação para os módulos de E/S, sensores, etc. Terminal de bus/ Derivação Todo módulos ou equipamentos com funcionalidade terminal integrada que estão ligados ao bus remoto permitem criar derivações. Amplifica o sinal (função de repetidor) e isola eletricamente os segmentos de bus.

30 18 Bus local Um bus local é uma derivação do bus remoto, feito através de um módulo de interface de bus. O protocolo Interbus possui algumas vantagens: Instalação e colocação em funcionamento fácil através de configuração automática de todos os participantes existentes no circuito; Aumento da disponibilidade da instalação, graças a um diagnóstico de erros localizado e compreensivo; Transmissão de dados confiável graças à estrutura física; Economia de espaço; Elevada imunidade a interferências EMC, pois a transmissão de dados é estável; Elevada eficiência de protocolo as informações são transmitidas com poucas sobreposições de protocolo; Ethernet O protocolo Ethernet foi desenvolvido pela Xerox na década de 70 do século passado. No princípio não foi considerado apropriado para indústria, como protocolos industriais como MODBUS e PROFIBUS que são determinísticos, pois no Ethernet ocorrem colisões de dados nas redes fazendo com que o tempo de resposta não determinístico. O que para uma ótica de automação era inviável, pois a falta de definição no tempo de resposta de uma informação pode comprometer o desempenho do sistema que está sendo controlado (BOARETTO, 2005). Este protocolo é um dos que fazem parte da arquitetura TCP/IP e foi criado por Robert M. Metcalfe, na década de 70 ele utiliza a técnica CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect), para controlar e acessar o meio de transmissão. Anteriormente as colisões de dados eram detectadas em seguida havia uma contagem de tempo aleatória para

31 19 uma nova transmissão. Os switchs foram utilizados para manter o controle da colisão de dados, garantindo assim que um dado transmitido chegaria ao seu destino e com aplicação do sistema full-duplex a rede ethernet foi considerada aplicável industrialmente. No entanto, Ethernet é provavelmente a tecnologia de rede mais difundida, que permite uma grande escala de produção e disponibilidade, e, por consequência, baixo custo, tornando-se uma alternativa bastante atrativa para interconexão de dispositivos de automação, além de ser um dos mais populares e difundidos protocolos nas redes corporativas instaladas, é a maior tecnologia de redes locais em uso na atualidade e é utilizada por aproximadamente 85% dos PCs e estações de trabalho conectado à rede no mundo. Figura 12- Aplicação da Rede Ethernet no Ambiente Industrial. Fonte: AUTORES, Originalmente a rede Ethernet foi desenvolvida para operar em uma tecnologia em barramento Figura 12 na qual todos os dispositivos recebem todos os pacotes transmitidos. No entanto o padrão ethernet utiliza uma arquitetura de difusão ( cada nó recebe todos os dados transmitidos pelos outros ao mesmo tempo ) que em redes com intenso trafego e muitos servidores a rede não alcança seu valores nominais. (Daisy Chain). Pode ser operada em Topologia em estrela, Topologia linear (bus) e Topologia em cadeia

32 Internet A Internet é vista como um meio de telecomunicação que interliga dezenas de milhões de computadores no mundo inteiro e permite o acesso a uma quantidade de informações praticamente inesgotáveis, anulando toda distância de tempo e lugar. Neste sentido a internet reforça a ideia de que o ambiente virtual possui uma vasta capacidade de armazenar e transmitir dados informativos, sendo excelente ferramenta de comunicação e de gerenciamento de informações. A agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL 2015), conceitua a Internet como sendo o nome genérico que designa o conjunto de redes, os meios de transmissão e comutação, roteadores, equipamentos e protocolos necessários à comunicação entre computadores, bem como o software e os dados contidos nesses computadores. A Internet pode ser então entendida como um grupo de milhares de redes eletrônicas interconectadas, criando assim um meio de comunicação global. Essas redes possuem características diversas que diferem das instituições mantenedoras e a tecnologia utilizada. O que as une é a linguagem que usam para comunicar, que é o protocolo TCP/IP e o conjunto de ferramentas utilizadas para obter informações. As informações podem ser encontradas em diferentes formatos e sistemas operacionais, rodando em todo tipo de máquina. 1.4 FUNÇÕES DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO são: De acordo com FILHO (2010, p. 538), as principais funções de um sistema de automação Monitoração - Possibilita ao operador do sistema a verificação dos componentes esquemáticos através de uma representação gráfica visualizadas em um monitor. Alarme - Possibilita o operador tomar conhecimento das disfunções e anomalias que são gerados no funcionamento do sistema. Nesta função deve existir uma lista de alarmes e eventos com indicação do nível de urgência a ser tomada, para

33 21 as devidas providências, e essa indicação deverá ser representada por cores diferentes. Intertravamento - Possibilita o bloqueio ou liberações de ações de comando condicionando-as a manobra de chaves seccionadoras ou disjuntores a fim de garantir a segurança na operação dos equipamentos. Armazenamento de informações históricas - indica ao operador as informações do estado dos equipamentos que são armazenadas para permitir uma análise pósoperacional; Gráficos de tendência - Possibilita ao operador observar a evolução dos valores das variáveis do processo; Medição - as medições são registradas nas unidades de medida dos alimentadores transmitidas ao Centro de Supervisão; Supervisão - todas as posições das chaves e disjuntores são representadas por duas indicações binárias diferentes: ligada e desligada; IHM (Interface Homem-Máquina) - é a interação entre o operador e o sistema. A IHM apresenta informações reais do sistema e permite que operador interaja com esses ambientes, modificando-as ou não. 1.5 EQUIPAMENTOS Bombas São Máquinas Hidráulicas que recebem energia potencial (de um motor ou turbina) e transformam em energia cinética e/ou energia de pressão e repassam essas energias ao fluido afim de recirculá-lo ou transportá-lo de um determinado ponto para outro. São também

34 22 conhecidas como máquinas operatrizes hidráulicas, já que realizam um trabalho específico ao deslocarem um líquido. De acordo com o Hydraulic Institute bombas podem ser subdivididas em dois grandes grupos: Bombas volumétricas e Turbobombas ou Bombas Hidrodinâmicas. Bombas Volumétricas Segundo TSUTIYA 2006 e CARVALHO 1992, nas bombas volumétricas o liquido confinado em uma ou mais camadas sofre variações de volume interno, o que acarreta ou provoca variações de pressão que são responsáveis pela aspiração e requalque do fluido. Turbo Bombas ou Bombas Hidrodinâmicas São as bombas que se caracterizam pela existência de um rotor que está constantemente em contato com o fluido, de maneira tal que, quando acionado por uma fonte externa de energia, fornece energia cinética ao fluido.(carvalho, 1992) Chaves de nível São dispositivos que atuam em determinados pontos fixos de controle de nível como em tanques, vasos, reservatórios, caixas, colunas, reatores, silos, entre outros. Estes pontos, são valores de níveis em processos industriais que, quando são atingidos, precisam voltar à condição normal do processo. A chave faz esta função, já que ela pode abrir e fechar válvulas, ligar ou desligar bombas e acionar alarmes para indicação de situação anormal e necessidade de intervenção do operador. A principal função da chave é enviar um sinal de continuidade ou de descontinuidade (on/off) para o sistema de controle. As chaves de nível podem ser do tipo: Condutiva Capacitiva Vibratória Ultrassônica Flutuador

35 Transmissor de nível Transmissor gera um sinal padrão industrial a partir da saída de um sensor. A transmissão de nível, pode ser feita através de várias tecnologias em sensores. Em função da complexidade dos produtos que serão medidos a saída do um sensor pode ser de várias formas, porém a transmissão desses dados será feita através de sinais de transmissão padrões analógicos ou digitais. Os sensores de nível podem ser do tipo: Condutivo Capacitivo Ultrassônico Vibratório, entre outros 1.6 Painel de instrumentação Bornes Segundo a WEG Bornes são dispositivos que tem por função proporcionar um meio seguro de conexão elétrica e mecânica aos mais variados condutores elétricos, em um painel elétrico os bornes além de proporcionarem segurança irão proporcionar a organização do painel de acordo com o padrão IEC. Na Figura 13 é apresentado exemplos de bornes que podem ser utilizados. Figura 13- Exemplo de Bornes no Geral. Fonte: WEG. Dentre todos os tipos de conectores disponíveis, os bornes são os mais utilizados por possuírem as seguintes características:

36 24 Modularidade: Para assegurar melhor aproveitamento de espaço, os bornes foram projetados para serem instalados lado a lado. Facilidade de Instalação: A montagem dos bornes e feita em um trilho chamado DIN. É de instalação rápida e fácil, reduzindo assim o tempo de montagem. Ampla linha de acessórios: Pontes conectoras, identificadores, trilho DIN, tampa final e postes finais. Disponível nas Versões: Conexão Tipo Parafuso - é o mais usual e o mais popular dentre as técnicas de conexão já conhecidas. Sua utilização é simples: remove - se a isolação do condutor, insere - se o condutor no borne e aperta - se o parafuso com uma chave de fenda comum. Figura 14- Demonstração de conexão do condutor no borne tipo parafuso. Fonte: WEG. Ao apertar o parafuso do borne, a pressão resultante promove uma deformação no terminal na qual trava o parafuso para que se solte. Este sistema assegura a qualidade final de conexão com mínimas perdas elétricas como pode ser observado nas Figuras 14 e 15.

37 25 Figura 15- Exemplo de conexões do Tipo Parafuso. Fonte: WEG. Conexão Tipo Mola - Neste tipo de borne a conexão é mantida por uma mola de aço inoxidável que pressiona constantemente o condutor contra o elemento interno de cobre. Remove-se a isolação do condutor com uma chave de fenda no orifício do borne para que a mola se comprima e libere o espaço para a inserção do condutor no borne. Quando retirar a chave de fenda a conexão é efetuada. Figura 16- Demonstração de conexão do condutor no borne tipo mola. Fonte: WEG. Neste sistema a pressão do contato é uniforme e independente do usuário/operador, pois é dada pela mola, apresentado na Figura 16.

38 26 Este tipo de conexão pode ser de duas configurações, são elas; Conexão Tipo Mola - Cage Clamp (Figura 17); Figura 17- Exemplo de conexões do Tipo Mola - Cage Clamp. Fonte: WEG. Conexão Tipo Mola -Push-In (Figura 18); Figura 18- Exemplo de conexões do Tipo Mola - Push-In. Fonte: WEG Relés O Relé Eletrônico é um conjunto de componentes eletrônicos associados em circuito, de forma a controlar funções de temporização, acionamento de cargas, indicar através de lâmpada piloto no painel de instrumentos falhas ocorridas no veículo e também na proteção de circuitos. Alguns tipos de Relé Eletrônico: indicador de direção, de nível de água, temporizador do limpador de para-brisa, de aviso sonoro de luzes acesas, temporizador do vidro elétrico, temporizador de aviso de parada, temporizador de parada do motor, do ar-condicionado, de alarme sonoro, de bloqueio de rotação do motor, comutador do farol e caixa de diodos.

39 27 Temporizadores São dispositivos eletrônicos que permitem, de acordo com a função de temporização e do tempo selecionado, comutar um sinal de saída. Podem ser utilizados em diversos tipos de aplicações industriais como partidas de motores elétricos, quadros de comando, fornos industriais, injetoras entre outras. Também podem ser utilizados em aplicações residenciais e comerciais. Monitores de Tensão São dispositivos eletrônicos para o monitoramento de sistemas trifásicos, sempre que houver uma anomalia, interrompendo a operação do processo. Modelos Monofunção Sequência de fase - Destina-se ao monitoramento de sistemas trifásicos contra a inversão da sequência das fases. fase. Falta de fase - Destina-se ao monitoramento de sistemas trifásicos contra queda de uma Sequência e falta de fase - Destina-se ao monitoramento de sistemas trifásicos contra queda e inversão de fases. Subtensão e sobretensão - Destina-se para monitorar as variações máximas e mínimas de tensão nas quais uma alimentação trifásica pode operar. Sempre que houver uma condição de sobtensão ou sobretensao, o relé comutará sua saída para interromper a operação do motor ou processo monitorado. Sobretemperatura - Destina-se ao monitoramento da variação da temperatura em motores, geradores ou em maquinas em geral equipadas com sensores de temperatura.

40 28 Modelos Multifunção Este tipo de relé destina-se para monitorar as falhas de tensão nas quais uma tensão de alimentação trifásica pode operar. Sempre que houver uma condição de falha da rede elétrica o rele comutará sua saída para interromper a operação do motor ou processo monitorado. Controle de Nível E um dispositivo eletrônico de controle que permite o monitoramento e a regulagem automática de nível de líquidos condutivos (não explosivos) através de eletrodos submersos. Pode ser aplicado na prevenção de funcionamento a seco de bombas, na proteção contra transbordamento do tanque de enchimento, no acionamento de solenoides, alarmes (sonoros ou luminosos) e na automação de processos em geral. O modo de operação deste tipo de relé se dá em relação a sua função, que são: Função Esvaziamento: o rele de saída energiza quando o liquido atinge o eletrodo de nível Máximo e desenergiza quando o eletrodo de nível mínimo e descoberto. Função Enchimento: o rele de saída energiza quando o eletrodo de nível mínimo e descoberto e desenergiza quando o liquido atinge o eletrodo de nível Máximo Fonte As fontes de Alimentação desempenham um papel de grande importância na operação do sistema de um CLP. Além de fornecer todos os níveis de tensão para alimentação da CPU e dos Módulos de I/O, funciona como um dispositivo de proteção. O CLP deverá ter um número suficiente de circuitos de emergência para caso seja necessário parar, total ou parcialmente, a operação do CLP. Estes circuitos de emergência devem utilizar uma lógica simples, de componentes eletromecânicos, com um número mínimo de componentes de alta confiabilidade.

41 29 Em alguns casos, os módulos de I/O necessitam, além das tensões fornecidas pela fonte do CLP, de alimentação externa. A fonte do CLP é responsável pela alimentação do circuito lógico dos módulos de I/O, sendo que a fonte externa alimenta os circuitos de potência, ou circuitos externos - entrada ou saída (módulos discretos e analógicos) ou ainda fornece um nível de tensão com maior capacidade de corrente para os módulos Especiais. Normalmente, as Fontes dos CLP proporcionam saída auxiliar de tensão em 24VDC, com limite reduzido de corrente (na faixa de 300mA a 800mA). Essa saída pode ser utilizada para alimentação dos módulos de I/O, desde que respeitado o limite de corrente. As características normalmente apresentadas nas especificações técnicas de uma Fonte de Alimentação e que devem ser consideradas durante a sua configuração são: Faixa da tensão de entrada: AC (85-132V, V, V, por exemplo), DC (12V, 24V, 10-28V, 125V, por exemplo). Para as faixas de entrada em tensão DC observar também o ripple máximo permitido, geralmente menor que 10%. Seleção da faixa de entrada: automática, por jumpers, ou por terminais de conexão. Potência fornecida: máxima corrente fornecida ao barramento da Base, normalmente relacionada à tensão de 5VDC, para alimentação dos Módulos de I/O e da CPU, se for o caso (CPU como módulo independente). Este valor é utilizado no Cálculo de Consumo de Potência durante a configuração do PLC. Saída auxiliar de 24VDC: apresenta as características (tensão, corrente e ripple) da saída auxiliar de 24VDC. Apenas para fontes com alimentação AC.

42 30 2 AUTOMAÇÃO DA CAIXA DE ÁGUA 2.1 DESCRIÇÃO Neste item será apresentado o fluxograma básico do sistema de armazenamento e distribuição de água atual do Instituto Federal Fluminense - Campus Centro Figura 19- Esquema básico do Sistema de Abastecimento da Caixa D água. Fonte: AUTORES, Portanto através da Figura 19 é possível identificar os seguintes componentes do sistema: a) Tanque de distribuição (Caixa d água): Possui uma capacidade de litros; b) Casa de bombas: local onde estão instaladas as bombas centrífugas 1,2 e 3 e o painel de comando elétrico. Esta fica localizada no Pátio do IFF Campus Centro. A Figura 6 ilustra a casa de bombas e a Figura 7 ilustra as bombas B1,B2 e B3. c) Cisterna: Fica localizado em baixo da casa de bombas e possui uma capacidade de litros;