AULA 01 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS, INTERFACE HOMEM MÁQUINA (IHM) E PC INDUSTRIAL

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1 AULA 01 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS, INTERFACE HOMEM MÁQUINA (IHM) E PC INDUSTRIAL ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INFORMÁTICA INDUSTRIAL II ENG1026 PROFª. LETÍCIA CHAVES FONSECA

2 Pirâmide da Automação 2

3 1. Introdução 3 O desenvolvimento de software para automação industrial foi grandemente impulsionado pela adoção dos protocolos digitais, tanto sob a forma de software embarcado, dada a necessidade de drivers de comunicação para os dispositivos, quanto de ferramentas de software para supervisão, controle, calibração e configuração remota de instrumentos de campo.

4 1. Introdução 4 Surgiu também a oportunidade de criação de programas para tratamento da grande quantidade de dados que passou a ser transmitida do campo para a sala de controle, bem como para geração de informações úteis para outros setores da empresa.

5 1. Introdução 5 Os tipos de software mais comumente empregados no controle e na automação industrial são: A. Supervisório ou software de supervisão: Software que se presta a fazer a comunicação entre um computador e uma rede de automação, trazendo ferramentas padronizadas para a construção de interfaces entre o operador e o processo. Sua função básica é permitir a visualização e a operação do processo de forma centralizada;

6 1. Introdução 6 B. MES (Manufacturing Execution System): Controla todo o fluxo produtivo, incluindo estoques de matérias-primas, produtos em processamento e disponibilidade de máquinas. Através do MES, podem ser calculados os KPI (Key Performance Indicators), que contribuem para a melhoria do desempenho da planta;

7 1. Introdução 7 C. PIMS (Plant Information Management System): Software utilizado para armazenamento de todas as informações relevantes de processo. Coleta informações dos sistemas de supervisão e sistemas de controle (já existentes) e os armazena em uma base de dados, que se distingue dos bancos de dados convencionais por ter grande capacidade de compactação e alta velocidade de resposta a consulta;

8 1. Introdução 8 D. EAM (Enterprise Asset Management): Software empregado no gerenciamento dos equipamentos de uma planta; D. CMMS (Computerized Maintenance Management System): Software de gerenciamento da manutenção que aproveita os dados e sinais transmitidos pela rede de automação e controle para registrar anomalias de funcionamento de equipamentos e agilizar a atuação das equipes de manutenção.

9 1. Introdução 9 Existe a utilização também de outros tipos de software para, por exemplo, monitoramento e avaliação de desempenho das malhas de controle, tais como variabilidade da qualidade da produção, desgaste de atuadores e maior consumo de utilidades e matérias-primas. Podem ser incluídas nessa relação ainda as ferramentas de programação de CLPs e IHMs, bem como os softwares de auxílio ao projeto, à engenharia e à manufatura CAD/CAE/CAM.

10 A. Sistemas de Supervisão 10 Softwares de Supervisão são sistemas digitais de monitoração e operação da planta que gerenciam variáveis de processo. Estas são atualizadas continuamente e podem ser guardadas em banco de dados locais ou remotos para fins de registro histórico.

11 A. Sistemas de Supervisão 11 Um sistema de supervisão é responsável pelo monitoramento de variáveis de controle do sistema, com o objetivo principal de fornecer subsídios ao operador (homem-máquina) para controlar ou monitorar um processo automatizado mais rapidamente, permitindo a leitura das variáveis em tempo real e o gerenciamento e controle do processo automatizado.

12 A. Sistemas de Supervisão 12 Exemplo: imagine um circuito elétrico hipotético constituído de um interruptor e uma lâmpada piloto situada a 500 metros de distância

13 A. Sistemas de Supervisão 13 Estando o operador junto à lâmpada, esse circuito permite acompanhar a abertura ou o fechamento dos sensores e atuadores, instantaneamente, no processo industrial.

14 Imagine agora 2000 circuitos destes... 14

15 Painéis de sinóticos 15

16 A. Sistemas de Supervisão 16 No caso de haver muitos circuitos desses, onde seja preciso realizar a supervisão com a finalidade de sinalização da planta, é necessário que haja um processamento bastante rápido e em tempo real.

17 A. Sistemas de Supervisão 17

18 A. Sistemas de Supervisão 18 Os sistemas supervisórios podem ser classificados basicamente quanto a complexidade, robustez e número de entradas e saídas monitoradas. Os dois grandes grupos são: IHM / HMI (Interface Homem-Máquina / Human Machine Interface) SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

19 1.1 IHM - Interface Homem máquina 19

20 1.1 IHM - Interface Homem máquina 20 Uma IHM é um hardware industrial composto normalmente por uma tela de cristal líquido e um conjunto de teclas para navegação ou inserção de dados que utiliza um software proprietário para sua programação. São sistemas normalmente utilizados em automação no chão de fábrica, geralmente, caracterizado por um ambiente agressivo.

21 1.1 IHM - Interface Homem máquina 21 Converte a linguagem de baixo nível em imagem, e os comandos do operador para o acionamento do equipamento. Construção robusta e grau de proteção (IP) conforme necessidade do ambiente. É constituída por uma CPU, um display e um tipo de teclado (teclas ou touch screen). Várias aplicações: desde máq. lavar pratos até painéis de aeronaves.

22 1.1 IHM - Interface Homem máquina 22

23 1.1 IHM - Interface Homem máquina 23 Somente recebe e envia sinais aos CLPs Não guarda informações Pode ser desconectada, sem prejuízo.

24 1.1 IHM - Interface Homem máquina 24 Instalação próxima a linha de produção. Indicando sinais do CLP de forma gráfica, ou mensagens de texto. Controle da planta sempre feito pelo CLP.

25 1.1 IHM - Interface Homem máquina 25 Instalação próxima a linha de produção. Indicando sinais do CLP de forma gráfica, ou mensagens de texto. Controle da planta sempre feito pelo CLP.

26 1.1 IHM - Interface Homem máquina 26 O desenvolvimento das IHMs, com visores alfanuméricos, teclados de funções e comunicação serial (no lugar dos painéis de sinóticos), trouxe consigo os seguintes benefícios: Economia de fiação e acessórios; Redução da mão de obra para montagem; Eliminação física do painel de sinótico; Aumento da capacidade de comando e controle; Maior flexibilidade frente a alterações necessárias no campo; Operação amigável; Fácil programação e manutenção.

27 1.1 IHM - Interface Homem máquina 27 Há várias aplicações e utilizações para uma IHM: Visualização de alarmes e dados; Alteração de parâmetros do processo; Alteração de configurações de equipamentos; Operação em modo manual de componentes da máquina.

28 1.1 IHM - Interface Homem máquina 28 Em máquina automatizadas com o emprego de CNC Comando Numérico Computadorizado) é imprescindível o uso de IHMs dedicadas, pois existe uma necessidade real de que o operador interaja com a máquina diretamente nas seguintes situações: Referenciamento dos eixos; Ajuste de ferramentas; Carga de programa de uma peça a ser usinada; Visualização de alarmes; Ajuste de velocidades; Realização de movimentos manuais, etc.

29 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 29 Os sistemas de supervisão e controle comumente chamados de sistemas SCADA são sistemas configuráveis, destinados à supervisão, ao controle e à aquisição de dados de plantas industriais, apresentando custo menor que os SDCD (Sistemas Digitais de Controle Distribuído) e, por essa razão, sendo muito populares nas indústrias.

30 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 30

31 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 31 Um sistema SCADA permite a um operador, em uma localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como, óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos, fazer set-point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou chaves, monitorar alarmes, e armazenar informações de processo.

32 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 32 A interação do operador com o processo é garantida através de interfaces gráficas que permitem uma interação amigável. A base de hardware pode ser um PC comum, que facilita e otimiza os custos com hardware.

33 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 33 Esses sistemas possibilitam configurar os arquivos de alarmes e eventos, além de relatórios e interfaces para controle de receitas e funções avançadas através da escrita de scripts, que são trechos de programas que permitem ampliar as funcionalidades inerentes do produto.

34 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 34 Sistema SCADA fazendo a aquisição de dados de 4 CLPs

35 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) Funções básicas de um supervisório: 35 Aquisição de dados Retirada de informações do processo através da conexão que o computador tem com o CLP, controlador do processo. Gerenciamento de dados Apresentação, em tempo real de execução, dos dados do processo (telas, relatórios, históricos, etc.)

36 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 36 Comunicação entre Supervisório e CLP: Hardware: É utilizada uma via de comunicação, que pode ser uma porta serial, uma placa de rede, etc. Software: Para comunicação é necessário que o driver do equipamento esteja sendo executado simultaneamente com o supervisório.

37 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 37 O driver é um software responsável pela comunicação, ele possui o protocolo de comunicação do equipamento. Um dos grandes problemas de se interfacear equipamentos e sistemas no chão de fábrica reside em se compatibilizar os protocolos da camada de aplicação.

38 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 38 Benefícios: Informações instantâneas Redução no tempo de produção Redução de custos de produção Precisão das informações Detecção de falhas Aumento da qualidade Aumento da produtividade

39 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 39 Componentes do Sist. Supervisório TAGs Telas Alarmes Receitas Históricos Usuários

40 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 40 Enviando e recebendo sinais ao CLP: TAG Mensagens digitais entre SCADA e CLP Informações que estão nos endereços de memória do CLP

41 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 41 A grande maioria dos supervisórios utilizados é proprietário, logo deve-se pagar pela licença de uso. Forma de proteção do fabricante do software: Chave de Hardware (hardkey) - cada chave está associada a um único número de série. A chave é instalada na porta paralela do micro (não interfere nas operações com a impressora) ou porta USB.

42 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 42 Forma de proteção do fabricante do software: Chave de Software (softkey) normalmente estas chaves são associadas a uma característica do PC como MAC da interface de rede, serial do HD ou serial do processador.

43 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 43 Quando a licença não é adquirida, normalmente os softwares de supervisão possuem um modo demonstrativo com algumas limitações. Exemplos de limitações: Número máximo de janelas, número máximo de tags, tempo máximo em Run. Esta é uma forma marketing do fabricante do software de supervisão.

44 1.2 Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) 44 Os sistemas SCADA utilizam dois modos de comunicação: Comunicação por consulta (Polling) Comunicação por interrupção

45 1.2.1 Comunicação por Consulta (Polling) 45 Mestre/escravo Mestre (Master): tem controle absoluto das comunicações, efetuando sequencialmente a leitura dos dados de cada estação remota (escravo slave) Escravo (Slave): apenas responde à estação central após a recepção de um pedido; Cada escravo é identificado por um endereço único.

46 1.2.1 Comunicação por Consulta (Polling) 46 Vantagens: Simplicidade no processo de aquisição de dados Inexistência de colisões no tráfego da rede Permite calcular a largura de banda utilizada pelas comunicações e garantir tempos de resposta Facilidade na detecção de falhas de ligação; permite o uso de estações remotas não inteligentes

47 1.2.1 Comunicação por Consulta (Polling) 47 Desvantagens: Incapacidade, por parte das estações remotas, de comunicar situações que requeiram tratamento imediato por parte da estação central O aumento do número de estações remotas tem impactos negativos no tempo de espera A comunicação entre estações remotas tem obrigatoriamente que passar pela estação central

48 1.2.2 Comunicação por Interrupção 48 A estação remota monitora os seus valores de entrada e, quando detecta alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos, inicia a comunicação com a estação central e a consequente transferência de dados. O sistema é implementado de modo a permitir a detecção de erros e a recuperação de colisões.

49 1.2.2 Comunicação por Interrupção 49 Vantagens: Evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego na rede Permite uma rápida detecção de informação urgente Permite comunicação entre estações remotas, escravo para escravo

50 1.2.2 Comunicação por Interrupção 50 Desvantagens: A estação central apenas consegue detectar falhas na ligação após um determinado período de tempo, ou seja, quando efetua polling no sistema É necessária a existência de ação por parte do operador para obter os valores atualizados

51 1.2.3 Supervisão Através da Internet 51 Um recurso muito importante, para uma supervisão de caráter não-crítico, é disponibilizar parte dos dados do sistema supervisório por Intranet ou por Internet.

52 1.2.3 Supervisão Através da Internet 52 O usuário pode analisar esses dados on-line através de um browser como o Internet EXplorer ou Netscape. Os sistemas permitem troca bidirecional de informações entre o chão de fábrica e os sistemas de operação e gerenciamento de processos.

53 1.2.3 Supervisão Através da Internet 53 O browser comunica-se com o servidor Web através do protocolo HTTP. Após o envio do pedido referente à operação, o browser recebe a resposta na forma de uma página HTML.

54 2. Tipos de Operação dos sistemas SCADA 54 Modo de desenvolvimento Desenvolvimento das telas Elaboração dos desenhos Configuração de drivers Definição das TAGs Modo de execução Onde roda a aplicação desenvolvida Onde opera a planta ou equipamento. Tempo real.

55 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 1 Entendimento de um Processo: Reunião de informações oriundas de várias fontes O que deve ser feito? Conversar com operadores do sistema atual, especialistas no processo. (Registrar as informações por escrito); Conversar com Gerência e corpo administrativo; Quebrar o processo em etapas; Determinar as variáveis do processo que precisam ser monitoradas; Definir tipo de comunicação a ser utilizada.

56 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 2 Variáveis do Processo: Definir um número máximo: Preocupação com o tráfego de dados

57 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 3 Banco de Dados: Sistemas de médio e grande porte. Informações necessárias Fluxos dos processos Lista de endereços do CLP Lista de alarmes Desenvolver um sistema de nomes de variáveis.

58 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 4 Alarmes: Função dos alarmes Chamar a atenção do operador Sinalizar um objeto atingido Fornecer indicação global do processo Alarmes Normais ou pré-alarmes Sem necessidade de intervenção Não implica em situação perigosa

59 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 4 Alarmes: Intervenção em face de alarmes Sem carga adicional ao operador Tipos de intervenção Supressão do sinal sonoro Intervenção direta na tela Aceitação do alarme Não reconhecimento por parte do operador.

60 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 5 Hierarquia de Navegação nas telas: Boa organização torna o sistema claro e condizente com a realidade Telas de operação Modo manual Modo automático Telas de supervisão Telas de parametrização Telas de manutenção.

61 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 6 Desenho de telas: Consistência Símbolos e cores Nomes de botões Botões no mesmo local em todas as telas Clareza de entendimento Padronização de símbolos e nomes

62 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 7 Gráficos de Tendências: Levantar quais as variáveis devem ser plotadas Tempo real Históricos

63 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 8 Acesso e Segurança: Quem deve acessar o sistema? Quais telas devem ser protegidas?

64 3. Planejamento de um Sistema Supervisório Etapa 9 Padrão Industrial: Hoje em dia o que predomina em sistemas supervisórios é o padrão Windows, baseado no padrão Microsoft de interface homem-máquina, o qual possibilita redução no tempo de aprendizagem se o operador estiver familiarizado com outras aplicações Microsoft e seu ambiente de trabalho.

65 4. Exemplos de Sistemas Supervisórios 65 IGSS ELIPSE LABVIEW INDUSOFT CIMPLICITY RS VIEW WIZCON IFIX WINCC INTOUCH

66 5. PC Industrial 66 Imagine um processo industrial crítico que deva operar continuamente com o máximo de confiabilidade e, caso ocorra alguma falha, ela deva ser resolvida no menor tempo possível. Você confiaria essa operação a um computador comum projetado para uso em escritórios?

67 5. Por que utilizar um PC Industrial? 67 Computadores industriais (ou PC Industrial) são uma classe especial de sistemas microprocessados, projetados especialmente para operar em ambientes com as mais severas condições e, mesmo assim, apresentar ótima estabilidade e confiabilidade. Além disso, são construídos em módulos para permitir redundância em seus subsistemas e reduzir o tempo de manutenção.

68 5. Por que utilizar um PC Industrial? 68 Um computador utilizado em um escritório encontra um ambiente bastante amigável para seu funcionamento. Poucas variações de temperatura e umidade, muitas vezes com o recurso de ar condicionado, ausência de vibrações ou choques, pouca interferência eletromagnética e operação apenas durante o horário comercial.

69 5. Por que utilizar um PC Industrial? 69 Já um computador operando em um ambiente de chão de fábrica precisa conviver com variações, muitas vezes extremas, de temperatura e umidade, presença de atmosferas corrosivas ou inflamáveis além de diferentes tipos de poluentes e contaminantes.

70 5. Por que utilizar um PC Industrial? 70 A operação sob condições de vibração e choques, sob efeito de campos eletromagnéticos ou radiações ionizantes também pode ser necessária. Todas essas condições podem ser conjugadas com operação contínua, 24 horas por dia e sete dias por semana, com alta confiabilidade. Estes fatores obrigam o hardware de computadores industriais a ser projetado de forma diferente dos voltados para uso comum.

71 6. Formatos especiais de placas e gabinetes específicos 71 PC comum: padrões ATX ou microatx. PC industrial: mesmo padrão, porém atendendo aos requisitos especiais esperados para essa classe de equipamentos, como maior confiabilidade e durabilidade, por exemplo.

72 6. Formatos especiais de placas e gabinetes específicos 72 Outro aspecto que diferencia os computadores industriais dos comerciais refere-se gabinetes utilizados. Um gabinete robusto é voltado a aplicações de chão de fábrica, onde o design não privilegia a beleza ou criatividade, mas sim a durabilidade e funcionalidade. Um gabinete desse tipo pode ser fixado às paredes ou no próprio equipamento.

73 6. Formatos especiais de placas e gabinetes específicos 73

74 6. Formatos especiais de placas e gabinetes específicos 74 Junto a gabinetes mais robustos serão encontradas soluções de ventilação mais eficientes e fontes de alimentação de alta confiabilidade (redundantes).

75 6. Formatos especiais de placas e gabinetes específicos 75 PC integrado com um display: ideal para controle de processos industriais e pode ser integrado a uma máquina, permitindo seu controle ou monitoramento de suas funções.

76 7. Sistemas de Controle por PC 76 Utilizar computadores no controle de máquinas e processos não é novidade. Mesmo antes do desenvolvimento dos microprocessadores e do surgimento dos primeiros CLPs na década de 70, computadores já eram empregados no controle industrial.

77 7. Sistemas de Controle por PC 77 Com o surgimento dos CLPs e CNCs, equipamentos desenvolvidos com uma arquitetura mais adequada para estas aplicações, os computadores de uso geral perderam espaço na fábrica, a não ser em aplicações específicas como robôs e alguns tipos de máquinas

78 7. Sistemas de Controle por PC 78 Aplicação padrão: entradas e saídas ficam distribuídas pela planta e interligadas à CPU do CLP através de uma rede. CLP interligado a um microcomputador, responsável pela supervisão e operação da planta.

79 7. Sistemas de Controle por PC 79 PC hoje: por mais simples que seja, tem capacidade de processamento dezenas de vezes maior que a de um grande CLP, por isso é natural imaginar que seria muito mais vantajoso utilizar computadores e não CLPs para realizar o controle do processo e a supervisão.

80 7. Sistemas de Controle por PC 80 É exatamente isto que os Soft PLCs prometem. Inicialmente vistos com desconfiança pelos profissionais de Automação, esta nova categoria de software vem ganhando lentamente novos usuários.

81 8. Soft PLC 81 Podemos realizar o controle de processos através da utilização de aplicativos desenvolvidos especificamente para o controle dos equipamentos interligados ao PC. Em geral estes aplicativos são programados em C, C++ ou Pascal. Este enfoque é comum em robótica ou em máquinas com controle dedicado.

82 8. Soft PLC 82 Quando adotamos uma solução como a mostrada na figura do Sistema distribuído com controle diretamente no computador, é comum que os profissionais envolvidos já tenham vivência com CLPs e conheçam as linguagens de programação utilizadas nestes equipamentos. Para este tipo de aplicação foram desenvolvidos os Soft PLCs.

83 8. Soft PLC 83 Neste tipo de software, o controle de processo é feito em um ambiente de execução que emula um CLP (Run Time). A programação da tarefa de controle é feita através de um software de programação executado no Windows, que se comunica com o Run Time de forma semelhante ao que faria com um CLP.

84 8. Soft PLC 84 Este tipo de solução é o que se costuma chamar de Soft Logic ou Soft PLC, uma vez que a CPU do CLP é um software emulador. Como a memória do mecanismo de Run Time é protegida, é necessário transferir o programa para o ambiente de execução, da mesma forma que é feito o download para um CLP.

85 8. Soft PLC 85 Soft PLCs podem ser executados em Soft ou Hard Real Time. Quando configurados em Soft Real Time, o controle é executado por uma aplicação no próprio Windows NT ou Em Hard Real Time, é instalado uma extensão RTk compatível com o software utilizado. A decisão depende da criticidade dos prazos no processo a ser controlado.

86 8. Soft PLC 86 Em aplicações de controle de movimento, por exemplo, a grande velocidade de processamento de um PC possibilita um excelente desempenho a custos muito menores que os equipamentos dedicados a esta função, além de permitir que outras tarefas de controle sejam realizadas pelo mesmo equipamento.

87 8. Soft PLC 87 Entre os vários produtos deste segmento, a maioria pode ser programada de acordo com a IEC Entre eles destacam-se: CoDeSys produzido pela 3S Smart Software Solutions

88 8. Soft PLC 88 PC Worx da Phoenix Contatct

89 8. Soft PLC 89 WizPLC da Axeda, TwinCAT da Beckhoff, WinAC da Siemens, Família Multiprog e ProConOS da KW Software ISAGraf da ICS Triplex. Vários destes softwares possuem aplicações em funcionamento no Brasil.

90 8. Soft PLC 90 Com o desenvolvimento de computadores industriais de alta confiabilidade, com fontes e discos e conexões de rede redundantes, aliados às redes de chão de fábrica e softwares que já contam com versões bastante estáveis, a aplicação de controle de processos por PCs, se torna cada vez menos um modismo arriscado para se consolidar como mais uma opção a ser considerada quando se desenvolve um novo projeto de automação.

91 Bibliografia 91 MORAES, Cícero C. de; CASTRUCCI, Plinío de L. Engenharia de Automação Industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, ROSÁRIO, J. M. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson, GUTIERREZ, Regina M. V.; PAN, Simon Shi Koo. Complexo Eletrônico: Automação do Controle Industrial. BNDES: Disponível em: uivos/conhecimento/bnset/set2807.pdf. Acesso em: 9 ago CUNHA, Roberto Luiz R. Revista Mecatrônica Atual. Ano 6. Edição 33. Abr/Mai/07. Disponível em: RALIZE, Carlos Henrique C. Revista Mecatrônica Atual. Nº17. Set/04. Disponível em: