UNIVERSIDAE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU OBERDAN VELOSO DE MELO

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1 UNIVERSIDAE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU OBERDAN VELOSO DE MELO GERENCIAMENTO DAS INFORMAÇÕES INDUSTRIAIS MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2012

2 OBERDAN VELOSO DE MELO GERENCIAMENTO DAS INFORMAÇÕES INDUSTRIAIS Monografia apresentada ao curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Dra. Karla Boaventura Pimenta Palmieri Ouro Preto Escola de Minas UFOP Dezembro/2012

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4 Dedico aos meus pais pelo esforço de oferecer a mim o que eles não tiveram e por acreditar que não existe herança maior do que a educação.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por guiar meus passos. Aos meus pais pelo o amor e dedicação, meus mestres! Izabela minha irmã querida! Amo muito todos vocês! A toda minha família Veloso e Melo. A Universidade Federal de Ouro Preto pelo ensino público de qualidade. A professora Karla e os mestres da Escola de Minas de Ouro Preto - MG pelos ensinamentos. A república Federal Cosa Nostra e todos os Mafiosos pela formação pessoal e irmandade conquistada.

6 As pessoas não sabem o que querem, até mostrarmos a ela. Steve Jobs

7 RESUMO Na década de noventa a automação industrial possuía sistemas individuais e não comunicavam entre si, o que causava grande perda de informação durante o processo industrial. Nesse ambiente surgiu o Process Information Management System (PIMS), conhecido como historiadores de processo, a fim de agrupar todos os dados da planta industrial e transformar esses dados em informação e assim adquirir conhecimento necessário para a operação da mesma. Os historiadores de processos surgiram devido à evolução dos sistemas de automação como controladores lógicos digitais, sistemas digitais de controle distribuído, sistema de aquisição de dados, redes industriais e padrões de comunicação como o Object Linking and Embedding for Process Control (OPC). O PIMS apresenta poderosos algoritmos de compressão de dados, descompressão, reconstrução e segurança. Neste trabalho discute-se os dois principais algoritmos usados na indústria o Boxcar/Backslope e Swinging Doors, infraestrutura e funcionalidades do sistema. Com o advento do armazenamento dessa grande massa de dados descrevendo o comportamento do processo, a automação sobe mais um nível na pirâmide, surgindo o Manufacturing Execution System (MES) transformando essas informações de processos em informações de negócios. O MES aparece como uma ferramenta capaz de fazer a gestão desses dados. A Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA) padronizou onze módulos de atuação do MES que é objeto de estudo desse trabalho bem como os softwares disponíveis no mercado. Por fim analisa-se onde se inicia a camada de um sistema e termina a do outro, pois estes se confundem devido à evolução de suas atribuições. Palavras-chave: PIMS, MES, banco de dados, Boxcar/Backslope, Swinging Doors, MESA.

8 ABSTRACT In the nineties industrial automation had individual systems that didn t communicate with each other, which caused large information loss during the manufacturing process. In this environment emerged the Process Information Management System (PIMS) known as process historians, in order to group all the industrial plant data and translate them into information and thus acquiring the necessary knowledge to operate it. Process historians have emerged due to the automation systems evolution such as digital logic controllers, digital distributed control systems, data acquisition systems, industrial networks and communication standards such as OLE for process control. The PIMS provides powerful algorithms for data compression, decompression, reconstruction and security. This paper discusses the two main algorithms used in the industry, Boxcar / backslope and Swinging Doors, infrastructure and system features. With the advent of this great data mass storage describing the behavior of process automation goes up another level in the pyramid, emerging the Manufacturing Execution System (MES) transforming this process information into business information. The MES appears as a tool capable of managing such data. The MESA International standardized eleven modules of performance of MES that is the object of study of this work as well as the softwares available in the market. Finally we analyze where the layer of a system starts and it ends another s, because they mingle due to the evolution of their assignments. Keywords: PIMS, MES, database, Boxcar / backslope, Swinging Doors, industrial networks.

9 LISTA DE ABREVIATURAS ARC CAN CEP CIM CLPs CMM COM CPU DCOM DSC ERP IHM ISA LAN LIMS MAN MES MESA MPCA NEMA OLE OPC OPC-AE OPC-DA OPC-DX OPC-HDA OPC-UA PAN PC PCA PD PI Automation research Corporation Campus area network Controle estatístico do processo Computer integrated manufacturing Controladores lógicos programável Collaborative manufacturing management Component Object Model Unidade central de processamento Distributed Component Object Model Sistemas de controle distribuído Enterprise Resource Planning Interface homem máquina International society of automation Local area network Lab Information Management Systems Metropolitan area network Manufacturing Execution System Manufacturing enterprise solutions association Multiway principal components anaysis National eletrical manufactures association Object linking embedding OLE for process control OPC alarms & events OPC data access OPC Data exchange OPC historical data access OPC unified architecture Personal area network Computador pessoal Análise de componentes principais Proporcional derivativo Proporcional integral

10 PID PIMS P&PE RTOS SCADA SCM SDCD SGBD SSM WAN Proporcional integral derivativo Process Information Management System Product and process engineering Sistema operacional de tempo real Sistemas de controle e aquisição de dados Supply chain management Sistemas digitais de controle distribuído Sistema gerenciador de banco de dados Sales and service management Wide area network

11 LISTA DE FIGURAS Figura 2. 1: Pirâmide de automação comparativo da década de 90 e anos Figura 2. 2: Estrutura de um CLP Figura 2. 3: Representação Sistema SCADA Figura 2. 4: Arquitetura de um sistema SCADA Figura 2. 5: Integração do OPC Figura 2. 6: Arquitetura cliente-servidor do OPC Figura 2. 7: Topologia bus Figura 2. 8: Topologia anel Figura 2. 9: Topologia estrela Figura 2. 10: Topologia árvore Figura 2. 11: Sistema de banco de dados Figura 3. 1: Eliminando as ilhas de automação Figura 3. 2: Arquitetura de um Sistema PIMS Figura 3. 3: Infraestrutura simplificada de um sistema PIMS Figura 3. 4: Exemplo onde ocorre com mais frequência à coleta automática de dados Figura 3. 5: Exemplo tag expressa por intervalo de tempo Figura 3. 6: Variáveis do processo Figura 3. 7: Formação do paralelogramo Swinging Doors Figura 3. 8: Pontos não armazenados Figura 3. 9: Valor armazenado algoritmo Swinging Doors Figura 3. 10: Critério Boxcar Figura 3. 11: Critério Backslope Figura 3. 12: Dado viola os dois critérios Boxcar e Backslope Figura 3. 13: Dinâmica da compressão dos dados Figura 3. 14: Compressão de dados Figura 3. 15: Parâmetros de sintonia das malhas de controle PID no InfoPlus Figura 4. 1: Sistema MES Figura 4. 2: Módulos da norma ISA Figura 4. 3: Modelo Sistema de informação MES Figura 4. 4: Funções do sistema MES Figura 4. 5: Sistema Integrado MES e PIMS

12 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivo Justificativa Metodologia Estrutura do trabalho AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Origem e evolução Controlador lógico programável Estrutura de um controlador lógico programável Sistemas digitais de controle distribuídos Supervisão controle e aquisição de dados Arquitetura de um Sistema SCADA Software de um sistema SCADA Driver de comunicação Variáveis de um sistema SCADA Padrão OLE for Process Control (OPC) Arquitetura do sistema OPC Acesso aos dados do padrão OPC Módulos do sistema OPC Redes Industriais Taxa de transmissão Extensão das redes de comunicação Topologia de rede Método de acesso Dispositivos de conexão Protocolo das redes de automação... 36

13 2.7. Banco de dados Modelo Relacional SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE INFORMAÇÃO DO PROCESSO Infraestrutura de implantação de um sistema PIMS Rede básica de um sistema PIMS Coletas de dados Qualidade dos dados Algoritmos de compressão de dados Algoritmo Swinging Doors Algoritmo Boxcar/Backslope Funcionalidades do sistema PIMS SISTEMA DE EXECUÇÃO DA MANUFATURA Norma ISA Funcionalidades do sistema MES Programando e detalhando a operação Condição e alocação de recursos Despachando unidades de produção Controles de documentos Genealogia e rastreamento de produtos Gerenciamento do trabalho Gerenciamento da manutenção Gerenciamento do processo Coleta e aquisição de dados Gerenciamento da qualidade Análise de desempenho Benefícios do sistema MES Softwares do sistema MES... 70

14 4.3.2 Integração com o PIMS e os sistemas de automação Manufatura Colaborativa Um novo modelo Características fundamentais do sistema Manufacturing Execution System CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS... 76

15 1. INTRODUÇÃO Os sistemas de controle até inicio dos anos 90 eram constituídos de ilhas de automação. Cada sistema controlava suas variáveis e seu banco de dados que eram tratados separadamente, o grande desejo de todos eram unificar essas informações num banco de dados único onde os engenheiros de processos ficariam independentes da gerência da automação e da informática. Assim surgiram os historiadores de planta onde atualmente oferecem uma grande oportunidade para aperfeiçoar processos industriais, melhorando e proporcionando maneira mais segura para as operações. Os historiadores têm como função principal integrar todas as plantas de uma indústria eliminando assim as ilhas de informação, permitindo uma real redução de tempo e custos na obtenção de informação do processo industrial (SEIXAS FILHO, 2004a). É importante saber diferenciar entre dados de chão de fábrica e dados de gestão de negócios e assim aplicar a ferramenta correta. Atualmente existem duas ferramentas utilizadas para uma otimização apropriada, são elas PIMS do inglês Process Information Management System e MES respectivamente Manufacturing Execution System. A ideia principal desses sistemas é transformar dados em informação e informação em conhecimento Segundo Seixas Filho (2004b, p.1) a ferramenta PIMS é um sistema que adquire dados de várias fontes, e armazena num banco de dados históricos. Esse sistema nasceu na indústria de processo contínuo mais propriamente na indústria química e petroquímica, com objetivo de resolver o problema da fragmentação de dados e ter uma visão unificada do processo. A partir de uma estação, o usuário consegue visualizar tanto os dados históricos como de tempo real da planta. Esses dados podem ser exibidos em tabelas, gráficos, entre outros, concentrando numa única base de dados todas as variáveis da planta. Hoje a ferramenta PIMS está presente em todo processo industrial desde o continuo onde surgiu até por processos por batelada e manufatura.

16 15 O sistema MES tem como ideia agilizar a tomada de decisão por parte da gestão da empresa fazendo que as informações cheguem rapidamente para as pessoas indicadas, evitando assim, que as informações do chão de fábrica cheguem tempos depois do ocorrido. Conforme a MESA o MES possui várias características importantes para a gestão e manutenção da indústria, tais como: acompanhamento da produção; despacho da produção; gerenciamento da qualidade; gerenciamento do processo; gerenciamento da manutenção; gerenciamento dos recursos; análise do produto e análise do processo. Uma das grandes vantagens do sistema PIMS é sua compressão de dados, com isso pretendese analisar o algoritmo de compressão de dados e suas características tais como: a alta velocidade de compactação e descompactação; alta taxa de compressão onde se pode ter uma relação de 20:1; segurança de dados. O sistema PIMS vem englobando o sistema MES, e isso hoje traz uma grande dificuldade para diferenciar onde termina as funções de um para iniciar as do outro Objetivo Estudar a arquitetura típica dos sistemas PIMS e MES e como suas aplicações em ambiente industrial, definindo uma fronteira de atuação entre os dois sistemas, pois estes se confundem em suas aplicações, conceitos e funções. Pesquisar os players do PIMS e MES disponíveis no

17 16 mercado e suas características assim como seus algoritmos de compressão de dados onde está guardado todo o segredo do sucesso sistema historiador. Analisar a infraestrutura básica para montar um sistema PIMS e MES no ambiente industrial, a arquitetura usada da rede coorporativa e da automação, tipo de servidor, banco de dado temporal e as funções que faz os sistemas terem sua importância no ambiente industrial. Explorar a norma internacional ISA-95 que rege o padrão para a integração do chão de fábrica com as camadas superiores e os sistemas corporativos Justificativa A produtividade das empresas hoje depende de um sistema integrado onde o engenheiro de processo possa visualizar todo o sinóptico das plantas industriais, analisando assim o processo como um todo e não em parte fragmentada, podendo assim retirar conclusões mais rápidas, reduzindo os custos e com isso otimizando toda a planta. Demonstrar que a automação não é só mais um sistema de operação como também parte integrante do nível de gestão industrial Metodologia A metodologia do trabalho será feita a partir da análise de onde se obter os dados, se é de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) ou remotas, ou dos Sistemas de Controle e Aquisição de Dados (SCADA) e Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD). Os CLPs são mais confiáveis e menos sensível a falhas do que o SCADA, além de ser mais estável. A vantagem do SCADA é que sempre os dados estão em unidades de engenharia o que não ocorre com todos CLPs, e muitas variáveis que são definidas no sistema SCADA não existe no CLP Estrutura do trabalho No capítulo 1 é feita uma introdução sobre o assunto abordado durante o trabalho, assim como o objetivo, a metodologia adotada e a justificativa para tal estudo. No capítulo 2 tem-se um breve relato sobre os sistemas de automação. Demonstra-se as características dos controladores lógico programáveis, sistemas digitais de controle

18 17 distribuído, sistemas de controle e aquisição de dados, padrão de comunicação OPC, tipos de redes industriais e banco de dados. No capítulo 3 faz-se uma abordagem aprofundada sobre o sistema PIMS. Define-se a infraestrutura de implantação, modo de coleta de dados, os algoritmos de compressão Swinging Doors e Boxcar/Backslope e seus métodos de compressão de dados. Apresenta-se ainda as funcionalidades do sistema PIMS. No capítulo 4 é dado o conceito sobre o sistema MES e a norma International Society of Automation (ISA-95). Apresenta-se as onze funcionalidades do MES segundo a MESA e seus benefícios. Conceitua-se o novo modelo de manufatura colaborativa e as características fundamentais do sistema MES. No capítulo 5 são mostradas as considerações finais a respeito do trabalho e posteriormente as referências bibliográficas.

19 2. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 2.1. Origem e evolução No início a automação industrial se caracterizava por sistemas fechados de tecnologia, com isso gerava total imobilidade, era escolhido um fornecedor e assim o sistema possuía fidelidade eterna aquela marca. Com o surgimento do computador pessoal (PC) este passou a ser a plataforma favorita de supervisão e operação, extinguindo assim os painéis sinópticos e mesas de controle. Os softwares SCADA apareceram em diversos tamanhos, em diversos sistemas operacionais. O Sistema Operacional de Tempo Real (RTOS) deu lugar ao Windows NT que possuía várias vantagens como o custo total do software e ainda uma variedade de drives de comunicação com todos os dispositivos do mercado (SEIXAS FILHO, 2004a). As redes de automação também mudaram, ficaram de lado as redes determinísticas onde se usavam circuitos dedicados, especializados e exclusivos, ponto a ponto e multiponto surgindo a ETHERNET 10-Base-T, comunicação feita por par trançado de 10 Mbps conectados entre a estação e um hub ou switch. Hoje o padrão usado é a ETHERNET 100-Base-T. (SEIXAS FILHO, 2004a). Os CLPs acompanharam a evolução, pois tinham que ser operado em rede, deixaram de ser robustos, pois quando surgiram tinham que provar seu funcionamento em ambientes mais abrasivos possíveis. A linguagem ladder permaneceu, pois era usada pelos eletricistas e possui fácil compreensão, o CLP ganhou espaço também nas variáveis analógicas e malhas de controle. Com o surgimento dos sistemas híbridos veio à arquitetura cliente-servidor, troca a quente de cartões de entrada e saída e ainda programar algoritmos diretamente da estação de supervisão usando a norma IEC Os SDCDs tiveram sua mudança mais brusca nos aparelhos de campo onde a comunicação era feita através do padrão 4-20 miliampère analógico e tinha que dar lugar a transmissão digital. Com isso surgiram os barramentos de campo para interligar sensores e atuadores discretos do tipo Sensorbus, um segundo nível para interligar dispositivos inteligentes o Divecebus e finalmente o Fildebus especializado em variáveis analógicas de controle.

20 19 A evolução dos componentes do chão de fabrica fecha o cenário das principais mudanças ocorridas nesse nível de automação apresentada na figura 2.1: Figura 2. 1: Pirâmide de automação comparativo da década de 90 e anos 2000 Fonte: SEIXAS FILHO, 2004a Controlador lógico programável Segundo a Associação Nacional de Fabricantes de Elétrica (NEMA - National Eletrical Manufacturers Association), o controlador lógico programável (CLP) é definido como um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética para controlar através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas e processos. O CLP surgiu na indústria automobilística General Motors, os sistemas eram baseados em relés e sempre que mudavam o modelo do carro, ou introduzia modificações em uma linha de montagem, passava dias alterando os sistemas de controle. Assim veio a necessidade de um sistema flexível, programado, e que também suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e a variação de temperatura encontrada em um ambiente industrial. (SANTOS, 2007) Estrutura de um controlador lógico programável O CLP adveio de uma estrutura básica de um computador com aplicações especificas. A figura 2.2 descreve a estrutura do CLP.

21 20 Figura 2. 2: Estrutura de um CLP. Fonte: RIBEIRO, Entradas: Onde os dispositivos de campos são conectados. Esses podem ser de dois tipos de sinais Analógicos: Transdutor de pressão, temperatura, célula de carga, vazão, vibração, corrente, etc Digitais: Contato e relé, chave seletora, teclado, chave de pressão, etc.. 2. Saídas: As saídas do CLP operam de maneira similar das entradas. A saída do CLP possuem vários circuitos para energizar os terminais de saída. 2.1 Analógicas: Válvula de controle, acionadores de corrente alterna e corrente continua. 2.2 Digitais: Controladores de motor, painéis, contator, válvula solenoide, sistema de segurança, etc.. 3. Unidade central de processamento: A unidade central de processamento é constituída de uma memória e um microprocessador. A unidade lê as entradas, executa a lógica programada e em seguida controla as saídas. 4. Processamento: O processamento é feito de forma cíclica. O CLP faz a varredura do sistema, lendo todos os dados de entrada, e armazenando numa tabela de entrada, logo em seguida faz a varredura do programa, onde executa as instruções do programa, na sequência tem-se a varredura da saída, escrevendo todos os dados na saída utilizando a tabela de

22 21 saída, consequentemente executa a comunicação, operação na qual comunica com outros dispositivos através da rede, e por ultimo executa o gerenciamento da memória e atualiza os temporizadores e registros internos. 5. Fonte de alimentação: A fonte fornece energia ao CLP, a fim de ter uma tensão utilizável e proteger os componentes de picos de tensão. Que são causados de diversas maneiras como, queda na rede, partidas ou paradas de máquinas pesadas, é recomendado que utilize um estabilizador de tensão entre a linha de alimentação e a fonte do CLP. Importante também é utilizar uma isolamento eletromagnético, evitando assim ruído elétrico que pode interferir no funcionamento do mesmo. 6. Linguagem de programação: Tipos de linguagem de programação do CLP normalmente possuem três formas diferentes. 6.1 Diagramas de blocos: Utilizada na lógica digital, onde a representação é feita através de portas lógicas. 6.2 Listas de instrução: Linguagem parecida com a utilizada em computadores. 6.3 Linguagem ladder: Linguagem muito próximo aos diagramas elétricos. O que estimulou a utilização do CLP no seu surgimento (RIBEIRO, 2008) Sistemas digitais de controle distribuídos O conceito de Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD) surgiu no fim da década de 70, mas iniciou-se como um sistema confiável e viável no inicio da década de 90. Pode-se definir um SDCD como um sistema de controle industrial micro processado, criado inicialmente para controle de variáveis analógicas, e foi sendo expandido até abranger todas as aplicações de controle usuais, incluindo variáveis discretas, controle de bateladas, controle estatístico do processo, geração de relatórios, etc. (FINKEL, 2006). A evolução desse sistema permitiu a otimização da produtividade industrial, diminuição do custo de produção, melhoria da qualidade do produto, precisão das operações e principalmente a segurança operacional. O sistema digital de controle distribuído foi proposto com objetivo de ter a divisão de tarefas e equipamentos em várias funções diferentes como: gerenciar, controlar, operar. Cada

23 22 equipamento operando dentro da sua tarefa. Por exemplo, o módulo de gerenciamento pode gerenciar várias malhas de processos diferentes, sendo controlados pela mesma estação. A operação de cada equipamento com sua tarefa é feita de modo independente, cada um tem sua função pré-alimentada com a potência destinada a cada módulo. O SDCD é formado de várias redes redundantes, o que caracteriza a descentralização das operações e processamento de dados. Os controladores são distribuídos por todas as áreas processo, onde esses recebem os sinais dos sensores que são processados conforme a programação. Segundo Pereira (2009, p.26) no controle digital distribuído, as funções de monitorização e controle são distribuídos em vários painéis locais, cada um com seu próprio sistema digital, todos ligados por um circuito que se comunica com uma estação central. A Interface Homem Máquina (IHM) é feita através do sistema supervisório, onde esses recebem o sinal dos CLPs, controladores Proporcional Integral Derivativo (PID) e equipamentos de comunicação digital. Estes sinais são transformados em informação de processo que são atualizados em tempo real nas telas de operação nas salas de controle. A ideia da arquitetura do SDCD é descentralizar o controle em várias estações. Sendo que cada estação pode ser operada individualmente. Tendo-se uma estação central para facilitar o acesso as informações do processo, mas não sendo essencial para a execução das operações Supervisão controle e aquisição de dados Os Sistemas de Controle e Aquisição de Dados (SCADA) permitem informar periodicamente o estado do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estado de dispositivos. Esse sistema vem cada vez mais aperfeiçoando e melhorando a eficiência no processo de monitoramento e controle, disponibilizando em tempo útil o estado atual do sistema através de um conjunto de previsões, gráficos e relatórios, de modo a ampara os operadores permitindo a tomada de decisão mais correta (QUINTAS, 2009). O SCADA coleta dados de processo através de remotas industriais, tipo CLP, formatam esses dados e apresenta ao operador de várias formas. O SCADA surgiu com a intenção de informa ao operador todos os eventos de importância da planta em um alto nível de interface. A figura 2.3 mostra-se um diagrama com a representação do SCADA.

24 23 Figura 2. 3: Representação Sistema SCADA Fonte: ZANCHET, O sistema SCADA apresenta três funções básicas: supervisão, operação e controle. A supervisão atende toda a parte gráfica como sinóticos animados, gráficos de variáveis, relatórios e outros. A operação acompanha o sinótico do processo na tela, e assim atua ligando e desligando equipamentos, operando malhas de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID), mudança de status das máquinas, modo automático ou modo manual. As ações dos sistemas de controle são definidas e todas as operações são executadas diretamente nos cartões de entrada e saída ligados diretamente aos barramentos do micro, ou por remotas mais simples. Dados coletados do processo são amostrados, controladores como Proporcional- Integral (PI), Proporcional-Derivativo (PD) ou Proporcional-Integral-derivativo (PID) são executados e assim a saída é aplicada ao processo. Para executar essa operação em tempo real, requer certo nível de confiabilidade do processo, a velocidade da planta tem que permitir esses ajustes online (SEIXAS FILHO, 2004c) Arquitetura de um Sistema SCADA A arquitetura de um sistema SCADA é formada basicamente pela estação de supervisão, CLP, cartões de entrada e saída e os instrumentos de campo. Na figura 2.4 ilustra-se uma arquitetura simples de um sistema SCADA.

25 24 Figura 2. 4: Arquitetura de um sistema SCADA. Fonte: ZANCHET, Software de um sistema SCADA O sistema SCADA vem geralmente com um pacote básico que constitui num programa de execução IHM, programa de desenvolvimento e o driver de comunicação. Geralmente o pacote básico é composto pelo pacote batch, desenvolvimento de processo em batelada e o pacote estatístico, com funções estatísticas de controle do processo, como plotagem automática de cartas de controle e a geração de alarme quando um determinado processo foge do seu comportamento normal. Outro utilitário é o gerador de relatórios, onde é definido pelo próprio usuário (ZANCHET, 2010) Driver de comunicação Os drives de comunicação têm a função de traduzir a linguagem do software para a linguagem dos equipamentos de controle. Estes drives devem ser especificados em função das seguintes características: sistema operacional utilizado na estação de supervisão; protocolos disponíveis no sistema de supervisão; interface e protocolo de comunicação com o equipamento de controle; fabricante e modelo dos equipamentos.

26 Variáveis de um sistema SCADA As variáveis de um sistema SCADA geralmente são formadas de dois conjuntos de variáveis: Simples, primitivas ou algumas compostas formadas a partir das primeiras. Segundo Seixas (2004c) os tipos de variáveis primitivas fundamentais são: numérico: real ou inteira; discreta: lógica, bit, booleano, bool; caractere: mensagem ou string. 2.5 Padrão OLE for Process Control (OPC) Em 1995 algumas empresas se reuniram com o objetivo de desenvolver um padrão baseado na tecnologia Modelo Objeto/ Componente Distribuído (OLE/DCOM - Object Linking and Embedding/ Distributed Component Object Model) para acesso os dados de tempo real dentro do sistema operacional Windows. Basicamente o padrão OPC estabelece as regras para que sejam desenvolvidos sistemas com interface padrões para comunicação dos dispositivos de campo (CLPs, sensores, balanças, etc.) com sistemas de monitoração, supervisão e gerenciamento (SCADA, MES, PIMS, etc.) (OLIVEIRA, 2002). A verificação de uma grande quantidade de informação disponível nos diversos níveis da indústria, mas não compartilhada facilmente ocasionou o surgimento do padrão OLE for Process Control (OPC). Muito tempo é perdido desenvolvendo drives para a comunicação entre elementos diferentes, além de ser uma solução limitada, inconsistente e de difícil manutenção frente à rápida evolução dos softwares e equipamentos. O objetivo fundamental da tecnologia OPC é promover uma infraestrutura única, permitindo a interoperabilidade vertical entre os sistemas dentro de uma organização, onde a informação possa ser universalmente compartilhada. (SOUZA; SEIXAS FILHO; PENA, 1998). O padrão OPC integra de todos os dados da empresa, sejam provenientes do chão de fabrica ou dos setores corporativos. Cria uma camada única, o que padroniza e permite a fácil integração de diversos sistemas desde um simples instrumento de campo até o sistema Enterprise Resource Planning (ERP), como na figura 2.5.

27 26 Figura 2. 5: Integração do OPC. Fonte: PUDA, Seu funcionamento é baseado no Object Linking Embedding (OLE) de componentes orientados a objeto, por meio das tecnologias Component Object Model (COM) e Distributed Component Object Model (DCOM) da Microsoft que permitem que as aplicações troquem dados que podem ser acessados por um ou mais computadores que usam uma arquitetura cliente/servidor, mesmo que essas aplicações trabalhem sobre sistemas que utilizam protocolos diferentes. O OPC funciona utilizando o modelo OLE COM da Microsoft, quando o servidor e o cliente OPC estão instalados no mesmo computador enviando e recebendo dados em alta velocidade, raramente apresenta problemas. Porém, quando o servidor e cliente OPC estão instalados em computadores diferentes dentro de uma rede, o OPC passa a utilizar o DCOM, a especificação define o formato padrão de objetos, interfaces e métodos para o uso em sistemas de automação e controle que facilitam a interoperabilidade. As tecnologias de COM/ DCOM proveram o procedimento padrão para a criação de softwares que objetivam a integração de equipamentos. Com base nessa tecnologia foram criadas centenas de OPC de acesso a dados tanto em servidores quanto em clientes. (RIBEIRO; ANJOS, 2008). Algumas normas orientaram o desenvolvimento do padrão OPC: simplicidade de implementação: O padrão é, à medida do possível, simples e pouco restritivo; flexibilidade: Há interesse em se endereçar as necessidades de vários segmentos da indústria; alta funcionalidade: Procura-se incluir o máximo de funcionalidade possível na especificação, sem conflito com os demais objetos;

28 27 operação eficiente: Embora a simples compatibilidade com o padrão OPC não garantam clientes ou servidores altamente eficientes, nada na especificação impede o desenvolvimento de software com essas características (SOUZA; SEIXAS; PENA, 1998) Arquitetura do sistema OPC A arquitetura do sistema OPC é baseada na arquitetura cliente-servidor, como apresentada na figura 2.6. Figura 2. 6: Arquitetura cliente-servidor do OPC. Fonte: PUDA, O funcionamento desta solução é simples: um ou mais servidores fornecem dados para uma ou mais aplicações cliente (NOGUEIRA, 2009). O interessante do OPC é que uma aplicação cliente pode solicitar dados a um ou mais servidores OPC, e o inverso também é verdadeiro, um servidor OPC pode transferir dados a um ou mais clientes OPC. Portanto, fica claro que o OPC possibilita uma variedade enorme de comunicações, basta que os aplicativos sejam compatíveis com OPC. É importante ressaltar que o OPC não elimina o protocolo proprietário do CLP ou equipamento de campo. O que acontece é que o servidor OPC traduz este protocolo proprietário para o padrão OPC. Portanto é necessário o desenvolvimento de um servidor OPC específico para cada um dos diferentes protocolos de comunicação existentes (PUDA, 2008).

29 Acesso aos dados do padrão OPC O padrão OPC possui três maneiras de acesso de dados: 1. Acesso síncrono onde o cliente OPC fica inoperante até que os dispositivos solicitados sejam entregues pelo servidor. Esse tipo de acesso é de fácil implementação, mas é pouco eficiente, pois cliente e servidor ficam bloqueados enquanto o dispositivo físico é acessado; 2. O acesso assíncrono permite que o cliente OPC continue trabalhando enquanto o servidor busca os dados. Com isso são mais eficientes, pois o cliente é imediatamente liberado após fazer a requisição, a qual o servidor pode processar da forma mais conveniente; 3. O método atualização de dados enviados, baseado em mecanismo padrão OLE, permite ao cliente requisitar ao servidor que lhe envie, de forma periódica ou por exceções, mensagens atualizando um determinado conjunto de valores. O servidor OPC possui opções de leitura do tipo: Refresh: O cliente OPC lê todos os dados de processo disponíveis no servidor OPC; Subscription: O Servidor OPC lê os dados do equipamento periodicamente em função de uma taxa de atualização estabelecida pelo cliente OPC. A escrita de dados sempre é feita diretamente no dispositivo. Independente do modo síncrono ou assíncrono. Logo depois da escrita retorna o valor de status para indicar o sucesso ou a falha de comando Módulos do sistema OPC O OPC surgiu com objetivo de solucionar o problema de drives de comunicação, que antes só existia em soluções customizadas. A OPC FOUNDATION (2006) apresenta os seguintes módulos OPC:

30 29 1. O OPC Data Access (OPC-DA) foi o primeiro módulo, e veio com a função de permitir a troca de dados em tempo real, assim como saber qual o valor de uma variável ou o setpoint do CLP; 2. O módulo OPC Historical Data Access (OPC-HDA), acessar dados históricos através do OPC. Tem a possibilidade de acessar dados na memória de um equipamento como um CLP, ou então transferir dados de um software historiador para um software de supervisão ou até mesmo para uma planilha de Excel. A vantagem da utilização desse módulo OPC é torna fácil a coleta de dados de diversos equipamentos e sistemas diferentes, e consolida-lo em uma aplicação cliente única; 3. Outro módulo aplicado no OPC é o Alarms & Events (OPC-AE), empregado para transmitir os alarmes e eventos, incluindo parâmetros com severidade do alarme, classificação, área de ocorrência, intervenções do operador, comentários, entre outros. Uma utilização do OPC AE é a geração de um banco de dados com informações sobre a operação e principais eventos dos processos; 4. O OPC Unified Architeture (OPC-UA) é um novo módulo que tem como foco unificar todos os módulos OPC apresentados, tornando o sistema único e tendo acesso a todos os dados, seja em tempo real, histórico, alarme ou eventos; 5. O OPC Batch tem como função a troca de informações especificas para processo em batelada; 6. OPC Data exchange (OPC-DX) tem a missão de trocar dados entre diferentes servidores OPC-DA através de redes de campo heterogenias, com serviços de configuração, diagnóstico, monitoração e gerenciamento remoto; 7. OPC Security tem como incumbência o controle de acesso a informações do processo e proteção contra parâmetros não autorizados. Logo, o padrão OPC que veio para solucionar os problemas de comunicação no chão de fabrica acabou se consolidando e integrando todas as informações industriais, formando uma camada de comunicação padronizada, favorecendo a interoperabilidade, ganhando dados, tempo e informação de todo o processo Redes Industriais Primeiro passo ao se conceber uma solução qualquer de automação é desenhar a arquitetura do sistema, organizado seus elementos vitais, as remotas de aquisição de dados, CLPs,

31 30 instrumentos e sistema de supervisão em torno de redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura irá determinar o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade, expansibilidade e etc. (SEIXAS FILHO, 2004b). Entre todas as tecnologias associadas ao controle industrial, as redes de comunicação industrial são as que mais sofreram evoluções na última década, seguindo, aliás, a tendência global de evolução das comunicações que se tem ocorrido, praticamente em todos os ramos de atividade, desde as telecomunicações móveis, à Internet, à comunicação sem fios (wireless) e etc. (NOGUEIRA, 2009). Os avanços tecnológicos trouxeram grandes vantagens em relação aos sistemas convencionais de cabeamento. Entre eles, redução da fiação, facilidade de manutenção, flexibilidade na configuração da rede e principalmente o diagnóstico de dispositivos. Além disso, por usarem protocolos de comunicação digital padronizados, essas redes possibilitam a integração de equipamentos de vários fabricantes distintos. Tais sistemas são chamados de abertos e é uma tendência em todas as áreas da tecnologia devido a sua flexibilidade e capacidade de expansão (NOGUEIRA, 2009). Para garantir que a rede de comunicação atenda as necessidades da planta industrial, deve-se levar em consideração as seguintes variáveis a taxa de transmissão, topologia física da rede, meio físico de transmissão, tecnologia de comunicação e algoritmo de acesso ao barramento. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) Taxa de transmissão Taxa de transmissão é a quantidade média de dados a serem transmitidos na rede em um período de tempo. O termo utilizado para esta especificação é o throughput. É medida em kilo bits por segundo (kbps) (MORAES; CASTRUCCI, 2007) Extensão das redes de comunicação Dependendo das distâncias entre os dispositivos conectados na rede, são dados nomes diferentes para as redes. Classificam-se as redes segundo a sua extensão em:

32 31 Personal Area Network (PAN): Pequeno alcance e baixo desempenho. É normalmente utilizado para a comunicação entre dispositivos pessoais, como por exemplo, a comunicação entre um Personal Digital Assistants (PDA) ou celular e um computador; Local Area Network (LAN): Interconexão de computadores localizados em uma mesma sala ou em um mesmo prédio. Extensão típica: Até aproximadamente 200 metros; Campus Area Network (CAN): Interconexão de computadores situados em prédios diferentes em um mesmo campus ou unidade fabril. Extensão típica: até aproximadamente cinco quilômetros; Metropolitan Area Network (MAN): Interconexão de computadores em locais diferentes da mesma cidade. Pode usar rede telefônica pública ou linha dedicada. Extensão típica: aproximadamente 50 quilômetros; Wide Area Network (WAN): Interconexão de computadores localizados em diferentes prédios em cidades distantes em qualquer ponto do mundo. Usa rede telefônica, antenas parabólicas, satélites, etc. Extensão acima de 50 quilômetros (KUROSE; ROSS, 2000) Topologia de rede A topologia de uma rede de comunicação descreve como é a forma de uma rede de equipamentos, através a qual terá o tráfego de informações. Hoje existem várias formas de como os equipamentos podem ser ligados a rede. A topologia da rede é apresentada na forma física (layout da rede) e na forma lógica (fluxo de dados). Apresenta-se a seguir algumas das topologias físicas mais usadas: Topologia bus Na topologia bus, figura 2.7, os equipamentos da rede compartilham a mesma via de dados. Apenas uma máquina pode escrever no bus num determinado momento, e quando essa manda um sinal toda a rede fica ocupada, se outra máquina enviar um sinal ocorre um conflito de dados, reiniciando assim a operação.

33 32 Vantagens: 1. custo reduzido de cabo de rede; 2. facilidade no acréscimo de novas estações de trabalho. As desvantagens dessa topologia: 1. qualquer problema no cabo ou em alguma placa de rede, fatalmente para todo o tráfego; 2. manutenção é difícil por não saber exatamente onde ocorre o problema na rede. Figura 2. 7: Topologia bus. Fonte: ALMEIDA; SANTOS, Topologia em anel Na topologia em anel, figura 2.8, os equipamentos são ligados entre si em série, formando um anel, os dados são transmitidos em uma única direção de nó em nó até o seu destino. O sinal sofre menos distorção, pois cada estação possui um repetidor. Vantagens: 1. havendo algum problema numa rede local, poderá existir uma rota alternativa; 2. é possível usar anéis múltiplos para aumentar a confiabilidade e desempenho. As desvantagens são: 1. dificuldade de acréscimo ou retirada de estação de trabalho, devido ao fato ter que se abrir o anel (ALMEIDA; SANTOS, 2006); 2. cada estação inserida há um aumento de retardo na rede; 3. há uma queda de confiabilidade para um grande número de estações.

34 33 Figura 2. 8: Topologia anel. Fonte: ALMEIDA; SANTOS, Topologia em estrela Esse tipo de rede, figura 2.9, possui uma configuração mista entre bus e anel. É um tipo muito usado atualmente, utiliza cabos de par trançado e um concentrador no centro da rede. Esse tem a incumbência de mandar todos os dados para todas as estações. Com isso facilita a manutenção, pois se uma estação que não recebe já se sabe o nó defeituoso, pois este ficará fora da rede. Esse tipo de rede se torna acessível a pequenas redes, pois o concentrador possui no máximo dezesseis entradas. Para aplicação em redes maiores tem-se o uso da topologia em árvore onde possui vários concentradores ligados por roteadores. Vantagens: 1. alta confiabilidade e segurança, já que cada uma das estações da rede possui seu próprio cabo de acesso à rede; 2. qualquer problema num ramo irá paralisar somente a ele mesmo, não interferindo no restante da rede; 3. facilidade no acréscimo de novas estações de trabalho; 4. manutenção simplificada, devido ao fato que qualquer problema em determinado conjunto de cabo, placa ou unidade central de processamento (CPU), será facilmente detectado. Desvantagens do uso dessa topologia: 1. Maior quantidade (comprimento) de cabos para interligar um determinado grupo de estações de trabalho do que na topologia bus;

35 34 2. Necessidade do uso de um concentrador de fiação (Hub) (ALMEIDA; SANTOS, 2006). Figura 2. 9: Topologia estrela. Fonte: ALMEIDA; SANTOS, Topologia árvore A topologia em árvore, figura 2.10, é formada por várias estrelas conectadas entre si. Vários hubs ou switches faz a conexão das máquinas. Esta topologia facilita a manutenção do sistema e permite, em caso de avaria, detectar com mais facilidade o problema. Vantagens: 1. não existe problema de roteamento, só existe um único caminho pra se chegar ao nó. Desvantagens dessa rede: 2. não há rotas alternativas. Figura 2. 10: Topologia árvore. Fonte: ALMEIDA; SANTOS, 2006.

36 Método de acesso Em um sistema mestre/escravo, somente a estação chamada de mestre pode agir como detentora do direito de transmissão. Esse direito de acesso ao meio físico é distribuído por ela para as estações escravas por um determinado tempo. Tal configuração deixa o sistema dependente da estação central, mas mesmo assim é bastante utilizado em instalações industriais. Este método garante um tempo entre transmissões consecutivas a qualquer estação da rede, pela realização de um controle distribuído com supervisão centralizada (ROSARIO, 2005). Escravo (Slave) - Um escravo é um periférico (dispositivos inteligentes de entrada/saída, drivers, interfaces homem-máquina, válvulas, transdutores, etc.), que recebe uma informação do processo e/ou utiliza informações de saída do mestre para atuar na planta. Escravos são dispositivos passivos que somente respondem a requisições diretas vindas do mestre. Esse mestre pode ser monomestre, quando há somente um mestre no barramento, onde é o controle central. Ou pode ser multimestre onde a imagem da entrada e saída pode ser lida por todos os mestres, porém somente um mestre pode controlar um dado escravo. (MORAES; CASTRUCCI, 2007) Outra configuração de acesso à rede é a Produtor/Consumidor, onde essa proporciona uma maior funcionalidade, aumenta o fluxo de informação, reduz o tráfego na rede, comunicação ágil e de melhor desempenho. Basicamente o modelo se baseia em o produtor informa os dados simultaneamente a todos consumidores, cabe aos consumidores consumir ou não esses dados. O modelo é altamente determinístico, o tempo de transmissão não muda se mais consumidores entrarem na rede Dispositivos de conexão Uma rede de computadores é nada mais que um conjunto de dispositivos micro processados ligados entre si de forma a possibilitar a comunicação, o armazenamento, recuperação dos seus utilizadores. Alguns dispositivos típicos de conexão são: Repetidor: Tem como função amplificar o sinal, podendo assim a rede possuir uma distância maior. Esse tipo de dispositivo ainda consegue acoplar diferentes meios físicos como cabo coaxial e fibra ótica;

37 36 Brigdes: Dispositivo que estabelece uma conexão entre duas redes, para que elas funcionem como se fosse única. Aplica-se em redes extensas de diferentes topologias ou interliga simplesmente diferentes redes com diferentes tipos de cabos; Hub: Gerencia o fluxo de dados na rede definindo o caminho. Fazendo parte do cabeamento estruturado; Gateways: Promovem a interoperabilidade da rede, sendo uma máquina intermediária destinada a interligar redes, mesmo com arquiteturas diferentes e até mesmo traduzir protocolos; Switch: Segmenta a rede internamente, sendo que a cada porta corresponde um domínio de colisão diferente, o que significa que não haverá colisões entre os pacotes de segmentos diferentes. O switch identifica cada porta e envia os pacotes somente para a porta destino, evitando assim que outros nós recebam os pacotes; As Roteador (Router): Tem como a principal característica desses equipamentos é selecionar a rota mais apropriada para encaminhar os pacotes recebidos. Ou seja, escolher o melhor caminho disponível na rede para um determinado destino (ALMEIDA; SANTOS, 2006) Protocolo das redes de automação Protocolos caracterizam os elementos de maior importância nas redes de automação industrial, tanto que as redes passam a ser denominadas pelos protocolos utilizados (MORAES; CASTRUCCI, 2007). O protocolo de comunicação basicamente é o idioma de comunicação das máquinas. Surgiu com a necessidade de comunicar máquinas distintas, com sistemas distintos sem a necessidade de escrever programas para traduzir a comunicação. Os protocolos são construídos seguindo o padrão OSI, criando pela ISO. Alguns dos protocolos largamente utilizados são: MODBUS, PROFIBUS, ETHERNET. FIELDBUS FOUNDATION, etc. (NOGUEIRA, 2009) Banco de dados Banco de dados é qualquer sistema que possui uma coleção de dados inter-relacionados com certa ordem com um domínio específico. O banco de dados possui um sistema capaz de gerenciar suas informações tendo funções como armazenamento e recuperação eficaz de

38 37 dados. Para manter a organização dos dados surgiu o Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) são softwares que organizam as estruturas armazenadas e possui capacidade de manipulação das mesmas. Atualmente os modelos de dados usados pelo SGBD são: Modelo hierárquico, modelo em redes, modelo relacional e o modelo orientado objeto. O modelo relacional é o mais utilizado atualmente e será discutido adiante nesse trabalho. Os bancos de dados são formados essencialmente por uma base de dados, software, hardware e o usuário. As informações são os dados compilados e processados de acordo com a solicitação de consulta e análise. A base de dados é um conjunto de dados relacionados onde é manipulado pelo SGBD que é uma coleção de programas com capacidade de definir, construir e manipular a base de dados de diversas aplicações. (TAKAI; ITALIANAO; FERREIRA, 2005). Na figura 2.11 descreve-se o banco de dados e sua integração com usuário. Figura 2. 11: Sistema de banco de dados. Fonte: TAKAI; ITALIANAO; FERREIRA, Modelo Relacional O modelo relacional apareceu devido às seguintes necessidades: 1. aumentar a independência de dados nos sistemas gerenciadores de banco de dados; 2. prover um conjunto de funções apoiadas em álgebra relacional para armazenamento e recuperação de dados.

39 38 O modelo relacional revelou-se ser o mais flexível e adequado ao solucionar os vários problemas que se colocam no nível da concepção e implementação da base de dados. A estrutura fundamental do modelo relacional é a relação (tabela). Uma relação é constituída por um ou mais atributos (campos) que traduzem o tipo de dados a armazenar. Cada instância do esquema (linha) é chamada de tupla (registro). O modelo relacional não tem caminhos prédefinidos para se fazer acesso aos dados como nos modelos que o precederam. O modelo relacional implementa estruturas de dados organizadas em relações. Porém, para trabalhar com essas tabelas, algumas restrições precisaram ser impostas para evitar aspectos indesejáveis, como: repetição de informação, incapacidade de representar parte da informação e perda de informação. Essas restrições são: integridade referencial, chaves e integridade de junções de relações (TAKAI; ITALIANAO; FERREIRA, 2005). Um conceito importante em um banco de dados relacional é o conceito de atributo chave, que permite identificar e diferenciar uma tupla de outra. Através do uso de chaves é possível acelerar o acesso a elementos, usando índices, e estabelecer relacionamentos entre as múltiplas tabelas de um sistema de banco de dados relacional. A teoria do modelo relacional está baseada em três questões lógicas: a estrutura de dados, a integridade dos dados e a manipulação dos dados. O aspecto estrutural tem a ver com as relações propriamente ditas, a integridade está relacionada com a as chaves primárias e chaves estrangeiras e o aspecto manipulativo tem a ver com os operadores (restrição, junção e projeção) (DATE, 2004). Na terminologia de base de dados relacional, a linha é chamada de tupla, a coluna é chamada de atributo e a tabela de relação. O tipo de dado que especifica o tipo dos valores que podem aparecer em uma coluna é chamado de domínio (BAPTISTA, 2009).

40 3. SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE INFORMAÇÃO DO PROCESSO A automação industrial é dividida em vários níveis como visto anteriormente. Para ter um bom planejamento precisa-se obter a troca de informações entre esses níveis, assim a integração de dados apresenta como um aspecto fundamental no sucesso de uma corporação. Mas depara-se com um problema. Em uma planta industrial a quantidade de dados originados das células de produção é muito grande para armazenamento, consulta e tratamento dos mesmos exigindo assim um eficiente processo de compactação antes do seu armazenamento. Neste cenário a solução Process Information Management System (PIMS) surge como uma ferramenta capaz de integrar os níveis da pirâmide de automação possuindo eficientes algoritmos de compactação possibilitando fazer consultas históricas, gráficos de tendência e estatísticos. Concentrando a informação e possibilitando uma visão unificada de todo o processo produtivo, como demonstrado na figura 3.1. Dizendo em outras palavras, o PIMS faz a ligação entre o chão de fábrica e o sistema Enterprise Resource Planning (ERP) onde transforma toda essa massa de informação em operação de negócio. O PIMS surge como uma ferramenta essencial para o entendimento do processo, pois permite entender as situações operacionais que se apresentam, e compará-las com situações padrões previamente arquivadas. Segundo Seixas Filho (2004b) uma prática comum é se armazenar todos os dados de preparação da linha (set-up) para associá-los aos resultados obtidos. Se um resultado mais notável é conseguido, este resultado passa a constituir o benchmarking para aquela instalação e a repetição do resultado passa a ser perseguida. Figura 3. 1: Eliminando as ilhas de automação. Fonte: SEIXAS FILHO, 2004b.

41 40 São muitos os benefícios gerados pela implantação de um PIMS, destacando-se: Centralização de dados de processo: Os sistemas PIMS concentram as informações dos CLPs, SDCDs e Supervisórios em uma única base de dados de forma a permitir uma melhor correlação e análise destes dados; Democratização da informação: O PIMS possibilita que qualquer usuário tenha acesso aos dados da planta instantaneamente, fazendo com que o próprio usuário se torne o dono da informação e manipule a mesma da forma que julgar mais adequado; Visualização do processo produtivo em tempo real e histórico: Tal visualização pode ser feita de diversas formas, como: gráficos de tendência, gráficos XY, relatórios dinâmicos, telas sinóticas, aplicações web e etc.; Maior interatividade com os dados do processo: Ferramentas simples, mas poderosa, permitem realizar entre outras funcionalidades cálculos, estudos estatísticos e lógicos de eventos utilizando os dados do processo; Histórico de dados: Capaz de armazenar até 15 anos de dados de processo graças à eficiência de seu algoritmo de compressão que apresenta taxa típicas de compressão da ordem de 10:1 (TORRES; SANTOS; FONSECA, 2004). Segundo Urbano (2009) á modularidade, flexibilidade e confiabilidade que o PIMS vem apresentando tem o tornado não somente um historiador de dados, mas abrangendo outras funções como o desenvolvimento de aplicativos baseados em dados em tempo real, dos quais se tem o controle estatístico da qualidade em tempo real, gestão de indicadores, reconciliador de dados, consolidação de dados dos equipamentos como tempo de funcionamento, tempo de paradas, correlação de variáveis, análise de bateladas, rastreabilidade, análise da produção dentre outras funções. 3.1 Infraestrutura de implantação de um sistema PIMS O sistema PIMS possui uma infraestrutura básica composta por servidor principal, servidor de comunicação, estações clientes, banco de dados relacional e estrutura de rede, (corporativa e automação) como demonstrado na figura 3.2.

42 41 Figura 3. 2: Arquitetura de um Sistema PIMS. Fonte: SEIXAS FILHO et al., De acordo com o esquema apresentado na figura 3.2, o servidor principal do PIMS é o responsável pela centralização das informações da planta. É neste servidor onde são armazenados todos os dados do processo e são disponibilizados para várias aplicações. As variáveis coletadas são disponibilizadas pelos servidores de comunicação, que utilizam protocolos de acordo com cada player PIMS utilizado. Alguns softwares possuem ferramentas capazes de armazenar dados de chão de fábrica temporariamente nos servidores de comunicação, caso este perca a comunicação com o servidor principal. Para plantas muito grandes é sugerido que haja mais de um servidor principal. Os servidores de comunicação fazem a ligação entre o servidor principal e os elementos de supervisão ou diretamente com os sistemas de controle. A informação proveniente do chão de fábrica é transferida via OPC para os servidores PIMS, tanto o principal quanto o de comunicação. A arquitetura fica definida com o PIMS sendo o OPC Cliente e os sistemas de supervisão como o OPC Server. As estações clientes ficam como ponto de acesso ao servidor principal, com uma versão cliente do software PIMS permite a visualização através das telas sinóticas, relatórios e o tratamento de dados. O sistema PIMS faz uso de um banco de dados relacional quando se trata de processo em batelada e gerenciador de eventos. Sendo que para cada módulo e para cada servidor seja criada uma base de dados.

43 Rede básica de um sistema PIMS A rede do PIMS é basicamente composta de servidores principais conectados aos servidores de comunicação, como mostrado na figura 3.3. Os servidores principais podem ser conectados á rede corporativa através de um switch para comunicação com as estações clientes, e a rede PIMS através de outro switch para receber dados dos servidores de comunicação (SEIXAS FILHO et al., 2005). Da mesma forma pode-se conectar os servidores de comunicação à rede PIMS local através de um switch para comunicação com o servidor principal, e a rede de controle em outro switch para comunicação com as estações de supervisão, CLPs ou SDCDs. Em aplicações que se usa banco relacional externo geralmente se utiliza a rede corporativa. Porém não existe restrição se instalar software de banco de dados como MS-SQL já no servidor principal (FONSECA, 2002). Figura 3. 3: Infraestrutura simplificada de um sistema PIMS. Fonte: SEIXAS FILHO et al., Coletas de dados A coleta automática de dados industriais é uma das formas de integrar os sistemas de automação com os sistemas de informação permitindo a leitura de dados da automação. Os dados de automação possuem uma estrutura simples. Onde pode ser entendida como um vetor onde cada dado está em uma posição, e é chamado de tag. Cada tag possuem um nome ou um

44 43 endereço. Os dados basicamente são capturados em eventos ou tempos e enviados a um banco de dados comumente proprietário. Na figura 3.4 mostra-se as atividades onde é mais frequente o uso da coleta automática de dados. Figura 3. 4: Exemplo onde ocorre com mais frequência à coleta automática de dados. Fonte: CAMPOS, As coletas são feitas sobre as tags do sistema de automação e necessita de uma lógica de disparo que é chamado de trigger. Essa lógica em geral é composta por expressões booleanas das tags ou por tempo expresso por intervalos e datas. Na figura 3.5 apresenta-se um exemplo desse tipo de operação: Figura 3. 5: Exemplo tag expressa por intervalo de tempo. Fonte: CAMPOS, 2010.

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