UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUI RAFAEL RUPPENTHAL

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUI RAFAEL RUPPENTHAL SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET Santa Rosa 2016

2 RAFAEL RUPPENTHAL SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Me. Gilson Rogerio Batista Santa Rosa 2016

3 RAFAEL RUPPENTHAL SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora. Santa Rosa, 20 de junho de 2016 Prof. Gilson Rogerio Batista Mestre pela Universidade Federal de Campina Grande Prof. Taciana Paula Enderle Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria

4 Dedico este trabalho aos meus pais, Elvio Milton Ruppenthal e Sandra Ruppenthal.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus pela minha oportunidade de realizar meu sonho de ser Engenheiro Eletricista. Quero agradecer de forma especial meus pais, Elvio Milton Ruppenthal e Sandra Ruppenthal que sempre me incentivaram a continuar estudando para meu desenvolvimento pessoal e profissional. Agradeço aos meus avós pelo carinho e também pelas palavras de apoio. Ao meu irmão, Leonardo Ruppenthal pelo companheirismo, sinceridade e pelas brincadeiras que me proporcionam momentos alegres. Agradeço também minha namorada, Pâmela, pelo apoio, carinho e entendimento pelos momentos que estive ausente para o desenvolvimento de meus trabalhos e estudos acadêmicos. Agradeço a todos os professores e colegas do curso de Engenharia Elétrica, em especial meu amigo e colega Douglas Rodrigo Finkler, que esteve presente nos momentos de estudos assim como nos momentos de distração.

6 Aqui estão os loucos. Os desajustados. Os rebeldes. Os criadores de caso. Os pinos redondos nos buracos quadrados. Aqueles que veem as coisas de forma diferente. Eles não curtem regras. E não respeitam o status quo. Você pode citálos, discordar deles, glorificá-los ou caluniá-los. Mas a única coisa que você não pode fazer é ignorá-los. Porque eles mudam as coisas. Empurram a raça humana para frente. E, enquanto alguns os veem como loucos, nós os vemos como geniais. Porque as pessoas loucas o bastante para acreditar que podem mudar o mundo, são as que o mudam. Jack Kerouac

7 RESUMO RUPPENTHAL, Rafael. Supervisório para diagnóstico de acionamentos elétricos de uma máquina misturadora de concreto através de uma rede DeviceNet Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, Santa Rosa, Muito embora que se obteve uma queda na construção civil nos anos de 2015 e 2016 no Brasil, o crescimento que houve neste ramo desde 2010 fez com que houvesse muitas máquinas misturadoras de concreto espalhadas pelo país. Muitas vezes, essas máquinas não apresentam um sistema de supervisão voltado à área de manutenção, o que provoca paradas repentinas e perdas de produção. Com a implementação dos relés de sobrecarga de estado sólido E3 Plus em quadros de comando descentralizados, interligados através de uma rede de nível de dispositivo, rede DeviceNet, é possível levantar dados de funcionamento de motores elétricos, como corrente elétrica, tensão nominal, potências, entre outros, que operam na máquina em questão. Estes dados são tratados e informados em um sistema de supervisão específico de manutenção da planta. Tal sistema de supervisão facilita o gerenciamento de manutenção preventiva, manutenção corretiva e detecção de falhas. Tornar-se-á vantajoso, a aplicação deste sistema, tanto para o ponto de vista técnico e de segurança. O incremento de novas tecnologias em produtos de fabricação nacional, neste caso, alavancam um investimento no ramo da automação industrial na intenção de produzir uma máquina otimizada, robusta, segura, rentável e competitiva no mercado nacional e internacional. Palavras-chave: DeviceNet, sistema supervisório, automação industrial, manutenção.

8 ABSTRACT RUPPENTHAL, Rafael. Supervisório para diagnóstico de acionamentos elétricos de uma máquina misturadora de concreto através de uma rede DeviceNet Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, Santa Rosa, Although the drop in civil construction area in 2015 and 2016 on Brazil, the growth that had on this way since 2010 makes that many concrete mixer plants got installed around the country. Many times, these machines do not have a supervisory control to maintenance area and it results in a suddenly breaks and loss of production. With the application of the E3 Plus Solid- State overload relay on decentralized cabinets, linked with a dispositive network, called DeviceNet, is possible to find electric motors data as electric current, nominal power supply, powers, and another, that work at the plant. These data are informed to the specific maintenance supervisory control of the plant. This supervisory control turns easier to manager for preventive maintenance of the machine, corrective maintenance and fails detections. The application of this system turns advantageous to the technic view as well as the safety view. The increase of new technology on national products, improve the investment on industrial automations, it intends to build a machine optimized, robust, safe, profitable and competitive on the national and international markets. Keywords: DeviceNet, Supervisory Control, industrial automation, maintenance.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Níveis de uma rede industrial Figura 2 - Sinal CAN Figura 3 - Camada de link de dados Figura 4 - Prevalecimento de dados prioritários na rede Figura 5 - Cabo redondo grosso Figura 6 - Cabo redondo fino Figura 7 - Cabo chato Figura 8 - Topologia Branch line Figura 9 - Topologia Tree Figura 10 - Topologia Line Figura 11 - Distância máxima entre dois terminadores de rede Figura 12 - Distância máxima entre dois dispositivos Figura 13 - Fonte de alimentação no meio das cargas Figura 14 - Duas fontes para a alimentação da rede Figura 15 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo grosso Figura 16 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo chato Figura 17 - Power Tap Figura 18 - T-port Tap modelo mini Figura 19 - T-port Tap modelo micro Figura 20 - DeviceBox Tap 8 portas Figura 21 - Deviceport Tap 8 portas Figura 22 - Terminadores de rede Figura 23 - Forma de aterramento com uma fonte de alimentação Figura 24 - Forma de aterramento com duas fontes de alimentação Figura 25 - Aterramento da rede construída com cabo chato com uma fonte de alimentação Figura 26 - Aterramento da rede construída com cabo chato com duas fontes de alimentação Figura 27 - Painel sinótico Figura 28 IHM Figura 29 - SCADA Figura 30 - Códigos para nomenclatura de instrumentação... 52

10 Figura 31 - Relé E3 Plus Figura 32 - Conexões típicas do motor Figura 33 - RSView Figura 34 - Controller tags RSLogix Figura 35 - Main program - linguagem ladder Figura 36 - RSLinx Figura 37 - Tela inicial do sistema de supervisão Figura 38 - Tela de detalhes rosca cimento Figura 39 - Tela de detalhes interruptores de emergência Figura 40 - Tela de alarmes Figura 41 - Tela de alarmes em operação Figura 42 - Tela de alarme com alarme ativo Figura 43 - Tela de tendências Figura 44 - Tela de manutenção Figura 45- Tela de fluxograma Figura 46 - Bancada de testes Figura 47 - RSLinx - Configure drivers Figura 48 - Configuração do IP Figura 49 - Definindo OPC Figura 50 - Configuração do sistema de supervisão Figura 51 - Localização do nó de rede Figura 52 - Apontamento de variáveis entre supervisório e ladder Figura 53 - Teste do sistema... 78

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Pares do cabo de rede DeviceNet Tabela 2 - Taxa de comunicação pelo comprimento máximo de rede Tabela 3 - Taxa de comunicação de acordo com o comprimento de derivações Tabela 4 - Comprimento máximo das linhas de derivação pela corrente Tabela 5 - Padrão de identificação de cores Tabela 6 - Especificações elétricas E3 Plus Tabela 7 - Funcionamento da tela inicial Tabela 8- Funcionamento da tela de detalhes rosca cimento Tabela 9 - Funcionamento da tela de detalhes emergência Tabela 10 - Funcionamento da tela de alarmes Tabela 11 - Funcionamento da tela de manutenção... 71

12 LISTA DE ABREVIAÇÕES A AWG CA CAN CIP CLP CRC CSMA/CD EDS NDA IHM IP ISA ISO LSD m mm MSD ODVA OLE Ampère American Wire Gauge Corrente Alternada Controller Area Network Common Industrial Protocol Controlador Lógico Programável Cyclic Redundancy Code Carrier Sense Multiple Access Electronic Data Sheet Non-Destructive Arbitration Interface Homem Máquina Internet Protocol Instrumentation Symbols and Identification International Organization for Standardization Least Significant Digit Metro Milímetro Most Significant Digit Open DeviceNet Vendor Association Object Linking and Embedding

13 OPC SCADA SOF VA Vcc W Ω OLE for Process Control Supervisory Control and Data Acquisition Start of Frame Volt Ampere (Potência Aparente) Volts Corrente Contínua Watt Ohm

14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REDES DE COMUNICAÇÃO BÁSICAS NA INDÚSTRIA DEVICENET PROTOCOLO CAN, A BASE DA REDE DEVICENET CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO CAN CARACTERÍSTICAS DA REDE DEVICENET MODOS DE COMUNICAÇÃO DA REDE DEVICENET Cyclic I/O Polled Peer to Peer Bit Strobe Change of State Cyclic Explicit Message CAMADA DE LINK DE DADOS MEIO FÍSICO - CABEAMENTO DE UMA REDE DEVICENET Cabo redondo grosso Cabo redondo fino Cabo chato TOPOLOGIAS DE REDE DEVICENET Branch line Tree Line... 32

15 3.8 MÁXIMO COMPRIMENTO LINHA TRONCO DA REDE DEVICENET MÁXIMO COMPRIMENTO ACUMULADO DAS LINHAS DE DERIVAÇÃO DA REDE DEVICENET ALIMENTAÇÃO DA REDE DEVICENET Escolha da fonte de alimentação COMPONENTES BÁSICOS DA REDE DEVICENET Power Tap T-port Tap DeviceBox Tap DevicePort Tap Terminating resistor ATERRAMENTO DA REDE DEVICENET SISTEMAS SUPERVISÓRIOS IHM SCADA MODELOS DE COMUNICAÇÃO Comunicação por polling Comunicação por interrupção CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS SUPERVISÓRIOS Facilidade de interpretação Flexibilidade Estrutura Geração de receitas de produção PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO Entendimento do processo produtivo... 50

16 4.5.2 Variáveis de processo Planejamento da base de dados Planejamento de alarmes Alarmes normais ou pré-alarmes Alarmes de fato Planejamento da hierarquia de navegação de telas Desenho de telas Sistema de segurança Padrão industrial de desenvolvimento RELÉ DE ESTADO SÓLIDO E3 PLUS CONEXÕES TÍPICAS DO MOTOR ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS CHAVES PARA ENDEREÇAMENTO DE REDE TESTES PRÁTICOS PROGRAMAS UTILIZADOS RSView RSLogix RSLinx RSNetWorx SISTEMA SUPERVISÓRIO DESENVOLVIDO Tela inicial Tela de detalhes Tela de alarmes Tela de tendências Tela de manutenção... 70

17 6.2.6 Tela de fluxograma BANCADA DE TESTES TESTE DE REDE DEVICENET TESTE DO SISTEMA DE SUPERVISÃO CONCLUSÕES DO TESTE PRÁTICO CONCLUSÃO SUSGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS APÊNDICE A TABELA PARA DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO APÊNDICE B PROJETO DE REDE DEVICENET PARA UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO... 84

18 17 1 INTRODUÇÃO O alto investimento financeiro aplicado em uma máquina misturadora de concreto deve tornar a gerar lucro ao investidor o mais rápido possível no mundo dos negócios atual. Paradas repentinas na produção, ocasionadas por falhas na planta, situações de emergência ou por falta de manutenção são nada convenientes para empresas e, muitas vezes, geram atrasos significantes no plano de entrega estipulado pelo fabricante. Para garantir o maior tempo de produção de uma máquina, deve ser investido na manutenção preventiva, uma vez que diminui ou elimina a manutenção corretiva em máquinas. Uma equipe bem treinada é capaz de realizar correções de defeitos e ações preventivas com eficiência e segurança. Porém, frequentemente, esta não é a realidade dos compradores de máquinas misturadoras de concreto, pois, estes possuem uma equipe limitada no que diz respeito a número e preparo. Focando na dificuldade dos clientes, indubitavelmente a identificação das manutenções preventivas e corretivas, status de falhas, localização de erros, diagnóstico de sensores e acionamentos tornam-se de muita valia, se estes, forem fornecidos pelo sistema supervisórios da máquina. Dessa maneira é primordial que seja investido na aplicação de novas tecnologias para ser criado um facilitador tanto na operação quanto nos reparos de máquinas que possuem um tempo de parada mínimo. Partindo de um sistema descentralizado de quadros de comando, onde existe a aplicação de relés de sobrecarga de estado sólido E3 Plus, capazes de atuar como funções de proteção, advertência e monitoramento de grandezas elétricas, interligados por uma rede industrial de nível de dispositivo, DeviceNet, é portanto, possível fazer o levantamento do comportamento da operação dos motores elétricos. Tais dados serão informados no sistema de supervisão para a manutenção da máquina. Isso permite que o operador atue na vigilância do comportamento dos motores elétricos, pois, em situações anormais há a parada automática do acionamento e indicações da falta são apresentadas para o operador. Ao ser levantado os tempos de funcionamento acumulado dos motores, é possível indicar, também no sistema de supervisão, os períodos de manutenção específica de cada componente da máquina. O sistema analisará o funcionamento da planta por completo, identificando pontos

19 18 indispensáveis para o perfeito funcionamento de todo o conjunto. É dessa forma que o supervisório identifica os pontos de manutenção preventiva ou corretiva, acelerando o processo de correção do defeito pela equipe competente. Certamente todas as melhorias aplicadas na gestão sobre uma máquina devem estar embasadas para a construção de uma máquina segura e robusta. No processo de fabricação de máquinas, medidas de proteção para garantir a saúde e integridade físicas dos operadores do equipamento devem ser atribuídas. Isto posto, este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo estudar e viabilizar a implantação de um software de supervisão de manutenção de máquinas misturadoras de concreto, por meio da obtenção de dados elétricos dos acionamentos da planta. Desta maneira, começa-se com uma abordagem aos principais níveis de comunicação na indústria, formando uma base para a localização do protocolo DeviceNet. Posteriormente, será abordado minuciosamente o padrão DeviceNet de comunicação, apresentando informações desde sua criação, funcionamento, ligações, componentes e aterramento. Após os estudos de rede, é abordado o planejamento do sistema de supervisão. As informações que serão apresentadas são de fundamental importância para o projeto de um sistema supervisório. Compilando os conhecimentos dos estudos da parte de rede DeviceNet assim como os estudos do sistema supervisório, serão realizados alguns testes práticos que provam a funcionalidade do sistema, assim como as configurações e parametrizações necessárias para a operação dos dispositivos utilizados.

20 19 2 REDES DE COMUNICAÇÃO BÁSICAS NA INDÚSTRIA Na tentativa de melhorar a qualidade dos produtos fabricados, assim como aumentar a produção, o setor industrial começou a automatizar seus processos, retirando a produção apenas da mão do homem. Esse processo se fez de forma gradual nas últimas décadas até alcançar o nível computadorizado atual. Anteriormente aos processos automáticos microcontrolados, toda a lógica para a automatização de uma linha de produção, era feita utilizando relés. Devido à complexidade elevada de alguns processos produtivos, a instalação de painéis com centenas de relés era necessária. Isto resultava em uma operacionalidade baixíssima dos quadros de comando. Alguns outros problemas também podem ser relacionados a estes sistemas [1]: alto consumo de energia; difícil manutenção; modificação dos comandos elétricos dificultados e trabalhosos com muita alteração da fiação; dificuldade em se manter os projetos atualizados quando os esquemas eram alterados; pequenas alterações na linha ocasionavam horas de paradas na produção. Estes sistemas de controle eram pioneiros e centralizados, ou seja, todo o comando principal era localizado em apenas um local, sendo que qualquer interligação com outra estação de controle era feita com uma quantidade elevada de cabos de controle. Com o desenvolvimento de sistemas microprocessados e o surgimento da comunicação de dados por protocolos de rede, o processo de descentralização de sistemas de controle começou a crescer. Dessa forma, a planta passou a ser gerenciada por vários pontos, sendo que, cada um, transmite e recebem dados. Com esta nova solução de controle em rede, surge um conjunto de benefícios antes não existentes [2]; menor quantidade de fios na instalação da planta resulta em uma diminuição de custos de cabeamentos;

21 20 ligações curtas em sensores analógicos - este modelo de sensor é sensível aos efeitos eletromagnéticos, dessa maneira, quanto menor o comprimento do cabo de ligação, menor a distorção dos sinais lidos; facilidade de manutenção - como o sistema é descentralizado, uma possível falha ocasiona a parada de apenas uma parte do processo da planta. Muitas vezes, os sistemas são programados para acusar o ponto específico da falha, o que resulta em um tempo de parada ínfimo se comparado aos sistemas antigos; cada estação de controle pode ser testada e melhorada individualmente; adequações no sistema são fáceis e seguras, devido à planta ser controlada por dispositivos programados por linguagens de programação. Indubitavelmente, o avanço tecnológico nas instalações industriais tem crescido exponencialmente nas últimas décadas. Inúmeros componentes industriais são controlados automaticamente, sendo que destes, a grande maioria está conectada em rede. Segundo Filipe Pereira, existem três níveis de hierarquias dentro de uma rede industrial. A Figura 1 demonstra os estes três níveis [3]. Figura 1 - Níveis de uma rede industrial Fonte: Mecatrônica Atual A hierarquia mais elevada, que também é conhecida como nível de informação, é a EtherNet. Este modelo de rede é utilizado basicamente para interligar computadores com o propósito de trocarem informação. A EtherNet é muito utilizada para quando se quer trocar dados do tipo financeiro, inventários ou de produção, mas poderá ter problemas ao lidar com

22 21 informações de tempo real, como é o caso dos um CLP para ler uma informação de segurança [3]. O segundo nível da hierarquia é o nível de controle. A rede de comunicação nesse nível deverá assegurar atribuição de prioridades às mensagens, garantir um determinado tempo de entrega e deverá garantir a interligação entre CLPs e com os seus dispositivos de supervisão. Pode-se citar como exemplo deste modelo de rede, a rede ControlNet [3]. A terceira hierarquia é o nível de dispositivo. Esta rede é usada principalmente para a ligação de dispositivos que estão mais próximos das máquinas, tais como sensores e atuadores. Um exemplo deste modelo de rede é a rede DeviceNet, este é um padrão de rede industrial que é utilizada na comunicação entre CLPs, atuadores, sensores e drivers [3]. Assume-se então, a aplicação de uma rede DeviceNet entre os relés de estado sólido E3 Plus incluídos nos painéis descentralizados da máquina misturadora de concreto.

23 22 3 DEVICENET DeviceNet é um padrão de rede industrial que é aplicada na comunicação entre dispositivos eletrônicos como CLP, atuadores, sensores e drivers. Este modelo de rede industrial foi desenvolvido pela Allen Bradley em 1994 com base no protocolo CAN (Controller Area Network). No ano de 1995 sua tecnologia foi transferida para a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Esta é uma associação sem fins lucrativos, composta por inúmeras empresas que trabalham para garantir o desenvolvimento e a padronização de redes com protocolo baseado no CIP (Common Industrial Protocol) [4] [5]. 3.1 PROTOCOLO CAN, A BASE DA REDE DEVICENET O protocolo CAN foi desenvolvido por Robert Bosh no ano de 1986 para aplicação em automóveis. A função principal era de simplificar os complexos e numerosos sistemas de fios elétricos em um veículo para um sistema de controle compostos por múltiplos controladores com o propósito de gestar a motorização, freios e demais sistemas que compõem um automóvel. A criação do protocolo CAN tinha como princípios básicos uma elevada taxa de transmissão de dados para evitar atrasos de envio e recebimento de informação, uma grande imunidade a interferências eletromagnéticas garantindo sua aplicação em ambientes com elevados índices de ruídos eletromagnéticos e também, por ser um sistema digital, pela capacidade de detectar erros no envio e recebimento de dados [2]. 3.2 CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO CAN O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono que permite transmissão de dados em tempo real. Isso significa que os módulos conectados na rede possuem um determinado tempo para que cada mensagem seja enviada ao barramento de rede. Este evento ocorre em intervalos de tempos regulares e conhecidos [6]. O sistema CAN é desenvolvido com capacidade multi-mestre. Essa característica possibilita que todos os dispositivos conectados no barramento de rede podem solicitar acesso ao meio de transmissão ao mesmo tempo, sendo que em determinados momentos, os módulos podem se tornar mestre ou escravo e trabalhar com mensagens Multicast, onde todas

24 23 as mensagens lançadas na rede são recebidas por todos os dispositivos conectados simultaneamente [2] [6]. Como cada mensagem enviada para a rede é recebida por todos os dispositivos, é necessário a identificação dos pacotes de dados para que cada dispositivo faça a análise do que se deva ou não processar cada mensagem. Assim, cada mensagem é composta por bits identificadores. Através do conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration) há a possibilidade de que os módulos conectados na rede estejam a todo instante monitorando o barramento de rede e analisando se outro módulo não está enviando uma mensagem com maior prioridade. Quando um dispositivo da rede detecta um sinal de alta prioridade, o módulo que possuir uma mensagem com a menor prioridade cessa sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem a necessidade de reiniciar a transmissão do pacote de dados prioritário [6]. Como no protocolo CAN os dados são processados em tempo real, estes têm a obrigatoriedade de ser transferidos com alta velocidade. As características apresentadas até o momento reforçam essa veracidade. De acordo com a especificação da ISO 11989, a taxa máxima de transmissão de dados para o protocolo CAN é de 1 Mbit/s para o comprimento máximo de 40 metros da linha de rede. Para diferentes comprimentos da rede, recomendam-se as seguintes taxas de transmissão [2]: 500 kbit/s para até 100 metros; 250 kbit/s para até 250 metros; 125 kbit/s para até 500 metros; 50 kbit/s para até 1000 metros. No protocolo CAN, os sinais transmitidos na rede, utilizam o método de tensões diferenciais. Essa característica eleva muito a capacidade de imunidade a ruídos considerando que estas são de modo comum, ou seja, que o mesmo sinal de ruído for aplicado de forma igual nos dois cabos de comunicação [2]. As linhas de sinal são denominadas de CAN_H e CAN_L onde H e L vêm das palavras em inglês High (alto) e Low (baixo) respectivamente. A formação do sinal ocorre da seguinte maneira: um 0 é formado quando o sinal CAN_H estiver com um nível de sinal superior ao CAN_L, este é designado como bit dominante. Já quando o sinal CAN_L estiver superior ao CAN_H corresponde ao bit recessivo de valor 1 [2].

25 24 A Figura 2 apresenta a representação gráfica do sinal. Figura 2 - Sinal CAN Fonte: Protocolo de comunicações CAN Em suma, o protocolo CAN possui alta confiabilidade agregada com um baixo custo de instalação. Por ser um meio simples e robusto é utilizado em peso na indústria em sistemas de controle distribuído. 3.3 CARACTERÍSTICAS DA REDE DEVICENET Como a rede DeviceNet é desenvolvida com base no protocolo CAN, herda várias caraterísticas importantes deste protocolo [7]: suporta até 64 nós de rede; inserção ou remoção de dispositivo/nó na rede com a rede de comunicação em funcionamento; possibilidade de utilização de dispositivos com conexão rápida para garantir um tempo de manutenção e parada muito menor; proteção contra ligação errada dos cabos de rede; cabo de alimentação de rede junto com os cabos de sinal, dessa maneira resulta em uma maior facilidade de instalação e também em um meio físico mais compacto; possibilidade de utilizar várias fontes de alimentação em uma mesma rede com o emprego de Power Taps; taxas de comunicação de 125 kbits/s, 250 kbits/s e 500 kbits/s;

26 25 grande imunidade a interferências eletromagnéticas. 3.4 MODOS DE COMUNICAÇÃO DA REDE DEVICENET Os modelos de comunicação do protocolo DeviceNet constituem-se basicamente de dois tipos básicos de mensagem, o Cyclic I/O e Explicit Message [5] Cyclic I/O É um modelo de sinal síncrono que é destinado à movimentação de dados prioritários entre o produtor deste dado com os consumidores da rede. Este se divide basicamente de acordo com a forma de que trocam dados entre si, sendo que os principais são Polled, Peer to Peer, Bit- Strobe, Change of State e Cyclic [4] [5] Polled Neste método de comunicação, o mestre da rede envia um pacote de dados para cada um dos outros dispositivos da rede, que são os escravos. Quando um dispositivo escravo da rede recebe a solicitação do mestre, ele responde ao mestre imediatamente. Este processo se reinicia assim que todos os dispositivos sejam consultados. Neste sistema o mestre da rede é fixo sendo apenas um mestre por rede [4] [5] Peer to Peer Nas redes Peer to Peer não há um mestre fixo. Cada dispositivo conectado na rede tem a possibilidade de gerar mensagens à rede quando este tiver a posse de um token. O mecanismo de passagem de token é baseado por um sistema de prioridade da rede [5] Bit Strobe Neste sistema o mestre envia para a rede um pacote de dados com 8 bytes. Cada bit destes 8 bytes representa uma dispositivo escravo na rede que, se endereçado, responde de acordo com a programação da rede [5].

27 Change of State Este método de comunicação baseia-se na troca de informações entre o mestre e os escravos apenas quando houver mudanças nos valores que estão a ser monitorados e controlados dentro de certo limite de tempo estabelecido durante a programação. Se o tempo limite é atingido, a comunicação de dados é realizada mesmo que os valores não tenham sido alterados [5] Cyclic Muito semelhante ao processo Change of State, entretanto, neste caso, a comunicação ocorre em intervalos definidos e regulares de tempo independendo se os valores tenham sofrido alteração ou não. Este período é definido durante a programação do software de rede [5] Explicit Message Este modelo de comunicação possui um pacote de dados para uso geral e sem prioridade. Basicamente seu uso é realizado em tarefas que não possuem um sincronismo como, por exemplo, parametrizações e configurações dos dispositivos da rede durante o funcionamento do sistema [5]. 3.5 CAMADA DE LINK DE DADOS O protocolo DeviceNet utiliza o padrão CAN para a camada de link de dados, sendo que o formato do frame de dados DeviceNet é mostrado na Figura 3 [5]. Figura 3 - Camada de link de dados. Fonte: Smar

28 27 Os 11 bits identificadores na rede DeviceNet têm funções específicas de reconhecimento, prioridade e transporte de dados. Os bits de arbitragem além de ter a função de identificação de cada início do processo de transmissão, possui bit com valores dominantes e recessivos que identificam uma prioridade de mensagem. É dessa forma que atua o conceito CSMA/CD with NDA herdado do protocolo CAN. Uma conferência bit a bit é realizada para garantir o correto funcionamento. Há a possibilidade de que dois ou mais dispositivos iniciem o processo de transmissão de dados ao mesmo tempo. A Figura 4 exemplifica como os dados com prioridade prevalecem na rede. Figura 4 - Prevalecimento de dados prioritários na rede. Fonte: Smar Os nós (dispositivos) 1, 2 e 3 transmitem pacotes de dados simultaneamente começando pelo bit de início (SOF Start of Frame). Até o instante em que o nó 2 insere na rede um bit recessivo, com valor 1, e, lê na rede (bus-level) um bit dominante, com valor 0. Neste momento o dispositivo 2 passa apenas a ler os sinais de rede cancelando sua transmissão. No instante em que o nó 1, escreve na rede um bit recessivo e lê um bit dominante, este também passa apenas a ler a rede cancelando sua transmissão de dados. Dessa maneira, o nó 3 conectado na rede possui o menor valor binário e, consequentemente uma mensagem com maior prioridade que as demais mensagem enviadas na rede, sendo assim, esta a que prevalece [5]. Após os bits de arbitragem e de informação/dados, são enviados os bits de CRC (Cyclic Redundancy Code) que são destinados à identificação de erros. Dessa maneira, caso a mensagem possuir algum tipo de erro como, perda de informações, são nestes bits que o erro é descrito na transmissão [5].

29 28 Os bits de Ack (Acknowledgement) são bits de reconhecimento que são destinados para acusar o recebimento dos pacotes. Para sinalizar o fim de transmissão são enviados os bits de final de frame e espaço entre frames, sendo este destinado a garantir uma pausa entre dois pacotes de dados enviados a rede. 3.6 MEIO FÍSICO - CABEAMENTO DE UMA REDE DEVICENET Basicamente há três tipos de cabos padrão que podem ser empregados em redes DeviceNet, o cabo redondo grosso, redondo fino e chato. Existem outros modelos de cabos no mercado, porém variam de acordo com os fabricantes. Par Par 1 Par 2 Tabela 1 - Pares do cabo de rede DeviceNet Cor do condutor Vermelho Preto Azul Branco Função Alimentação (+) 24 Vcc Alimentação (-) 0 Vcc Comunicação (CAN_L) Comunicação (CAN_H) - Dreno Aterramento Fonte: Mecatrônica Atual Os cabos de rede possuem dois pares de fios, um destinado à alimentação em 24 Vcc e o outro, destinado para a comunicação digital de dados. A Tabela 1 mostra a função de cada par e condutor [8] Cabo redondo grosso É geralmente empregado nas linhas de tronco e de derivações de uma rede DeviceNet quando a corrente máxima é de até 8 A. Possui um diâmetro externo de 12,2 mm, sendo que internamente os cabos de comunicação possuem uma bitola de 18 AWG (0,82 mm²) e os cabos de alimentação possuem uma bitola de 15 AWG (1,65 mm²) [5] [9]. A Figura 5 mostra a forma construtiva do modelo de cabo grosso.

30 29 Figura 5 - Cabo redondo grosso Fonte: Smar Cabo redondo fino Aplicado na maioria das vezes em derivações de rede por ser um modelo de cabo flexível que facilita as instalações. A corrente máxima neste modelo de cabo é de 3 A. Dessa maneira sua aplicação só se faz nas linhas tronco quando a corrente total dos dispositivos não ultrapassar a corrente máxima suportada pelo cabo [9]. Sua forma construtiva possui diâmetro externo de 9,6 mm, sendo que internamente os cabos de comunicação possuem uma bitola de 24 AWG (0,205 mm²) e os cabos de alimentação possuem uma bitola de 22 AWG (0,326 mm²) [5]. A Figura 6 mostra a forma construtiva do modelo de cabo fino. Figura 6 - Cabo redondo fino Fonte: Smar

31 Cabo chato O cabo chato é fisicamente construído para evitar contratempos na fiação de rede como, por exemplo, quebra de condutores. É muitas vezes aplicado em situações em que há movimento do cabo. São utilizados exclusivamente em linhas de tronco de rede e possuem duas versões, a para aplicação pesada e para uso geral, sendo ambas construídas sem blindagem. O modelo para aplicação pesada (Heavy-duty) é utilizado em ambientes agressivos onde o cabo pode ser exposto a intempéries do meio. Neste modelo há duas classes sendo que a classe 1 suporta uma corrente elétrica máxima de 8 A e a classe 2 uma corrente elétrica máxima de 4 A. O modelo para uso geral (General Purpose) é aplicado em situações menos agressivas que o modelo para aplicação pesada [9]. Para o modelo de cabo chato, tanto o par de fios destinado à comunicação, quanto o par de fios de alimentação possuem uma bitola de 16 AWG (1,31 mm²). A Figura 7 apresenta a forma construtiva deste modelo de cabo [5]. Figura 7 - Cabo chato Fonte: Smar 3.7 TOPOLOGIAS DE REDE DEVICENET A topologia de rede representa a forma construtiva com que os componentes são conectados através do cabo de rede. Os modelos de topologia de rede que são aplicáveis as redes DeviceNet são: Branch Line, Tree e Line [8].

32 Branch line A Figura 8 demonstra o modelo Branch Line. Figura 8 - Topologia Branch line Fonte: Autor Neste modelo de rede há um cabo de rede principal (linha tronco) onde, a partir deste cabo, se fazem as ramificações através de conectores dedicados a este tipo de derivação Tree A Figura 9 ilustra o modelo de topologia de rede Tree. Figura 9 - Topologia Tree Fonte: Autor

33 32 Neste tipo de rede existem caixas de derivações em que as mesmas ramificam a rede para cada dispositivo. O que difere o modelo Tree para o modelo Branch Line, é que no modelo Tree, em uma mesma derivação pode haver vários dispositivos conectados nesta derivação, o que se torna possível pela aplicação das caixas de derivação Line A Figura 10 demonstra o modelo Line de topologia de rede. Figura 10 - Topologia Line Fonte: Autor Este tipo de rede é formada por uma linha onde o cabo de rede entra e sai dos componentes. Como neste modelo de rede todos os equipamentos estão conectados em série, uma vez que um dos elementos entrar em falha acarretará no comprometimento total da rede, pois causará a interrupção do circuito. Existem topologias de rede que não podem ser aplicadas na rede DeviceNet, por exemplo, as topologias em estrela e em anel. Elas não se aplicam devido a necessidade de na rede DeviceNet existir terminadores de rede. É usado como terminadores de rede resistores de 121 Ω de ¼ W. Esses resistores devem ser colocados no início e no final dos cabos de comunicação da linha principal da rede, e tem a função de minimizar as reflexões dos sinais de comunicação, sendo, dessa maneira, essenciais para o funcionamento da rede [9].

34 MÁXIMO COMPRIMENTO LINHA TRONCO DA REDE DEVICENET No protocolo CAN, a taxa de comunicação de dados depende do comprimento da linha de rede. Essa limitação se deve aos processos de arbitragem e recuperação de erros onde o tempo de bit não deve ser inferior ao dobro do atraso de propagação do barramento [2]. Para a rede DeviceNet é utilizado padrões de taxas de comunicação do protocolo CAN porém com velocidades menores para que se consiga um comprimento maior da rede. Isso se faz necessário em grandes fábricas onde os dispositivos interligados na rede comumente situam em grandes distâncias uns dos outros. A Tabela 2 demonstra a taxa de comunicação permitida de acordo com o modelo de cabo e o comprimento máximo de rede. Tabela 2 - Taxa de comunicação pelo comprimento máximo de rede Taxa de comunicação de dados Cabo chato Máxima distância Cabo grosso Cabo fino 125 k bit/s 420 m 500 m 100 m 250 k bit/s 200 m 250 m 100 m 500 k bit/s 75 m 100 m 100 m Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation Figura 11 - Distância máxima entre dois terminadores de rede Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation

35 34 Figura 12 - Distância máxima entre dois dispositivos Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation A máxima distância não é necessariamente a distância da linha tronco da rede, mas sim a distância máxima entre dois dispositivos da rede. A Figura 11 mostra quando a distância da rede é o comprimento da linha tronco, ou seja, entre dois terminadores de rede. Já a Figura 12 mostra quando o comprimento de rede é a distância entre dois dispositivos distantes da linha tronco. [9]. 3.9 MÁXIMO COMPRIMENTO ACUMULADO DAS LINHAS DE DERIVAÇÃO DA REDE DEVICENET Com os mesmos princípios que se impõem à distância máxima no comprimento da linha tronco de uma rede DeviceNet, o comprimento acumulado das linhas de derivação também deve ser observado. A Tabela 3 mostra a relação da soma de todas as derivações de rede de acordo com a taxa de transmissão de dados que pode ser utilizada em cada caso. Caso a velocidade de comunicação da rede não respeitar estes limites, erros de comunicação começam a ser diagnosticados na rede. Tabela 3 - Taxa de comunicação de acordo com o comprimento de derivações Taxa de comunicação de dados Comprimento acumulado das linhas de derivação 125 k bit/s 156 m 250 k bit/s 78 m 500 k bit/s 39 m Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation O comprimento máximo de cada linha de derivação é apresentado na Tabela 4 de acordo com a corrente de carga de cada derivação.

36 35 Tabela 4 - Comprimento máximo das linhas de derivação pela corrente Comprimento da linha de derivação Máxima corrente permitida 1,5 m 3 A 2 m 2 A 3 m 1,5 A 4,5 m 1 A 6 m 0,75 A Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation 3.10 ALIMENTAÇÃO DA REDE DEVICENET A fonte de alimentação para uma rede DeviceNet deve possuir um tempo de subida menor que 250 ms para alcançar a margem de 5% de diferença de sua tensão de saída nominal. Outros pontos também são necessários para o correto funcionamento do sistema, que são [10]: fonte de alimentação com tensão de saída de 24 Vcc. Corrente de acordo com a carga, sendo que a corrente máxima para cabos de rede DeviceNet é de 8 A; a fonte de alimentação deve possuir proteção contra sobre corrente; fusível de proteção para cada segmento do cabeamento; a fonte de tensão deve ser dimensionada de acordo com a carga total da rede ou de acordo com a carga total para que a fonte terá que alimentar; verificar a temperatura máxima ambiente para operação da fonte de alimentação de acordo com o ambiente em que ela será aplicada; usar a fonte de alimentação especificamente para o sistema de alimentação da rede DeviceNet. Caso algum dispositivo requeira uma fonte de alimentação em 24 Vcc deve-se adicionar outra fonte ao sistema para a alimentação dos dispositivos; a fonte de alimentação deve ter saída isolada da entrada CA de alimentação Escolha da fonte de alimentação Para o dimensionamento da fonte de alimentação 24 Vcc é necessário levantar todo o consumo das cargas na rede para descobrir a corrente total ( ). Após descoberto o valor de deve-se analisar a topologia de rede para o melhor posicionamento da fonte de alimentação, levando em consideração a menor distância entre as cargas.

37 36 No cabo redondo grosso, utilizado na linha tronco de uma rede DeviceNet, pode ser aplicado uma corrente máxima de 8 A. Caso possua um valor maior que 8 A, pode-se aplicar uma fonte de alimentação dimensionada para toda a carga no meio da rede. Neste caso, as cargas também devem estar divididas solicitando no máximo 8 A para cada lado. A Figura 13 exemplifica esta situação. A fonte 1 fornece uma corrente de 12 A para a carga sendo que estes são divididos pela topologia da rede, sem ultrapassar os 8 A máximo do cabo da linha tronco. Figura 13 - Fonte de alimentação no meio das cargas Fonte: Autor Outra maneira de se aplicar à rede a corrente elétrica necessária para todas as cargas é utilizar duas ou mais fontes de alimentação. Nesta configuração é necessário utilizar, para cada fonte, um Power Tap específico. Conforme mostrado na Figura 14 [9]. Esta forma de ligação é muito utilizada quando se deseja utilizar uma rede conectando vários quadros de comando. Em cada quadro há uma ou mais fontes de acordo com a carga instalada, diminuindo assim as perdas por queda de tensão pelo comprimento da rede. A Figura 15 demonstra a curva da corrente elétrica em relação ao comprimento da rede. Neste caso é considerado que a carga total está no lado oposto ao da fonte de alimentação.

38 37 Figura 14 - Duas fontes para a alimentação da rede Fonte: Autor Figura 15 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo grosso Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation A partir desde gráfico é possível perceber a perda de capacidade de condução de corrente de acordo com o comprimento da rede construída de cabo redondo grosso. A Figura 16 demonstra a mesma capacidade de condução de corrente, entretanto para rede construída de cabo chato.

39 38 Figura 16 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo chato Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation No dimensionamento de uma fonte de tensão para uma rede DeviceNet, também deve ser observado e obedecido alguns fatores [10]: consumo interno inicial da fonte de alimentação 1.00%; regulação de linha 0.30% (A regulação de linha é dada em relação à variação da tensão de saída devido a uma variação ocorrida na tensão de entrada da fonte. Normalmente se utiliza este valor percentual em relação à variação da tensão nominal para seus valores mínimo e máximo [11].); desvio de temperatura 0,60% (total); desvio de tempo 1,05%; regulação de carga 0,30% (A regulação de carga é dada em relação à variação de tensão de saída quando a corrente de saída da fonte varia de zero ao seu valor nominal [11].) A soma destes fatores não podem exceder 3.25% da tensão nominal de 24 Vcc requerida pela rede DeviceNet [10] COMPONENTES BÁSICOS DA REDE DEVICENET Para a construção de uma rede DeviceNet são necessários alguns componentes comerciais. Existem vários fabricantes de componentes para esta aplicação, entretanto abaixo é apresentado

40 39 componentes básicos da marca Allen-Bradley para a construção de uma rede DeviceNet através de cabo redondo Power Tap O Power Tap é responsável pela conexão física entre a fonte de alimentação e a linha tronco da rede. A Allen-Bradley disponibiliza no mercado dois modelos de Power Tap, um com capacidade máxima de 15 A e outro com capacidade máxima de 6 A [12]. A Figura 17 mostra a composição de um Power Tap. Figura 17 - Power Tap Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation No Power Tap há dois conectores para a linha tronco de rede e também dois fusíveis de proteção. Cada fusível é responsável pela proteção de cada saída de rede, sendo que no modelo de 15 A, cada fusível tem a capacidade de 7,5 A. No modelo de 6 A, cada fusível tem a capacidade de 3 A T-port Tap Tem a função de conectar a linha tronco de rede às linhas de derivação. A Allen-Bradley fabrica os modelos mini e micro de rápida desconexão. A Figura 18 detalha o modelo mini de acordo com sua forma construtiva e terminais de ligação. Ele é fabricado com conexão direita ou esquerda para fins de posicionamento [10].

41 40 Figura 18 - T-port Tap modelo mini Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation O modelo micro é detalhado na Figura 19. Figura 19 - T-port Tap modelo micro Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation DeviceBox Tap O DeviceBox Tap é uma caixa de junção capaz de proporcionar uma conexão direta com a linha tronco da rede. A Allen-Bradley fabrica modelos de 2, 4 e 8 derivações. Para cada modelo é necessário especificar se o cabo da linha tronco da rede é do modelo grosso ou fino para a correta fixação do cabo na caixa, uma vez que para aquele, a caixa é fornecida com conector prensa cabo PG16 e para este, a caixa é fornecida com conector prensa cabo PG9 [13]. A Figura 20 ilustra o modelo de DeviceBox Tap de 8 portas.

42 41 Figura 20 - DeviceBox Tap 8 portas Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation DevicePort Tap DevicePort Tap são dispositivos derivadores de rede semelhante ao DeviceBox Tap, entretanto o DevicePort Tap é constituído de conectores rápidos mini e micro idênticos aos encontroados nos T-Port Tap. A Allen-Bradley fabrica tanto para o modelo mini como para o modelo micro DevicePorts com 4 e 8 conexões. A Figura 21 mostra o modelo de 8 conexões mini [10]. Figura 21 - Deviceport Tap 8 portas Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation

43 Terminating resistor Conforme explicado anteriormente, é necessário o uso de terminadores de rede DeviceNet. Estes terminadores são resistores de 121 Ω de ¼ W e, tem a função de minimizar as reflexões dos sinais na rede. A Allen-Bradley coloca a venda, além dos resistores de terminação, terminadores de conexão rápida com conexão nos modelos mini e micro. A Figura 22 mostra os modelos de terminadores [10]. Figura 22 - Terminadores de rede Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation 3.12 ATERRAMENTO DA REDE DEVICENET Para garantir a robustez e evitar interferências eletromagnéticas na rede, é fundamental realizar o aterramento do sistema. O aterramento do cabo de rede deve ser realizado em apenas um só ponto e, de preferência no ponto central da rede, para evitar loop de terra. Dessa maneira, para o cabo redondo deve-se aterrar a malha do cabo de rede e o terminal negativo da fonte de alimentação conforme ilustra a Figura 23 [9]. Nas situações em que a rede exige duas fontes de alimentação, o aterramento deve permanecer em apenas um local e o fio positivo, do cabo de rede, deve ser interrompido entre as duas fontes de alimentação conforme demonstra a Figura 24.

44 43 Figura 23 - Forma de aterramento com uma fonte de alimentação Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation Figura 24 - Forma de aterramento com duas fontes de alimentação Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation Nos casos em que a linha tronco da rede é constituída de cabo chato, que não possui blindagem, o aterramento se faz apenas no terminal negativo da fonte de alimentação conforme a Figura 25. Figura 25 - Aterramento da rede construída com cabo chato com uma fonte de alimentação Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation

45 44 Quando utilizado duas fontes de alimentação, o aterramento se faz semelhante ao realizado no cabo redondo, entretanto sem a conexão da blindagem. A Figura 26 ilustra o diagrama de ligação. Figura 26 - Aterramento da rede construída com cabo chato com duas fontes de alimentação Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation

46 45 4 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS Segundo Moraes os sistemas supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação da planta que gerenciam informações provenientes de sensores que capturam dados específicos dos processos da máquina, as informações também são chamadas de variáveis de processos. Estas são atualizadas continuamente e podem ser guardadas em bancos de dados locais ou remotos para fins de registro histórico. Dessa maneira, os sistemas de supervisão têm a função de integrar os sistemas lógicos e de automação por meio de redes de comunicação de dados, disponibilizando informações ao operador da máquina para que este possa gerenciar e manipular as variáveis do processo automatizado [14] [15]. Em meados dos anos 70 e 80, com a evolução da eletrônica, e o surgimento dos microprocessadores, o computador tornou-se um grande aliado no desenvolvimento de sistemas de supervisão para sistemas industriais. Surgiam então, os primeiros sistemas supervisórios microcontrolados [16]. Muito embora o desenvolvimento dos microprocessadores começasse apenas por volta da década de 70, o monitoramento e o controle dos processos industriais já eram controlados por painéis sinóticos que forneciam indicações de temperatura, pressão, falha, nível de material e tantas outras informações que fossem necessárias para o gerenciamento e controle total da planta. Os painéis sinóticos possuem um desenho intuitivo do fluxo da planta, o que permite aos operadores um controle lógico moderadamente facilitado de todo o sistema. No entanto, esse tipo de interface trazia dois problemas claros, o primeiro era a dimensão da superfície do painel, que muitas vezes necessitava ser ampliada somente para alojar tantos botões ou informações que eram necessárias, e o segundo toda a complexa fiação para interligar os sensores e atuadores aos displays e chaves digitais. Na Figura 27 observa-se um exemplo de painel sinótico [14]. Hoje os painéis sinóticos são utilizados como uma alternativa mais barata ao sistema supervisório computacional. São empregados principalmente em máquinas que não possuem um controle intenso e nem mesmo uma precisão de produção elevada. Com o desenvolvimento tecnológico elevado nas últimas décadas, houve o surgimento de ferramentas muito importantes no que se diz respeito ao controle de processos industriais. Segundo Moraes, atualmente, há no mercado dois grandes componentes que se destacam em

47 46 aplicações de controle e supervisão, que são: IHM (Interface Home-Máquina) e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition Controle de Supervisório e Aquisição de Dados) [14]. Figura 27 - Painel sinótico Fonte: Fockink 4.1 IHM Uma IHM é responsável por fazer a comunicação entre o operador e a máquina. Construída através de componentes eletrônicos, a IHM, possui uma tela gráfica ou alfanumérica onde são apresentadas todas as informações e funções necessárias para o controle da máquina. Na Figura 28 é apresentado um modelo de IHM utilizado para o controle de uma máquina. Figura 28 IHM Fonte: Lintec-Ixon Na indústria podem-se citar vários exemplos de máquinas que utilizam IHM para o processo de produção como, tornos, dobradeiras e fresas. Uma vez empregadas, as IHM garantem

48 47 a precisão elevada, maior produção, alterações instantâneas de parâmetros de processos, entre outros fatores que agregam na qualidade do produto final. 4.2 SCADA Um sistema de supervisão SCADA, monitora, opera e controla todos os processos aos quais ele está conectado. Sua aplicação tem sido implementada tanto na área civil quanto na área industrial. Esses sistemas visam à integridade física das pessoas, equipamentos e produção consistindo muitas vezes em sistemas redundantes de hardware e meio físico, permitindo pronta identificação de falhas [14]. Estes dispositivos viabilizam a parametrização e configuração de relatórios de falhas, alarmes, produção, entre outros, para controle de produção e de funções que são desenvolvidas pelo sistema. Em uma planta de complexidade elevada, pode haver a necessidade de utilização de vários sensores, CLPs, IHMs assim, todo o sistema é conectado por padrões de redes industriais. Na Figura 29 é apresentado um modelo de sistema supervisório SCADA. Figura 29 - SCADA 4.3 MODELOS DE COMUNICAÇÃO Fonte: Lintec-Ixon Nos sistemas SCADA, há dois modelos de comunicação que são: polling e interrupção.

49 Comunicação por polling Neste modelo de comunicação, que também é chamado de mestre e escravo, o módulo de processamento principal tem total controle sobre todos os outros dispositivos conectados na rede. A comunicação entre os dispositivos ocorre sempre que o módulo principal desejar e, os componentes escravos da rede, apenas respondem ao módulo principal após o recebimento do pacote de solicitação enviado pelo módulo mestre. Assim, cada componente que está conectado na rede, recebe um endereço o qual irá representar seu posicionamento da rede, desta maneira, cada elemento deve possuir um endereço específico. Na fase de comunicação entre o dispositivo mestre e os dispositivos periféricos, escravos, o módulo principal envia pacotes de dados solicitando as informações necessárias para cada dispositivo na rede um por um. Quando o módulo mestre não recebe o pacote de informações de resposta em um tempo específico, ele reenvia o pacote um série de vezes, criando novas tentativas polling antes de ser declarado estouro de tempo, time-out, só assim ele passa a se comunicar com o próximo dispositivo na rede. Segundo Moraes, em um sistema de comunicação por polling pode citar algumas vantagens e desvantagens [14]. Vantagens: simplicidade no processo de aquisição de dados; inexistência de colisões no tráfego de rede; permite, devido ao seu caráter determinístico, 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 Comunicação por interrupção Neste modo de comunicação, a estação remota monitora os 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 recuperações de colisões. Antes de iniciar a transmissão, a estação remota verifica se o meio está ocupado por outra estação, aguardando um tempo programado antes de efetuar nova tentativa de transmissão. Em

50 49 caso de colisões excessivas, em que o sistema é gravemente afetado, a estação remota cancela a transmissão aguardando que a estação central proceda à leitura dos seus valores através de polling [14]. 4.4 CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS SUPERVISÓRIOS Os sistemas supervisórios são projetados a fim de garantir uma interface amigável e desenvolvidos para uma operação intuitiva, segura e rápida. Para isso, um bom sistema de supervisão deve apresentar as seguintes características Facilidade de interpretação A representação dos processos da planta na tela do supervisório facilita a rápida interpretação, assim como a atuação da equipe responsável pela operação. São utilizadas animações, mudanças de cores, visibilidade, entre outras, para fazer com que a identificação fique intuitiva [14]. Na supervisão e controle de processos, tanto em modo manual quanto em sistemas automáticos, são empregadas cores diferentes para a identificação de ações ou informações. Na Tabela 5 são apresentados os diferentes significados das cores empregadas. Tabela 5 - Padrão de identificação de cores Cor Significado Exemplo de aplicações Parada de motores Vermelho Parada de unidades da máquina Parar/Desligar Parada de ciclos de operação Emergência Parada de emergência Falhas perigosas como sobreaquecimento Verde ou Preto Amarelo Azul ou Branco Partir Ligar Pulsar Intervenção Reset / Outras funções exceto as acima descritas Fonte: Moraes Partida de motores Partida de unidades da máquina Energizar circuitos de comando Pulsos de limpeza Retrocesso Alarmes não emergenciais Interromper condições anormais Reset de circuitos Comando auxiliares de operação da máquina

51 Flexibilidade Os sistemas supervisórios permitem alterações no processo de produção, correções de erros e outros ajustes na produção sem interromper a operação normal da planta. Tomamos como exemplo um sistema de dosagem em que foi alterada a constituição da matéria prima, sendo que, dessa forma o peso específico do material fosse alterado. Dessa maneira, pode ser alterado o fator de corte de um sistema de dosagem para fazer com o que planta torne a produzir de forma correta Estrutura O fluxograma da planta muitas vezes é desenhado na tela do sistema supervisório para ilustrar o processo produtivo. Neste mesmo princípio, são divididas em janelas, outras informações necessárias para o controle da planta. Esta divisão ocorre de maneira natural para que a visualização seja de maneira sistêmica e a navegação a mais objetiva possível Geração de receitas de produção Os sistemas de supervisão atuais possibilitam a criação, configuração e importação de parâmetros de receita de produção para a alteração dos processos produtivos. Também criam relatórios com características da produção como: desvios de receita, tempos de produção, falhas no sistema, entrada de emergência, entre outras. 4.5 PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO Segundo Moraes, é necessário o entendimento de nove etapas para o desenvolvimento de qualquer sistema supervisório [14] Entendimento do processo produtivo Para o projetista do sistema supervisório é muito importante o conhecimento rigoroso dos processos da planta. É essencial que sejam adquiridas informações de técnicos, operadores, projetistas e outros profissionais que trabalham no desenvolvimento ou operação da máquina. Dessa maneira, é fundamental realizar as seguintes análises no desenvolvimento de um sistema de supervisão [14]; estudar a documentação e projetos da planta;

52 51 reunir-se com operadores da planta, caso ela já exista, ou com especialistas no processo; quais informações são importantes para a monitoração do sistema pelo operador; desenhar o fluxograma ou o diagrama de blocos do processo da planta de forma a identificar todas as interações entre os subsistemas da planta; descobrir o melhor tipo de comunicação a ser adotado, de acordo com as instalações existentes, se existirem; fazer o planejamento do sistema de alarmes da planta em estudo Variáveis de processo A comunicação entre o CLP e o sistema supervisório é feita utilizando endereços de memória no CLP. Cada variável que é utilizada é nomeada por um tag. É neste tag que irá conter a informação do valor processado ou lido em campo e, no sistema supervisório ele será convertido, se necessário, para uma unidade de engenharia apropriada [14]. Em uma planta muito grande, com uma enorme quantidade de tag s, o gerenciamento do sistema é facilitado com o uso de um padrão de identificação das variáveis. Os tag s podem ser identificados por área, malha, função do instrumento de medição e a variável de medição [17]. A ISA (Instrumentation Symbols and Identification) fornece uma lista de códigos para instrumentação apresentada na Figura 30. A partir desta tabela é possível formar um código para nomenclatura de acordo com as letras na primeira coluna. A formação de um código para a nomenclatura das variáveis não necessariamente precisa seguir o padrão ISA. Os engenheiros projetistas devem estar cientes de que o desenvolvimento de um padrão adequado para os sistemas de supervisão da indústria em que trabalham pode facilitar e agilizar a elaboração, manutenção e também a correção dos programas desenvolvidos. É muito importante que este padrão seja disseminado para todos os trabalhadores envolvidos no processo de elaboração do sistema de supervisão. Deixando claro quais os princípios e normas que devem ser seguido em instruções detalhadas de trabalho que são acompanhadas pelo sistema de gestão de qualidade.

53 52 Figura 30 - Códigos para nomenclatura de instrumentação Fonte: ISA Planejamento da base de dados É necessário construir um sistema supervisório eficaz e com informações essenciais ao operador. Deve-se evitar a apresentação de dados irrelevantes para o controle da planta, uma vez que estes podem causar dificuldade na interpretação das informações, utilizam espaço no tráfego de rede e, para que o sistema supervisório fique o mais intuitivo possível.

54 53 Em sistemas em que o número de informações muito grandes, é necessário fazer o dimensionamento do processador do CLP para tal, pois, processo de busca de informações consome grande energia de processamento e grande volume de tráfego da rede [14] Planejamento de alarmes A criação de alarmes deve ser realizada com base nas possíveis faltas que podem ocorrer durante a operação da planta. Assim, deve-se verificar [14]: quais condições que irão entrar em indicação de alarmes; de que maneira os alarmes irão sinalizar a condição de falta; como o operador fará o reconhecimento do alarme. A partir destes pontos é possível dividir os alarmes em alarmes normais e alarmes de fato. É muito importante que os alarmes não se restrinjam somente em sinalizações visuais na tela, mas também que estes sejam realizados por sirenes ou alto-falantes conectados ao sistema. Dessa maneira é possível provocar uma atenção maior por parte do operador e também dos trabalhadores em volta da planta Alarmes normais ou pré-alarmes São alarmes que não requerem a necessidade de intervenção ou parada da máquina, exigindo apenas atenção por parte do operador Alarmes de fato Quando um alarme propriamente dito é acionado, a intervenção do operador é necessária para que a planta volte ao seu funcionamento normal. Muitas vezes um alarme pode ser acionado e o sistema de automação realiza o desligamento imediato da máquina para evitar que a falha venha ocasionar um risco maior Planejamento da hierarquia de navegação de telas Uma hierarquia de navegação de telas é proveniente de uma série de telas que fornecem progressivamente detalhes dos processos da planta à medida que se navega através do sistema de supervisão. A hierarquia de telas deve ser feita de modo a seguir o mais próximo da realidade, guiando dessa maneira a serviço aos usuários [14].

55 Desenho de telas De acordo com Moraes, ao ser planejado a navegação de telas é muito importante que a distribuição das telas seja realizada em níveis de acesso de acordo com a função principal a que elas se destinam. Sobretudo, existem os seguintes grupos de divisões de telas [14]: Telas de visão Geral: são telas que apresentam a visão de todo o processo da planta. Nela são apresentados dados mais significativos que definem o funcionamento geral do sistema; Telas de Grupo: apresentam o funcionamento e dados de unidades em específico que são geralmente unificadas em áreas ou processos; Telas de Detalhes: nestas telas são apresentados dados de equipamentos de forma individual; Telas de Malhas: telas que apresentam o estado das malhas de controle do processo. Segundo Moraes, são nestas telas que devem aparecer os dados das variáveis controladas, como por exemplo, set-points, condições de alarmes, valor atual, valor calculado, sendo que estes devem aparecer em forma de gráfico de barras e em valores numéricos; Telas de Tendências: apresentam várias variáveis simultaneamente de forma gráfica sendo que os valores são coletados em tempo real, o que garante a tendência real e histórica dos sistemas da planta. Telas de Manutenção: estas telas são construídas em formato de relatórios que apresentam dados de falhas, alarmes, defeitos e dados de manutenção preventiva e corretiva de toda a planta ou de acordo com áreas do processo. Nelas também são apresentados agendamentos de manutenção dos equipamentos e descrições da manutenção como que peças foram trocadas, qual o problema encontrado entre outras informações pertinentes ao sistema Sistema de segurança O sistema de segurança de um sistema de supervisão diz respeito ao pessoal que poderá ter acesso às informações contidas no supervisórios. Geralmente são bloqueadas telas através de senhas de acesso ou também podem ser bloqueadas de acordo com login do usuário que acessar o sistema

56 Padrão industrial de desenvolvimento Na atualidade o que predomina nos sistemas de supervisão é o padrão Windows, este baseado no padrão Microsoft de interação entre o homem e a máquina. Esse fato possibilita que o tempo de aprendizado seja reduzido uma vez que o operador do sistema tenha conhecimentos básicos do padrão Microsoft. Com esta similaridade, um sistema de supervisão torna-se compatível com outras ferramentas do sistema Windows como o Excel e o Notepad, o que possibilita a exportação de dados do programa de supervisão para estas ferramentas [14].

57 56 5 RELÉ DE ESTADO SÓLIDO E3 PLUS O relé de sobrecarga E3 é um relé de sobrecarga eletrônico baseado em microprocessador de estado sólido de múltipla função, utilizado para a proteção dos motores de indução tipo gaiola com classificação nominal de 0,4 até A [18]. A Figura 31 demonstra o modelo de um rele eletrônico E3 Plus. Figura 31 - Relé E3 Plus Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation O relé inteligente E3 Plus, é aplicado em situações em que é necessário o controle e gerenciamento de várias grandezas elétricas que estão sendo consumidas ou fornecidas a uma carga. No emprego de um modelo E3 Plus, pode-se controlar várias funções de proteção e advertência das cargas como, sobrecarga, subcarga, tensão nominal, desbalanceamento de fases, correntes de falta, entre outras. A comunicação destas informações podem ser realizadas através da rede DeviceNet. Segundo o manual do dispositivo, o relé de sobrecarga E3 Plus permite ao usuário monitorar os seguintes dados operacionais na rede DeviceNet [18]. corrente de fase individual (em Ampère); corrente de fases individual (como um percentual da corrente de plena carga do motor); valor médio da corrente (em Ampère);

58 57 valor médio da corrente (como um percentual da corrente de plena carga do motor); percentual da capacidade térmica usada; percentual de desequilíbrio de corrente; vorrente de fuga a terra (em Ampère). Também de acordo com o manual do usuário, o relé de sobrecarga E3 Plus permite ao usuário monitorar as seguintes informações de diagnóstico na rede Devicenet [18]. status do dispositivo; status de desarme; status de advertência; tempo para um desarme por sobrecarga (em segundos); tempo para um reset após um desarme por sobrecarga (em segundos); histórico dos últimos 5 desarmes. 5.1 CONEXÕES TÍPICAS DO MOTOR Os relés de sobrecarga E3 Plus permitem uma versatilidade com relação à tensão de força aplicada ao dispositivo, pois os mesmos podem ser alimentados com tensão trifásica ou monofásica conforme ilustra a Figura 32. Figura 32 - Conexões típicas do motor Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation

59 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS A Tabela 6 apresenta informações técnicas importantes que condizem a respeito das características do relé E3 Plus. Tabela 6 - Especificações elétricas E3 Plus Especificações elétricas Classificação de motor/carga Tensão de isolamento Classificado (Ui) 690 Vca Tensão de impulso nominal 6 kv Corrente nominal Conforme modelo Frequência nominal Hz Número de pólos 3 Aplicação Monofásica ou trifásica Capacidade da fonte de alimentação Terminais Conector DeviceNet Tensão de alimentação nominal 24 Vcc Faixa de operação Vcc Corrente de pico máxima na energização 3,0 A Consumo de Energia máximo 3,9 W Especificações ambientais Temperatura ambiente em armazenamento C Temperatura ambiente em operação (aberto) C Temperatura ambiente em operação (em painel) C Umidade em operação % sem condensação Vibração 3 G Choque 30 G Altitude máxima 2000 m Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation 5.3 CHAVES PARA ENDEREÇAMENTO DE REDE Os relés E3 são fornecidos com duas chaves para o endereçamento de rede. A Figura 31 apresenta a localização destas chaves. Elas são dispostas como MSD (Most Significant Digit) e LSD (Least Significant Digit), dígito mais significativo e dígito menos significativo respectivamente. O endereçamento pode ocorrer nos nós 0 até 63, porém preferencialmente o endereço 0 é destinado ao módulo Scanner da rede DeviceNet e o endereço 63 é destinado para a inserção de uma novo dispositivo escravo na rede [18].

60 59 6 TESTES PRÁTICOS Para colocar em prática os pontos estudados na elaboração de uma rede DeviceNet assim como no desenvolvimento de um sistema supervisório, foram realizadas as seguintes montagens, programações e testes que envolveram o entendimento de dispositivos de hardware e software. 6.1 PROGRAMAS UTILIZADOS Como os dispositivos de automação aplicados neste trabalho foram da marca Allen Bradley, os softwares para o desenvolvimento da programação são desenvolvidos pela Rockwell Automation. Para o desenvolvimento e teste do sistema de supervisão foram utilizados os seguintes programas computacionais RSView 32 Programa utilizado para o desenvolvimento do sistema de supervisão. Este software é desenvolvido para ser utilizado de forma intuitiva e de fácil operação. A Figura 33 apresenta o workspace do RSView 32. Figura 33 - RSView 32 Fonte: Autor

61 60 Demais imagens sobre este software serão apresentadas posteriormente quando será tratado com detalhes o funcionamento do supervisório de manutenção de uma máquina misturadora de concreto RSLogix 5000 O RSLogix 5000 é um software destinado para o desenvolvimento da programação em linguagem ladder. Este programa é utilizado para programar CLPs das famílias ControlLogix e CompactLogix desenvolvidos pela Allen Bradley. Este programa possui uma tela principal intuitiva e de fácil operação, com ícones de acesso rápido na parte superior da tela e uma hierarquia de navegação entre pastas na parte esquerda da tela. A Rockwell desenvolve softwares com inúmeras facilidades de programação que provocam a preferência de seus usuários. A Figura 34 apresenta a tela Controller tags responsável pela criação das variáveis de programação. A Figura 35 demonstra a tela do desenvolvimento da linguagem ladder. Figura 34 - Controller tags RSLogix 5000 Fonte: Autor

62 61 Figura 35 - Main program - linguagem ladder Fonte: Autor RSLinx O RSLinx é responsável pela configuração da comunicação entre os softwares do sistema de supervisão (RSView 32) e da linguagem de programação ladder (RSLogix 5000). Neste programa é possível escolher o padrão de protocolo de comunicação entre os dispositivos da rede. Este é outro programa desenvolvido pela Rockwell com uma interface amigável e de fácil operação. Consta com vários protocolos de comunicação que podem ser utilizados de acordo com a necessidade do usuário e conforme os dispositivos de automação que serão utilizados para o controle da plante. A Figura 36 apresenta a tela geral do programa onde é possível perceber que existem poucos ícones na parte superior da tela. Isso afirma que se trata de um software direto e eficiente para a realização dos trabalhos de configuração de rede pelos engenheiros ou técnicos que trabalham neste ramo.

63 62 Figura 36 - RSLinx Fonte: Autor RSNetWorx O software RSNetWorx é utilizado para a configuração de redes DeviceNet. Neste é possível localizar os dispositivos na rede assim como realizar a parametrização dos dispositivos escravos assim como o dispositivo scanner. 6.2 SISTEMA SUPERVISÓRIO DESENVOLVIDO Uma manutenção regular ajuda a minimizar os tempos de parada da máquina, maximizar a vida útil dos componentes e manter as funções como a rentabilidade da instalação. Em uma máquina misturadora de concreto há vários pontos em que se deve atentar para se realizar a manutenção da máquina. Na intenção de facilitar a manutenção preventiva e corretiva da máquina por parte do operador, foi desenvolvido este sistema de supervisão. Como dito, o sistema supervisório foi desenvolvido no software RSView 32. Este software foi desenvolvido pela Rockwell Automation sendo uma ferramenta capaz de criar todos os aspectos de uma interface homem-máquina. Para o desenvolvimento do sistema de supervisão foi

64 63 elaborada uma tabela de planejamento conforme Apêndice A, sendo que esta tabela foi desenvolvida com base nos aspectos discutidos no capítulo Tela inicial A tela inicial do sistema de supervisão tem a função de apresentar de forma geral os acionamentos e sensores na máquina e que exigem manutenção. Nesta tela, o operador realiza a atividade de vigilância, assim, é possível tomar uma ação antes que defeitos possam produzir consequências mais graves. Em suma, são apresentados valores mais sintéticos, fornecendo uma visão global de toda a planta. A Figura 37 apresenta a tela inicial do sistema de supervisão. Figura 37 - Tela inicial do sistema de supervisão Fonte: Autor A tela inicial é composta de sinalizadores visuais e botões para navegação entre as demais telas do sistema de supervisão. A Tabela 7 detalha a função da tela inicial de acordo com a numeração apresentada na Figura 37.

65 64 Tabela 7 - Funcionamento da tela inicial Tela Inicial Item Função Descrição 1 Indica sobretensão na alimentação geral da máquina. Aparece apenas quando acionado o alarme. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 2 Indica subtensão na alimentação geral da máquina. Aparece apenas quando acionado o alarme. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 3 Indica falta de fase na alimentação geral da máquina. 4 Indica fumaça/chama em um dos painéis da máquina. 5 Botões para navegação de telas e indicações principais de cada acionamento específico. 6 Botão fluxograma de processo 7 Indicação grande de emergência acionada 8 Botão que possibilita teste do sistema de supervisão 9 Botão "Status" e indicações das condições de cada emergência na máquina 10 Botão histórico de alarmes 11 Botão Manutenção por período 12 Botão de tendências Tela de detalhes Fonte: Autor Aparece apenas quando acionado o alarme. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. Aparece apenas quando acionado o alarme. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. Cada botão é responsável para acessar a tela específica de cada acionamento conforme descrito no botão. O círculo verde pisca para indicar quando o acionamento está ligado. O círculo vermelho liga para indicar quando o acionamento está em falha. O círculo azul liga para indicar período de manutenção. Botão que permite o acesso na tela detalhada do fluxograma de processos da máquina. Aparece apenas quando acionado o alarme. A imagem pisca para chamar atenção Quando acionado o botão, é possível testar o sistema de supervisão por meio de botões que alternam os valores dos variáveis O botão "Status" permite entrar na tela de detalhes emergência. Quando todas as emergências estão armadas o retângulo verde pisca. Quando qualquer emergência é acionada o retângulo vermelho pisca. Permite o acesso na tela que detalha todos os alarmes que ocorreram na máquina. Permite o acesso na tela que detalha as manutenções da máquina de forma geral Permite o acesso na tela que demonstra o consumo de energia elétrica até o momento. A partir dela é possível fazer a previsão do consumo mensal de energia elétrica. A tela de detalhes é constituída de todas as informações necessárias para o gerenciamento dos acionamentos de uma máquina misturadora de concreto por parte do operador ou pelo responsável da manutenção. Ela é elaborada de forma intuitiva o que facilita a rápida interpretação de cada acionamento ou sensor. A Figura 38 mostra a tela de detalhes da rosca de cimento 1.

66 65 Figura 38 - Tela de detalhes rosca cimento 1 Fonte: Autor A Tabela 8 detalha a função da tela de detalhes da rosca de cimento 1 de acordo com a numeração apresentada na Figura 38. Outro exemplo de tela de detalhe é apresentado na Figura 39, que corresponde ao sistema de interruptores de emergência da máquina. Figura 39 - Tela de detalhes interruptores de emergência Fonte: Autor

67 66 Tabela 8- Funcionamento da tela de detalhes rosca cimento 1 Tela Rosca Cimento 1 Item Função Descrição 1 Nome do acionamento Indica o nome do acionamento da tela 2 Funcionamento Se a rosca de cimento 1 estiver acionada, a escrita "OK!" pisca 3 Falha O retângulo vermelho pisca quando a rosca de cimento 1 entra em falha. 4 Manutenção 5 Botão procedimento de manutenção 6 Potência Instantânea 7 Tempo de funcionamento total O retângulo azul pisca quando a rosca de cimento 1 entra no período de manutenção. Quando acionado, possibilita o acesso a tela que detalha todos os procedimentos de manutenção da rosca de cimento 1. Indica qual a potência instantânea da rosca de cimento 1 em VA Indica o somatório de tempo em que a rosca de cimento 1 permaneceu ligada. 8 Tempo de funcionamento desde a última parada Indica o tempo de funcionamento desde que a rosca de cimento ligou pela última vez. Quando a rosca de cimento é desligada, este tempo é zerado. 9 Amperímetro Indica qual a corrente elétrica instantânea da rosca de cimento 1 10 Indicação alarme de sobrecarga Aparece apenas quando acionado o alarme de sobrecarga da rosca de cimento 1. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 11 Indicador de temperatura Apresenta a temperatura do motor da rosca de cimento Indicação alarme de sobre temperatura Aparece apenas quando acionado o alarme de sobre temperatura da rosca de cimento 1. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 13 Voltímetro Indica a tensão de trabalho da rosca de cimento Indicação alarme de subtensão Aparece apenas quando acionado o alarme de subtensão da rosca de cimento 1. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 15 Indicação alarme de sobretensão Aparece apenas quando acionado o alarme de sobretensão da rosca de cimento 1. Pisca alterando as cores vermelha e amarela. 16 Botão início Quando acionado, retorna a tela Início. Fonte: Autor A Tabela 9 detalha a função da tela de detalhes de emergência de acordo com a numeração apresentada na Figura 39.

68 67 Tabela 9 - Funcionamento da tela de detalhes emergência Tela Emergência Item Função Descrição 1 Emergência dosador de agregado Quando visível a indicação "ok" a emergência está armada. Quando visível a indicação falha" significa que a emergência do dosador foi acionada. 2 Emergência misturador Quando visível a indicação "ok" a emergência está armada. Quando visível a indicação falha" significa que a emergência do misturador foi acionada. 3 Interruptores de emergência com corda Quando visível a indicação "ok" a emergência está armada. Quando visível a indicação falha" significa que o interruptor com corda da correia extratora ou da correia inclinada foi acionada. 4 Botão início Quando acionado, retorna a tela Início Tela de alarmes Fonte: Autor A tela de alarmes é a responsável por listar todos os alarmes que ocorrem na planta. Nela é identificado o horário e data do alarme, assim como o horário e a data em que o alarme volta à condição normal. Relacionado à severidade dos alarmes, eles foram divididos em três níveis. Nível 1 Pré-alarme: Nível mais baixo de alarme. Quando acionado o alarme, o sistema de supervisão identifica o alarme ao operador e a máquina continua em funcionamento norma. Exemplo deste nível de alarme é a manutenção preventiva de um determinado acionamento. Nível 3 Alarme de fato: Nível médio de alarme. Quando acionado o alarme, o sistema de supervisão identifica o alarme ao operador e suspende o funcionamento do acionamento em específico. Exemplo deste nível é o alarme de sobrecarga da rosca de cimento 1. Nível 5 Alarme de fato: Nível alto de alarme. Quando acionado o alarme, o sistema de supervisão identifica o alarme ao operador e suspende todo o funcionamento da máquina. Exemplo deste nível de alarme é a emergência do dosador de agregado. A Figura 40 apresenta a tela de alarmes.

69 68 Figura 40 - Tela de alarmes Fonte: Autor na Figura 40. A Tabela 10 detalha a função da tela de alarmes de acordo com a numeração apresentada Tabela 10 - Funcionamento da tela de alarmes Tela Alarmes Item Função Descrição 1 Data alarme Indica a data em que o alarme foi acusado ou resetado 2 Hora alarme Indica a hora em que o alarme foi acusado ou resetado 3 Nível Indica o nível de severidade do alarme 4 Valor do tag Indica para qual valor o TAG foi alterado quando foi acusado o alarme ou quando foi resetado o alarme 5 Descrição Informa qual alarme foi acionado 6 Botão início Quando acionado, retorna a tela Início Fonte: Autor A Figura 41 mostra a tela de alarme durante a operação. Nela é possível verificar o exato instante em que o alarme emergência dosador de agregado entrou em falha assim como o instante de retorno para condição normal.

70 69 Figura 41 - Tela de alarmes em operação Fonte: Autor Na tela de alarmes, enquanto um alarme não retorna para a condição normal, ou seja, enquanto ele permanecer ativo, ele é indicado de forma pulsante entre as cores vermelho e amarelo, conforme mostra a Figura 42. Figura 42 - Tela de alarme com alarme ativo Fonte: Autor Para limpar os alarmes podem ser realizados três procedimentos: botão Ack All limpa todos os alarmes;

71 70 botão Ack Page limpa a página atual dos alarmes; botão Ack Current limpa o alarme atual Tela de tendências Na tela de tendências é apresentado a consumo de energia elétrica da planta. Os valores são dados no consumo instantâneo e no consumo nas últimas 10 horas de trabalho. A Figura 43 mostra a tela de tendências. Figura 43 - Tela de tendências Fonte: Autor Tela de manutenção A tela de manutenção apresenta qual o procedimento que deve ser realizado no acionamento. Desta forma, é nesta tela que o operador do sistema de supervisão tem o conhecimento de qual procedimento deve ser realizado na máquina. Isto se torna de muita valia para a preservação da máquina assim como para a diminuição dos tempos de parada para manutenção corretiva. A Figura 44 detalha a tela de manutenção da rosca de cimento 1.

72 71 Figura 44 - Tela de manutenção Fonte: Autor A Tabela 11 detalha a função da tela de manutenção de acordo com a numeração apresentada na Figura 44. Tabela 11 - Funcionamento da tela de manutenção Tela Manutenção Item Função Descrição 1 Botão retorna Quando acionado, retorna a tela de detalhes do acionamento. 2 Botão manutenção realizada Quando acionado, indica que o operador realizou o procedimento de manutenção conforme requerido pelo sistema. 3 Componentes 4 Sinalização Tela de fluxograma Detalha a lista de manutenção que deve ser realizada de forma periódica. O quadrado amarelo aparece em qual manutenção deve ser realizada para informar ao operador o que deve ser feito. Fonte: Autor A tela de fluxograma apresenta de forma geral o fluxo de processo da máquina. Assim como na tela inicial, apresenta dados sintéticos da planta. A Figura 45 apresenta a tela de fluxograma.

73 72 Figura 45- Tela de fluxograma Fonte: Autor 6.3 BANCADA DE TESTES Para a realização dos testes práticos foi elaborada a montagem conforme mostra a Figura 46. Nela estão montados componentes necessários para os testes de automação como, CLP CompactLogix L23, relé de estado sólido E3 Plus, módulo scanner SDN, Power tap além de componentes secundários como fonte de alimentação, contatos e disjuntor motor para proteção. A partir desta montagem foi testada a funcionalidade do sistema. Figura 46 - Bancada de testes Fonte: Autor

74 TESTE DE REDE DEVICENET Para a máquina misturadora de concreto em questão, foi desenvolvido o projeto de rede DeviceNet conforme Apêndice B. Este projeto apresenta com detalhes a conexão entre os três diferentes painéis e também a conexão entre os dispositivos que compõem a máquina. Entretanto, o teste de rede foi desenvolvido na bancada de testes em proporções bem menores, com apenas um dispositivo escravo. Para a configuração da rede foi utilizado software RSNetWorx. Durante esta configuração de rede, o programa não encontrava o EDS (Electronic Data Sheet) do dispositivo na rede. O módulo scanner de rede DeviceNet SDN emitia a mensagem 75 e no sinaleiro indicador de funcionamento de rede possuía a cor verde intermitente. A mensagem de erro 75 significa nenhuma mensagem recebida tendo a descrição de: Nenhum tráfego de rede recebido pelo Scanner dentro de 10 segundos. A luz verde intermitente tem o significado de: Dispositivo em operação, porém sem conexões com os dispositivos na rede [19]. Foi observado que este problema se deve ao fato de versões de firmware diferentes entre o módulo scanner e o CLP. Firmware corresponde às instruções operacionais que são programadas nos hardwares e salvas em suas memórias internas, desta forma o firmware manterá as funções básicas entre os dispositivos em funcionamento. Quando há incompatibilidade entre os hardwares é necessário atualizar o firmware. Como o CLP utilizado para o teste é da empresa Lintec-Ixon a versão de licença de firmware é inferior à versão compatível com o módulo SDN não podendo ser atualizada para o teste. 6.5 TESTE DO SISTEMA DE SUPERVISÃO Devido à incapacidade do teste prático de rede DeviceNet pela incompatibilidade de firmware, foi desenvolvido um programa ladder para o teste do sistema supervisório. Após o desenvolvimento de uma linguagem ladder simples no compilador RSLogix 5000 foi realizado o procedimento de configuração de comunicação entre o sistema supervisório e o programa ladder. Para a configuração de uma saída de comunicação do computador foi utilizado o programa RSLinx. Conforme demonstra a Figura 47, após a abertura do programa deve ser acessada a aba Configure Drivers.

75 74 Figura 47 - RSLinx - Configure drivers Fonte: Autor Nela foi escolhido o protocolo de comunicação EtherNet para a troca de dados entre sistema supervisório e programa ladder. Após a escolha do padrão EtherNet de comunicação, é configurado o IP (Internet Protocol) para o mesmo endereçamento do CLP. A Figura 48 mostra o IP utilizado. Posteriormente a estas configurações é necessário estabelecer a configuração do OPC (OLE for Process Control). A Figura 49 apresenta a tela desta configuração. Na tela OPC é necessário encontrar o programa ladder desenvolvido, neste caso, nomeado como TCC_Rafael. Posteriormente deve ser aberta a guia backplane, encontrado o processador do CLP e clicado em done. Com isso a configuração da porta de saída do computador até o CLP está configurada. Basta agora configurar o sistema de supervisão. Para isso deve ser acessado o programa RSView 32 e ser aberto o arquivo do sistema de supervisão desenvolvido. Após, na guia System é necessário clicar em Node, nomear com o mesmo nome do programa ladder e escolher o Server como RSLinx OPC Server. A Figura 50 apresenta este processo de configuração.

76 75 Figura 48 - Configuração do IP Fonte: Autor Figura 49 - Definindo OPC Fonte: Autor

77 76 Figura 50 - Configuração do sistema de supervisão Fonte: Autor Para que todo o sistema entre em funcionamento, é preciso que as variáveis do sistema supervisório estejam apontadas para as respectivas variáveis do programa ladder e vice-versa. Para tal, deve-se acessar, na mesma guia System, Tag database. Nesta janela estão localizadas todas as variáveis utilizadas no sistema de supervisão. É preciso alterar em Data Source o tipo de Memory para Device, localizar o nome do Nó e o endereço. Clicando na localização do endereço abrirá a janela OPC Address Browser, na qual é possível encontrar todos os tags do programa ladder. Dessa forma, basta localizar o respectivo tag do programa ladder e confirmar a operação. Para cada variável é necessário fazer este mesmo processo de apontamento de tags. A Figura 51 apresenta a localização do nó de rede e a Figura 52 mostra a processo de apontar as variáveis dos sistemas ladder e supervisórios. Após a realização dos passos acima, toda a configuração para o funcionamento do sistema está pronta. Dessa forma, os testes foram realizados e sua resposta foi positiva. Para a simulação, foram forçadas as entradas digitais do CLP de acordo com a programação a fim de verificar a comunicação entre supervisório e CLP, assim como, a funcionalidade de todo o sistema. A Figura 53 apresenta a disposição do computador com o sistema de supervisão interligado com o CLP de testes.

78 77 Figura 51 - Localização do nó de rede Fonte: Autor Figura 52 - Apontamento de variáveis entre supervisório e ladder Fonte: Autor

79 78 Figura 53 - Teste do sistema Fonte: Autor 6.6 CONCLUSÕES DO TESTE PRÁTICO Para ser possível a realização de testes práticos em cima de um assunto específico é necessário compilar vários pontos já abordados durante o curso de Engenharia. O sistema de supervisão desenvolvido, apesar de não estar em um nível avançado, apresenta os mais diversos recursos que o software RSView 32 possa oferecer aos usuários. O mesmo pode ser dito do programa ladder realizado para a simulação do sistema de supervisão. Muito embora que o desenvolvimento da programação ladder não tenha sido aprofundado neste trabalho, os conhecimentos adquiridos durante as disciplinas de automação na graduação foram fundamentais para o entendimento e desenvolvimento desta linguagem de programação. O problema ocorrido nas versões de firmware impossibilitou os testes da rede DeviceNet assim como a coleta de dados no relé E3 Plus. Ainda que isso tenha ocorrido, a não realização dos testes práticos não retira a veracidade e a funcionalidade tanto do projeto de rede desenvolvido assim como o estudo realizado. Os testes de simulação realizados no sistema de supervisão obtiveram êxito. É evidente que todo engenheiro projetista deverá estar atento em cada elaboração de um novo sistema, procurando solucionar problemas, propor melhorias e garantir a segurança de todo seu projeto.