UTILIZAÇÃO DE CLP S E SISTEMAS DE SUPERVISÃO NAS REDES INDUSTRIAIS

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1 UTILIZAÇÃO DE CLP S E SISTEMAS DE SUPERVISÃO NAS REDES INDUSTRIAIS Antônio Pereira de Araújo Júnior, Christiano Vasconcelos das Chagas Raphaela Galhardo Fernandes DCA-CT-UFRN Natal - RN Resumo Este artigo mostra um breve comentário sobre a utilização de CLP s e sistemas de supervisão em aplicações industriais e as suas principais características quando vinculadas a uma rede undustrial.. Além disso, descreve as IHMs e a padronização das redes de comunicação industrial. Palavras Chaves: redes industriais, CLP, sistemas de supervisão. 1. Introdução Nos últimos anos, a automação industrial buscou essencialmente a eliminação a intervenção da atividade humana em um processo de produção, principalmente na operação de máquinas de produção ou no controle que envolvam váriaveis mensuráveis importantes para a obtenção do produto final. Mesmo substituindo a mão-de-obra ou extinguindo funções dentro de uma fábrica, a automação de uma indústria é indicada sempre quando detecta-se a necessidade de torná-la mais produtiva, além de promover a reciclagem do funcionário que trabalhava em processos repetitivos e de quem se exigia um certo grau de precisão. Essa substituição é necessária pois, no mundo competitivo de hoje, uma companhia deve ser eficiente, manter boa relação custo-benefício e ser flexível para sobreviver. Isso tem gerado um grande aumento na demanda de sistemas de controle industriais para as indústrias de manufatura e processos, fazendo com que otimizem as operações que envolvam velocidade, confiabilidade, versatilidade e fluxo de produção. As formas mais antigas de automação, tais como sistemas lógicos computaveis e relés foram amplamente utilizados mas, por apresentarem limitações e desvantagens, estes vêm sendo substituídos com sucesso pelos Controladores Lógicos Programáveis(CLP's) e as Interfaces Homem- Máquina (IHM's). Neste artigo será abordada a forma de automação que utiliza CLP's, além de descrever um pouco sobre IHM's. Uma forma comum de IHM consiste em um supervisório, portanto, ter-se-á também uma descrição do supervisório do tipo SCADA. 2.Controladores Lógicos Programáveis (CLP s) Os relés e os dispositivos eletromecânicos usados nas indústrias até o final da década de 60 eram dispositivos fixos que exigiam um empenho muito grande da equipe de operação quando a linha de produção tinha de ser mudada, além de apresentarem desgaste pelo fato de serem mecânicos e precisarem de manutenção constante e cara em grandes painéis de controle. Detectou-se então a necessidade de se desenvolver novos controladores que fossem facilmente programados e reprogramados tanto por operadores quanto por engenheiros, tivessem tempo de vida útil longa e fossem imunes ao ambiente hostil de fábricas. Portanto, não poderiam ter partes móveis. O CLP foi criado na década de 70 no intuito de automatizar o acionamento sequencial de relés em linhas de manufatura, controle e automação de processos do tipo liga/desliga. Um CLP é definido como um sistema eletrônico que opera digitalmente e que foi desenvolvido para uso em ambiente industrial. Este equipamento possui memória programável para armazenamento (memória secundária) além de realizar funções de temporização, sequenciamento, lógica e aritméticas através de módulos, mais conhecidos como cartões de E/S digitais e analógicos. A digitalização do controle de processos através dos CLP s trouxe grandes vantagens em relação do controle analógico. Entre eles podemos destacar:

2 Flexibilidade na aplicação do equipamento digital: as modificações no processo de um equipamento analógico exigem mudanças físicas nas conexões internas do mesmo além de serem onerosas e lentas. No equipamento digital a mudança ocorre na programação por software pois possui um menor custo, é prático e sua velocidade é bem superior ao equipamento analógico. Flexibilidade no desempenho de Controle: podem ser realizados ajustes através do programa com a finalidade de se otimizar um processo em situações na qual a operação de uma planta analógica seja incapaz de realizar. Flexibilidade na medição dos parâmetros do processo: as medidas podem ser dimensionadas através de sinais afim de se representar situações reais de um processo evitando-se assim interferências na malha de controle. Em geral, os CLP s têm utilidade em qualquer processo que envolva sequenciamento de operações utilizando alimentação de solenóides e relés. Com a incorporação de se processar sinais analógicos, tornou-se possível a utilização dos CLP s como controladores PID s, largamente utlizados na indústria. Esse processamento analógico revolucionou as indústrias petroquímicas e químicas além das indústrias aeronáuticas, refinarias, mineração, embalagens, alimentos, plástico, papel e bebidas. A introdução das IHM s, os sistemas SCADA, os softwares de gerenciamento e as interfaces para barramento de campo contribuíram muito para essa revolução. 3. Interface Homem-Máquina (IHM) As IHM's podem ser consideradas como sistemas surpervisórios que surgiram da necessidade de uma interface amigável, eficiente e ergonômica entre sistemas de automação complexos e a equipe encarregada da sua operação. Elas devem ser construídas tendo os operadores como usuário final e representar o processo real. As IHM's podem operar tanto como na criação de telas gráficas e animações representativas do processo como sendo uma janela animada que mostra o andamento do processo. Um sistema supervisório pode concentrar o controle total de uma planta em um único terminal de computador, de forma que proporcione uma melhor precisão e abrangência nas medições. Porém, o desenho de uma IHM é um fator crítico para a operação da planta, já que interage a janela do operador com o estado e controle da planta. A IHM tem vários formatos, desde um dispositivo isolado até um computador, neste último caso, a comunidade de instrumentação já começa a diferenciar porque, embora um PC, com teclados ou touch screen e monitor seja uma interface, ele é mais comumente denominado de estação de controle, ou console de operação. Mais que cultural, essas denominações decorrem da evolução da tecnologia. Todo sistema, da pneumática até hoje, possui um dispositivo de interface, onde o operador controla a máquina, e o processo. A IHM é como uma janela para o equipamento ou sistema. Existem os chamados equipamentos cegos, sem aquilo a que os profissionais classificam de IHM, com pouca ou nenhuma informação no frontal, colocado, normalmente, atrás do painel. Mesmo instrumentos com leds para mostrar status são, hoje, considerados cegos. Em contrapartida, as IHMs podem mostrar todo o processo interno, podem ser conectadas a qualquer equipamento e nos mostram o que acontece no processo ou máquina. IHM sempre existiu, mas evoluiu no aspecto, na funcionalidade e nos recursos. Hoje, é um microcomputador porque tem memória, CPU e até um CLP incorporado para controle e todo sistema microprocessado precisa de um software. Alguns equipamentos têm apenas recursos de texto, outros têm formato gráfico e a utilização de um ou outro vai depender da necessidade do que se precisa monitorar e do custo cerca de três vezes maior na interface gráfica. O custo é um fator importante e decisivo para manter um equipamento cego já que, hoje, pode-se colocar uma IHM em quase qualquer ponto. Existem CLPs com IHM incorporados, para pequenas aplicações; nos grandes processos, com muitas e críticas variáveis, os dados do CLP precisam ser visualizados de outra forma, em uma outra interface, o que não exclui a possibilidade e/ou necessidade de uma ou várias IHMs no campo. Os programas existentes hoje em dia são de fácil configuração tanto para o engenheiro como para o operador, podendo até dispensar o programador. A seguir, ter-se-á uma breve descrição do sistema supervisório SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition). 4. Sistemas SCADA Os sistemas do tipo SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) é uma tecnologia que se destina a cumprir tarefas de gerenciamento e controle para unidades industriais e prediais cujos elementos estejam longes da sala de controle. Esse sistemas coletam dados do processo através de remotas industriais, principalmente CLP's,

3 formatam estes dados, e os apresenta ao operador em uma multiplicidade de formas com o objetivo principal de propiciar uma interface de alto nível do operador com o Como os sistemas supervisório trazem robustez, confiabilidade, padronização, flexibilidade e facilidade na configuração, este é amplamente utilizado na indústria. Estes podem ser aplicados em oleodutos (produtos líquidos e gasosos), distribuição e tratamento de água, sistemas de esgoto, linhas de distribuição de energia elétrica, linhas de processamento de minério e sistemas de transportes. 5. Comunição de um CLP processo informando-o, em tempo real, de todos os eventos de importância da planta (Figura 01). Figura 01: Interface de um sistema SCADA Hoje os sistemas de supervisão oferecem três funções básicas: supervisão, operação e controle. A função de supervisão inclui todos as funções de monitoramento do processo tais como: sinóticos animados, gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressos e outros itens necessários com o objetivo de monitorar todas as variáveis desejadas do processo. A função de operação permite que se ligue e desligue equipamentos e seqüência de equipamentos, que se opere de malhas PID e que seja feita a mudança do modo de operação de equipamentos. Essa função dos sistemas SCADA substituíram com êxito as funções das mesas de controle simplificando as operações e diminuindo o custo do equipamento. Finalmente, na função de controle, alguns sistemas de supervisão possuem uma linguagem que permite definir diretamente ações de controle, sem depender de um nível intermediário de controle representado por remotas inteligentes. 4.1.Objetivos e aplicações Cada sistema SCADA irá gerenciar um certo número de objetos também denominados entidades que descrevem as variáveis de processo controladas e os elementos habituais de uma mesa de controle. Embora este número varie de um sistema para outro, existe um consenso em relação às suas características básicas. A atividade de configuração de um supervisório compreende geralmente duas etapas, a primeira define cada variável de processo na base de dados e a segunda define sinóticos, gráficos e relatórios. Em todo o sistema existem basicamente duas variáveis simples ou primitivas e algumas variáveis compostas formadas a partir das primeiras. Essas varíaveis simples podem ser do tipo analógicas. Um CLP deve ser capaz de se comunicar com os dispositivos do processo que irá controlar e se comunicar com o sistema de supervisão. Um uso muito comum é a apresentação dos dados de operação e alarmes em impressoras e displays e o armazenamento destes dados para futura análise e impressão de relatórios. Além disso, é possível receber parâmetros e valores de ajuste do operador verificando, por exemplo, a correta calibração de um instrumento. A flexibilidade do supervisório junto com o CLP permite receber e modificar a sua programação através do software configurador podendo assim mudar facilmente a configuração do controle do processo. Há também a possibilidade de comunicação com outros CLP s numa hierarquia de controle e todos podem ser supervisionados por apenas um sistema de supervisão. Para que seja possível essa comunicação entre CLP s, é necessário que haja uma padronização nos protocolos de rede e na forma de comunicação. Os padrões de rede mais utilizados são Ethernet, ControlNet, DeviceNet e Fieldbus e a forma de comunicação é, na maioria das vezes, por via serial (padrão RS232 e RS486 ). 6. Interconexão de equipamentos A conexão de equipamentos de automação tem aumentado significamente nos últimos anos e continuará assim, pois melhoram a produção e a eficiência nas indústrias, despertando grande interesse para áreas de gerenciamento da informação e manufatura integrada por computador. Novos e diferentes modelos de sistemas de manufatura computadorizados surgidos na década de 90 não são mais focados apenas para hierarquias de sistemas, mas também na integração da aquisição de dados de todas as áreas do processo de manufatura. Entretanto, essa integração não é um processo simples nem barato pois tem-se que integrar equipamentos e máquinas de manufatura flexíveis e dedicados, sistemas de transferência de componentes e CLP s. A comunicação entre máquinas e a produção nas indústrias hoje são dependentes do sistema de comunicação adotado, o qual forma uma verdadeira infovia comum a dezenas ou

4 centenas de máquinas inteligentes. A necessidade de se passar informações entre CLP s e outros equipamentos fez com que até o mais simples controlador adquirisse capacidades de comunicação. Diante desse quadro, vários fabricantes de equipamentos para automação inicialmente desenvolveram redes de comunicação proprietárias que eram incompátiveis entre elas, o que criou uma certa reserva de mercado para quem adquirisse equipamentos de um determinado fabricante. Essa não conectividade entre os vários fabricantes era, na verdade, prejudicial a eles mesmos, e sistemas abertos começaram a serem desenvolvidos tornando possível maior conectividade entre equipamentos de vários fabricantes e o avanço dos sistemas de controle distribuído. De fato, a necessidade da informação do que ocorre com o processo migrou dentro das organizações de uma forma crescente e ascendente e os CLP s passaram a controlar não só máquinas separadas mas também fazer parte de uma estrutura de controle hierárquica controlando múltiplas estações, outros CLP s e equipamentos inteligentes como robôs ou máquinas de controle númerico. 7. Redes de Comunicação Industriais As redes de comunicação industriais têm cada vez mais fornecendo um apoio aos sistemas de automação e controle, seja na crescente complexibilidade dos processos industriais, seja na distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais. Assim, praticamente não têm sido implementados sistemas que não incluam alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais, seja remota, implementadas em sistemas SCADA. Mesmo a disseminação de aplicação de comunicação tendo se dado recentemente, há algum tempo já têm sido desenvolvidos diferentes esquemas de comunicação de dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação. Um modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial é o de três níveis diferentes de requisito: Nível de informação: caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos; Nível de automação e controle: caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de milisegundos.; Nível de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos (tempos de resposta muito curtos); Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos os três níveis, havendo em geral, uma implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede, é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de transmissão.portanto, não adianta comunicar a altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes. A camada de enlace, responsável pelo mecanismo de entrega de pacotes, tem sido implementada tradicionalmente em redes industrias com a estrutura origem/destino. Essa implementação agrega a cada mensagem enviada o endereço da estação de destino. Observe-se que esta implementação, em determinadas circunstâncias, pode ser ineficiente: suponha-se que um mesmo dado deve ser transmitido a vários nós de uma mesma rede. O dispositivo que está transmitindo este dado deverá emitir uma mensagem com ambos endereços origem/destino para cada nó que deva receber tal mensagem. Portanto, aumentando o tráfego da rede e constituindo um operação repetitiva em conter sempre o endereço do dispositivo a ser enviado tal mensagem. Além disso, caso haja necessidade de sincronizar vários dispositivos pertencentes a uma mesma rede, havendo alguma dificuldade em fazer tal sincronismo, uma vez que ao ser necessário mandar mensagens consecutivas a todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse instante de sincronismo. Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar a camada de enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementação está baseada no conceito de que alguns dispositivos são produtores de informações e outros são consumidores dessas. Nessa implementação, quando um produtor disponibiliza sua informação, esta é colocada na rede disponível para todos os dispositivos que sejam seus consumidores ao mesmo tempo, reduzindo o número de mensagens a serem emitidas, bem como reduzindo o próprio comprimento da mensagem, uma vez que não será necessário incluir ambos endereços de remetente e destinatário, sendo

5 necessário tão somente identificar a informação a ser transmitida. Logo, o modelo produtor/consumidor, empregado nas redes de mercado mais recentes como Foundation Fieldbus (Figura 02), WorldFIP, ControlNet e DeviceNet, apresentam um modelo de rede eficiente, quanto a maximização de troca de dados, além de se ter um aumento da flexibilidade da rede. Atualmente, com a padronização e utilização das redes industriais abertas, é possível configurar facilmente tais dispositivos afim de realizar a monitoração dos instrumentos e do controle do processo em geral., possibilitando um melhor aproveitamento do potencial da planta, sem que o custo e o desempenho dela sejam prejudicados. Referência Bibliográfica [1] M.S. Pupo. Interface Homem Máquina para supervisão de um CLP em controle de processos através da www. São Carlos 2002 [2] Onde a comunicação realmente acontece. Revista Controle e Instrumentação. Edição n. 76. Dezembro/2002. São Paulo-SP. Figura 02 O Fieldbus operando conjuntamente com o supervisório. 8. Conclusão A utilização de CLP s e sistemas de supervisão na indústria é fundamental para o aumento da produção e qualidade. Além disso, esses equipamentos facilitam a monitoração da rede industrial e consequentemente do controle do processo detectando e corrigindo facilmente defeitos -, e permitem também o gerenciamento e planejamento eficiente da produção. A utilização dessas tecnologias depende das especificações do processo, e complexidade da malha em que estes irão atuar. Tanto os CLP s como os sistemas de supervisão podem ser utililizados sozinhos em todas as partes do processo, como em conjunção, tentando otimizar o máximo possível o controle do processo.