Automação das Plataformas P-34 e P-48: Tratamento dos Pontos de Entrada e Saída

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Automação das Plataformas P-34 e P-48: Tratamento dos Pontos de Entrada e Saída Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso Ricardo Souza Santos Florianópolis, Março de 2004.

2 Automação das Plataformas P-43 e P-48: Tratamento dos Pontos de Entrada e Saída Ricardo Souza Santos Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Fernando Gonçalves Costa Orientador Empresa Daniel Juan Pagano Orientador do Curso Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Julio Elias Normey Rico, Avaliador Rafael Carvalho Uberti, Debatedor Pedro Alves Brito de Azambuja, Debatedor 2

3 Agradecimentos Aos meus pais, por terem me apoiado incondicionalmente, e por terem me dado todas as condições de concluir os meus objetivos. Aos meus irmãos, pelo tempo que passamos juntos e por sempre terem me ajudado. Aos amigos que fiz em todos nestes 5 anos de convivência na UFSC. Aos professores do DAS, pela extrema competência e dedicação, em especial aos professores Augusto Humberto Bruciapaglia e Daniel Juan Pagano que me deram uma oportunidade de ingressar no mundo da pesquisa e, até o momento, no mundo do petróleo. Ao orientador Fernando Gonçalves Costa, com quem tive calorosas e valorosas discussões. À Unicontrol pela excelente oportunidade que me deu. i

4 Resumo A P-43 e P-48 são as mais novas plataformas de exploração de petróleo desenvolvidas pela estatal Petrobras. Elas são a aposta da auto-suficiência na produção de petróleo no Brasil depois de anos em busca desta meta. A construção de estruturas de grandes proporções como estas exige um longo trabalho de logística e engenharia. Neste contexto, a Unicontrol foi a responsável por toda a parte de desenvolvimento e implantação do sistema de automação destas plataformas. O sistema de controle é baseado em automação por CLP. No caso das plataformas, isto significa controle central com entradas e saídas distribuídas através de redes de comunicação. O sistema é composto de vários subsistemas redundantes que cuidam, cada uma deles, de uma função de controle. Assim por exemplo, existe o sistema de controle do processo, o sistema de desligamento de emergência e assim por diante. Este sistema de controle é diretamente dependente da interação com os sinais de campo. Neste trabalho, foi desenvolvido o Sistema de Tratamento dos Pontos de Entrada e Saída, uma interface de software que visa garantir o cumprimento de especificações de projeto. Estas especificações são definidas pela Petrobras e visam facilitar o desenvolvimento da lógica e garantir uniformidade e confiabilidade na comunicação entre os sinais de campo e os controladores centrais (CLPs). O desenvolvimento do software se deu em linguagem STL para o CLP Siemens da família S Blocos de programa foram desenvolvidos e testados em laboratório e cumprem com os requisitos especificados. O Sistema de Tratamento dos Pontos de Entrada e Saída substituiu outro, desenvolvido anteriormente, com vantagens em relação ao tempo de execução, clareza da lógica e principalmente em relação ao espaço de memória utilizado. ii

5 Abstract P-43 and P-48 are the newest oil platforms developed by the stated-owned Petrobras. With this two projects, Brazil will accomplish its goal of self-sufficiency in oil production. To build structures like these, a whole engineering and logistic work is needed. In this context, Unicontrol has been responsible for the development and implementation of the automation system. The control system is based in central PLCs controlling distributed I/O over a networked system. The system is composed by a set of redundant subsystems which are responsible, each one, for a control function. Thus, for example, there is the Process Control System, the Emergency Shutdown System, etc. This control system is directly dependant on the communication with field signaling. In this work, it has been developed an I/O Signals Management System, a software interface which aims at a project specification accomplishment. These specifications are defined by Petrobras to facilitate the logic development and to ensure sameness and reliability in the communication between field signaling and PLCs. The software has been developed in STL (Statement List) Language for Siemens S7-400 PLC. Software blocks have been developed and tested in laboratory and they accomplish the specifications required. This system has displaced another one, previously developed, with advantages related to the scan time and mainly related to the memory space required for the logic. In this way, control system gets faster ensuring a whole system better performance. iii

6 Sumário Agradecimentos...i Resumo... ii Abstract... iii Sumário... iv Capítulo 1: Introdução...1 Capítulo 2: Unicontrol no Projeto...4 Capítulo 3: Características Construtivas das Plataformas : Características do Óleo : Visão Geral do Processo...9 Capítulo 4: Arquitetura Geral das Redes de Controle : Acesso aos Dados Remotos : Rede Profibus DP : Profibus FMS e Nível Superior de Controle...14 Capítulo 5: S7-400 e S : Hardware Controlador Central : Princípios de Programação do S Capítulo 6: Tratamento de Entradas e Saídas : Objetivo do Tratamento de Entradas e Saídas : Mapeamento de Memória do CLP : Implementação...50 Capítulo 7: Resultados : Condições de Obtenção dos Resultados : Visualização do Funcionamento...87 iv

7 7.3: Resultados Obtidos...87 Capítulo 8: Conclusões...90 Bibliografia:...92 Anexo A Instruções STL utilizadas...93 v

8 Capítulo 1: Introdução Os Campos de Produção de Óleo de Caratinga e Barracuda estão localizados na parte central da Bacia de Campos, onde a lâmina d água atinge 1040 metros. O Projeto das Plataformas P-43 / Barracuda e P-48 / Caratinga consiste da construção de duas plataformas FPSO (Floating Production, Storage and Offloading Units) para processar bpd (barris por dia) de óleo cru e Nm 3 /d (metros cúbicos por dia nas condições normais de temperatura e pressão) de gás natural cada uma. Estas plataformas são responsáveis pela extração de um total de 45 poços (26 para P-43 / Barracuda e 19 para P-48 / Caratinga). Nestas refinarias flutuantes, onde a primeira fase do refino é executada, o petróleo dos reservatórios é transportado para a superfície, separado da água, gás e areia que o acompanham. Fig. 1.1 Localização dos Campos de Barracuda e Caratinga Estas plataformas exigem um complexo e extenso sistema de controle e supervisão de maneira a promover o funcionamento automatizado do sistema. Uma rede eficiente, com possibilidade de integração a outros sistemas, é uma das ferramentas necessárias ao atendimento deste requisito. 1

9 A rede de controle utilizada nestas plataformas é na verdade um conjunto de redes que atuam em conjunto para garantir segurança e confiabilidade ao sistema. Sua arquitetura e tecnologia foram projetadas para evitar ao máximo que falhas afetem a controlabilidade do sistema. Um exemplo disso são os anéis de comunicação que interligam os painéis remotos aos CLPs: além da redundância, seguem caminhos alternativos na plataforma. São ainda construídos em fibra ótica garantindo segurança nas áreas classificadas, imunidade a ruídos eletromagnéticos e menor perda de pacotes de informação. Outra rede existente, utilizada especificamente para fazer a manutenção preditiva da instrumentação baseada em sinais de 4 a 20 ma, é o protocolo Hart. Há ainda a rede do AFDS (Sistema Endereçável de Detecção de Fogo), responsável pela interligação dos sensores de fogo e gás. O sistema supervisório está concentrado na ECOS (Estação Central de Operação e Supervisão), localizado na sala de controle. O sistema de controle é central e é basicamente formado por 5 CPUs de CLP redundantes, totalizando 10 CPUs. A ECOS é ligada aos CLPs através de uma rede Ethernet. As plataformas P-43 e P-48 fazem parte da categoria das grandes plataformas. Seu sistema de controle possui mais de pontos de E/S. Estes sinais são parte fundamental do sistema de controle da plataforma. O tratamento de sinais de E/S visa prover o sistema de controle de informação vinda do campo de uma maneira padronizada, realizando funções de temporização, bypass de entrada e travamento de estado (selo de alarme). A saída do sistema é igualmente tratada, dando ao operador do sistema a flexibilidade de sobrescrever os bits da lógica do intertravamento, através do supervisório. Uma dificuldade em implementar tal sistema está no fato de a linguagem disponível para programação ser de baixo nível. Para fazer a varredura (scan) de todos os bits teve-se de utilizar um ponteiro especial que dá informação de endereço e comprimento de área. Além disso, o fato de se utilizar temporização (na verdade, um atraso no sinal) cria uma dificuldade adicional que será explicada no capítulo específico. Nos capítulo 2, será feita a descrição do papel da Unicontrol no projeto, principalmente do escopo de suprimento. 2

10 No capítulo seguinte, algumas características construtivas das plataformas serão descritas, assim como uma visão geral do processo. No quarto capítulo, a arquitetura das redes de controle será mostrada. As particularidades de cada uma e sua importância no alcance do projeto. No quinto capítulo, as características do hardware serão mostradas, assim como as de software. Alguns conceitos básicos do CLP utilizado serão mostrados para que no sexto capítulo seja caracterizada a implementação propriamente dita. No sétimo capítulo serão apresentados os resultados obitidos e será discutida a solução adotada. No oitavo e último capítulo, serão expostas as conclusões acerca do trabalho realizado. 3

11 Capítulo 2: Unicontrol no Projeto O projeto de construção das plataformas Barracuda e Caratinga P-43 / P-48 teve início com a abertura da licitação. A Petrobras não constrói as plataformas mas contrata empresas competentes para fazê-lo. A vencedora da licitação para a construção foi a empresa KBR, ligada à americana Halliburton. A KBR recebeu da Petrobras um contrato de cerca de U$ 1,3 bilhão para ser usado na perfuração dos poços e construção das duas plataformas. Devido à magnitude do projeto, e à diversidade de tarefas envolvidas na construção, nem todos os serviços são realizados pela ganhadora da licitação (Tabela 2-1). Outras empresas são usualmente contratadas para tarefas mais específicas como por exemplo a automatização das plataformas. Neste contexto, a Unicontrol foi então escolhida pela KBR para ser a responsável pela automação da plataforma. Tabela 2-1 Ordem de Contratação das Empresas Produção de Petróleo Construção da P-43 e P-48 Automação O papel da Unicontrol envolveu o suprimento de todo o equipamento e serviços para a ECOS (Estação Central de Operação e Supervisão), incluindo: 11 painéis de E/S remotos com grau de proteção IP54. 4

12 12 painéis de E/S remotos com grau de proteção IP km de fibra ótica (halogen free para evitar propagação de incêndio). CLPs para todos os subsistemas de controle e painéis de E/S, num total de 10 CPUs e 1750 cartões de E/S. 8 estações de trabalho e 2 servidores. 19 microcomputadores e notebooks para manutenção, administração e aplicações de terceiros. Sistema de detecção de Fogo & Gás (AFDS). A Unicontrol cobriu as áreas de engenharia, manufatura, compra, desenvolvimento de software e comissionamento. Toda a parte de engenharia foi concentrada no Brasil já que a Halliburton / KBR e Petrobras têm seus centros de operação para este projeto no Rio de Janeiro. A compra dos equipamentos foi feita através do escritório da Unicontrol em São Paulo. Os painéis com grau de proteção IP54 (proteção contra poeira e projeções d água) foram usados para áreas não-classificadas enquanto os painéis IP65 (proteção total contra poeira e contra jatos d água), tiveram de ser projetados e manufaturados pela Unicontrol, com o processo de certificação feito no Brasil. Estes foram posteriormente enviados à Singapura, local da construção naval da P-43, conforme a necessidade. Toda a programação do CLP, desde a análise das matrizes de causa-efeito até o desenvolvimento, aprovação e implementação dos blocos de função estão sob a responsabilidade da Unicontrol. A Arquitetura de Controle por Unidade de Processo (MCPU) divide a segurança e as funções do processo de qualquer unidade em cinco grupos: Controle do Processo (Control), Fogo & Gás (F&G VAC), Utilidades da Embarcação (Vessel), Gerenciamento de Energia (Electrical) e Desligamento de Emergência (ESD). Cada grupo funcional é implementado na configuração do seu próprio hardware redundante. 5

13 O uso da Arquitetura MCPU resulta em cada unidade do processo sendo controlada por até cinco controladores diferentes, cada um responsável por um dos grupos funcionais descritos acima. Neste sentido, a perda de parte da funcionalidade em algum grupo funcional não significará que a plataforma como um todo será afetada. Devido à configuração por funções, a cada dispositivo inteligente é permitido comunicar-se com os elementos instalados em cada área de processo da plataforma. Para garantir maior confiabilidade ao sistema, todos os serviços diretamente envolvidos com a ECOS (Estação Central de Operação e Supervisão) estão também sob a responsabilidade da Unicontrol. Isto inclui: Todo o projeto, desenvolvimento e implementação de todos os aspectos de engenharia da ECOS. Todos os serviços de campo, da instalação ao comissionamento, startup, operação assistida e treinamento. Interligação a outros pacotes já instalados, garantindo sua total integração à ECOS. 6

14 Capítulo 3: Características Construtivas das Plataformas Quanto às plataformas, esta é a primeira vez que duas plataformas estão sendo construídas em dois lugares diferentes (Singapura e Brasil) para iniciar a produção quase que simultaneamente. A P-48 está sendo construída no estaleiro Bras Fels em Angra dos Reis RJ. A parte de construção naval da P-43 foi quase que totalmente realizada em Singapura, no Estaleiro Jurong. Isto devido à inexistência, no Brasil, de um outro dique seco que comportasse o seu porte (337 m de comprimento). Atualmente, a P-43 encontra-se no Estaleiro Mauá-Jurong em Niterói RJ em fase de comissionamento e instalação dos módulos. As plataformas P-43 e P-48 são resultado da conversão de antigos navios petroleiros em plataformas e são mais um passo da Petrobras em busca da autosuficiência no mercado de petróleo. Juntas ambas podem produzir 300 mil barris de petróleo por dia. Os petroleiros utilizados nestas plataforamas não poderiam mais ser utilizados no transporte de petróleo pelo fato de possuírem casco simples (normas ambientais internacionais não permitem mais a utilização deste tipo de navio nesta atividade). Foram então transformadas em FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading), unidades flutuantes que produzem, separando o óleo da água e areia, armazenam até um certo limite e depois descarregam o óleo produzido em outro navio de transporte. São versáteis devido a sua capacidade de locomoção, feita através de rebocadores, e por não precisarem de dutos ligando-as à terra para o escoamento a produção. A FPSO P-43, por exemplo, tem uma capacidade de armazenamento máxima maior do que 1,5 milhão de barris, o que equivale a aproximadamente a 75% da média diária de produção da Petrobras em 2003, que foi de bpd [1]. A produção esperada da plataforma é de 150 mil bpd, ou seja, pode ficar aproximadamente 10 dias em produção continuada sem descarregamento. No entanto, quando estiver em funcionamento, prevê-se que o descarregamento da produção se dará a cada 7 dias durando dois dias. A capacidade de bombeamento máxima, da P-43 para o navio de transporte, é superior a 60 mil barris por hora. 7

15 Fig. 3.1 Stena Continent: Navio convertido na P-43 Fig. 3.2 P-43 chegando de Singapura (sem os módulos superiores) 8

16 3.1: Características do Óleo O óleo a ser produzido em Barracuda tem um API de 26º, o que caracteriza um óleo pesado, típico da Bacia de Campos. Seus valores de viscosidade são de 30,0 cp (30º C); 21,0 cp (50º C) e 15,7 cp (60º C). O início do deposição de parafina ocorre a 15º C. 3.2: Visão Geral do Processo Numerosos poços alimentam as FPSOs de Barracuda e Caratinga (26 poços do campo de Barracuda para a P-43 e 19 do campo de Caratinga para a P-48). Estes poços são ligados ao navio através de dutos flexíveis (risers). Existem também as linhas que fazem a transmissão dos sinais de controle chamadas de umbilicais. O controle de abertura do poço é feito através de acionamento hidráulico pela árvore de natal 1 molhada, ou seja, localizada no fundo do mar. O óleo extraído chega à plataforma e passa pelo manifold 2. Neste local existe um conjunto de tubulações grandes proporções, preparadas para receber o petróleo vindo dos poços. Existem na plataforma três manifolds: dois de produção e um de testes do óleo produzido. Os testes são necessários para verificar se óleo encontra-se dentro dos padrões esperados para aquela região e para analisar o efeito dos métodos de elevação artificial na composição do óleo. Isto inclui a relação água / óleo e a quantidade de areia. O óleo vindo dos manifolds de produção é então encaminhado aos separadores para a retirada de água e gás (Fig. 3.3). A separação neste caso dá-se por decantação: a água, assim como algumas impurezas presentes no óleo, mais densas, tendem a descer enquanto o óleo e o gás, menos densos, tendem a subir. A água retirada não pode ser simplesmente descartada. Ela passa por um processo de filtragem no hidrociclone e é depois descartada. 1 Árvores de natal são conjuntos de conectores e válvulas usadas para controlar o fluxo dos fluidos produzidos ou injetados, instalados em cima da cabeça do poço. 2 Manifold é um equipamento de passagem e de manobra da produção, onde o óleo é agrupado em um mesmo coletor. 9

17 Deste separador inicial, o óleo segue para o desidratador de óleo e depois para o tratador eletrostático. O tratador eletrostático retira as impurezas restantes ainda presentes que não saíram por decantação. Deste, o óleo segue até os separadores atmosféricos para a retirada do restante do gás. Já sem água e sem gás, o óleo pode ser armazenado nos tanques de estocagem do navio. Uma parte do gás pode ser utilizada na elevação artificial por gas lift. Existem vasos para armazená-lo já que o gás é o combustível utilizado para a geração de energia na plataforma. O excesso de gás é queimado no flare. Ainda existem processos auxiliares para a desidratação de gás. Fig. 3.3 Fluxo de Processo 10

18 Capítulo 4: Arquitetura Geral das Redes de Controle O bom funcionamento da automação da plataforma é diretamente dependente das redes de comunicação entre os sensores, controladores e atuadores. Um bom projeto de engenharia é essencial neste caso que envolve mais de pontos de entrada e saída. É evidente que esta quantidade de sinais não pode ser ligada diretamente a módulos de E/S na sala de controle a quantidade de cabos torna praticamente impossível esta abordagem. A arquitetura preocupouse então em distribuir o controle usando painéis remotos com estes cartões de E/S deixando a comunicação com o controlador central sob responsabilidade de uma rede Profibus DP. Desta maneira, reduz-se a fiação e permite-se que os instrumentos fiquem fisicamente mais próximos de seus cartões de integração. Garante-se desta maneira maior confiabilidade ao sistema e maior resistência a falhas. O controle da plataforma é feito centralmente, a partir de CLPs localizados em uma sala de painéis ao lado da sala de controle. Mais especificamente, é realizado por 5 CLPs Siemens S7-400 redundantes alimentados por uma fonte de alimentação da mesma série. Cada um destes CLPs é responsável por uma função de controle, os chamados subsistemas de controle. Estão presentes na plataforma os seguintes subsistemas de controle: Emergency Shutdown Subsystem (Sistema de Desligamento de Emergência) composto por duas CPUs de CLP redundantes. Vessel Control Subsystem (Sistema de Controle de Utilidades da Embarcação) composto por duas CPUs de CLP redundantes Electrical Control Subsystem (Sistema de Controle Elétrico) composto por duas CPUs de CLP redundantes. Fire & Gas Subsystem (Sistema de Contenção de Fogo & Gás) composto por duas CPUs de CLP redundantes. 11

19 Process Control Subsystem (Sistema de Controle de Processos) composto por duas CPUs de CLP redundantes. Além destes, existem outros dois CLPs, também redundantes, totalizando quatro CPUs, que fazem o controle do Sistema de Gerenciamento de Energia e do Gerador de Emergência. Estes dois sistemas não estiveram sob responsabilidade da Unicontrol e não serão abordados neste trabalho. 4.1: Acesso aos Dados Remotos A comunicação entre os instrumentos de campo e os CLPs é feita através de subredes que estão associadas a cada um dos subsistemas que formam o sistema de controle (Emergency Shutdown ESD; Vessel Control VCS; Electrical Control ECS; Fire & Gas FGV; Process Control PCS). Cada subsistema da plataforma possui seus próprios pontos de entrada e saída. A arquitetura básica é formada por painéis de entrada e saída remotos, localizados no campo, próximos aos instrumentos, que centralizam a coleta e distribuição dos dados. Todos os instrumentos automatizados são ligados a estes painéis. Nestes painéis estão alocados cartões de E/S digitais e analógicos, responsáveis pela transformação dos sinais, da série Siemens S7-300 e uma fonte alimentadora. Desta maneira os sinais podem ser endereçados pela CPU S7-400 (controlador central) e utilizados nas rotinas de controle. Os sinais de um mesmo subsistema são agrupados em um mesmo módulo de interface chamado IM. Deste módulo existe uma ligação a um conversor OLM elétrico / ótico. Existem usualmente duas abordagens em relação à redundância no campo. Uma delas prevê a duplicação do I/O, isto é, a utilização de dois instrumentos de campo para a leitura do mesmo sinal. Outra se utiliza da redundância do meio de transmissão. Para escolher uma ou outra deve-se levar em conta os custos de engenharia. Foi devido ao grande número de instrumentos de campo que a segunda opção foi escolhida. Os cabos redundantes percorrem caminhos diferentes na 12

20 plataforma para garantir maior segurança. Isto porque, caso houver rompimento de um deles, não necessariamente o outro se romperá. Esta rede redundante utiliza o protocolo Profibus DP e interliga painéis e controladores centrais. 4.2: Rede Profibus DP No caso do acesso aos dados dos painéis, é utilizada a rede Profibus DP, considerada uma das redes de campo de mais rápidas e confiáveis disponíveis atualmente. É um formato de troca de mensagens especificamente projetado para acesso serial às entradas e saídas. O sufixo DP (decentralized periphery) refere-se à periferia descentralizada, que é usado para descrever a arquitetura de E/S distribuído com controle centralizado. No caso das plataformas, como já dito anteriormente, é imperativa a utilização de um barramento de campo como este. Com mais de pontos de E/S, seria impossível ligar todos os dispositivos diretamente aos controladores centrais, usando um par de fios para cada dispositivo como no modo mais usual. Os problemas de cabeamento seriam evidentes, tanto na quantidade como na qualidade das conexões, trazendo muitos problemas ao controle devido a falhas. O protocolo permite que os dispositivos de E/S sejam conectados aos seus respectivos controladores centrais por apenas um par de fios. O Profibus DP utiliza um mestre no barramento para controle de acesso ao cabo serial RS-485. Um escravo Profibus DP é qualquer dispositivo periférico que processa informação e envia sua saída ao mestre. O escravo é uma estação passiva na rede já que não tem direito a aceso ao barramento e pode apenas enviar sinais de reconhecimento de mensagens recebidas ou enviar mensagens de resposta ao mestre sob requisição. Todos os escravos Profibus têm a mesma prioridade e toda a comunicação da rede se origina do mestre. A CPU S7-400, utilizada no controle central, suporta a utilização do protocolo Profibus DP e possui uma entrada específica para este protocolo. No caso da rede utilizada na plataforma, esta CPU faz o papel de mestre de comunicação. Os mestres são as estações ativas na rede. Eles determinam a velocidade de transmissão e os escravos detectam automaticamente esta taxa. Os mestres lidam com o envio e recebimento de dados 13

21 de seus escravos e agem como os controladores na troca de informação de E/S com seus escravos, fazendo uma atualização cíclica dos dados. Os mestres podem acessar escravos de maneira individual, de maneira grupal (multicast) ou podem endereçar escravos de maneira geral para todos os escravos conectados (broadcast). Os escravos retornam respostas para todos as mensagens endereçadas individualmente a eles. Eles não respondem a um multicast ou um broadcast de um dispositivo mestre. Devido ao fato de o Profibus DP usar um algoritmo que permite o acesso ao barramento de maneira cíclica (periódica) ele é um protocolo determinístico. Isto significa que o sistema Profibus garante um tempo máximo de ciclo no qual todos os dispositivos serão atualizados. De fato, a rede Profibus DP foi projetada para ter este comportamento determinístico. Isto garante mais confiabilidade ao sistema pelo fato de nenhum sinal ficar sem ser lido em um tempo determinado, ou seja, não ocorre a postergação indefinida no acesso. Isto é especialmente importante na plataforma pois quase todos os sinais trazem, direta ou indiretamente, informações sobre segurança do sistema. Na Fig. 4.1 pode-se ter uma visão geral do sistema, incluindo as redes Profibus DP e Profibus FMS, que será abordada no próximo item. 4.3: Profibus FMS e Nível Superior de Controle Cada CLP se comunica com seu redundante via enlace ótico instalado na própria CPU. A redundância de hardware é mais uma das características do sistema que visa garantir a segurança do controle. Todo o rack que contém as CPUs é duplicado. Isto inclui as fontes de alimentação, as próprias CPUs (com entradas MPI e Profibus DP), o modulo de comunicação via Ethernet, o módulo de comunicação Profibus FMS e, em alguns subsistemas, os módulos de comunicação via Modbus. O enlace ótico (Fig. 4.2) é a maneira pela qual as CPUs de um mesmo subsistema se comunicam para manter a sincronia das informações e para avisar que a outra deve entrar em ação devido a alguma falha na CPU principal. A este sistema dá-se o nome de hot stand by. 14

22 Fig. 4.1 Arquitetura do sistema de controle principal Todas as CPUs dos 14 CLPs (subsistemas de controle, Sistema de Gerenciamento de Energia e Gerador de Emergência) são interligadas em um anel de fibra ótica que funciona utilizando o protocolo Profibus FMS. Para a utilização desta tecnologia, está acoplado ao rack da CPU S7-400 um módulo Siemens CP443-5 que contém um cartão específico para esta finalidade. Deste módulo existe uma ligação a uma OLM, um dispositivo conversor elétrico / ótico. Este dispositivo possui uma saída elétrica e duas óticas, formando um T que permite a topologia em anel. Desta forma, todas as CPUs do sistema ficam penduradas no anel (Fig. 4.2). A topologia em anel possui uma característica que a torna vantajosa em relação a outras. Em caso de rompimento do cabo em algum ponto, ainda assim a comunicação via Profibus FMS entre as CPUs poderá acontecer, pois existirá um caminho ligando todas elas. 15

23 Fig. 4.2 Redundância dos racks, enlace ótico e rede Profibus FMS A transmissão de dados por uma via Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) é adequada para a transmissão de dados estruturados [2], neste caso entre as CPUs dos CLPs. A grande vantagem do protocolo Profibus FMS é que estruturas de dados podem ser transferidas em um formato neutro (padrão) e então convertidos no formato exigido pelo dispositivo final. O direito de acesso à rede é definido pelo token que é passado de um dispositivo mestre para outro. Os dispositivos escravos só reagem quando requisitados por um mestre. Em termos de funcionalidade de um dispositivo FMS, uma distinção é feita entre: Cliente FMS: requisita um serviço, assumindo que este é um dispositivo mestre. Servidor FMS: fornece o serviço requisitado. Tanto um mestre no Profibus como um escravo podem atuar como servidores. 16

24 Um sistema mestre FMS é formado por dispositivos que tenham, todos eles, capacidade de se comunicar no formato FMS na mesma subrede Profibus. A rede utilizada na plataforma, no nível dos CLPs, é deste tipo. 17

25 Capítulo 5: S7-400 e S7-300 Como exposto anteriormente, o sistema de controle da plataforma é central e realizado pelo CLP Siemens série S7-400, com a CPU 417H. São dez CPUs, cinco delas ativas e cinco em modo stand by. Os módulos de expansão de E/S são da série S Ambas as séries fazem parte da família Simatic Step : Hardware Controlador Central Os CLPs encontram-se nos racks na sala de painéis, ao lado da sala de controle da plataforma. A configuração utilizada pode ser visualizada na Fig Fig. 5.1 Configuração do Rack 5.1.1: Fonte de Alimentação PS 407 É responsável pela alimentação de todos os dispositivos presentes no rack. É capaz de fornecer uma tensão de saída de 5 V DC e 24 V DC dependendo da aplicação. O fornecimento se dá via barramento backplane, localizado na parte de trás do rack. A tensão de entrada pode ser tanto 120 quanto 230 V AC. A PS 407 suporta uma corrente máxima de fornecimento de 10 A e ocupa o espaço correspondente a dois slots no rack. 18

26 A fonte PS 407 possui, em seu painel frontal: Leds para confirmar tensão de saída em conformidade, tensão correta na bateria de backup e led para indicar falha interna; Chave para reconhecimento de falha; Compartimento para bateria de backup; Chave para ativação do monitoramento da bateria; Seletor de tensão de entrada; Conexão com plug de 3 pinos. Fig. 5.2 PS 407 Tabela 5-1 Especificações Técnicas PS A R Especificações Técnicas PS A R Entrada Tensão de Entrada 110 / 230 VDC Tensão Classificada 120 / 230 VAC 88 até 300 VDC Tensão Permitida 85 até 264 VAC Freqüência do Sistema Freqüência Classificada 50 / 60 Hz Freqüência Permitida 47 até 63 Hz Saída Tensão de Saída (Valores Classificados) 5 / 24 VDC Corrente de Saída (Valores Classificados) 5 VDC: 10 A / 24 VDC: 1,0 A 19