Faculdade Pentágono. Sistema Supervisório - IHM

Transcrição

1 Faculdade Pentágono Tecnologia em Mecatrônica Industrial Sistema Supervisório - Aula 3: Evolução dos Sistemas Supervisórios, Sistema SCADA PROF. MSC. THIAGO ABRAÃO 18 de setembro de 2017

2 O que são Sistemas Supervisórios? Motivação e Justificativa A melhoria da qualidade de vida, o aumento da produtividade, redução de custos, entre outros são fatores que motivam o desenvolvimento de soluções para monitoração e controle envolvendo áreas como informática, robótica, eletro eletrônica, mecatrônica, etc... Definição de um sistema de Supervisão É um conjunto de ferramentas avançadas, prontas para atender as necessidades de gerenciamento de processos, possibilitando a comunicação com qualquer sistema, desde plantas industriais até automação predial. 2

3 O que são Sistemas Supervisórios? Sistemas supervisórios permitem o controle e monitoração de qualquer instalação física ou processo normalmente com a utilização de computadores. Equipamentos coletam os dados das variáveis de campo e estes depois de serem manipulados, analisados, armazenados são apresentados ao usuário. É possível através de uma hierarquia de componentes de automação e controle apresentar uma solução mais completa ao cliente. 3

4 O que são Sistemas Supervisórios? Historicamente, nos meados das décadas de 70 e 80, com o avanço da eletrônica e, surgimento dos microprocessadores, o computador se tornou uma peça chave nos diversos setores industriais. Surgiram também os primeiros sistemas supervisórios. Basicamente, um sistema supervisório destina-se à capturar e armazenar em um banco de dados, informações sobre um processo de produção. As informações vem de sensores que capturam dados específicos (conhecidos como variáveis de processo) da planta industrial. 4

5 O que são Sistemas Supervisórios? 5

6 O que são Sistemas Supervisórios? Sistema SCADA Do Inglês: Supervisory Control and Data Acquisition Significado: Supervisão, Controle e Aquisição de Dados. É uma tecnologia que permite colecionar informações locais e remotas de um ou mais pontos, enviar instruções de controle e realizar tarefas de supervisão por parte da administração do sistema. O SCADA faz com que visitas às estações remotas não sejam necessárias. 6

7 Primeiros Sistemas SCADA Os primeiros sistemas 'SCADA' utilizavam a aquisição de dados por meio de painéis de medidores, luzes e gravadores de tiras. O operador operava manualmente vários botões para exercer o controle de supervisão. Sensores do painel usando 4 20 ma ou tensão 0 a 10V 7

8 Primeiros Sistemas SCADA Painel Sinótico 8

9 Primeiros Sistemas SCADA Sala de Controle e Monitoramento - Itaipú 9

10 Primeiros Sistemas SCADA Principais Vantagens; O tipo de sensor para painel do sistema SCADA tem as seguintes vantagens: É simples, sem CPUs, RAM, ROM ou programação de software necessária; Os sensores são conectados diretamente aos medidores, interruptores e luzes painel; Pode ser (na maioria das circunstâncias) fácil e barato adicionar um dispositivo simples como um interruptor ou indicador; 10

11 Primeiros Sistemas SCADA Principais Desvantagens; As desvantagens de um painel direto para o sistema de sensor são: A quantidade de fio torna-se incontrolável após a instalação de centenas de sensores; A quantidade e o tipo de dados são mínimos e rudimentares; A instalação de sensores adicionais torna-se cada vez mais difícil à medida que o sistema aumenta; 11

12 Primeiros Sistemas SCADA A reconfiguração do sistema torna-se extremamente difícil Simulação com dados reais não é possível O armazenamento de dados é mínimo e difícil de gerenciar Não há monitoração externa de dados ou alarmes Alguém tem que assistir os mostradores e os medidores 24 horas por dia 12

13 Sistemas SCADA com PLC s Na moderna manufatura e indústria de processos, as indústrias de mineração, entidades públicas e privadas, indústrias de lazer e segurança, a telemetria é muitas vezes necessária para conectar equipamentos e sistemas separados por grandes distâncias. Podendo variar de alguns metros a milhares de quilômetros. A telemetria é usada para enviar comandos, programas e receber informações de monitoramento desses locais remotos. SCADA refere-se à combinação de telemetria e a aquisição de dados. O SCADA engloba as informações recolhidas, transferindo-as de volta para o local central, efetuando as análises e controles necessários e apresentando-as numa série de painéis de ecrãs ou displays dos operadores. As ações de controle necessárias são então transportadas de volta para o processo. 13

14 Sistemas SCADA com PLC s No começo da aquisição de dados, a lógica de relé foi usada para controlar a produção e sistemas de plantas. Com o advento da CPU e outros dispositivos eletrônicos, os fabricantes incorporaram eletrônica digital em equipamentos de lógica de relé. O PLC (Programmable Logic Controller), ou ainda CLP (Controlador Lógico Programável) é ainda um dos sistemas de controle mais amplamente utilizados na indústria. Como a necessidade de monitorar e controlar mais dispositivos na planta, aumentou-se os PLC s distribuídos e os sistemas se tornaram mais inteligentes e com tamanho menor. PLC s e DCS (Sistemas de Controle Distribuídos) são usados como mostrado. 14

15 Sistemas SCADA com PLC s Lógica de Relés 15

16 Sistemas SCADA com PLC s PC para PLC ou DCS com um fieldbus (barramento de campo) e sensores 16

17 Sistemas SCADA com PLC s Diagrama de blocos de um sistema de automação 17

18 Sistemas SCADA com PLC s Arquitetura de um Sistema Scada Com PLC integrado 18

19 Sistemas SCADA com PLC s Principais Vantagens; O computador pode gravar e armazenar uma grande quantidade de dados Os dados podem ser exibidos da forma que o usuário desejar Milhares de sensores em uma ampla área podem ser conectados ao sistema O operador pode incorporar simulações de dados reais no sistema Muitos tipos de dados podem ser coletados das RTUs (Unidade de Terminal Remoto) Os dados podem ser visualizados de qualquer lugar, não apenas no local 19

20 Sistemas SCADA com PLC s Principais Desvantagens; O sistema é mais complicado do que o tipo de sensor para painel; São necessárias habilidades operacionais diferentes, como analistas de programação; Com milhares de sensores ainda há muito fio para lidar; O operador só pode ver o PLC; 20

21 Sistemas SCADA com IED s À medida que crescia a necessidade de sistemas menores e mais inteligentes, os sensores foram projetados com a inteligência de PLCs e DCSs. Estes dispositivos são conhecidos como IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes). Os IEDs são conectados em um fieldbus, como Profibus, Devicenet ou Foundation Fieldbus ao PC. Eles incluem inteligência suficiente para adquirir dados, comunicar com outros dispositivos e manter a sua parte do programa global. Cada um destes sensores inteligentes podem ter mais de um sensor a bordo. Normalmente, um IED pode combinar um sensor de entrada analógica, saída analógica, controle PID, sistema de comunicação e memória de programa em um dispositivo. 21

22 Sistemas SCADA com IED s PC para IED s usando um fieldbus 22

23 Sistemas SCADA com IED s 23

24 Sistemas SCADA com IED s Principais Vantagens; As vantagens do PC para o sistema fieldbus IED são; Se faz necessário uma quantidade de cabeamento mínimo. Os dados recebidos do dispositivo podem incluir informações como números de série, números de modelo, quando foi instalado e quem o instalou. Todos os dispositivos são plug and play, portanto a instalação e a substituição são facilitadas. Dispositivos menores significa menos espaço físico para o sistema de aquisição de dados 24

25 Sistemas SCADA com IED s Principais Desvantagens; As desvantagens de um PC para o sistema IED são: Um sistema mais sofisticado exige empregados melhor treinados; Os preços dos sensores são maiores (mas isso é compensado pela falta de PLCs); Os IEDs dependem mais do sistema de comunicação; 25

26 Hardware Scada, Unidade de Terminal Remoto (RTU) Um sistema SCADA consiste em um número de unidades terminais remotos (RTUs) que coletam dados de campo e enviam esses dados de volta para uma estação mestre, por meio de um sistema de comunicação. A estação mestre exibe os dados adquiridos e permite que o operador execute tarefas remotamente. A precisão dos dados e o tempo de disponibilidade permitem a otimização da operação de uma planta. Outros benefícios incluem mais eficiência e confiabilidade nas operações e segurança 26

27 Hardware Scada, Unidade de Terminal Remoto (RTU) Modelo de RTU (Unidade de Terminal Remoto) 27

28 Hardware Scada, Unidade de Terminal Remoto (RTU) Em um sistema SCADA mais complexo, existem essencialmente cinco níveis ou hierarquias: Dispositivos de instrumentação e controle de nível de campo Organização e padronização dos terminais e RTUs Sistema de comunicações A (s) estação (ões) mestres Processamento de dados comerciais e gerenciamento de estoque 28

29 Hardware Scada, Unidade de Terminal Remoto (RTU) A RTU fornece uma interface para os sensores analógicos e digitais de campo situados em cada site remoto. O sistema de comunicações fornece o caminho para a comunicação entre o estação mestre e os locais remotos. Este sistema de comunicação pode ser fio, fibra óptica, rádio, linha telefônica, micro-ondas e possivelmente satélite. Protocolos específicos e métodos de detecção de erros são usados para uma transferência eficiente e ótima de dados. 29

30 Unidade de Terminal Remoto (RTU) A estação-mestre (ou sub-mestres) recolhe dados das várias UTRs e geralmente Fornecer uma interface de operador para exibição de informações e controle dos sites remotos. Em sistemas de telemetria grandes, os sites sub-master coletam informações de sites remotos e atuam como um relé de volta para a estação mestre de controle. 30

31 Hardware Scada, Unidade de Terminal Remoto (RTU) 31

32 Software Scada O software SCADA pode ser dividido em dois tipos, proprietários ou abertos. As empresas desenvolvem software proprietário para se comunicar com seu hardware. O problema principal com este sistema é a confiança esmagadora no fornecedor do sistema. Sistemas de software abertos ganharam popularidade devido à interoperabilidade que trazem para o sistema. 32

33 Software Scada A interoperabilidade é a capacidade de misturar equipamentos de diferentes fabricantes no mesmo sistema. Citect(Schneider Electric) e WonderWare são apenas dois dos pacotes de software abertos disponíveis no mercado para sistemas SCADA. Alguns pacotes incluem agora o gerenciamento de ativos integrado no sistema SCADA. Os componentes típicos de um sistema SCADA são indicados no diagrama seguinte. 33

34 Software Scada Típico sistema SCADA 34

35 Software Scada As principais características do software SCADA são: Interface de usuário Visores gráficos Alarmes Tendências Interface RTU (e PLC) Escalabilidade 35

36 Software Scada Acesso aos dados Base de dados Rede Tolerância a falhas e redundância Processamento distribuído cliente / servidor 36

37 Supervisão Para exemplificar, pense em uma usina de açúcar e álcool. Um equipamento essencial da usina para o processo de produção do álcool, é o gerador de vapor (popularmente conhecido como caldeira). A caldeira pode ser comparada a uma enorme panela de pressão e por isso mesmo requer um cuidado todo especial. A caldeira possui pelo menos duas variáveis de processo importantes: pressão e temperatura. 37

38 Exemplo de Aplicação Imagem ilustrativa de uma caldeira 38

39 Exemplo de Aplicação A caldeira por si só não fornece os dados de pressão e temperatura para o sistema supervisório. Assim, é necessário acoplar sensores inteligentes ao processo, que monitoram e fornecem os dados para o sistema. O sistema analisa e armazena as informações em um banco de dados e em seguida mostra o resultado em telas customizadas no computador do usuário. 39

40 Exemplo de Aplicação Sistema supervisório na Sala de Controle de uma usina 40

41 Exemplo de Aplicação Para um processo de produção industrial, pode-se citar as seguintes vantagens quando se utiliza um sistema supervisório: a) Análise de tendências: baseado no histórico das informações do banco de dados, é possível tomar ações proativas para maximizar a produção da planta. b) Alarmes: sinaliza em tempo real, alguma falha no processo e registra essa falha no banco de dados para consultas futuras. 41

42 Exemplo de Aplicação c) Operação remota no processo: intervenção no processo, a partir da sala de controle. d) Geração de relatórios e gráficos: É possível gerar relatórios e gráficos sobre os alarmes e tendências. e) Aumentar a disponibilidade da planta: A partir das informações geradas em tempo real, permite identificar falhas e consequentemente otimizar as tomadas de decisão para manter a planta em operação (rodar o maior tempo possível sem paradas). 42

43 CONCEITOS BÁSICOS 43

44 Exemplo de Aplicação 44

45 45

46 Exemplo de Aplicação 46

47 Resumindo Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). 47

48 Sistemas de Controle Todo processo possui um fluxo de material, energia ou ambos. O fluxo de material ou energia é manipulado sob o comando de um controlador cujo objetivo é manter a variável do processo em um valor desejado; este valor é chamado de ponto de ajuste (set point). Por exemplo, um controlador de nível de um tanque manipula a vazão do líquido que entra no tanque, um controlador de pressão manipula a vazão de gás na entrada da esfera e um controlador de temperatura manipula a vazão de vapor da serpentina que passa no interior do vaso. 48

49 Sistemas de Controle Malha de Controle Fechada Genérica Malha Aberta de Controle Genérica 49

50 Sistemas de Controle O ponto de ajuste, que é ajustável, é colocado na unidade de soma, tipicamente por um operador da planta. A medição do valor real da variável controlada do processo é também colocada na unidade de soma. Esta unidade compara os dois valores do ponto de ajuste e da medição real e a saída resultante representa o erro de controle, a quantidade pela qual o valor real da variável controlada se desvia do valor ideal. Este erro é o que o controlador tenta eliminar ou, pelo menos, minimizar. 50

51 Sistemas de Controle Ações de Controle Para um controlador automático em uma malha fechada manter uma variável de processo igual ao ponto de ajuste, ele deve saber se a variável está no valor correto. Mas uma resposta SIM ou NÃO é insuficiente e o controlador deve saber, no mínimo, se a variável está acima ou abaixo do ponto de ajuste. Em outras palavras, o controlador deve saber o valor do erro. Para um controle melhor ainda, o controlador deve saber a duração do erro existente. E para um controle melhor possível, o controlador deve saber a velocidade de variação da variável controlada. 51

52 Controle Estes vários refinamentos do controle implicam nos modos de controle, que podem ser os seguintes: 1. controle Proporcional 2. controle Integral 3. controle Derivativo. Malha Fechada de um controlador PID 52

53 Sistemas de Controle Sinal de referência e respectivos ganhos 53

54 Sistemas de Controle Malha de um controlador PID 54

55 Sistemas de Controle Modelo de um controlador PID com Amplificadores Operacionais 55

56 HIERARQUIA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO Planejamento de Recurso Corporativo Sistemas de Execução da Manufatura 56

57 HIERARQUIA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de informação. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone (espinha dorsal) de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos). Este backbone pode ser representado pela rede ATM ou GigaEthernet ou mesmo por uma Ethernet 100-BaseT, utilizando como meio de transmissão cabo par trançado nível 5. Esta última rede vem assegurando uma conquista de espaço crescente no segmento industrial, devido à sua simplicidade e baixo custo. 57

58 HIERARQUIA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO 58

59 Exercícios de Aplicação 1) O que quer dizer SCADA? 2) Cite aplicações onde podemos utilizar os sistemas SCADA? 3) Qual é a ideia principal dos sistemas SCADA? 4) Cite alguns componentes dos sistemas SCADA. 5) Qual a importância do Controle em um sistema SCADA? 6) Qual a vantagem da utilização de utilizar Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IDE s)? 7) O que são variáveis de processo? 8) Como funcionada um Controlador PID Proporcional Integral Derivativo? 9) O que sintonia de um controlador PID? 10) Quais foram as principais evoluções no sistema SCADA? 11) Quais as vantagens da Hierarquia dos Sistemas de Automação? 59

60 Bibliografia principal o TOCCI, R.J. & WIDMER,N.S. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11 a ed, Prentice-Hall, o David Bailey and Edwin Wrigth. Practical SCADA for Industry. 1 a edição, Elsevier, o Neury Boaretto, Sistemas Supervisórios, Apostila IFC, o ALBUQUERQUE, Pedro U. B. de; ALEXANDRIA, Auzuir Ripardo de. Redes industriais: aplicações em sistemas digitais de controle distribuído protocolos industriais, aplicações SCADA. 2. ed. São Paulo: Ensino Profissional, p. 60