5. Sistemas Supervisórios e Protocolos de Comunicação Industriais

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENG. DE PRODUÇÃO E SISTEMAS - DEPS INFORMÁTICA INDUSTRIAL IFD 5. Sistemas Supervisórios e Protocolos de Comunicação Industriais Igor Kondrasovas

2 Tópicos Sistemas Supervisórios Tipos de Sistemas Supervisórios Manufatura Integrada por Computador (CIM) Protocolos de Comunicação Industriais Tipos de Protocolos de Comunicação Industriais 2

3 Sistemas Supervisórios O software supervisório utiliza a representação de objetos estáticos e animados de forma amigável, que, juntos, representam todo o processo de uma planta em uma HMI (Interface Homem-Máquina). 3

4 Sistemas Supervisórios O supervisório opera em dois modos distintos: modo de desenvolvimento (ambiente onde se criam telas gráficas, animações, programação) e modo run time (modo onde se mostra a janela animada, criada no modo de desenvolvimento e no qual se dará a operação integrada com o CLP, durante a automação da planta em tempo real). 4

5 Sistemas Supervisórios A tela de grupo representa cada processo ou unidade, apresentando o estado e/ou condição dos equipamentos da área apresentada. Esta tela também permite ao operador acionar os equipamentos da área através de comandos do tipo abrir/fechar ou ligar/desligar. Componentes físicos de um sistema de supervisão: - Sensores, atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle), monitoramento central. 5

6 Sistemas Supervisórios Gráfico de Tendências: Mostra curvas de tendência de variáveis do processo que estão sendo monitoradas pelo sistema supervisório ao longo do tempo. 6

7 Sistemas Supervisórios Hoje os sistemas de supervisão oferecem três funções básicas: Funções de supervisão: Inclui todos as funções de monitoramento do processo tais como: sinóticos animados (representação gráfica geral da planta), gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressos, etc. Funções de operação: Atualmente os sistemas supervisórios substituíram com vantagens as funções da mesa de controle. As funções de operação incluem: ligar e desligar equipamentos e sequência de equipamentos, operação de malhas PID, mudança de modo de operação de equipamentos, etc. Funções de controle: Controle DCC e Controle SDCD. 7

8 Controle Digital Direto (DCC) Vantagens: Os dispositivos são mantidos juntos em uma única sala Aumento da produtividade, sendo preferidos em aplicações em que alta eficiência de processamento é necessária Grande precisão das ações de controle Redução do consumo de energia Aumento do tempo útil de operação Limitações: Grande complexidade Alto custo de desenvolvimento, manutenção e engenharia 8

9 SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) Uma sala de controle e supervisão global (central) microprocessada em rede com outros controladores de responsabilidade local. É adequado a processos com grande número de variáveis contínuas e concentradas geograficamente. Em relação à distribuição das tarefas de controle, este sistema é completamente centralizado. Somente as atuações de baixo nível e as informações dos sensores são distribuídas. 9

10 SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) 3 Elementos básicos: interface com o processo, via de dados (data highway) e interface homem-máquina. São tipicamente formados por instrumentos indicadores e controladores virtuais exibidos por computadores em uma sala de controle. Módulo de gerência do sistema: define os diretórios das aplicações principais e os níveis de usuários. A função de maior complexidade de processamento em um SDCD é o controle. Elevada confiabilidade, flexibilidade de configuração e reconfiguração. Maior facilidade de interligação com computadores digitais. Uma rede de comunicação serial é usada para conectar as partes, sendo chamada de fieldbus (barramento de campo). 10

11 SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Muitas vezes um sistema supervisório é também chamado de SCADA. Os sistemas SCADA são mais adequados a processos com poucas variáveis contínuas e discretas, grupos estes dispersos em uma grande área geográfica. Exemplo: Usina Termelétrica 11

12 Controle Distribuído x Descentralizado Controle Distribuído: Refere-se à topologia da malha de controle. Sensor, controlador e atuador distribuídos fisicamente ao longo da planta. Tipicamente cada malha possui 1 sensor, 1 atuador e 1 controlador. Exemplo: SDCD Controle Descentralizado: Refere-se à topologia do controlador. O controle é implementado de forma distribuída, com os dados processados localmente. Tipicamente existem diversos sensores e atuadores na mesma malha. Exemplo: em sistemas digitais, o software de controle pode ser descentralizado, tal que existe um módulo de controle específico para controlar cada malha. 12

13 Manufatura Integrada por Computador (CIM) Sistemas caracterizados pelo gerenciamento de processos de forma integrada, com a presença de vários níveis. Necessidade de diferentes protocolos para cada nível. A base do CIM (Computer-Integrated Manufacturing) é formada por SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) que representa praticamente todos os níveis de controle e execução (processo). 13

14 Níveis Hierárquicos de um CIM 14

15 Tecnologias Utilizadas para Integração Industrial 15

16 Redes Industriais Redes industriais são extremamente úteis em sistemas distribuídos, permitindo que diversos elementos trabalhem de forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLP s, máquinas CNC, computadores, etc.) necessitam estar interligados e trocando informações de forma rápida e precisa. Os sistemas de comunicação são constituídos por um arranjo topológico, interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com a finalidade de organizar a comunicação (protocolos). 16

17 Barramentos de Campo 17

18 Barramentos de Campo O que é um barramento de campo? Uma rede de dados, interconectando um sistema de controle, caracterizada por: - Transmissão de inúmeros itens de dados pequenos (variáveis do processo) com um atraso limitado (1ms 1s). - Ambiente agressivo (temperatura, vibrações, interferência eletromagnética, água, sal, ). - Robusto e fácil de instalar por pessoas capacitadas. - Alta integridade (os erros são detectados). - Alta disponibilidade (layout redundante). - Supervisão e diagnósticos contínuos. - Baixos custos de conexão. - Taxas de transferência de dados moderada (50 kbit/s 5 Mbit/s) mas com uma larga faixa de distância (10m.. 4 km). - Possui segurança intrínseca em algumas aplicações (óleo e gás, mineração, indústria química, ). 18

19 Barramentos de Campo Ideia original: economizar fiação! 19

20 Protocolos de Comunicação Industriais - Com a tendência atual de utilização de sistemas de informatização baseados em dispositivos de baixo custo, como microcomputadores, torna-se necessária a interligação desses dispositivos por meio de rede digital. - Multiprotocolos: na maioria das aplicações, a solução é baseada em uma decisão que implica na convivência entre protocolos diferentes para atender a integração de protocolos de fabricantes diferentes ou interfacear os níveis de um sistema de automação. 20

21 Redes para Instrumentos e Sensores Redes de Campo: Os CLPs são usados para ler os sensores discretos e os valores dos instrumentos analógicos. Caso uma rede digital não seja usada, os sinais de campo serão conectados aos cartões de entrada e saída dos CLPs. Os sinais discretos são codificados na faixa de 0 a 24VCC ou 0-110VAC ou 0-220VAC. Já os sinais analógicos são geralmente codificados na faixa de 0 a 20 ma ou de 0-10V. 21

22 Redes para Instrumentos e Sensores Redes Digitais: Outra alternativa é o uso de uma rede digital de instrumentos e sensores. Este tipo de rede atende pelo nome genérico de fieldbus ou barramento de campo. Se dividem em 3 tipos: Redes de sensores ou Sensorbus - são redes apropriadas para interligar sensores e atuadores discretos tais como chaves limites (limit switches), contactores, desviadores, etc. São exemplos de rede Sensorbus: AS-I da Siemens, Seriplex, CAN e LonWorks. Redes de Dispositivos ou Devicebus - são redes capazes de interligar dispositivos mais genéricos como CLPs, outras remotas de aquisição de dados e controle, conversores AC/DC, relés de medição inteligentes, etc. Exemplos: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, SDS, LonWorks, CAN, ControlNet, ModbusPlus. Redes de instrumentação ou Fieldbus - São redes concebidas para integrar instrumentos analógicos no ambiente industrial, como transmissores de vazão, pressão, temperatura, etc, válvulas de controle, etc. Exemplos: IECSP50-H1, HART, WorldFIP, Profibus-PA. 22

23 Principais Protocolos Modbus HART DeviceNet (CAN) Profibus Foundation Fieldbus Rede AS-I (Actuator Sensor Interface) OPC (OLE for Process Control) 23

24 Modbus - Criado na década de 70, é um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de CLPs para aquisição de sinais de instrumentos e para comandar atuadores, sendo também uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em automação industrial. - Opera na camada 7 do modelo OSI, fornecendo comunicação clienteservidor. - Sua grande vantagem é a possibilidade de execução em diversos meios de comunicação, como par trançado, wireless, fibra óptica, Ethernet, telefonia celular e microondas. Modbus TCP/IP: - Comunicação entre sistemas de supervisão e CLP's. Usa redes Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. 24

25 Modbus Modbus Plus: - Versão que possui vários recursos adicionais de roteamento, diagnóstico, endereçamento e consistência de dados. Esta versão ainda é mantida sob domínio da Schneider Electric e só pode ser implantada sob licença deste fabricante. Modbus Padrão: - Comunicação dos CLP's com dispositivos de entrada e saída de dados, controladores de processo, atuadores de válvulas, etc. Usa RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo. Dois modos de transmissão: - ASCII: a cada byte de caractere em uma mensagem são enviados 2 caracteres ASCII sem geração de erros. - RTU (Remote Terminal Unit): comunicação serial, cada byte de mensagem contém 2 caracteres hexadecimais de 4 bits. 25

26 HART (Highway Addressable Remote Transducer) - Usa atuadores e sensores inteligentes e barramento estrela. - Fácil de instalar e baixo custo. - Sinal de 4-20 ma como portadora. Comunicação analógica + digital. Usa sinal digital com modulação FSK a 1200 bps. Bit 1 = 1200 Hz, bit 0 = 2200 Hz. - Sua forma de comunicação é o mestre/escravo a 2 fios. - Pode ter até 2 mestres e 15 escravos na rede. - Somente dispositivos mestre podem iniciar uma comunicação. - Usa padrão 11-UART (1 bit de start, 8 bits de dados, 1 bit de paridade ímpar e 1 bit de stop) para transmissão dos dados. * UART: tipo de dispositivo de hardware usado para comunicação serial 26

27 DeviceNet (CAN) - É uma rede digital para conexão entre sensores, atuadores e sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores. - Protocolo aberto baseado no CAN (Controller Area Network). O CAN foi desenvolvido pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos (eletrônica embarcada). - Tem resposta rápida e confiabilidade alta. - Implementa a tecnologia de comunicação produtor-consumidor: a mensagem não necessita explicitar endereço da fonte e de destino dos dados. O dado é identificado pelo seu conteúdo. Também não existe o conceito de mestre. Qualquer nó pode iniciar um processo de transmissão. 27

28 Profibus - Profibus (acrônimo de Process Field Bus) é o tipo mais popular de sistema de comunicação em rede Fieldbus, sendo que em 2004, estimava-se que existiriam mais de 10 milhões de nós instalados mundialmente. - Desenvolvido em 1987 por Johan Sartwish Wilman, em São Petersburgo. Na Europa, as redes Profibus dominam mais de 60% do mercado de automação industrial. 28

29 Profibus - Seu protocolo de acesso ao meio para a comunicação entre estações ativas da rede é do tipo Token passing. - Utiliza a tecnologia de comunicação mestre-escravo, podendo ser mono ou multimestre. - Usa fibra ótica em aplicações de sistemas que demandam grande imunidade a interferências e grandes distâncias e, além disso, RS- 485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura. - Tipos de Profibus: Profibus-DP Profibus-FMS Profibus-PA 29

30 Profibus Profibus-DP (Decentralized Peripheral): - Foi a primeira versão criada. É indicado para o nível de dispositivo (chão-de-fábrica), com grande volume de informações e alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado. Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): - É uma evolução do Profibus-DP e destina-se à comunicação ao nível de células (onde se encontram os CLPs). É tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo que isso não seja indicado. Profibus-PA (Process Automation): - Permite a utilização de barramento comum em áreas de segurança intrínseca, diminuindo os custos com equipamentos e instalação. É a versão mais moderna do Profibus, onde os dados trafegam na mesma linha física da alimentação DC. 30

31 Profibus 31

32 Foundation Fieldbus - Enquanto o Profibus PA tem forte penetração no mercado europeu, os mercados americano e asiático tendem a adotar o Foundation Fieldbus (FF) como solução para barramentos de processo. - A tecnologia do FF substitui a fiação tradicional de 4 a 20 ma como método de transmissão de dados entre instrumentos e controladores, mantendo as suas características positivas como alimentação e comunicação na mesma fiação e possibilidade de uso em áreas classificadas (com risco de explosão). - Inicialmente, três tipos de barramento foram especificados: H1: para instrumentos de processo em áreas classificadas (com risco de explosão) H2: interligação de instrumentos em geral HSE: interligação dos barramentos H1 via linking devices 32

33 Foundation Fieldbus 33

34 Rede AS-I (Actuator Sensor Interface) - A Interface Atuador/Sensor é uma sub-rede para sistemas de automação no nível mais baixo, ou seja, no chão de fábrica. Os tipos mais simples de atuadores e sensores são conectados nessa rede. - São disponíveis em versões de 1até 8 bits (canais). - Utiliza um handheld para sua programação. - Existe somente um mestre. - Módulo AS-i Ativo: já possui o chip AS-i integrado. - Módulo AS-i Passivo: funciona como um distribuidor. 34

35 OPC (OLE for Process Control) - Usado para compatibilizar os protocolos da camada de aplicação, a fim de evitar que diversos drivers tivessem que ser criados para permitir a comunicação entre dois dispositivos (um CLP com um sistema SCADA, por exemplo). Esse padrão foi inicialmente liderado pela Microsoft e especificado pela OPC Foundation. - Exemplo: um fabricante de CLP sempre fornecerá com o seu equipamento um servidor OPC. O fabricante de SCADA também fornecerá o cliente OPC. O mesmo acontece com um fornecedor de inversores, de relés inteligentes ou de qualquer outro dispositivo industrial inteligente. * OLE: Object Linking and Embedding 35

36 OPC (OLE for Process Control) 36

37 Bibliografia CASTRUCCI, P.; MORAES, C. C.; Engenharia de Automação Industrial. 2ª Ed. São Paulo: LTC,