Centro Federal de Educação Tecnologica de Minas Gerais Uned Divinópolis. Engenharia Mecatrônica

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1 Centro Federal de Educação Tecnologica de Minas Gerais Uned Divinópolis Engenharia Mecatrônica Contexto Social e Profissional da Engenharia Mecatrônica Sistemas de Supervisão e Gerenciamento de Erros Grupo 2 Professor: Renato de Souza Dâmaso Integrantes: Luana Ribeiro Lucas Rossi Marcus Vinícius Barbosa de Paulo Raissa Milena Divinópolis, 27 de maio de 2011

2 Resumo O sistema de supervisão e gerenciamento de erros é fundamental em todo processo automatizado. Este tipo de supervisionamento permite melhor e mais rápida visualização do erro ocorrido durante o processo.

3 Introdução O ser humano procura cada vez mais produtos de melhores qualidades e mais baratos. Assim, este vem desenvolvendo processos cada vez mais otimizados para alcançar tal ideal. O homem, antigamente fazia seu controle de produto manualmente, através de leitura de instrumentos, audição, visão e tato. Depois, veio um processo, um pouco mais automatizado, possuía a ajuda de algumas maquinas. Atualmente, grande parte dos processos de supervisão e controle são quase todos automatizados e permite mais facilidade de conserto do erro e mais agilidade deste, evitando grandes prejuízos para as empresas. Existem três tipos básicos de estrutura de controladores: por malha fechada, malha aberta e controle digital.

4 Sistemas de Supervisão e Gerenciamento de Erros Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, ou abreviadamente SCADA (proveniente do seu nome em inglês Supervisory Control and Data Aquisition) são sistemas que utilizam software para monitorar e supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados através de drivers específicos. Estes sistemas podem assumir topologia mono-posto, cliente-servidor ou múltiplos servidores-clientes. Atualmente tendem a libertar-se de protocolos de comunicação proprietários, como os dispositivos PACs (Controladores Programáveis para Automação), módulos de entradas/saídas remotas, controladores programáveis (CLPs), registradores, etc, para arquiteturas cliente-servidor OPC (OLE for Process Control). O que é na prática? De forma genérica, um sistema de supervisão é um tipo software que permite monitorar e controlar partes ou todo um processo industrial. Os SSC geralmente têm 2 módulos básicos: O desenvolvedor e o executável ("run-time"). (Os nomes e a metodologia de desenvolvimento variam um pouco de fabricante para fabricante, mas sempre são bem parecidos). Atualmente, para desenvolver projetos de SSC não é necessário o conhecimento de nenhuma linguagem de programação em específico. A maioria dos passos de programação é automatizada, suprindo a maior parte das necessidades de um projeto. Em casos mais complexos e específicos, onde os passos não estão automatizados, alguns SSC s incorporam módulos de programação em VBA (Visual Basic For Applications) ou VBS (Visual Basic Script). Em alguns casos encontram-se linguagem próprias, mas sempre parecidas com linguagens comerciais que já são difundidas. O sistema de supervisão e controle surgiu para: monitorar variáveis durante o processo, diagnosticar falhas ou condições indevidas através do alarmes e eventos, ajustar parâmetros do processo e enviar comandos para o sistema. Um processo de supervisionamento deve apresentar algumas características básicas: como aquisição de dados, os sistema deve coletar dados de todas as partes com

5 equipamentos da empresa, e deve transmiti-la através das redes de comunicação; devem apresentar os dados através do Interface Homem- Maquina(IHM), este pode ser apresentado por animação gráfica, tabelas e simulações; também deve apresentar alarmes para informar anomalias ocorridas no processo, podendo reagir automaticamente dependendo do problema; e também deve ter tolerância a falhas, devem existir redundâncias de informações e um computador back-up, na caso de acontecer alguma falha no principal, aquele deve conter as informações armazenadas no primeiro, para não ocorrer perda de dados. A supervisão e controle de um processo podem ser feitos por três estruturas básicas: por malha fechada, malha aberta e controle digital. Malha fechada É constituído de retroação ou realimentação (feedback). Este tipo de controle é feito por sinais analógicos ou contínuos. Neste tipo de sistemas, o sinal de erro que corresponde à diferença entre os valores de referência e de realimentação é introduzido no controlador, de modo a diminuir o erro e manter o sinal de saída perto do desejado pelo operador. Figura 1 - Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada. Malha aberta Neste tipo de controle, a saída não é comparada com a entrada de referencia. Assim, cada saída corresponde a um valor de funcionamento fixa, sofrendo alterações quando ocorre alguma perturbação no sistema. Figura 2 - Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.

6 Controle digital O controlador digital funciona com sinais discretos. Figura 3 - Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada Pela figura vemos elementos analógicos e digitais. Deste modo, o relógio (clock) ligado aos conversores A/D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relógio. O objetivo desta ação, é o de fazer com que o processo ( Plant ) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de saída y(k) sincronizados com o sinal de relógio. Deste modo, é necessário manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de entrada. Existem técnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) o sinal de modo a produzir um sinal contínuo û(t).o gráfico da Fig.2.12 mostra que o sinal û(t) é mantido constante para u(k) no intervalo [kt ; (k+1)t]. Esta operação de retenção de û(t) constante durante o intervalo de amostragem é designada por "retenção de ordem zero" ou "zero-order hold". O sinal û(t) tratado pelo retentor de ordem zero é introduzido em H2(s) de modo a produzir a saída do processo y(t). Este sinal é depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que irá ser igual à amostra do sinal contínuo y(t). Esta operação é equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contínuo de saída do processo y(t).

7 Figura 4 - Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold"). Por que a empresa precisa de um sistema de supervisão? Qualidade: Através do monitoramento das variáveis do processo produtivo, (pressão, temperatura, vazão, etc.) é possível determinar níveis ótimos de trabalho. Caso estes níveis saiam da faixa aceitável o SSC pode gerar um alarme na tela, alertando o operador do processo para um eventual problema no processo produtivo. Desta forma, as intervenções no processo são feitas rapidamente, garantindo que o produto final sempre tenha as mesmas características. Redução dos custos operacionais: Imagine um processo produtivo com inúmeros instrumentos de medição. Quanto tempo e quantos funcionários especializados seriam necessários para percorrer todo o processo de produção a fim de realizar a leitura de todos os instrumentos? Quantas planilhas seriam necessárias e qual a probabilidade de erros humanos? Com um SSC é possível centralizar toda a leitura dos instrumentos de campo, gerar gráficos de tendência e gráficos históricos das variáveis do processo. São necessários poucos funcionários especializados e com poucos cliques de mouse é possível realizar a leitura dos instrumentos de um processo industrial inteiro. Maior desempenho de produção: Através da rapidez da leitura dos instrumentos de campo, as intervenções necessárias podem ser feitas mais rapidamente. Problemas de parada de máquina por defeitos podem ser diagnosticados mais pontualmente e os setup s de máquina também são agilizados.

8 Base para outros sistemas: Os SSC podem coletar os dados do processo produtivo e armazená-los em banco de dados. Estes dados podem ser utilizados para gerar informações importantes, sendo integrados com sistemas MES, ERP, SAP e etc. Podem também fornecer dados em tempo real, para sistemas que realizam cálculos de OEE, sistemas SFC, sistemas de PCP ou similares. OEE - Overall Equipment Effectiveness PCP Planejamento e controle de produção MES - Manufacturing Execution Systems SFC - Shop floor control Gerenciamento de erro Erros é uma parte integrada de qualquer linguagem de programação, embora, na maioria das vezes os programadores não queiram lidar com isso. PHP tem excelentes formas de tratamentos de erros, que proporcionam um controle detalhado sobre como os erros serão lançados, manipulados e comunicados. Para começar falaremos sobre os tipos de erros. Existem vários tipos de erros, distribuídos em níveis: Erros em tempo de Os erros detectados pelo parser enquanto compilação ele estiver compilando um script. Erros fatais Erros recuperados Advertências (Warnings) Avisos (Notices) Erros que interromper a execução de um script Erros que representam falhas significativas, mas podem ser tratados de forma segura. Comunica erros que em tempo de execução. Não interrompe a execução do script. Notifica que um erro ocorreu, mas esse erro não é necessariamente significativo. Não interrompe a execução do script. Como você pode ver, nem sempre é possível um script detectar e recuperar-se de uma falha. Com a exceção de analisar erros e erros fatais, no entanto, seu script pode ao menos ser avisados de que tenha ocorrido uma falha, dando-lhe a possibilidade de manipular erros de forma mais elegante.

9 Como sabemos, PHP realiza um processamento da página e envia ao computador do usuário o resultado de processar o código PHP. Por regra geral, à medida que vai processando a página, se envia o código HTML resultante ao cliente, porém esta configuração pode mudar, inclusive em tempo de execução. Com PHP podemos armazenar a saída, à medida que vai se gerando em um buffer. De modo que não se envie nenhum dado ao cliente hasta que se indique expressamente. Existem uma série de funções que utilizam para conseguir este comportamento, que são as funções de controle de saída. Este comportamento é muito útil quando se tem que enviar informação no cabeçalho da página, depois de ter começado a processar o código PHP e ter começado a gerar a saída. É um exemplo muito simples do controle da saída em PHP. Porém, a partir daqui se pode complicar tudo o que for preciso. Esperamos que este artigo seja uma interessante introdução para continuar investigando temas relacionados com esta funcionalidade básica de PHP. Sinóticos Através das telas de sinóticos é que um processo industrial pode ser monitorado. Estas telas são projetadas e desenhadas através de um desenvolvedor (conforme dito anteriormente) e depois executadas através do executável (run-time). Figura 5 Quadro sinótico Alarmes Os SSC s podem ser configurados para gerar alarmes, ou seja, avisar ao usuário do sistema quando uma variável ou condição do processo de produção está fora dos valores

10 previstos. Os alarmes são mostrados na tela em formato de planilhas e/ou animações na tela. O gerenciamento de alarmes em SSC é um vasto tema de estudos. A principal questão está no fato de que a grande maioria dos sistemas SCADA não possui ferramentas adequadas para o tratamento de grande quantidade de alarmes. Dessa forma, os operadores de sistemas, como seres humanos, possuem um limite de processamento de mensagens a cada intervalo de tempo. Em situações de estresse contínuo ou mesmo de avalanches, o excesso de mensagens geradas pode fazer com que os operadores passem a desprezá-las. Nesse contexto, os sistemas de supervisão deveriam fornecer mais ferramentas que pudessem auxiliar os operadores nesses momentos, como por exemplo, distinguindo quais as ações são mais importantes e devem ter uma resposta mais imediata, e quais têm prioridade mais baixa, por ser apenas conseqüência de outros eventos. Relatórios Atualmente, os SSC s do mercado possuem ferramentas para a geração de relatórios na própria estação de trabalho. Os relatórios mais comuns que são utilizados são: Relatório de alarmes: Lista um histórico com os alarmes ocorridos durante uma faixa de tempo escolhida pelo operador do sistema. Relatório de Acesso: Lista quais foram os usuários que acessaram o SSC ou modificaram algum parâmetro do processo. Relatório de variáveis: Lista a alteração de variáveis ao decorrer do tempo/lote/período. Os relatórios dependem da imaginação do desenvolvedor e das necessidades do cliente. Lógico que deve se observar as limitações de cada SSC para a geração de relatórios. Geralmente não são executados relatórios pesados (com muitos cálculos e relacionamentos) dentro do SSC, pois podem afetar drasticamente o desempenho do sistema (que geralmente é vital para o processo industrial). Relatórios complexos devem ser processados por outros sistemas de informação. Gráficos Históricos Uma das mais interessantes funcionalidades dos SSC é a possibilidade de geração de gráficos históricos. Gráficos históricos ajudam a avaliar valores de variáveis ao longo do tempo de forma rápida.

11 Tipos de comunicação e protocolos Meio físico: Os SSC s necessitam de um meio físico para que seja possível a aquisição de dados no controlador de campo (PLC). Este meio físico geralmente utiliza o padrão elétrico RS232, RS485 ou ethernet. O padrão RS232 pode ser utilizado até uma distância máxima de 12 metros. Já o padrão RS485 pode chegar a uma distância de até 1200 metros sem repetidores. Atualmente, utiliza-se em maior parte, o padrão ethernet. Chega à distância de até 100 metros entre seguimentos com cabeamento do 10BaseT. Para distância elevadas, utiliza-se fibra óptica. Protocolos: Para que haja comunicação entre o controlador de campo e o SSC não basta apenas o meio físico. Os dois sistemas devem utilizar o mesmo protocolo de comunicação. Cada fabricante de PLC tem o seu protocolo de comunicação proprietário. Logo, os SSC possuem vários drivers de comunicação, para que possam atender a maior parte dos fabricantes. Existem protocolos de comunicação abertos, como por exemplo, o MODBUS. Existe nas versões RTU (Padrão serial RS232/RS485) e TCP (Padrão Ethernet). A maioria dos fabricantes de PLC já implementam este protocolo de forma nativa. OPC (OLE for process control) OPC (OLE for Process Control) é um padrão industrial publicado para interconectividade de sistema. As especificações deste padrão são mantidas pela Fundação de OPC. A Fundação OPC é uma organização dedicada ao desenvolvimento de tecnologias aplicadas a interoperabilidade na automação a fim de criar e gerenciar especificações que padronizam a comunicação das arquiteturas de acesso a dados on line, alarmes, registros de eventos, comandos e bancos de dados de diferentes equipamentos, de vários fabricantes que comunicam em diferentes protocolos. Seu funcionamento é baseado no OLE (Objetc Linking and Embedding) de componentes orientados a objeto, por meio das tecnologias COM e DCOM da Microsoft que permitem que aplicações troquem dados que podem ser acessados por um ou mais computadores que usam uma arquitetura cliente/servidor, mesmo que essas aplicações trabalhem sobre sistemas que utilizem protocolos diferentes. O OPC funciona utilizando os serviços das tecnologias OLE COM de Microsoft (modelo objeto/componente) e DCOM (modelo objeto/componente distribuído), a

12 especificação define o formato padrão de objetos, interfaces e métodos para uso em sistemas de automação e controle que facilitam a interoperabilidade. As tecnologias de COM/DCOM proveram o procedimento padrão para criação de softwares que objetivam a integração de equipamentos. Com base nessa tecnologia foram criadas centenas de OPC de acesso a dados tanto em servidores quanto em clientes. O OPC propõe a interface amigável entre sistemas que trabalham usando protocolos diferentes. Assim diversas aplicações recebem dados no mesmo formato da sua base de dados, embora a fonte desses dados possa trabalhar com um padrão diferente de formatação e comunicação de dados. O OPC unifica o padrão de comunicação de dados de controle de processo e a permite que diferentes produtos sejam interfaceados com uma única tecnologia, promovendo interações dos sistemas de operação e integração de vários processos em um só sistema, isso com custo e tempo de implementação reduzidos (IWANITZ F. E LANGE, 2006). O OPC permite a integração vertical entre os diferentes sistemas dentro de uma organização. Consiste em um programa servidor, geralmente disponibilizado pelo próprio fabricante do PLC, que se comunica com o PLC através do protocolo proprietário e disponibiliza os dados no padrão OPC. O cliente, ao invés de precisar ter um driver do protocolo proprietário, necessita ter apenas o driver OPC client instalado. O servidor OPC pode estar instalado na mesma maquina que o OPC client. Quando o servidor e o cliente estão instalados no mesmo computados, o OPC utiliza o COM para estabelecer a comunicação. O COM é de fácil configuração e relativamente rápido. Em aplicações distribuídas, o servidor e o cliente OPC serão instalados em computadores diferentes. Neste caso, o OPC passa a utilizar o DCOM. O DCOM é de configuração complicada, difícil de trabalhar em WAN s, tem timeout elevado e exige configurações avançadas no firewall. É a ultima evolução do OPC. Pretende unificar todas as especificações anteriores do OPC e não se baseia mais nas tecnologias COM e DCOM, ou seja, liberta-se das amarras da MicroSoft podendo basear-se em sistemas UNIX. Trabalha com tecnologia orientada para web, como SOAP, XML etc... Promete ser o padrão dominante nos próximos 10 anos. Sistema Web Server De forma análoga ao sistema cliente/servidor o Web Server visa disponibilizar os dados do processo através da rede. Porém os clientes ao invés de acessarem os dados

13 através de um software instalado na máquina, eles acessam via browser de internet. Geralmente é baseado no serviço IIS do Windows e através de um activex instalado no PC cliente, pode-se visualizar as telas do processo, gerar relatórios e até realizar comandos no processo. Tem como vantagem a não necessidade de instalação de softwares adicionais no micro cliente e pode-se acessar o SSC através da internet de forma fácil e segura. Permite o fácil acesso através de palms e celulares mais avançados. A principal desvantagem é a relativa perda de robustez do sistema. A tendência é a substituição dos clientes normais por sistemas web. Os custos são menores, há menor investimento em infra-estrutura e gera ótimos resultados. Redundância e confiabilidade Figura 6- CNC STEUERUNG Existem processos industriais que não podem parar. A parada destes processos pode causar prejuízos financeiros imensos ou até mesmo riscos a vida. Desta forma alguns dos sistemas SCADA podem ser configurados de forma redundante. (depende do fabricante) Existem inúmeros métodos de arquitetura de redundância de dados, variando de fabricante a fabricante de SSCs. O mais utilizado é comumente chamado de hot standby. Existem 2 servidores, um chamado primário e outro secundário ou backup. Os dois sistemas possuem base de dados idênticas (planilhas de comunicação com o PLC). Quando o servidor primário esta em funcionamento, os clients requisitam dos dados deste servidor. O próprio servidor secundário também requisita os dados do servidor primário e deixa a sua base de dados inativa. Quando o servidor primário não está mais ativo, os clients automaticamente começam a requisitar dados do servidor secundário (failover automático). O servidor

14 secundário, por sua vez, ativa a sua base de dados local e inicia a leitura das variáveis no PLC. Quando o servidor primário volta à ativa, o sistema chaveia-se automaticamente, ou seja, volta a condição inicial. Banco de Dados Os SSC s tem plena capacidade de armazenamento em banco de dados relacionais. Podem ser armazenados: Dados históricos; Informações Logísticas; Dados de logon/logoff; Etc; Os dados podem ser utilizados para gerar relatórios, gráficos, etc... Os bancos de dados mais utilizados são o SQL Server, Oracle e mysql. Em alguns casos que exijam menor complexidade pode-se utiliza MS Access (Porém não recomendado). Geralmente os SSC s e DBs encontram-se instalados em maquinas separadas. Porém há casos em que se utiliza o DB instalado localmente. PIMS Podemos chamar de banco de dados temporal. Basicamente, PIMS é um software que contém um repositório, onde são concentradas todas as informações relevantes das células de produção, diretamente ligadas aos sistemas de supervisão e controle. O PIMS coleta informações dos sistemas de supervisão, CLPs, SDCDs e sistemas legados e os armazena em uma base de dados real time. Tal base tem características não encontradas nos bancos de dados convencionais, como: Grande capacidade de compactação (tipicamente de 10:1) e alta velocidade de resposta a consulta em sua base histórica. Devido a isto, é capaz de armazenar um grande volume de dados com recursos mínimos, se comparado às soluções convencionais.

15 Conclusão Com a evolução da tecnologia, os computadores passaram a ter um papel importante nos sistemas de supervisão por coletar dados do processo e garantir a integridade das informações. Neste aspecto, o uso dos computadores permitiu a diminuição de grande parte os custos, complexidades e riscos nas tarefas dos processos de produção. Os controles, a medida que ficam mais modernos, aumentam a precisão e diminui o erro do processo. Diminuindo o trabalho do operador, trazendo mais segurança ao seu trabalho, diminuindo perdas e aumentando a qualidade. Finalizando, os sistemas de supervisão revelam-se de grande importância na estrutura de gestão dos processos industriais, pois permitem observar remotamente as condições do sistema, facilitando o controle das variáveis de operação e disponibilizando em tempo real o estado da rede através de um conjunto adequado de ferramentas.

16 Bibliografia ROSÁRIO, João Maurício. Princípios da Mecatrônica. Ed Prentice Hall PINTO, Fabio da Costa. Apostila de Sistemas de Automação e Controle. SENAI ES, 2005.