Supervisão de um sistema de energia utilizando protocolo Modbus

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1 Supervisão de um sistema de energia utilizando protocolo Modbus Hélio Alexandre Pedroso & João Paulo Carvalho Henriques Abstract Control and automation of a process is today without doubt very important in the industrial environment, and aim to become a more reliable and versatile production process simple and more economical operations. This paper presents a theoretical and practical study of the major basic features that are part of a system of control and automation of an industrial process. Index Terms SCADA, Elipse E3, Modbus, SEL-734 Resumo Controle e automação de um processo é hoje sem dúvida muito importante no ambiente industrial, e tem como objetivo tornar um processo produtivo mais confiável e versátil com operações simples e mais econômicas. Este trabalho apresenta um estudo teórico e prático dos principais recursos básicos que fazem parte de um sistema de controle e automação de um processo industrial. Palavras chave SCADA, Elipse E3, Modbus, SEL-734 I. INTRODUÇÃO No meio industrial, os sistema de automação de máquinas e equipamentos estão cada vez mais presentes, uma vez que busca pela qualidade e pelo aumento da produtividade exigem sistemas cada vez mais complexos. Neste cenário, os sistemas de monitoramento e supervisão tem um papel muito importante, pois as principais grandezas de um processo devem estar disponíveis para a tomada de decisão rápida por parte do operador. Para a supervisão de processos industriais, destacam-se os sistemas supervisórios, que são interfaces gráficas que possibilitam uma operação mais clara e objetiva do processo e facilita o gerenciamento dos ativos. As informações do sistema são processadas pelas estações remotas e enviadas para o sistema supervisório através das redes de comunicação. Essas redes utilizam uma ampla variedade de meios físicos e tipos de protocolos diferentes para a comunicação. Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em todo o ambiente industrial. A diferença está no número de elementos que serão monitorados e controlados. Todos esses recursos têm como objetivo tornar o processo produtivo mais confiável, eficaz e econômico. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema supervisório para monitorar um multimedidor de energia, equipamento presente em subestações indústriais e responsável por medir as grandezas relacionadas com o consumo e a qualidade da energia entregue a parque industrial. II. SISTEMAS SUPERVISÓRIOS Sistemas supervisórios ou SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) são sistemas que monitoram e controlam informações de um determinado processo industrial. As informações do processo são coletadas por equipamentos de aquisição de dados, são processadas, armazenadas e apresentadas ao usuário. O objetivo desse sistema é criar uma interface de alto nível entre o usuário e o processo industrial com informações em tempo real de todos os eventos de interesse. [1] Os primeiros sistemas supervisórios eram painéis de lâmpadas e indicadores que permitiam informar os eventos do processo industrial para os operadores. Estes sistemas eram grandes, complexos e não permitiam ao usuário uma interação plena com o processo. Os sistemas atuais utilizam tecnologias computacionais e de comunicação para a supervisão e o controle dos processos industriais. Essas tecnologias permitem a coleta de dados em ambientes complexos, disponibilizam recursos gráficos e contem multimídia que facilitam a [1], [2] interpretação pelo usuário. Um sistema de automação é composto por trasdutores compostos por elemento sensor, atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e de monitoramento central (sistema computacional SCADA). Os transdutores convertem as variações de grandezas físicas para sinais analógicos e digitais legíveis pelas estações remotas. Os atuadores são elementos utilizados para atuar em um determinado equipamento do sistema. As estações remotas tem a função de ler entradas, realizar cálculos ou controles e atualizar saídas. Podem ser compostas por PLCs (Programmable Logic Controllers), RTUs (Remote Terminal Units) ou DAQs (Data Acquisition Boards). A rede de comunicação é o meio físico por onde fluem as informações dos PLCs/RTUs/DAQs para o sistema SCADA. Essa rede pode ser composta por fibras ópticas, cabos ethernet, linhas dedicadas, dentre outros. Na Figura 1 apresenta-se um exemplo da arquitetura SCADA. [2] 1- Trabalho apresentado no V Seminário de Automação Industrial e Sistemas Eletro-Eletrônicos SAISEE (ISSN ), ocorrido em 02 de Julho na cidade de Santa Rita do Sapucaí-MG.

2 Fig. 1. Exemplo de arquitetura SCADA. Dentre os softwares supervisório existentes no mercado, neste trabalho utilizou-se o sistema de supervisão Elipse E3, desenvolvido pela Elipse Software Ltda. O Elipse E3 é um sistema SCADA moderno que trabalha com servidores e consoles de operação que apresentam uma arquitetura flexível na distribuição do processamento, podendo alocar os eventos de controle e supervisão em um único computador ou separar em diversas unidades. Ele também oferece uma poderosa interface gráfica, além de um avançado modelo de objetos. [3] Com o Elipse E3 a coleta de dados é em tempo real nos equipamentos de aquisição de dados/controle, pois estes equipamentos possuem interfaces que permitem a sua conexão ao software. O E3 lê e escreve dados dos equipamentos através de drivers de comunicação que implementam o protocolo disponível em cada equipamento de aquisição de dados. Após a aquisição dos dados é possível criar varias maneiras de analisar, controlar, gravar e divulgar as informações contidas. Através do recurso Telas, é possível criar uma IHM (Interface Homem-Máquina) que mostra o status atual/passado dos dados em várias formas. É possível criar alarmes e eventos para monitorar a ocorrência de situações específicas. Para armazenar as informações é possível criar um histórico em um banco de dados. E também é possível gerar relatórios que permitem visualizar e imprimir informações do processo. [3] A arquitetura do Elipse E3 é bastante flexível. Em outros sistemas SCADA, geralmente é construído um banco de dados da aplicação, que contém a definição das variáveis envolvidas, com nomes e endereçamentos, telas, definições de alarmes entre outros. Quando é necessário utilizar mais de um computador para supervisão, é preciso fazer com que cada aplicação em cada computador troque dados uma com a outra. Isto gera alguns problemas de gerenciamento como, aplicar mudanças a todos os servidores, ter que trabalhar com diferentes fabricantes de softwares e hardwares. Com o Elipse E3 este problema é resolvido usando o conceito de Domínio. Em um único ambiente são definidos os servidores e as bases de dados de projeto que devem ser executadas nestes servidores, com a possibilidade de execução de vários projetos em cada servidor. Na figura 2 temos um exemplo dessa arquitetura. [3] Fig. 2. Exemplo de arquitetura do Elipse E3. III. REDES INDUSTRIAIS Em um sistema de controle e automação é necessário uma estrutura de comunicação que permite a troca de informações entre diferentes componentes e equipamentos computadorizados. A rede industrial é o meio de comunicação entre esses equipamentos que necessitam de informações de campo para a supervisão e controle do processo. As medições, através de sensores, são transmitidas para as unidades de processamento e mostradas ao usuário no sistema supervisório. Os comandos enviados pelo usuário também são transmitidos pela rede até os atuadores. [4] Com o passar dos anos, o modo de transmissão das informações de campo foi evoluindo gradativamente, dando origem a tecnologias mais avançadas para a comunicação. A utilização das redes permite a comunicação rápida e confiável entre equipamentos, que são fatores indispensáveis no conceito de produtividade industrial. O processo de automação industrial pode ser representado em níveis, como apresentado na Figura 3, na qual os dados dos sensores e atuadores são transmitidos para os controladores e para o sistema supervisório através dos protocolos de redes industriais, evitando perda de dados e interferência na comunicação. [4] Fig. 3. Exemplo de pirâmide da automação. Existem diferentes tipos de redes industriais, e cada uma possui a suas particularidades e características específicas para diferentes aplicações. As redes se distinguem entre si pelo protocolo de comunicação que esta sendo usado, ou seja, pela forma como as informações são enviadas e recebidas e pelo

3 meio físico utilizado. Normalmente são utilizadas comunicações seriais, fibra óptica e wireless como meio físico de comunicação. O protocolo de comunicação é a maneira que os equipamentos se comunicam entre si, ou seja, é o conjunto de regras que especificam o formato que a mensagem deve ser transmitida entre os dispositivos da rede. Dentre estes protocolos de redes industriais existentes no mercado, destacam-se o Modbus, o Profibus, CAN, Devicenet, Hart, dentre outros. [5] Existem duas topologias básicas de interligação entre os equipamentos de controle e os sensores/atuadores. A topologia ponto a ponto consiste na ligação de sensores/atuadores diretamente ao PLC, que permanece conectado a rede enviando informações do processo aos níveis superiores. Nesta topologia os dispositivos são ligados ao PLC por um par de fios. Porém, em instalações de grande porte, pode provocar grande concentração de cabos de longas distâncias. A topologia de rede descentralizada consiste em barramentos de campo que são redes de comunicação específicas para processos industriais. Através do barramento de campo, os PLCs comunicam entre si e com os dispositivos que possuem I/O para intervir no processo. Este tipo de topologia permite grande redução da utilização de cabos, simplificando a instalação, manutenção e remanejamento do processo. [4] A Figura 4 apresenta as duas topologias. iniciar e finalizar o processo de troca de dados entre equipamentos. Ele envia a qualquer momento, independente do estado do escravo, uma mensagem requisitando uma determinada função. Os escravos recebem a mensagem do mestre e respondem com a função em questão. [7] Um equipamento pode ser mestre ou escravo, isso vai depender da sua aplicação no processo. Um tipo de equipamento que foi configurado como mestre em um determinado processo, também poderá ser configurado como [7], [8] escravo em outro processo diferente. A comunicação Modbus é baseada em um pacote chamado de PDU (Protocol Data Unit), que é definido em três tipos: PDU de requisição, PDU de resposta e PDU de resposta com exceção. O PDU de requisição é composto pelo código da função que especifica o tipo de função ou serviço solicitado e pelos dados específicos da função. No PDU de resposta temos o código da função correspondente à aquisição e os dados de resposta. O PDU de resposta com exceção apresenta o código da função correspondente à requisição com o bit mais significativo em 1 e o código especificando a exceção. Os pacotes também apresentam os endereços de cada dispositivo mestre e escravo. [7] Ao iniciar a comunicação, o mestre pode endereçar cada dispositivo escravo individualmente ou comunicar com todos os dispositivos escravos através de mensagens em broadcast. Quando a mensagem é endereçada a um escravo, apenas ele irá retornar com uma mensagem de resposta. Se algum dispositivo escravo não estiver apto para atender a função requisitada ou se ocorrer algum erro de comunicação, o escravo irá montar uma mensagem de resposta com exceção justificando o não atendimento da função requisitada. Na figura 5 temos um modelo de mensagem Modbus. [8] Fig. 4. (a) Topologia ponto a ponto. (b) Topologia rede descentralizada. Uma rede deve ser instalada de acordo com todos os pontos definidos nas especificações do projeto. A escolha do protocolo e da topologia são pontos importantes para o funcionamento de um processo industrial. [5] IV. PROTOCOLO MODBUS O Modbus é um protocolo que foi desenvolvido pela Modicon em Este protocolo é utilizado para estabelecer comunicação entre dispositivos utilizando o conceito de mestre - escravo, no qual que somente um dispositivo mestre pode iniciar a comunicação. O mestre é o responsável por Fig. 5. Modelo de mensagem Modbus. O protocolo Modbus pode ser configurado em três padrões diferentes na transmissão de dados: o modo ASCII (American Code for Information Interchange), o RTU (remote terminal unit) e o modo TCP (Transmission Control Protocol). Os padrões definem a forma como serão transmitidos os bytes da mensagem e como a informação será empacotada e desempacotada. Em uma rede industrial com o protocolo Modbus, todos os dispositivos da rede devem ser configurados

4 com o mesmo modo de transmissão. A velocidade de comunicação varia em cada um desses padrões, bem como o comprimento máximo da rede e o número máximo de dispositivos conectados. [8] O Modbus TCP é uma implementação do protocolo Modbus baseado em TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Este padrão possui algumas variações, podendo chegar a 100Mbps ou até 10Gbps. O meio físico com Ethernet pode variar de 100m até 200m dependendo do tipo de cabo utilizado e das condições das instalações. Também é possível utilizar redes de fibra óptica, permitindo um alcance [7], [8] maior e melhores taxas de comunicação. No padrão TCP, o pacote PDU recebe um cabeçalho específico de 7 bytes chamado MBAP (Modbus Application protocol). A associação deste cabeçalho ao PDU recebe o nome de ADU (Application data unit). O cabeçalho MBAP é composto pelos seguintes campos: [8] Transaction identifier: usado para identificação da resposta para a transação (2 bytes). Protocol identifier: 0 (zero) indica Modbus (2 bytes). Length: contagem de todos os próximos bytes (2 bytes). Unit identifier: utilizado para identificar o escravo remoto em uma rede Modbus RTU (1 byte). A Figura 6 mostra um exemplo dos pacotes ADU e PDU. [7] Fig. 6. Pacotes ADU e PDU. V. APLICAÇÕES E RESULTADOS Fig. 7. Aplicação prática. Kit de comandos elétricos, SEL-734 (escravo) e sistema supervisório (mestre). Para a medição das grandezas foi utilizado o Multimedidor SEL-734 da Schweitzer Engineering Laboratories que é um multimedidor de alta precisão com recursos avançados de análise e monitoramento de qualidade de energia. O SEL-734 pode ser usado para diversos tipos de aplicações, como medições em usinas geradoras, medições de qualidade de energia na transmissão e distribuição, medição de fronteira para faturamento de energia elétrica, controle de banco de capacitores, dentre outros. Existem várias opções para a comunicação do SEL-734 com outros dispositivos. O medidor apresenta as portas de comunicação EIA-232/485, uma porta frontal óptica ANSI tipo 2, uma porta Ethernet 10/100BASE-T, uma porta Ethernet 100BASE-FX, e ainda um modem interno via telefone. O SEL-734 suporta protocolos de comunicação tipo DNP3, Modbus, Telnet, ASCII e binário intercalados. A Figura 8 apresenta a imagem do SEL-734 que foi utilizado neste trabalho. [9] Neste trabalho desenvolveu-se uma aplicação prática com objetivo de associar os conceitos de Sistema Supervisório, Redes Industriais e Protocolos de Comunicação. Em uma bancada do laboratório realizaram-se medições de tensão por fase, corrente por fase e frequência de um motor de indução trifásico funcionando em vazio. Os circuitos de comando e de carga, para a partida direta do motor de indução trifásico, foram montados utilizando um kit didático de comandos elétricos, como apresentado na Figura 7. Fig. 8. Multimedidor SEL-734 da Schweitzer Engineering Laboratories A comunicação entre o Elipse E3 (mestre) e o SEL-734 (escravo) foi via porta Ethernet 10/100 BASE-T, utilizando o protocolo Modbus TCP. Primeiramente foi necessário configurar o Drive Modicon Modbus, do Elipse E3, alterando parâmetros e incluindo o IP e porta de comunicação do SEL-

5 743 fornecidos pelo manual do fabricante. As Figuras 9 e 10 apresentam as telas de configuração. Fig. 11. Configuração das tags de comunicação. Fig. 9. Configuração do tipo de modbbus. No Elipse E3 desenvolveu-se um sistema supervisório com três telas de navegação. A tela principal é uma réplica do painel frontal do SEL-734 onde é possível selecionar qual grandeza deseja visualizar em tempo real, e também disponibiliza atalhos para navegar em outras telas. A tela Relatório mostra os valores de tensão por fase, corrente por fase e frequência com período de amostragem de 5 segundos. Estes dados são obtidos através de um banco de dados que foi criado na aplicação. A tela Gráfico exibe um gráfico com as grandezas de tensão, corrente e frequência variando em tempo real. As Figuras 12, 13 e 14 mostram as telas da aplicação criada. Fig. 10. Configuração do IP e porta do SEL-734. Para finalizar a configuração de comunicação do drive, foram criadas tags de comunicação referentes à tensão por fase, corrente por fase e frequência. Para configurar as tags foi necessário preencher as propriedades P1/N1, P2/N2, P3/N3 e P4/N4 conforme as informações do manual do fabricante do SEL-724. Essas propriedades são definidas da seguinte forma: Fig. 12. Tela Inicial. P1/N1: Endereço do equipamento escravo na rede. Este endereço pode variar entre 1 e 255. P2/N2: Código da operação. Referencia uma operação de leitura ou escrita. P3/N3: Parâmetro adicional. Este parâmetro em geral não é usado e pode ser deixado em 0 (zero). P4/N4: Endereço do registrador ou da variável no equipamento escravo que se deseja ler ou escrever. A Figura 11 apresenta a tela do drive com as tags criadas, as propriedades P1/N1, P2/N2, P3/N3 e P4/N4 inseridas e a comunicação já estabelecida com o medidor SEL-734. Fig. 13. Tela Relatório.

6 [8] WEG, Modbus TCP, PLC 300 manual do usuário, WEG, [Online]. Diponível: comunicacao-modbus-tcp manual-portugues-br.pdf [Acesso em fevereiro 2016]. [9] SEL, SEL-734 Advanced Metering System Instruction Manual, Schweitzer Engineerring Laboratories, [Online]. Diponível: Fig. 14. Tela Gráfico. VI. CONCLUSÃO Neste artigo foi apresentado o conceito de Sistemas Supervisórios, Redes Industriais e Protocolo Modbus TCP. Com isso, foi desenvolvido em laboratório uma aplicação com o intuito de colocar em prática os conceitos adquiridos. Na aplicação prática, foram realizadas medições de grandezas elétricas em um motor de indução trifásico utilizando um medidor inteligente (escravo) com comunicação via Modbus TCP com um sistema de supervisão (mestre). Os resultados obtidos foram os esperados. O desenvolvimento da aplicação no Elipse E3 contribui para um melhor entendimento de como é a relação entre mestre e escravo através da comunicação Modbus TCP. Hélio Alexandre Pedroso nasceu em Poços de Caldas/MG, em 07 de Fevereiro de Engenheiro Eletricista, ênfase em Telecomunicações pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (2009/1) e concluinte do curso de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (2016/1). Atuou de outubro de 2010 a julho de 2014 como Responsável Técnico dos serviços de operação e manutenção de uma Pequena Central Hidrelétrica localizada em Poços de Caldas, MG. Atualmente está trabalhando como Supervisor Técnico/Administrativo na empresa de sua família em Poços de Caldas, MG. João Paulo Carvalho Henriques nasceu em Ouro Fino, MG, em 15 de abril de Recebeu o título de Técnico em Eletrônica pela Escola Técnica de Eletronica Francisco Moreira da Costa em 2001, Engenheiro Eletricista pelo INATEL em 2006, especialista em Docência no Ensino Superior pela FGF em 2012 e Mestre em Engenharia Eletrica pela Universidade Federal de Itajubá em Desde 2012 é professor Auxiliar do Instituto Nacional de Telecomunicacões, onde atua com Controle de Sistemas Dinâmicos, Controlador Lógico Programável e Sistemas Supervisórios. [1] CPDEE UFMG, Sistemas Supervisórios, CPDEE UFMG, [Online]. Disponível: la%202%20-20sistemas%20supervisorios%20parte%201.pdf. [Acesso em novembro 2015]. [2] Wectrus, O que são Sistemas Supervisório, Wectrus Sistema de automação Ltda, [Online]. Diponível: [Acesso em novembro 2015]. [3] E. software, Manual do usuário do E3, Elipse software, [Online]. Diponível: 4/e3manual_ptb.pdf [Acesso em janeiro 2016]. [4] LUGLI, Alexandre B. e Santos, Max M. D. Redes Industriais para Automação Industrial: AS-I, Profibus e Profinet. Editora Érica. São Paulo [5] LUGLI, Alexandre B. e Santos, Max M. D. Sistemas de Fieldbus para Automação Industrial: Devicenet, CANOpen, SDS e Ethernet. Editora Érica. São Paulo [6] Smar, Redes Industriais, Smar, [Online]. Diponível: [Acesso em janeiro 2016]. [7] The Modbus, Modbus Application Protocol Specification, The Modbus Organization, [Online]. Diponível: [Acesso em fevereiro 2016].