ELETRICISTA INDUSTRIAL SDCD SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO PROF.: AMAURI AIRES B. FILHO

Transcrição

1 Ministério da Educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica (SETEC) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará ELETRICISTA INDUSTRIAL SDCD SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO PROF.: AMAURI AIRES B. FILHO

2 CRÉDITOS Presidente Dilma Vana Rousseff Ministro da Educação Aloizio Mercadante Oliva Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica Marco Antonio de Oliveira Reitor do IFCE Cláudio Ricardo Gomes de Lima Coordenador Geral Jose Wally Mendonça Menezes Coordenador do Curso Marcéu Verissimo Elaboração do conteúdo Amauri Aires B. Filho Equipe Técnica Amauri Aires B. Filho Pró-Reitor de Ensino Gilmar Lopes Ribeiro 2

3 O QUE É O PRONATEC? Criado no dia 26 de Outubro de 2011 com a sanção da Lei nº /2011 pela Presidenta Dilma Rousseff, o Programa Nacional de Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (Pronatec) tem como objetivo principal expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional e Tecnológica (EPT) para a população brasileira. Para tanto, prevê uma série de subprogramas, projetos e ações de assistência técnica e financeira que juntos oferecerão oito milhões de vagas a brasileiros de diferentes perfis nos próximos quatro anos. Os destaques do Pronatec são: Criação da Bolsa-Formação; Criação do FIES Técnico; Consolidação da Rede e-tec Brasil; Fomento às redes estaduais de EPT por intermédio do Brasil Profissionalizado; Expansão da Rede Federal de Educação Profissional Tecnológica (EPT). A principal novidade do Pronatec é a criação da Bolsa-Formação, que permitirá a oferta de vagas em cursos técnicos e de Formação Inicial e Continuada (FIC), também conhecidos como cursos de qualificação. Oferecidos gratuitamente a trabalhadores, estudantes e pessoas em vulnerabilidade social, esses cursos presenciais serão realizados pela Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, por escolas estaduais de EPT e por unidades de serviços nacionais de aprendizagem como o SENAC e o SENAI. Objetivos Expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional Técnica de nível médio e de cursos e programas de formação inicial e continuada de trabalhadores; Fomentar e apoiar a expansão da rede física de atendimento da Educação Profissional e Tecnológica; Contribuir para a melhoria da qualidade do Ensino Médio Público, por meio da Educação Profissional; Ampliar as oportunidades educacionais dos trabalhadores por meio do incremento da formação profissional. Ações Ampliação de vagas e expansão da Rede Federal de Educação Profissional e Tecnológica; Fomento à ampliação de vagas e à expansão das redes estaduais de Educação Profissional; Incentivo à ampliação de vagas e à expansão da rede física de atendimento dos Serviços Nacionais de Aprendizagem; Oferta de Bolsa-Formação, nas modalidades: Bolsa-Formação Estudante; Bolsa-Formação Trabalhador; Atendimento a beneficiários do Seguro-Desemprego. 3

4 SUMÁRIO CAPÍTULO 1 REDES DE COMUNICAÇÃO Introdução Rede de informação Corporativa Rede de Controle Industrial Rede de Campo EXEMPLO DE ARQUITETURA PARA REDE INDUSTRIAL Noções de redes digitais Redes locais: Topologia Topologia Estrela Topologia Anel Topologia em Barramento Topologia em Árvore MODELO OSI/ISO EXERCÍCIO DE REVISÃO CAPÍTULO 2 PROTOCOLOS DE CHÃO DE FÁBRICA E OS DISPOSITIVOS DE REDES INDUSTRIAIS Padronização MODBUS Modelo Mestre-Escravo (Mater-Slave) PROFIBUS INDUSTRIAL ETHERNET HART CAPÍTULO 3 SISTEMAS DE SUPERVISÓRIO TELA PRINCIPAL OPÇÕES DE MENU BARRA DE FERRAMENTAS

5 3.3 ORGANIZER EXERCÍCIOS DE SIMULAÇÃO EM COMPUTADOR LISTA DE FIGURAS Figura 1 Rede de comunicação industrial... 8 Figura 2 Exemplo de arquitetura de uma rede industrial... 9 Figura 3 Topologia Estrela Figura 4 Topologia Anel Figura 5 Topologia em Barramento Figura 6 Topologia em Árvore Figura 7 Modelo OSI/ISO Figura 8 MODBUS Figura 9 PROFIBUS Figura 10 Transmissão de dados Figura 11 ETHERNET Figura 12 Sistema de controle de vazão Figura 13 NP800H - Transmissor de Pressão Diferencial com protocolo HART...23 Figura 14 SMAR TT421: Transmissor Digital de Temperatura com protocolo HART Figura 15 Componentes de um sistema SCADA Figura 16 Exemplo de aplicação no Elipse SCADA Figura 17 Barra de Ferramentas - Aplicação Figura 18 Barra de Ferramentas Aplicação - descrição Figura 19 Barra de Ferramentas - Objetos Figura 20 Barra de Ferramentas - descrição Figura 21 Barra de Ferramentas - Arranjar Figura 22 Barra de Ferramentas Arranjar - descrição Figura 23 Árvore de classes de objetos no Organizer Figura 24 Ferramentas do Organizer Figura 25 Utilização de Botões e Bitmaps Figura 26 Utilização do objeto Animation

6 APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA Prezado estudante, É com grande alegria que iniciamos o estudo da disciplina de sistemas digitais de controle distribuído do curso Técnico de Automação Industrial, modalidade PRONATEC, do IFCE Campus Maracanaú. Trata-se de uma disciplina extremamente importante, visto que serão necessários os conhecimentos anteriores, como por exemplo, de controladores lógico programáveis, para devida aplicação e desenvolvimento em SDCD s, além de ser uma disciplina de conclusão de curso. Dessa forma, espera-se que durante a mesma o aluno compreenda diversos aspectos do ambiente industrial e profissional da atualidade, e que seja capaz de desenvolver sistemas de supervisão adequados aos principais tipos de processos industriais. Bons estudos! Amauri Aires B. Filho Autor 6

7 Capítulo 1 Redes de comunicação 1.1 Introdução Nos processos produtivos, vem-se verificando uma tendência em substituir sistemas com processamento centralizado, geralmente baseado em equipamentos de grande porte, por sistemas distribuídos, compostos por diversos similares de menor porte. Porém, o controle distribuído somente será viável se todos os integrantes do sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e confiável. Para atender a essa necessidade, surgiram diversos tipos, padrões, protocolos em redes de comunicação industrial. Rede de comunicação industrial é o conjunto de equipamentos e softwares utilizados para propiciar o trânsito de informações da produção, entre os diversos níveis hierárquicos de um processo industrial. As informações (dados) são transmitidas em quadros ou pacotes, que são uma seqüência de bytes definida por um protocolo de rede. Os dados podem compor um conjunto maior chamado de mensagem. Se a mensagem tiver um tamanho maior que um quadro, necessita ser fragmentada. Nas redes industriais, como se trata de informação de sensores na maioria das vezes, a quantidade de bytes a transmitir em cada mensagem é pequena (em média, na ordem de algumas dezenas de bytes). Assim, um quadro pode transportar uma mensagem inteira. Diferentemente das redes locais de escritório, em que as redes estão instaladas em ambientes limpos e normalmente com temperaturas controladas, no caso de redes industriais, o ambiente nos quais as redes são instaladas é usualmente hostil, uma vez que ruídos eletromagnéticos de grande intensidade podem estar presentes. Por exemplo, no acionamento de motores elétricos, em função das altas correntes envolvidas, radiações eletromagnéticas são geradas, podendo induzir ruídos nos equipamentos eletrônicos nas proximidades. Além disso, ambientes industriais podem apresentar temperaturas e umidades elevadas, dois aspectos prejudicais aos componentes utilizados em sistemas computacionais e de comunicação. Desta forma, equipamentos para redes industriais são, em geral, especialmente construídos para trabalhar nessas condições adversas e os protocolos de comunicação adotados também devem considerar aspectos de segurança e disponibilidade do sistema desenvolvido (PEREIRA & LAGES, 2004). Para se conceber uma solução na área de automação, o primeiro passo é projetar a arquitetura do sistema, organizando seus elementos vitais: remotas de aquisição de dados, CLPs, instrumentos, sistema de supervisão, etc, em torno de redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura determinará o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade, expansibilidade, etc (SEIXAS, 2004). Para esse mesmo autor, uma das arquiteturas mais praticadas é a que define hierarquias de redes independentes: rede de informação, rede de controle e rede de campo. 7

8 Figura 1 Rede de comunicação industrial. 1.2 Rede de informação Corporativa O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de informação. O tráfego é baseado em dados sem criticidade temporal, caracterizada pelo grande volume de dados, porém com baixa freqüência de transmissão. Nessas redes, a velocidade de transmissão é um fator importante, porém a latência (tempo entre o envio e recebimento dos pacotes de dados) é uma variável incerta. Exemplos são as redes em sistemas de gestão corporativos em que há grande tráfego de dados. Em grandes corporações, é natural a escolha de uma rede de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos), e EPS (Enterprise Production Systems). 1.3 Rede de Controle Industrial Interliga os sistemas industriais de nível 2 ou servidor SCADA aos sistemas de nível 1 representados por CLPs ou remotas de aquisição de dados. O tráfego é baseado em dados em que a criticidade temporal pode ou não ser essencial, normalmente com volume médio de dados e frequência de transmissão em função de eventos do sistema.nessa rede, os aspectos mais importantes são a disponibilidade e a imunidade a falhas. 1.4 Rede de Campo 8

9 A rede de campo permite a interação dos diversos dispositivos de monitoração e controle presentes em uma planta de produção, através de aquisição de variáveis e atuação sobre equipamentos. Por meio dela esses dispositivos trocam informações e coordenam o controle dessa planta. O tráfego é baseado em dados na maior parte com criticidade temporal, caracterizada pelo pequeno volume de dados entre dispositivos, mas com freqüência de transmissão elevada. Exemplo clássico é o envio de temperatura de um dispositivo de campo (sensor) para o CLP, onde o valor será utilizado no controle de temperatura de determinada área (atuador). Nessa rede, a latência entre o envio do pacote e o recebimento do mesmo obedece a valores máximos bem definidos. 1.5 Exemplo de arquitetura para rede industrial Com base nas definições de Seixas (2004), uma configuração de arquitetura para rede industrial com essas características pode ser vista na figura 2. Nessa figura, observa-se que as estações clientes SCADA se comunicam com seus servidores SCADA e com cliente e servidores ERP através da rede de informação. A estação servidor SCADA se comunica com os CLPs através da rede de controle. Os CLPs se comunicam com os sensores e atuadores através da rede de campo. Do ponto de vista de segurança, é favorável isolar o tráfego de controle do tráfego de informação através de equipamentos roteadores de rede. As redes de controle e informação também podem estar fundidas em uma rede única, rede ethenet, por exemplo. Porém, como o tráfego na rede de controle é caracterizado por mensagens curtas e muito freqüentes e é de natureza diversa do tráfego na rede de informação, em geral representada por arquivos maiores transmitidos com baixa freqüência, tornando os requisitos de desempenho e segurança das duas redes diferentes, Seixas (2004), não recomenda esta fusão. Figura 2 Exemplo de arquitetura de uma rede industrial 9

10 1.6 Noções de redes digitais Com a tendência atual de utilização de sistemas de informatização baseados em dispositivos de baixo custo, como microcomputadores, tornou-se necessária a interligação desses dispositivos por meio de rede digital. Essa interligação permite o compartilhamento de recursos, como bancos de dados, e a distribuição de tarefas e informações. Redes como a Netware da Novell e Windows NT passaram então a ser um padrão mundial de redes locais, e são conhecidas como LAN (Local Area Network). Paralelamente ao crescimento do uso das LAN s em ambientes administrativos, chamadas Redes Corporativas, foram desenvolvidas redes industriais, denominadas barramentos de campo, ou simplesmente fieldbuses. Algumas das definições se aplicam tanto a redes administrativas quanto a redes industriais. As mudanças ficam por conta da confiabilidade, e da necessidade de se trabalhar em tempo real. Pode-se dizer que o Fieldbus é a LAN dos ambientes industriais. Os diversos tipos de redes locais diferem entre si devido a considerações físicas e mecânicas, bem como o tipo de protocolo. Protocolo fica assim definido como o conjunto de convenções e procedimentos que regulamentam a transmissão de dados entre diferentes equipamentos, completamente ou em alguns dos seus aspectos. 1.7 Redes locais: Topologia Em redes locais, a topologia diz respeito ao esquema físico e lógico da interconexão entre as estações de trabalho ( nós ). Normalmente as redes apresentam topologias em estrela, em anel(token Ring), em barramentos (difusão), em árvore, ou em alguma combinação entre elas Topologia Estrela Neste tipo de topologia existe um nó central ( mestre) que se comunica com cada um dos demais nós ( escravos ). Não existe comunicação direta entre dois escravos. O mestre deve executar o gerenciamento das comunicações. Além disso, pode executar o acoplamento entre escravos com características de protocolo ou de velocidade de transmissão diferentes. Permitindo que sistemas de fabricantes diferentes trabalhem satisfatoriamente. Em redes em estrela, falhas em um nó escravo comprometem apenas o nó defeituoso. No caso de falha no nó central, toda a rede fica comprometida. 10

11 Figura 3 Topologia Estrela Topologia Anel Consiste na ligação seqüencial fechada entre todas as estações de trabalho da rede. As ligações são unidirecionais e os dados circulam no anel. Para colocar uma mensagem na rede, a estação de origem deve enviar à sua estação seguinte uma mensagem. Essa mensagem é lida pela estação seguinte, que vão repetindo até que determinada estação a retire da rede. Essa estação pode ser a de destino, a de origem (ao receber de volta a mensagem enviada), ou uma estação de monitoração, que ao perceber a passagem de uma mesma mensagem duas vezes a retira do anel. O maior problema das redes em anel é que ao falhar um repetidor toda a rede fica paralisada. Figura 4 Topologia Anel 11

12 1.7.3 Topologia em Barramento Nessa topologia as estações estão conectadas a um barramento que, ao contrário da topologia em anel, não se encontra secionado. Todos os dados enviados são recebidos por todas as estações ao mesmo tempo. Caberá ao software controlar o acesso ao meio físico. É muito confiável, só apresentando problemas quando o barramento for quebrado Topologia em Árvore Figura 5 Topologia em Barramento A topologia em árvore pode ser entendida como várias barras interconectadas. Geralmente temos um barramento central, que pode ser comparado a um tronco, e diversos barramentos secundários. Deve se ter cuidados adicionais ao usar redes em árvore, devido ao fato de que nos locais onde derivam as ramificações termos dados trafegando em dois sentidos. Nesses pontos pode se fazer o uso de repetidores para evitar fatores como diferentes tempos de propagação. Esse tipo de configuração apresenta um nível de confiabilidade idêntico ao da topologia em barra. Figura 6 Topologia em Árvore 12

13 1.8 MODELO OSI/ISO O modelo de referência OSI (Open System Interconnection) da ISSO (International Standards Organization) foi criado para tratar da interconexão de sistemas abertos. Esse modelo é composto de sete camadas com funções bem definidas. Os protocolos de cada nível tratam como se conversassem na horizontal (Figura 3), como se estivessem fisicamente conectados, não tendo que se preocupar com o que as camadas inferiores fazem com os dados. Na realidade, com exceção da camada mais inferior (Física) todas as outras comunicações são realizadas na vertical. Dependendo da aplicação pode se omitir uma ou mais camadas. Figura 7 Modelo OSI/ISO 13

14 Camada Física (1) - intercomunicação elétrica: A camada física trata da forma como são transmitidos os bits brutos. Tratando das considerações mecânicas como o tipo de cabeamento, quando houver, dos valores físicos para os valores dos bits (1 s e 0 s), e do sentido ou dos sentidos de transmissão (simplex, duplex e half-duplex). Camada de Enlace (2) - ligação de dados: A camada de enlace trata da detecção ou correção de erros, do controle do fluxo de dados, evitando que transmissores rápidos sufoquem receptores lentos e em caso de redes de difusão (barramento comum a vários sistemas), controlar o acesso ao meio. Camada de Rede (3) endereçamento: Cuida das rotas que os dados devem seguir e controlam o congestionamento dos meios de transmissão quando existirem. Essa camada é bastante reduzida nas redes de difusão, como é o caso da maioria das LAN s e do Fieldbus. Sua filosofia pode se basear em datagramas ou circuitos virtuais. Camada de Transporte (4) - comunicação fim-a-fim: Tem como principal função garantir uma transferência de dados segura e econômica entre a origem e o destino. Apesar de camadas inferiores já tratarem desse ponto, é importante que se tenha um cuidado a mais. Mesmo porque as camadas inferiores também são executadas pelos roteadores das concessionárias nas sub-redes, onde podem acontecer falhas. Camada de Sessão (5) - ação remota: Na camada de sessão já se permite trabalhar com estrutura de dados de nível mais alto, como transferência arquivos, por exemplo. A camada de sessão trata da sincronização entre máquinas para transferências de dados longas. Essa sincronização permite que a transferência de um arquivo seja reiniciada mesmo que a conexão entre as camadas inferiores tenha sido perdida a horas, ou mesmo dias. Camada de Apresentação (6) - interpretação de dados: A camada de apresentação trata os dados de forma mais abstrata. Ao contrário das camadas inferiores que se preocupavam com a transferência segura dos dados mas não com o conteúdo desses dados, a camada de apresentação permite a alteração dos mesmos, de acordo com a codificação padrão da máquina. É que, em máquinas diferentes, dados iguais podem significar coisas diferentes. Um byte que significa a em uma máquina pode significar x em outra máquina. 14

15 Camada de Aplicação (7) - compatibilidade de aplicações: É a camada que mantém o contato com o usuário, quando houver. Essa camada pode trabalhar com protocolos genéricos ou específicos, ficando a cargo da utilização prática da máquina. Pode cuidar de um correio eletrônico ou do controle de um processo, por exemplo. Exercício de revisão 1 Qual o objetivo da criação de uma estrutura de rede dividida em camadas, contendo cada uma delas, suas funções, serviços e protocolos específicos? Resposta: 2 Qual a importância do modelo OSI/ISSO? Resposta: 3 Quantas camadas existem no modelo OSI e qual o nome de cada uma delas? Resposta: 4 Como é chamada a divisão que separa uma camada da outra? Resposta: 15

16 5 De um modo genérico, qual é a função do nível físico? Respostas: 6 Qual camada do modelo OSI é responsável por detecções de erros de transmissão a nível de bits? Resposta: 7 Enumere a primeira coluna de acordo com a segunda. 16

17 Capítulo 2 Protocolos de chão de fábrica e os dispositivos de redes industriais 2.1 Padronização A padronização dos barramentos de campo começou quando diversos fabricantes, na maioria americanos, passaram a usar o MODBUS da MODICON como padrão em seus dispositivos de controle. Outro protocolo tornou-se padrão na Europa, o PROFIBUS. Criado pela SIEMENS, esse protocolo, assim como o MODBUS, tornou-se aberto por acordos entre os fabricantes europeus. No meio da década de 80, a ISA (International Standards Association) reuniu uma comissão e criou o SP50. Essa comissão desperdiçou anos e anos tentando criar um padrão único mundial, mas foi barrada pelos interesses de cada grande fabricante. Em 1992, Fisher-Rosemount, Yokogawa e Siemens, três dos maiores fabricantes de CLP s e compatíveis do mercado, se uniram para criar o ISP (Interoperable Systems Project). A outra grande facção da SP50, que incluía Honywell, Allen-Bradley entre outros, formou o WorldFIP, um padrão com os mesmos objetivos do ISP. Em 1993 ISP e WorldFIP foram unificados para criar o Foundation Fieldbus(FF), um padrão que até hoje, apesar das inumeras aplicações e fabricantes, está por ser totalmente definido e testado. Há esperanças de que o Foundation Fieldbus porá fim nessa disputa por um novo padrão, porem, pelo quadro que se apresenta atualmente, a disputa por um padrão não terminará a curto prazo. Essa disputa já desperdiçou um incalculável atraso no avanço da automação industrial. Podemos separar os protocolos de campo basicamente em três categorias: Nível mais baixo Redes de dispositivos simples tais como sensores/atuadores a nível de BIT (do tipo entrada/saída ON-OFF). Ex: ASI; SeriPLEX; InterBUS- S; ProfiBUS-PA. Nível médio Redes de controladores (comunicação serial entre dispositivos - CLP) de campo. Ex: CAN; LonWORKS; DeviceNET; ProfiBUS-DP. SDCD Sistemas Digitais de Controle Distribuído 47 Alto nível Redes de controladores (mestres) para controles, e instrumentação mais sofisticada (inteligentes). Ex: SP50-H2; EtherNET industrial; ProfiBUS-FMS. 17

18 Existem protocolos para redes digitais que são desenvolvidos para aplicações genéricas (multi-propósitos), tais como: O Foundation Fieldbus, e a integração dos Profibus (PA, DP e FMS) MODBUS O MODBUS é um protocolo para barramentos de campo criado pela MODICON, empresa fabricante de produtos para automação, para o uso em seus dispositivos. Protocolos de uso exclusivo de uma empresa são denominados protocolos proprietários, enquanto os protocolos padronizados por instituições internacionais para o uso independente de fabricantes são chamados de protocolos abertos. O MODBUS foi então adotado por um grande número de fabricantes, sob autorização da própria MODICON, passando então a ser um protocolo aberto. Na verdade, o MODBUS é utilizado por milhares de fabricantes de dispositivos para automação, tais como: Figura 8 Modbus - Controladores programáveis; - Computadores de supervisão; - Terminais de operação; - Instrumentos de medição e atuação (medidores de vazão, válvulas inteligentes, 18

19 medidores de energia); - RTUs (remote terminal units), ou unidades de entrada e saída remotas; - Relés de proteção elétrica; - Controladores PID multi-loop Modelo Mestre-Escravo (Mater-Slave) O MODBUS é baseado no modelo mestre-escravo. Nesse modelo os escravos não podem dialogar entre si, toda comunicação deve passar por um mestre. O "mestre" pode requisitar informações de um "escravo" em particular e esperar pela sua resposta (modo requisição/resposta), ou, pode enviar uma mensagem comum a todos os "escravos" (modo difusão). Em modo requisição/resposta, o "mestre" envia uma requisição em particular a um "escravo", este responde se a mensagem da requisição estiver formulada corretamente. De maneira geral as trocas de informação são relativas à memória de dados dos "escravos". Como o "mestre" está ligado, assim como todos os "escravos", sobre uma rede bidirecional do tipo barramento, é necessário designar um endereço para cada escravo. Todos os "escravos" recebem as questões do "mestre", mas só o escravo endereçado responde ao "mestre". 2.3 PROFIBUS Figura 9 PROFIBUS 19

20 O PROFIBUS é o principal sistema aberto para fieldbus na Europa e possui aceitação universal. As áreas de aplicação incluem o controle de processo na indústria, e automação de edifícios. PROFIBUS é um padrão internacional aberto do fieldbus que está baseado no European fieldbus standard EN Isto garante uma proteção ao fornecedor e ao usuário da dependência em relação a um único fornecedor. Hoje, todos os principais fabricantes de tecnologia de automação oferecem compatibilidade com o PROFIBUS em seus dispositivos. A independência e o padrão aberto do fornecedor são garantidos pelo padrão PROFIBUS EN Com o PROFIBUS, os dispositivos de fabricantes diferentes podem comunicar se sem ajustes especiais. No PROFIBUS os controladores são descentralizados e estão ligados em rede no chão de fábrica. O PROFIBUS é do tipo mestres(master) e escravos(slave). Os dispositivos mestres determinam a transmissão de dados, emitem mensagens sem pedido externo, também são chamados de estações ativas no PROFIBUS. Os dispositivos escravos são dispositivos periféricos. Incluem dispositivos de entrada/saída, válvulas, sensores e transmissores de medidas. Não têm direitos de acesso direto ao barramento e podem somente reconhecer mensagens recebidas ou emitir mensagens ao mestre quando solicitados pelo mestre. Os escravos são chamados também de estações passivas. Desde que necessitam de somente uma pequena parte do protocolo de barramento, sua implementação é particularmente econômica. Figura 10 Transmissão de dados RS-485 é a tecnologia de transmissão usada mais freqüentemente pelo PROFIBUS. Suas aplicações incluem todas as áreas em que uma velocidade de transmissão e uma instalação barata e simples são necessários. Utiliza-se um cabo de cobre blindado com um par de condutores. A tecnologia RS-485 é muito fácil de instalar. Pois sua instalação do cabo blindado não requer os conhecimento de um perito. A estrutura de barramento permite a incorporação e a remoção de 20

21 estações ou o step-by-step no sistema sem influenciar nas outras estações. A última estação conectado no sistema não tem influência sobre as outras estações em operação. As velocidades de transmissão que podem ser selecionadas estão entre 9,6 kbites por segundo e 12 MBites por segundo. A velocidade original de comunicação está selecionada para todos os dispositivos no barramento do sistema. 2.4 INDUSTRIAL ETHERNET A ETHERNET é a mais famosa rede de comunicação interna. Ela estápresente nos mais variados segmentos (automação bancária, controle de processos, aplicações científicas, entre outras), porem sua versão industrial é largamente aplicada no gerenciamento de processos de fábrica. O ETHERNET é mais indicado para pacotes de informação de gerenciamento, deixando o nível de células para o padrão PROFIBUS. A partir daí, pode-se utilizar uma placa conversora, denominada Gateaway. Embora alguma versões sejam mais lentas, sua capacidade de transferência de grandes blocos de informação é bem maior. A velocidade típica da rede industrial ETHERNET é de 10 Mbps, porem podemos encontrar a versão Fast ETHERNET, de 100Mbps. Quanto a rede física, existem três possibilidades: Par trançado e blindado, coaxial de 75Ù e fibra ótica que possui maior imunidade à ruídos. Figura 11 ETHERNET 2.5 HART 21

22 O protocolo Hart foi introduzido pela Fisher Rosemount em Hart é um acrônimo de Highway Addressable Remote Transducer. Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado. É mantido pela HART Communication Foundation desde A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 ma tradicionais. Como a velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. A figura a seguir mostra um sistema de controle de vazão, formado por um transmissor multivariável de vazão (FT - placa de orifício, sensor de temperatura, pressão diferencial e estática), um controlador e indicador de vazão (FIC) e uma válvula de controle (FV), usando o padrão 4-20 ma para a transmissão da informação. A vazão calculada dentro do transmissor multivariável é enviada ao controlador via um sinal de 4-20 ma. O controlador compara este valor com o SETPOINT definido pelo usuário e define qual deve ser a abertura da válvula, também enviando um sinal de 4-20mA. Apesar de o FT trabalhar com 4 grandezas físicas, apenas uma pode ser transmitida pelo sinal de 4-20mA. Informações do processo, tais como faixas de trabalho de pressão, vazão e temperatura, setpoints e ajustes da estratégia de controle devem ser parametrizados diretamente no visor local do transmissor e controlador, resultando em mais tempo de preparação para entrada em funcionamento do sistema. Figura 12 Sistema de controle de vazão 22

23 Figura 13 NP800H - Transmissor de Pressão Diferencial com protocolo HART Figura 14 SMAR TT421: Transmissor Digital de Temperatura com protocolo HART Capítulo 3 Sistemas de Supervisório 3.1 Sistemas SCADA Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Acquisition Data System) são aplicativos que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo produtivo, as informações podem ser visualizadas por intermédio de quadros sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo (vazão, temperatura, pressão, volume, etc). Os dados são provenientes do controle do CLP, podendo os softwares supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes auxiliam no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para gerenciamento e diretrizes. Desta forma, a escolha do software de supervisão é muito importante na estratégia de automação de uma empresa. 23

24 Segundo Boyer (1993), um sistema SCADA permite a um operador, em uma localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como, óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos, fazer set-point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou chaves, monitorar alarmes, e armazenar informações de processo. De acordo com esse mesmo autor, quando as dimensões do processo tornam-se muito grandes, os benefícios, em termos de redução de custos de visitas rotineiras, podem ser verificados, porque torna desnecessária a presença do operador ou a visita em operação normal. Hoje, os sistemas SCADA podem ter uma arquitetura aberta, ligada em rede, de forma a permitir que o fluxo de dados do processo ultrapasse o limite das paredes da empresa e percorra o mundo através dos meios de comunicação existentes. Num ambiente industrial, esses sistemas auxiliam na gestão da produção, porque possibilitam: Comunicações significativamente melhores entre todas as áreas da operação; Um melhor planejamento da produção; Um melhor rastreamento das ordens de produção, incluindo listas de materiais, além de uma melhor administração do plano de produção; Um acompanhamento mais preciso dos níveis de estoque alocado e real de matériasprimas e produtos acabados; Uma melhor administração e manutenção dos equipamentos da planta, incluindo o acompanhamento de defeitos e a programação de ordens de trabalho para manutenção. Caetano et al (aput FAVARETTO, 2001) apresentam uma solução denominada Sistemas de Monitoramento, Supervisão e Diagnóstico da Produção, composta dos seguintes módulos funcionais: Monitoramento da produção: faz o sensoreamento e coleta em tempo real dos dados de produção; Supervisão da produção: análise dos dados coletados: Repositório de informações da produção: armazena as informações da produção. Diagnóstico do chão de fábrica: trata as informações tecnológicas. Segundo Rodrigues & Coelho (2000), os sistemas SCADA podem ser subdivididos em: a) Sensores e Atuadores: são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorizados pelos sistemas SCADA. 24

25 Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos. b) Estações remotas: O processo de controle e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas, CLPs (Controlador Lógico Programável) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos a que estão associados e o respectivo controle. Os CLPs apresentam como principal vantagem a facilidade de programação e controle de I/O. Por outro lado, os RTUs possuem boas capacidades de comunicação, incluindo comunicação via rádio, estando especialmente indicados para situações adversas onde a comunicação é difícil. Atualmente, nota-se uma convergência no sentido de reunir as melhores características desses dois equipamentos: a facilidade de programação e controle dos CLPs e as capacidades de comunicação dos RTUs. c) Redes de comunicações: A rede de comunicação é a plataforma através da qual a informação de um sistema SCADA é transferida. Tendo em consideração os requisitos do sistema e as distâncias a cobrir, as redes de comunicação podem ser implementadas, entre outros, através dos seguintes meios físicos: Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas distâncias, normalmente em fábricas, não sendo adequados para grandes distâncias devido ao elevado custo da cablagem, instalação e manutenção; Linhas Discadas - As linhas discadas podem ser usadas em sistemas com atualizações periódicas, que não justifiquem conexão permanente. Quando for necessário comunicar com uma estação remota é efetuada uma ligação para o respectivo número; Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que necessitam de conexão permanente. Essa conexão, no entanto, é uma solução cara, pois é necessário o aluguel permanente de uma linha de dados ligada a cada estação remota; Rede Wireless - Esses dispositivos são usados em locais onde não estão acessíveis linhas discadas ou dedicadas. Por vezes, em situações onde uma ligação direta via rádio não pode ser estabelecida devido à distância, sendo necessária a instalação de dispositivos repetidores. d) Estações de monitoração central As estações de monitoração central (servidor SCADA) são as unidades principais dos sistemas SCADA, responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem estar centralizadas num único computador, ou distribuídas por uma rede de computadores de modo a permitir a partilha de informação proveniente do servidor SCADA. 25

26 A interação entre os operadores e as estações de monitoração central (servidor SCADA) é efetuada através de uma Interface Homem-Máquina, em que é comum a visualização de um diagrama representativo da instalação fabril, a representação gráfica das estações remotas, os valores atuais dos instrumentos fabris e a apresentação dos alarmes ativos. Sob esta perspectiva a figura 1.5 mostra todos os componentes básicos de um sistema SCADA, desde a estação de monitoração central, onde está o software de supervisão, passando pela rede de comunicação, CLP, sensores e atuadores até as máquinas e equipamentos (processo). REDE DE COMUNICAÇÃO SENSORES E ATUADORES CLP ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO Figura 15 Componentes de um sistema SCADA 3.2 Elipse SCADA Tela principal Uma maneira fácil de compreender o funcionamento do Elipse SCADA é partir das ferramentas disponíveis e sua apresentação em tela. A ilustração a seguir mostra a tela principal do Elipse SCADA quando uma aplicação está aberta, no módulo Configurador, identificando seus elementos. A Barra de Título mostra o caminho e o nome de sua aplicação, bem como o título da tela corrente que está sendo mostrada na área de trabalho. A área de trabalho é o espaço onde desenvolvemos a aplicação. A edição de telas e de relatórios é feita nessa área. A Barra de Telas mostra o título da tela corrente 26

27 e permite que você alterne entre uma tela e outra. A Barra de Menus permite a escolha das diversas opções para a configuração da aplicação. Os botões da Barra de Ferramentas permitem que você execute determinadas tarefas rapidamente sem usar os menus. Figura 16 - Exemplo de aplicação no Elipse SCADA Assim, com apenas um clique, você pode criar objetos de tela ou chamar o Organizer, por exemplo. A Barra de Status mostra várias informações auxiliares quando editando uma aplicação, como por exemplo indicadores da ativação do teclado numérico (NUM), letras maiúsculas (CTRL) e rolagem de tela (SCRL) e coordenadas do ponteiro do mouse. Ela também mostra uma pequena descrição de um determinado objeto, por exemplo um Botão da Barra de Ferramentas ou um item de menu Opções de Menu É através das opções de menu que podemos acessar os recursos e funções do software Barra de Ferramentas 27

28 Barra de Ferramentas Aplicação: Figura 17 - Barra de Ferramentas Aplicação Figura 18 - Barra de Ferramentas Aplicação - descrição 28

29 Barra de Ferraments Objetos: Figura 19 - Barra de Ferramentas Objetos Figura 20 - Barra de Ferramentas Objetos - descrição 29

30 Barra de Ferraments Arranjar: A Barra de Ferramentas Arranjar possui comandos para edição de Telas agindo sobre os Objetos de Tela que estiverem selecionados; os mesmos comandos estão disponíveis no menu Arranjar. Para selecionar mais de um Objeto de Tela, utilize o botão esquerdo do mouse mantendo a tecla [Ctrl] pressionada; o último objeto selecionado ficará com o foco em vermelho para ser usado como referência. Para desselecionar um objeto use a combinação de teclas: [Ctrl]+[Shift]+BotãoEsq. Figura 21 - Barra de Ferramentas Arranjar 30

31 Figura 22 - Barra de Ferramentas Arranjar - descrição 3.3 ORGANIZER O desenvolvimento de uma aplicação no Elipse SCADA é baseado na ferramenta Organizer. Ele permite uma visão simples e organizada de toda a aplicação, ajudando na edição e configuração de todos os objetos envolvidos no sistema através de uma árvore hierárquica. A estrutura do Organizer pode ser comparada à árvore de diretórios do Gerenciador de Arquivos do Windows. Desta forma, a estrutura da aplicação começa no canto superior esquerdo com a raiz da aplicação. Todos os objetos da aplicação descem a partir da raiz agrupados de acordo com seu tipo: Tags, Telas, Alarmes, Receitas, Históricos, Relatórios, Drivers, Databases, que constituem os principais elementos de sua aplicação. Selecionando-se qualquer um dos ramos da árvore da aplicação, ele irá se expandir, mostrando seu conteúdo; desta forma, você pode facilmente navegar pela aplicação tendo disponíveis todas as opções de 31

32 configuração desde a criação de Tags até o redimensionamento de objetos em uma tela específica. A estrutura básica do Organizer é apresentada a seguir: Figura 23 - Árvore de classes de objetos no Organizer A partir do Organizer você pode criar toda a sua aplicação, simplesmente navegando através da árvore da aplicação. Selecionando-se qualquer um de seus ramos, as propriedades do objeto selecionado serão mostradas no lado direito da janela, onde poderão ser editadas. Por exemplo, se você selecionar Tags na árvore do Organizer você poderá criar novos Tags e editar suas propriedades selecionando a página desejada a partir das abas no topo da janela. Os botões na Barra de Ferramentas do Organizer permitem realizar determinadas tarefas rapidamente sem utilizar os menus. Existem 13 botões como pode ser verificado na tabela a seguir: 32

33 Exercício 1 Figura 24 Ferramentas do Organizer Exercícios de simulação em computador: 1 Desenvolver uma aplicação no Elipse SCADA que faça o controle (acionamento) de dois motores conforme a imagem e as instruções abaixo. Obs: Utilize a biblioteca do Elipse SCADA para obter os desenhos (bitmaps) dos motores. Crie uma tela; Adicione 4 bitmaps; 33

34 Bitmap 1: ElipseSCADA\Demo\Alimentos\Castrolanda\bmp\Motores\alim_lig.JPG Bitmap 2: ElipseSCADA\Demo\Alimentos\Castrolanda\bmp\Motores\alim_deslig.JPG Coloque o Bitmap 1 sobre o Bitmap 2; Bitmap 3: ElipseSCADA\Demo\Alimentos\Castrolanda\bmp\Motores\alim_lig.JPG; Bitmap 4: ElipseSCADA\Demo\Alimentos\Castrolanda\bmp\Motores\alim_deslig.JPG; Coloque o Bitmap 3 sobre o Bitmap 4; Adicione dois botões e em seguida configure os mesmos para controlarem o acionamento dos motores. Figura 25 - Utilização de Botões e Bitmaps 34

35 2 Desenvolver uma aplicação no Elipse SCADA que simule o abastecimento de um tanque. Utilize um objeto Animation conforme a imagem a abaixo. Obs: Use a biblioteca do Elipse SCADA para obter os desenhos (bitmaps) dos tanques. Crie uma tela; Adicione 1 Animation; Configure as zonas adionando os bitmaps do tanque: elipse scada\demo\quim\z074\tanks\20\tq00.jpg, elipse scada\demo\quim\z074\tanks\20\tq01.jpg, até o bitmap: elipse scada\demo\quim\z074\tanks\20\tq21.jpg; Crie uma tag demo; Configure a tag demo para controlar a animação (o animation). Figura 26 - Utilização do objeto Animation 35