Maria Auxiliadora Muanis Persechini, Luiz T. S. Mendes Departamento de Engenharia Eletrônica Universidade Federal de Minas Gerais

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1 PLATAFORMA INTEGRADA PARA ENSINO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Maria Auxiliadora Muanis Persechini, Luiz T. S. Mendes Departamento de Engenharia Eletrônica Universidade Federal de Minas Gerais s: dora@cpdee.ufmg.br, luizt@cpdee.ufmg.br Abstract This work reports the process of integrating the laboratory facilities used for the teaching of control and automation, by means of a PIMS (Plant Information Management System). We first review the typical architectures of control and automation systems from its classical, hierarchical structure standpoint, as well as the relevance of data historians in industry. Three different pilot plants, composed by sensors, actuators, programmable logic controllers and supervisory systems, were selected to be integrated through the PIMS; then, based on the specific features of those pilot plants, we obtained the functional requirements for integrating them with the historian. A discussion on the didactic potential of the integrated platform closes the work. Keywords Control and automation teaching; Systems Integration; Data Historians. Resumo Nesse trabalho descreve-se o processo de integração dos laboratórios de ensino de controle e automação através do uso de um PIMS (Plant Information Management System). Inicialmente são revistas as diferentes arquiteturas de sistemas para controle e automação, organizadas de acordo com a pirâmide de automação, e a relevância do emprego de historiadores de dados. Três diferentes plantas-piloto, compostas por sensores, atuadores, Controladores Lógicos Programáveis e sistemas de supervisão, foram então selecionadas para integração através do PIMS. A partir das características das plantas-piloto, foram definidos os requisitos do processo de integração com o historiador. Finalmente, apresenta-se uma análise do potencial didático da plataforma integrada. Palavras-chave Ensino de Controle e Automação; Integração de sistemas; Historiadores de dados. 1 Introdução A aquisição de competências por meio de experimentos laboratoriais é uma parte importante do ensino de engenharia (Feisel and Rosa, 2005), (Pereira et al., 2012), (Wollenberg and Mohan, 2010). Neste contexto, a realização de experimentos que utilizam plantas-pilotos e de módulos didáticos que reproduzem o ambiente industrial é amplamente utilizada no ensino de técnicas de controle e automação de processos, como pode ser visto em vários trabalhos na literatura (p. ex. Achy et al., 2012; Silva and Érick A. Ribeiro, 2012; Nogueira et al., 2012; Bejan et al., 2009; Moor et al., 2005; Lee and Jung, 2008). Vallim at all (Vallim et al., 2006) afirmam que os engenheiros de controle e automação são aqueles com conhecimento prático e teórico para lidar com diferentes sistemas tais como os mecânicos, químicos, de telecomunicações, elétricos, biológicos e econômicos. Além destes, pode-se incluir sistemas computacionais, de transporte, médicos e fisiológicos, só para citar alguns outros. De um ponto de vista mais amplo, um atributo essencial destes engenheiros é a capacidade de integrar tais sistemas de modo que eles possam ser executados de uma maneira contínua, com uma mínima intervenção humana. De uma forma geral, laboratórios para ensino de controle e automação empregam uma grande variedade e quantidade de recursos, como, por exemplo, computadores e seus aplicativos de software, controladores lógicos programáveis, diferentes redes de comunicação de dados, módulos didáticos, plantas-pilotos e uma diversidade de sensores e atuadores, com a finalidade de permitir o desenvolvimento de atividades práticas que resultem no projeto, na implementação e em testes de diferentes técnicas de controle e de automação. No entanto, muitas destas atividades abordam aspectos isolados, dificultando a integração e a consolidação dos conhecimentos necessários para exercer as competências e habilidades necessárias ao engenheiro de controle e automação. O grande desenvolvimento dos sistemas de informação, com seus computadores e redes de comunicação, é um grande facilitador para a integração dos diferentes sistemas. No entanto, até o início dos anos 1990 os sistemas de controle de processos eram isolados dos sistemas de gestão corporativas. Essa filosofia mudou drasticamente nas últimas décadas, tornando-se imprescindível a troca de informação entre as redes de controle e automação de processos e as redes corporativas (Sopko and Winegardner, 2007). Dessa forma, integrar os sistemas de controle e automação aos sistemas de gestão de informações cria um canal de comunicação bilateral que permite a disponibilização de dados de chão de fábrica (por exemplo, consumo de energia, fluxo de matéria prima, disponibilidade de equipamentos) altamente precisos e atualizados que poderão ser utilizados para uma gestão da manufatura de forma mais efetiva. Tendo em mente os objetivos fundamentais de um laboratório para ensino de engenharia listados em (Feisel and Rosa, 2005), o principal objetivo deste artigo é descrever uma plataforma integrada, composta de algumas plantas-piloto e um sistema 1411

2 de gestão de informações, para a realização de experimentos que permitam o desenvolvimento das seguintes habilidades: Selecionar, operar e modificar equipamentos e ferramentas de software adequadas para os níveis de controle e automação de processos; Reunir informações para fazer julgamentos de engenharia e apresentar soluções para problemas reais de integração de sistemas de controle, automação e gestão de processos; Exercer a criatividade para resolver problemas do mundo real. Para detalhar o processo de integração, este artigo está estruturado da seguinte forma: a seção 2 apresenta as características de diferentes arquiteturas para sistemas de controle e automação, organizadas de acordo com a estrutura hierárquica apresentada na norma ISA-95 (( ANSI/ISA , 2005)Enterprise-Control System Integration). A seção 3 apresenta as características relevantes dos sistemas referidos como PIMS (Plant Information Management System). A seção 4 descreve as plantas-piloto que foram integradas entre si, ao passo que o processo de integração em si é descrito na seção 5. A seção 6 discute o potencial didático da plataforma integrada e, finalmente, na seção 7 são apresentadas as conclusões. 2 Arquiteturas para controle e automação de processos Os sistemas modernos de automação e controle em processos industriais, além das funções óbvias de operação, supervisão e controle das plantas em si, são responsáveis também por diversas outras entre as quais podem-se citar as tarefas de otimização, escalonamento e planejamento. Estes sistemas garantem, entre outros propósitos, que parâmetros adequados sejam medidos, que situações operacionais sejam analisadas, que oportunidades mais lucrativas sejam exploradas, que ações de controle sejam calculadas e implementadas, que os operadores estejam informados e seus conhecimentos e capacidades técnicas sejam aproveitados, que situações anormais sejam identificadas e sanadas, e que, finalmente, todo o negócio relacionado ao processo seja integrado. Os componentes e dispositivos de um sistema de automação executam as funções que são essenciais para a operação segura e eficiente do processo. Mas é a arquitetura do sistema de automação (ou seja, a organização lógica dos componentes associados a infra-estrutura) que, muitas vezes, define as escolhas destes componentes e influencia índices de desempenho como, por exemplo, fiabilidade, qualidade dos produtos, eficiência, escalabilidade e custo. A arquitetura do sistema de automação também define com as aplicações serão integradas, desenvolvidas e mantidas durante seu ciclo de vida (Samad et al., 2007). A escolha de uma arquitetura tem impacto direto de como um processo industrial será controlado. Além disso, a escala e a complexidade dos processos industriais aumenta a importância da arquitetura adotada. Independentemente da arquitetura utilizada, espera-se que um sistema de automação e controle, de forma ampla, seja capaz de controlar, operar, monitorar, supervisionar e gerenciar um determinado processo para atingir objetivos específicos de qualidade, conformidade e custo. Sendo assim, a seleção de uma determinada arquitetura, em detrimento de outras, não é trivial e depende, entre outros fatores, do processo a ser controlado, da instrumentação utilizada, da interoperabilidade dos componentes e da flexibilidade do sistema. Portanto, as soluções irão depender das limitações de cada projeto em particular levando-se em consideração aspectos técnicos, ambientais e financeiros Arquiteturas para automação de processos são normalmente estruturas hierarquizadas e complexas, que tem como principais objetivos (Samad et al., 2007) (1) conceber infra-estrutura, serviços, componentes e seus esquemas organizacionais para melhor exercer as funções de automação; e (2) integrar, de forma coesa, elementos aparentemente díspares em uma eficaz e coerente estrutura. Considerando a chamada pirâmide de automação, Fig. 1, a arquitetura de um sistema de automação de processo define por quais meios as informações serão transmitidas entre os diferentes níveis da pirâmide, assim como dentro do mesmo nível. Figura 1: Representação esquemática da pirâmide de automação É importante observar que, segundo a norma ISA-95, o nível 0 define o processo físico de produção em si. O nível 1 é relativo à medição das variáveis e à atuação no processo, englobando os respectivos sistemas de medição e atuação. O nível 2 define os procedimentos de controle e supervisão do processo de produção, como, por exemplo, lógica sequencial de controle, malhas de controle, sistemas de operação, supervisão e monitoramento. O nível 3, Gestão das Operações de Ma- 1412

3 nufatura (MOM Manufacturing Operations Management), define as atividades de coleta e armazenamento de informações relevantes do processo e do gerenciamento das operações do processo. Finalmente, o nível 4, Planejamento do negócio e Logística (Business planning & Logistics) provê as atividades de gerenciamento do empreendimento, correspondente ao nível denominado ERP (Enterprise Resource Planning). No nível 1 os instrumentos (sensores e atuadores), responsáveis tanto pela medição de variáveis quanto pela atuação nos dispositivos físicos, são dotados de alguma forma de transmissão de dados, o que possibilita a troca de informações entre o nível de instrumentação e o nível de controle. Basicamente, essa transmissão pode ser implementada de duas formas distintas: analógica ou digital. Normalmente a transmissão analógica é orientada a conexões ponto-a-ponto com o nível de controle. A transmissão na forma digital é orientada a conexões via rede com o nível de controle, permitindo, em alguns casos, a comunicação entre os instrumentos da mesma rede. Existe uma grande variedade de redes de instrumentos, como por exemplo Foundation Fieldbus H1, Profibus PA, Hart, só para citar algumas padronizadas pela norma IEC (Industrial communication networks Profiles). Além disso, redes de instrumentos sem fio tem se tornado cada vez mais uma realidade no ambiente industrial (Costa and Amaral, 2012), (Gungor and Hancke, 2009). O nível 2, sob o ponto de vista da arquitetura, pode ser subdividido em nível de controle e nível de supervisão. O nível de controle é onde reside a inteligência para automação do processo, ou seja, é onde são executadas as lógicas de controle sequencial e os algoritmos de controle. Os dispositivos de controle capturam dados de processo dos sensores, executam alguma lógica e, em função da mesma, enviam sinais aos atuadores. Para sistemas de automação, a arquitetura de controle do processo pode ser centralizada ou distribuída. Em uma arquitetura centralizada, as funcionalidades e os algoritmos de controle estão contidos em um único equipamento, como, por exemplo, um Controlador Lógico Programável (CLP) ou equipamentos como single-loops e multiloops. Em uma arquitetura distribuída, como o próprio nome indica, as funcionalidades e os algoritmos de controle estão fisicamente distribuídos entre os diferentes dispositivos e equipamentos que compõem o sistema, como, por exemplo, em um Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD ou DCS - para Distributed Control System) ou um Sistema de Controle via Rede (ou NCS, para Networked Control Systems). Neste último caso, a lógica de controle pode ser executada no próprio instrumento. O nível de supervisão é responsável pela interface homem-máquina (IHM ou HMI - Human Machine Interface), onde as principais funções executadas são a operação, a supervisão e o monitoramento do processo. Essas interfaces variam desde simples displays de texto, painéis gráficos e touchscreens até sistemas do tipo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) e soluções de IHM via web servers. As redes de comunicação utilizadas para transmitir comandos e dados entre os níveis de controle e supervisão são responsáveis, por exemplo, pela integração entre os CLPs e os sistemas do tipo SCADA, podendo incluir outros dispositivos como, por exemplo, remotas de aquisição de dados, balanças totalizadoras, medidores de energia, conversores de frequência, etc. Exemplos típicos são as redes DeviceNet e Profibus-DP ou redes baseadas no padrão Ethernet como, por exemplo, HSE, Modbus/TCP, Ethernet PowerLink e Profinet, entre outras. Independentemente da rede utilizada, a comunicação entre os dispositivos para controle e para supervisão utiliza normalmente uma arquitetura cliente-servidor com padrão de comunicação OPC (OLE for Process Control). No Nível 3, os sistemas de Gestão das Operações de Manufatura são uma coleção de ferramentas de software dedicadas à gestão da criação, do desenvolvimento, da produção e da distribuição de produtos e serviços. Sob o ponto de vista da pirâmide de automação, estes sistemas são responsáveis pela integração entre os níveis de supervisão e controle e o topo da pirâmide, onde são executadas as aplicações corporativas (ERP). A norma ISA-95 estabelece apenas a linguagem comum e modelos para estes sistemas; cabe aos vendedores e integradores desenvolverem e implantarem suas soluções baseadas nestes modelos. Por exemplo, MES (Manufacturing Execution System) e PIMS (Process Information Management System) são sistemas de informação que cobrem diferentes funcionalidades para a gestão das operações da manufatura. Estão ainda incluídos neste nível sistemas de manutenção, sistemas de gerenciamento de ativos, sistemas de gerenciamento e análise de laboratórios (LIMS, para Laboratory Information Management System) e sistemas de gerenciamento de qualidade, entre outros. 3 Historiadores de Dados e PIMS Historiadores de dados (data historians) são uma classe de aplicações proprietárias de software bastante tradicional na indústria de processos, cujos propósitos são (1) coletar, em tempo real, os dados de processos industriais disponíveis nas várias ilhas de automação presentes em uma planta industrial, tais como, mas não se restringindo a, CLPs, sistemas de operação e supervisão (SCADA), instrumentos inteligentes, remotas de aquisição de dados e etc.; (2) arquivar estes dados numa base de dados temporal; e (3) propiciar 1413

4 recursos de extração, análise, correlação e visualização destes dados. O historiador de dados age, assim, não só como um repositório centralizado de dados históricos do processo industrial, mas também como uma importante ferramenta para análise das condições operacionais da planta, determinação de causas-raízes de problemas ligados à manufatura, cômputo de indicadores-chaves de desempenho (os chamados KPIs, de Key Performance Indicator) e etc. Para lidar com o grande volume de dados do processo industrial, gerado rotineiramente com periodicidade da ordem de segundos, os historiadores de dados empregam técnicas sofisticadas de compressão de dados baseadas em algoritmos públicos ou proprietários, permitindo o arquivamento dos dados de processo por longos períodos de tempo (da ordem de uma década) sem perda significativa de precisão. De fato, esta característica de compressão de dados, aliada ao uso de uma base de dados temporal (e portanto nãorelacional), é um dos principais fatores que distinguem os historiadores de dados dos sistemas tradicionais de informações industriais. Por outro lado, a crescente demanda de integração vertical entre o chão-de-fábrica ( níveis 1 e 2 da pirâmide) e o setor corporativo (nível 4 da pirâmide) das organizações industriais, conjugada com a percepção de que os dados presentes nos historiadores de dados possuem um enorme potencial para alavancar a inteligência de negócios das empresas, deu origem ao conceito de PIMS em meados da década de Este é uma ferramenta para gestão de informações de processos industriais no seu mais completo sentido, composta de um historiador de dados em seu núcleo, mas cujo propósito transcende e amplia as funcionalidades tradicionais deste último: o PIMS visa a conversão de dados brutos em informação e, sucessivamente, desta em conhecimento útil (knowledge) sobre o processo industrial, propiciando o aperfeiçoamento dos processos industriais e melhores decisões operacionais, de projeto e de manutenção da planta industrial. A utilização de PIMS nas plantas industriais, em especial em indústrias de médio a grande porte, tem se tornado crescente no decorrer das últimas duas décadas, com resultados satisfatórios em variados aspectos como, para citar apenas alguns exemplos, o suporte a melhores decisões de negócio (Becerra and Palacios, 2003; Huff and Mynster, 2004), o emprego de dados históricos para validar as condições atuais de funcionamento de sensores (Eren, 2012), a obtenção de conhecimento sobre o processo (Bassett, 2012), a otimização de malhas de controle (Oliveira et al., 2013) e o suporte à manutenção (Souza et al., 2009). 4 Descrição das plantas-piloto Os Laboratórios do Departamento de Engenharia Eletrônica da UFMG contam com diversos recursos como plantas-piloto e módulos didáticos para ensino de técnicas de controle e automação. Estes recursos visam reproduzir características reais de processos industriais e são utilizados em diversas atividades didáticas e de pesquisa. Entre as plantas-piloto existentes, três foram selecionadas para serem integradas entre si por meio de um PIMS; tais plantas, que abrangem os níveis 0, 1 e 2 da pirâmide de automação apresentada na Fig. 1, são descritas a seguir. 4.1 Estufa O objetivo dessa planta-piloto é reproduzir um sistema térmico e permitir o projeto e a implementação de controladores que possam ser executados em um CLP, além de poder ser utilizada para estudos relacionados à comunicação e integração de dados, assim como a configuração de sistemas de supervisão. A planta estufa, Fig. 2, é composta por uma caixa metálica, um módulo eletrônico para filtragem, condicionamento e transmissão de sinais, e uma fonte de alimentação. Figura 2: Detalhes da Planta Estufa Dentro da caixa metálica estão instalados um sensor de temperatura e uma lâmpada, utilizada como elemento de aquecimento do ar no interior da caixa. A variação de temperatura da estufa ocorre por meio da dissipação de calor emitida pela lâmpada. O módulo eletrônico serve de interface entre a Estufa e um CLP e é composto por um circuito sensor e um circuito atuador. O circuito sensor capta a temperatura por meio de um elemento sensor (LN35) e, após a filtragem e condicionamento do sinal, o valor da temperatura é transmitido por um sinal analógico com faixa de variação de 0 a 10V, correspondente a 0 a C. Este sinal analógico é conectado a um cartão de entradas analógicas do CLP. O circuito atuador, conectado ao cartão de saídas analógicas do CLP, recebe um sinal analógico de 0 a 10V, que, por sua vez, alimenta um circuito do tipo PWM para modelar a largura de pulsos correspondentes ao tempo de ligamento e desligamento da lâmpada. 1414

5 Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Dessa forma, a pote ncia me dia entregue a la mpada varia de acordo com o sinal enviado pelo CLP. O CLP utilizado nessa planta e composto por uma CPU 315F-2PN/DP, fonte, um carta o misto de entradas e saı das analo gicas e um carta o misto de entradas e saı das discretas fabricado pela Siemens AG. O CLP e conectado a um computador via porta Ethernet. Neste computador sa o executados os aplicativos de configurac a o e programac a o do CLP e um sistema de supervisa o do tipo SCADA, Genesis32, fabricado pela Iconics. A comunicac a o entre o CLP e o sistema de supervisa o e baseada no padra o de comunicac a o cliente/servidor OPC. CLP tambe m e realizada por um software especı fico, e a comunicac a o com o computador e realizada por meio da porta serial RS232 com o uso do protocolo Modbus. Neste caso, tambe m e utilizado um servidor OPC para disponibilizar os dados do CLP aos aplicativos no computador. No computador, ale m dos aplicativos de programac a o e configurac a o do CLP e dos instrumentos, e executado um sistema de supervisa o do tipo SCADA, Genesis32, fabricado pela empresa Iconics, que atua como cliente OPC. Maiores detalhes sobre a planta-piloto podem ser encontrados, por exemplo, em (Carvalho, 1998) e (Persechini and Jota, 2013) Sistema de tanques - STEC-NVT O STEC-NVT, ou sistema de tanques para estudo de controle de nı vel, vaza o e temperatura, visa a reproduc a o de situac o es reais de um processo industrial contı nuo, instrumentado com equipamentos comerciais e aplicac o es de software que sa o comumente usadas nas indu strias. Esta plantapiloto permite, entre outros, estudos de te cnicas avanc adas de controle; de redes de instrumentos de campo; de sistemas de controle distribuı dos e arquiteturas complexas de controle e automac a o. A planta-piloto, Fig. 3, conta com diversos instrumentos interligados por uma rede Foundation Fieldbus H1, ou simplesmente rede FF, para medic a o de nı vel, vaza o e temperatura, e para acionamento de va lvulas pneuma ticas. Ale m disso, e utilizado um CLP (LC700 fabricado pela SMAR) responsa vel pelo acionamento de bombas para circulac a o da a gua entre os tanques, de uma resiste ncia de aquecimento, e por intertravamentos de seguranc a operacional. Mo dulo de instrumentac a o, controle e automac a o O Mo dulo de Instrumentac a o, Controle e Automac a o (MICA) e um equipamento de bancada constituı do pelos principais elementos de sistemas de automac a o industrial, como sensores e atuadores e um CLP. Conectado a um computador via rede Ethernet, permite uma abordagem integrada para estudo de instrumentac a o, controle e automac a o. E particularmente utilizado para o ensino das diferentes linguagens de programac a o de CLPs previstas na norma IEC e de aplicac o es para operac a o e supervisa o de processos. Ale m disto, e utilizado para estudos de te cnicas avanc adas de programac a o de CLPs. O MICA, Fig. 4 conte m um CLP modelo CompactLogix 1769-L32E, de fabricac a o Rockwell Automation, com carto es de entradas e saı das analo gicas e digitais. Figura 4: Detalhes do Mo dulo de Instrumentac a o, Controle e Automac a o (MICA) Figura 3: Detalhes da Planta Piloto STEC-NVT O mo dulo conta ainda com um disco girato rio de alumı nio, controlado por um servo motor, um conjunto de tre s sensores capacitivo, fotoele trico e indutivo, tre s sinalizadores luminosos a LED e uma sirene, ale m de uma botoeira liga/desliga conectada a um contator. A conexa o entre o CLP e o computador pode ser realizada via rede Ethernet ou via porta serial RS232-C. Diferentes aplicativos de software fornecidos pelo fabricante do CLP permitem a programac a o do CLP e a comunicac a o com sistemas externos meio de um servidor OPC. A configurac a o da rede FF e feita em um computador por meio de um software especı fico e enviada aos instrumentos. A comunicac a o entre o computador e a rede FF e realizada por um dispositivo DFI302 (Fieldbus Universal Bridge) que conecta a rede FF a rede Ethernet. Todas as informac o es disponı veis nos instrumentos podem ser acessadas por aplicativos de supervisa o, por meio de um servidor OPC. A programac a o do 1415

6 Por fim, um sistema SCADA (Wonderware In- Touch) da empresa Invensys Inc. é utilizado para o desenvolvimento dos aplicativos para operação, monitoramento e supervisão do programas executados no CLP. Maiores detalhes sobre o MICA podem ser encontrados em (Braga et al., 2008). Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática 5 Plataforma de integração das plantas-piloto Sob o ponto de vista da pirâmide de automação, as plantas-piloto (descritas na seção anterior) são dotadas de servidores e clientes OPC estabelecendo a comunicação ponto-a-ponto entre os sistemas de supervisão e os dispositivos de controle, seja por rede Ethernet ou porta serial. No entanto, as três plantas encontram-se isoladas umas das outras, impossibilitando a integração das informações e a aplicação de ferramentas adequadas para a gestão das operações de manufatura. Portanto, o objetivo da integração é estabelecer uma plataforma que permita a centralização de dados das três plantas-piloto em um historiador por meio da implementação de uma rede única de comunicação. Para isso, executando as funções de um PIMS, é utilizado o software PI System (OSIsoft, 2013), que, assim como a maioria dos historiadores de dados disponíveis no mercado, fornece um grande acervo de aplicativos que possibilitam o armazenamento e a análise de grandes volumes de dados. Para o projeto da arquitetura da plataforma integrada foram definidos dois aspectos fundamentais, ou seja, as estruturas de hardware e de software, de forma a estabelecer a comunicação entre as plantas-piloto e o PIMS. A figura 5 detalha a estrutura de hardware adotada para a integração da plataforma. Neste caso, a opção foi estabelecer uma rede comum interligando as plantas-piloto ao PIMS, de forma a intervir o mínimo possível na arquitetura já existente em cada planta-piloto. Dessa forma, utilizou-se a estrutura física da rede Ethernet da Escola de Engenharia da UFMG para interconectar o computador responsável pelas aplicações do PIMS, denominado Servidor PI, os CLPs e os computadores das plantas Estufa e MICA por meio de um roteador. No caso específico da planta STEC, como é preciso disponibilizar os dados tanto do CLP como dos instrumentos da rede FF, optou-se por instalar uma nova placa de rede no computador, conectando-se a mesma ao roteador. Estabelecida a rede física de comunicação, a estrutura de software é definida como mostra a figura 6. O PIMS encontra-se instalado no Servidor PI e, neste, foram configuradas quatro interfaces lógicas de comunicação para que fosse possível estabelecer, por meio do padrão OPC, a conexão de dados entre o PIMS e as plantas. Além disso foi instalado, nos computadores supervisórios de cada uma das quatro fontes de dados (ou seja, rede FF Figura 5: Estrutura de hardware para integração da plataforma do STEC e CLPs das plantas ESTUFA, MICA e STEC), um módulo cliente OPC PI System para comunicação entre este e os servidores OPC das plantas. Em outras palavras, o PIMS emprega quatro clientes OPC, instalados nos computadores supervisórios das plantas, para adquirir os dados de processo disponíveis nos servidores OPC das mesmas. Detalhes específicos das configurações destas interfaces podem ser encontradas em (Santos, 2013). Figura 6: Estrutura de software para integração da plataforma Com a integração das plantas-piloto ao PIMS, é possível definir neste último diversas aplicações correspondentes ao nível 3 da pirâmide de automação. Como mostra a figura 7, uma das aplicações desenvolvidas permite o acesso aos dados históricos de todas as três plantas através de um único ambiente. Essa aplicação validou a estratégia de integração e mesmo que, por enquanto, apenas aplicações de testes tenham sido desenvolvidas, o potencial de desenvolvimento é muito grande, como é apresentado na seção a seguir. Figura 7: Tela inicial da plataforma integrada 1416

7 6 Potencial Didático da Plataforma Integrada A integração de diferentes plantas-piloto com um PIMS estabelece as bases para o desenvolvimento de diversas atividades práticas que permitem o aprimoramento das competências e habilidades necessárias a um engenheiro de controle e automação. Por meio do estudo dos elementos da plataforma é possível identificar as funcionalidades dos diferentes níveis da pirâmide de automação, analisar e comparar as ferramentas de software, os equipamentos e os instrumentos utilizados em cada nível. Para isso contribui o fato da utilização de diferentes ferramentas para realizar funções similares. Por exemplo, os CPLs e os sistemas de supervisão são de diferentes fabricantes em cada plantapiloto, sendo todos estes de uso corrente na indústria. Essa característica fortalece o aprendizado de conceitos fundamentais e normatizados, em detrimento de especificidades de um ou de outro fabricante. O mesmo vale para os sensores e atuadores que utilizam tecnologias diferentes (por exemplo, instrumentação analógica na Estufa e no MICA e instrumentação digital em rede no STEC), e que podem ser analisados e comparados tanto sob o ponto de vista do princípio de funcionamento quando do método de transmissão de dados. Além disso, as plantas-pilotos mantêm suas características individuais onde é possível configurar, operar e desenvolver projetos de controle. Dessa forma, os estudantes ficam aptos a selecionar, operar e modificar equipamentos e ferramentas de software adequadas para os níveis de controle e automação de processos. As características de maior potencial desta plataforma são a capacidade de armazenamento de dados do historiador e a possibilidade de desenvolvimento de aplicações que cobrem o nível 3 da pirâmide de automação, incluindo aplicações de controle e automação via web. Os dados do historiador são armazenados em bancos de dados temporal e podem ser apresentados em forma de gráficos de tendência, relatórios ou ainda exportados para bancos de dados relacionais. A estrutura de comunicação cliente-servidor OPC, associada às informações contidas nos bancos de dados, possibilita o desenvolvimento de aplicativos para, por exemplo, reconciliação de dados, controle estatístico de processo e funções de correlação, cálculo e análise de índices de desempenho, e técnicas avançadas de otimização e controle de processos. Portanto, os estudantes poderão reunir informações para fazer julgamentos de engenharia e apresentar soluções para problemas reais de integração de sistemas de controle, automação e gestão de processos. 7 Conclusão A plataforma integrada para ensino de técnicas de controle e automação é composta por diferentes sistemas, resultando em uma arquitetura complexa e hierarquizada. A integração dos componentes seguiu a hierarquia proposta pela norma ISA-95 para sistemas de automação e resultou em uma estrutura coesa e eficaz. O processo de integração ampliou as possibilidades de uso didático das plantas-piloto, mantendo suas características individuais. A plataforma integrada possibilita o fluxo de dados entre os diversos níveis da pirâmide de automação e cria um ambiente para o desenvolvimento de projetos que favorecem a aprendizagem de um amplo escopo de temas nas áreas de controle e automação. Dessa forma, a utilização dos recursos da plataforma contribui com a formação de engenheiros em sintonia com as tecnologias mais recentes nas áreas de controle e automação, e incentiva o exercício da criatividade na resolução de problemas do mundo real. Por fim, a plataforma integrada permitirá aos alunos do curso de Engenharia de Controle e Automação o contato direto com uma ferramenta de gestão de informações de processos industriais amplamente utilizada no mercado, bem como o desenvolvimento de experimentos que possibilitem uma visão integrada da pirâmide de automação, especialmente no que concerne ao fluxo de dados entre os níveis de gestão e de controle. Este contato e experimentos são, na opinião dos autores, insubstituíveis para a formação de um engenheiro de controle e automação. Referências Achy, A., de Barros Fontes, A., Garcia, M. R. S. and Lepikson, H. (2012). Avaliação de técnicas de controle utilizando uma plataforma multivariável de controle de nível desenvolvida para o ensino e pesquisa, XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA ANSI/ISA (2005). Enterprise control system integration part 3: Activity models of manufacturing operations management, ISA- The Instrumentation, Systems and Automation Society. Bassett, R. R. (2012). Historian best practices: distilling the truth, Automation World pp Becerra, K. and Palacios, G. (2003). Converting raw data into information - the CEMEX PIMS approach, Cement Industry Technical Conference, Conference Record. IEEE- IAS/PCA Bejan, C., Iacob, M. and Andreescu, G. (2009). SCADA automation system laboratory, ele- 1417

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