Instrumentação Fieldbus: Introdução Separaçãoe Conceitos INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO. Objetivos da Automação Industrial: Aumento da segurança

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1 Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF INTRODUÇÃO cuto Intrumentação Fieldbu: Proceo de Introdução Separaçãoe Conceito Competitividade Complexidade do proceo Aumento da egurança Deenvolvimento da indútria Intrumentação moderna Objetivo da Automação Indutrial: Fez urgir muita alternativa tecnológica p/ uprir demanda de itema de monitoramento e controle mai eficiente Diminuição do cuto operacionai Melhoria da condiçõe de operação Prof a Ninoka Bojorge Simplificação da intalaçõe Aumento do nívei de controle Aumento do nívei de acompanhamento 2 INTRODUÇÃO À medida que o proceo controlado e multiplicaram, urgiu a neceidade da operação e realizar à ditância e de forma centralizada. VISÃO DE UM SISTEMA INTEGRADO ERP??? Sala de Controle local Válvula de Controle Proceo Planta indutrial Nível Toma de Deciõe MES Nível de Supervião da Informação SCADA Nível de Informação de Proceo Medida, Controle e Proteção TECNOLOGIAS INFORMAÇÃO

2 REDE COMERCIAL X REDE INDUSTRIAL Ênfae no armazenamento, diponibilização e troca de informaçõe; modelagem de proceo humano. Ênfae no proceo fabri ( a informação é uma conequência útil ); modelagem de proceo fíico. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DE UMA REDE INDUSTRIAL O quê tanta oluçõe tentam reolver? A rede indutriai devem: Ser determinítica e ter um rápido tempo de repota Alta confiabilidade, er tolerante a falha e pouir equipamento imune à açõe do meio fíico Pouir fácil interação entre o operador e o equipamento Ter a etrutura fíica o mai imple poível Atuar em ambiente ujeito a incêndio e exploõe Abranger grande área quando neceário Ter garantia de compatibilidade com o tempo ( 10 ano ) AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL - CONCEITO SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO TIPOS Proceo Atuador ( itema de controle ) Conjunto de técnica por meio da quai e controem itema ativo capaze de atuar com uma eficiência ótima pelo uo da informaçõe recebida do meio obre o qual atuam. Automação Malha fechada Exite a realimentação. O itema muda de comportamento em função da aída. Automatização Malha aberta Mecanização Não exite a realimentação. O itema não muda de comportamento em função da aída. Oberve a diferença: automação e automatização Atuador Atuador Proceo Ex:contador de evento Proceo Ex: porta automática

3 PRINCIPAIS ELEMENTOS NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO Atuador Atuador Proceo Rede indutriai ão padronizada em nívei de hierarquia cada qual reponável pela conexão de diferente tipo de equipamento com ua própria caracterítica de informação Nível de monitoramento etatítico (oftware gerenciai) Padrão Ethernet (TCP/IP) Nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLC, SDCD e PC Nível de controle ou o nivel de I/O. 10 NÍVEIS HIERÁRQUICOS NÍVEIS HIERÁRQUICOS Atuador CIM - Computer Integrated Manufacturing Planej. Getão da Produção Supervião do proceo, ecalonamento, flexibilização Sincronização da operaçõe, controle corretivo, coleta de informaçõe Intrumentação, operaçõe elementare Atuador Enterprie Reource Planning ERP MES Manufacturing Execution Sytem Superviory Control And Data Acquiition SCADA PLC e Ob: Planta da Fábrica nee contexto ignifica, em geral, a área de abrangência do itema de automação com eu repectivo etore e célula.

4 EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO COMO SE AGRUPAM? Tecnologia dominante Pneumática Análoga Digital Fieldbu Tempo TECNOLOGIA PNEUMÁTICA A tecnologia Pneumática ua um inal de preão de ar (3-15 pi) como elemento de comunicação entre eu elemento. Intrumentação Pneumática: + > Opera com egurança em área de rico Cuto elevado Pouco flexível - Manutenção dipendioa Precião reduzida Permite Operação à ditância, ma limitada ( 100m) local Válvula de Controle Proceo TECNOLOGIA ELETRÔNICA (ANALÓGICA) OU TRANSMISSOR A 2 FIOS/4 FIOS Vantagen: Permite tranmião para longa ditância em perda. A alimentação pode er feita pelo próprio fio que conduzem o inal de tranmião. Permite fácil conexão ao computadore. Fácil intalação. Permite de forma mai fácil realização de operaçõe matemática. Permite que o memo inal (4~20mA) eja lido por mai de um intrumento, ligando em érie o intrumento (limitado pela reitência interna).. Operação à Ditância Sala de Controle Planta indutrial Alimentação (110 vac) Saída 4 a 20 ma

5 TECNOLOGIA ELETRÔNICA (ANALÓGICA) OU TRANSMISSOR A 2 FIOS/4 FIOS Devantagen: Exige no mínimo um par de fio para cada intrumento. Neceita de técnico epecializado para ua intalação e manutenção. Exige utilização de intrumento e cuidado epeciai em intalaçõe localizada em área de rico. Exige cuidado epeciai na ecolha do encaminhamento de cabo ou fio de inai. O cabo de inal devem er protegido contra ruído elétrico. Alimentação (110 vac) Saída 4 a 20 ma TECNOLOGIA DIGITAL Graça ao uo do microproceadore, o intrumento e tornam inteligente e totalmente configurávei via oftware. Entre a vantagen da intrumentação digital obre a analógica ão de alientar: a) Reolução da apreentação da informação O melhore indicadore analógico não permitem uma reolução muito uperior a uma parte em cem, correpondente a um aparelho digital com apena doi dígito. Por outro lado é poível contruírem-e aparelho digitai com reolução de ei ou mai dígito. b) Apreentação da informação A indicação digital é de mai fácil leitura que a analógica, eliminando por exemplo erro de paralaxe. Ea caracterítica permite a utilização por peoal não epecializado. c) Utilização da informação (+) Pela ua natureza, a informação ob a forma digital permite a ua utilização direta por computadore, facilitando a ua tranmião e armazenamento. d) Imunidade ao Ruído 18 TECNOLOGIA DIGITAL BENEFÍCIOS Devantagen: Caro: Mai oneroo do que o correpondente aparelho analógico, ma o digitai ão na maior parte do cao uma melhor olução e e tiver em conta fatore como: EXPANDED SCADA VIEW SCADA precião, CONTROLLER funcionalidade, reitência e poibilidade de reparação (a que correponde um maior tempo de vida útil). I / O SUBSYSTEM FIELDBUS 19 TRADITIONAL 4-20 ma VIEW STOPS AT I/O SUBSYSTEM FIELDBUS VIEW EXTENDS INTO INSTRUMENTS

6 FLUXO DE INFORMAÇÃO EM AMBOS SENTIDOS MELHOR INFORMAÇÃO DCS DCS Informação para Getão Informação para Controle 4-20 ma Fieldbu SENSOR TRANSMITTER 15,3 ma SENSOR TRANSMITTER TAG =LIC-012 VALUE =70.34 UNIT =M 3 STATUS=GOOD ALARMA = Y/N Suficiente informaçõe de controle, ma informação de getão inuficiente. Leve aumento na informaçõe de controle. Grande aumento na informação de getão TIPOS DE PROCESSO Claificado egundo a predominância da variávei manipulada e controlada: Proceo dicreto caracterítica digital Típico da indútria de manufatura Modelagem com técnica da álgebra booleana ( tabela-verdade, mapa de Karnaugh, código de Gray, etc. ) Exemplo: indútria automobilítica, têxtil Proceo contínuo caracterítica analógica Típico da indútria de tranformação Modelagem com técnica matemática ( cálculo diferencial e integral, limite, etc. ) Pode er em batelada Exemplo: indútria química, iderúrgica, alimentação SENSOR é um dipoitivo enível a um fenômeno ou etímulo fíico. e podem er dividido em Mecânico ( ex: chave de fim de curo ) Indutivo (ex: detector de metal ) Capacitivo (ex: medidor de nível ) Reitivo ( ex: balança de veículo ) Fotoelétrico (ex: paagem de objeto, moue ) Ultraom (ex: medidor de temperatura ) dipoitovo

7 TRANSDUTOR é o dipoitivo que converte um etímulo ou fenômeno fíico de origem não elétrica para uma grandeza elétrica. Meio fíico Grandeza fíica Condicionador de inal Grandeza elétrica Grandeza elétrica Fornece a grandeza elétrica adaptada à aplicação ATUADOR Atuador é um dipoitivo que executa uma ação no meio fíico. Exemplo: Relé e contatore Válvula pneumática Cilindro pneumático Motore Aquecedore Ob: em um enor, não é obrigado a exitir um trandutor CONTROLADORES Dipoitivo que tornarão poível uma efetiva ação de controle no meio onde atuam. CLP - Lógico Programável CP - Programável SLC - Single Loop Controller MLC - Multi-Loop Controller CNC - Comando Numérico Computadorizado Interface para PC Microcontroladore em qualquer dipoitivo, incluindo enore e atuadore. CONTROLADORES - CP,SLC,MLC CP - Programável: equipamento eletrônico-digital com hardware e oftware compatívei com a aplicaçõe indutriai Uma evolução do CLP, poi trata também de variávei analógica Utilizado em proceo contínuo Aplicável em automação fixa e flexível Pode diponibilizar de Lógica Fuzzy ( vaga, incerta ) Diponibiliza de controle PID (Proporcional Integral Derivativo) SLC e MLC ão epecializado ( com mai recuro ) para tratar proceo contínuo

8 CONTROLADORES - CNC CONTROLADORES - INT. E MICR. CNC - Comando Numérico Computadorizado é um computador dedicado ao controle de movimento do eixo de uma máquina operatriz. Uma evolução da máquina de controle numérico Utilizado em qualquer tipo de proceo Aplicável na automação programável Diponibiliza comando de trajetória ( eixo X-Y-Z ) e comutação ( à veze delegado a um CLP ) Normalmente aociado a programa de CAD / CAM (Computer Aided Deign / Manufacturing ) Interface para PC Aume qualquer função de CLP,CP,CNC Pode ou não er conectado diretamente no barramento indutrial Microcontroladore em qualquer dipoitivo, incluindo enore e atuadore Aumem qualquer função de CLP,CP,CNC A programação é atravé de Bloco OUTROS DISPOSITIVOS REDES INDUSTRIAIS CP Bridge, Gateway Barreira de egurança Micro-Computadore, lap-top Todo ee, incluindo controladore, enore e atuadore, e comunicam. É aqui onde começa de fato a quetõe obre rede indutriai. A rede indutriai erão abordada quanto: À topologia Ao tipo de dado e equipamento À egurança Ao nívei hierárquico À comunicação Ob: neceário na abordagem, empre detacar o principai elemento de uma rede indutrial. Atuador Proceo

9 REDES INDUSTRIAIS - TOPOLOGIAS REDES INDUSTRIAIS - TOPOLOGIAS Toda a topologia ão permitida. Supervior, interface uuário + Supervior, interface uuário e, outro DDC (Direct Digital Control) O controle é centralizado em um imple computador na ala de controle. e e atuadore Ditributed Control Sytem (DCS) O controle é parcialmente ditribuido entre divero tipo de controladore de loop e I/O na ala de controle. e e atuadore REDES INDUSTRIAIS - TOPOLOGIAS Sitema de automação Rede Indutriai Tipo de dado e equipamento Supervior, interface uuário bu dado no formato de bit equipamento para controle dicreto não cobrem grande ditância. Fieldbu ytem Controle totalmente ditribuído no campo com o loop e I/O no. e, outro + e e atuadore Devicebu dado no formato de byte equipamento para controle dicreto e proceo contínuo imple ditância de até 500 m Fieldbu dado no formato de bloco de menagen equipamento complexo para controle dicreto e proceo contínuo

10 FIELDBUS : DEFINIÇÃO FIELDBUS pode er definido como uma rede digital, bidirecional (de aceo compartilhado), multiponto e erial, utilizado para interligar o primário de automação ( de campo) a um itema integrado de automação e controle de proceo. Cada dipoitivo de campo pode pouir uma "inteligência" (microproceado), o que o torna capaz de executar funçõe imple em i memo, tai como: diagnótico, controle e funçõe de manutenção, poibilitar a comunicação entre de campo (não apena entre o engenheiro e o dipoitivo de campo). FIELDBUS O FIELDBUS não repreenta uma paixão típica por nova tecnologia e im a redução de aproximadamente 40% no cuto de projeto, intalação, operação e manutenção de um itema de controle de proceo indutriai. Em outra palavra, o fieldbu veio para ubtituir o controle centralizado pelo ditribuído. UMA GRANDE EVOLUÇÃO NAS REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL MEDIÇÃO PRECISA Convencional Field Bu 4-20mA Field JB + marhalling IS Interface I/O card PV = 392.8mb 12.83mA 12.86mA 12.87mA PV = 393.1mb Leakage + noie Erro Converão Erro Converão Fieldbu Field JB + marhalling IS Interface H1 I/O card PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb

11 FIELDBUS: VANTAGENS FIELDBUS: VANTAGENS Redução no cuto de fiação, intalação, operação e manutenção de planta indutriai; Informação imediata obre diagnótico de falha no equipamento de campo. O problema podem er detectado ante dele e tornarem ério, reduzindo aim o tempo de inatividade da planta; Ditribuição da funçõe de controle no equipamento de campo - intrumento de medição e elemento de controle final. Serão dipenado o equipamento dedicado para tarefa de controle. Aumento da robutez do itema, vito que dado digitai ão mai confiávei que analógico; Melhoria na precião do itema de controle, vito que converõe D/A e A/D não ão mai neceária. Conequentemente a eficiência da planta erá aperfeiçoada. REDES INDUSTRIAIS - SEGURANÇA Barramento em energia Barramento eparado para dado e energia Barramento com energia O memo barramento para dado e alimentação elétrica Pode implementar alternância entre tranmião de dado e alimentação elétrica Barramento intrinecamente eguro (área claificada) Alteram-e epecificaçõe elétrica e de comunicação em relação ao barramento não intrinicamente eguro Deve pouir uma barreira de egurança Redundância Mai de um equipamento exercendo a mema função Ob: pode haver combinaçõe do iten acima Arquitetura de rede Fielbu, onde podemo obervar a etação de upervião, uma placa de interface com múltiplo canai, o barramento linear, terminador do barramento ( BT-302 ), fonte de alimentação (PS-302), impedância (PSI-302 ) e divero intrumento, incluive um CLP com placa de interface para o barramento.

12 INSTALAÇÃO TÍPICA FIELDBUS