(Parte 42 de 46)

E/S temporizada

Estes tipos de entrada e saída são usadas para aplicações tais como temporizadores e contadores, tanto para gerar ondas quadradas e pulsos nas suas saídas analógicas como para receber sinais de alta velocidade para contadores. Neste caso, a freqüência máxima aceita é um parâmetro fundamental que deve ser analisado em cada aplicação.

Acesso direto à memória.

Em um SAD, muitas vezes torna-se necessário uma alta velocidade de E/S, com processamento simultâneo de dados. Desta forma, torna-se fundamental que o SAD tenha acesso direto à memória. O sistema de barramento ISA usa um circuito especial na placa mãe do computador para permitir tanto a entrada como a saída de dados direto da memória RAM. Outro tipo de barramento [1] denominado PCI, que permite taxas da ordem 132 MBYTES/s, difere do sistema ISA no sentido de que não usa o circuito de DMA da placa mãe do computador. As placas que utilizam esse sistema controlam o barramento PCI, durante a transferência e, em seguida, liberam o barramento para outros usos.

Pode-se, por exemplo, operar com uma placa PCI escrava ou com uma placa PCI mestre. No primeiro caso, o microprocessador é sobrecarregado com a monitoração e o controle da transferência de dados entre a placa e a memória RAM. Este método reduz sensivelmente o desempenho global do sistema. No segundo caso, isso não acontece permitindo-se uma transferência contínua de dados em taxas de até 100 MBYTES/s sem sobrecarregar o microprocessador.

    1. Software dos sistemas de aquisição de dados

Todo SAD deve incorporar o software apropriado para permitir que outros programas utilizem as informações recebidas. O software deve permitir também a saída de informações geradas por outros programas. Para que isso possa acontecer de forma aberta os fabricantes desses sistemas fornecem essas interfaces na forma de driver software5. Driver software é a camada de software que programa diretamente os registradores do hardware do sistema de aquisição de dados, comandando a operação desses registradores e a integração com as funções do computador, tais como, interrupções, acesso direto à memória etc. Na realidade o driver software tem a finalidade de esconder do usuário o nível baixo de programação, incluindo detalhes complicados de hardware. Dentre as funções importantes que esse tipo de software deve executar, pode-se citar:

  • Aquisição de dados em taxas prefixadas.

  • Aquisição de dados em segundo plano enquanto se executa outro processamento em primeiro plano.

  • Uso de entrada e saída programada, sistema de interrupções e acesso direto à memória para se efetuar a transferência de dados.

  • Entrada e saída para o disco

  • Execução de diversas funções simultaneamente

  • Integração de mais de uma placa de aquisição através de um único software

Todas essas funções são desejáveis ao software de aquisição de dados. Alguns sistemas não contemplam todos os itens acima, entretanto, dependendo da aplicação, são aceitáveis.

Na seção seguinte, são apresentados os pontos importantes que devem ser analisados na escolha de um SAD.

    1. Escolha dos sistemas de aquisição de dados

Os sistemas modernos de aquisição de dados, assim como os sistemas de controle digital, em geral, podem ser classificados em dois grupos, embora os objetivos e os métodos sejam os mesmos:

  • Sistema baseado em PC

  • Sistema baseado em CLP

Nos primeiros, os computadores são dotados de placas de aquisição de dados e de software apropriado para converter as grandezas provenientes dos sensores para valores digitais que possam ser armazenados nas memórias dos computadores, ou converter esses valores para grandezas físicas capazes de sensibilizar os atuadores de uma planta. No segundo caso, os CLPs são dotados de módulos de entrada de dados e de software apropriado para converter as grandezas provenientes dos sensores para valores digitais que possam ser armazenados nas memórias dos CLPs ou, também, converter esses valores para grandezas físicas capazes de sensibilizar os atuadores de uma planta. Como se pode ver, os equipamentos são diferentes, porém com o mesmo objetivo. Neste texto, os dois casos serão analisados conjuntamente.

A escolha de um Sistema de Aquisição de Dados (SAD), pode ser dividida em cinco etapas analisadas a seguir.

Etapa 1 - Identificação do tipo dos sinais de entrada e de saída

Quando se selecionam os componentes para um SAD, deve-se, inicialmente, identificar o tipo de sensores e sinais de entrada e saída (E/S) que serão usados. Basicamente, pode-se ter os seguintes tipos de sinais:

  1. Entrada Analógica - Neste grupo, estão contidos os sinais provenientes dos sensores das grandezas com variação contínua nas plantas industriais, tais como:

  • Temperatura

  • Pressão

  • Torque

  • Umidade

  • Tensão elétrica

  • Corrente elétrica etc.

  1. Saída Analógica - Nos sistemas de aquisição de dados, em geral, as saídas podem ser de três tipos:

  • Tensão elétrica, seguindo padrões internacionais de tensão tais como –10 a +10V, 0 a 5V etc.

  • Corrente elétrica, seguindo os padrões de 4-20mA, ou 0-20mA.

  • Geração de formas de onda, onde o usuário define a forma de onda desejada para ser enviada ao sistema.

  1. Entrada e Saída digitais – Neste grupo, englobam-se todos os tipos de entradas com variação discreta no tempo, incluindo as entradas e saídas compatíveis com painéis de comando e CLP’s. Pode-se agrupá-las em:

  • Entradas e saídas compatíveis com TTL6, permitindo a conexão de dispositivos que seguem esse padrão.

  • Entradas e saídas em tensão de comando, permitindo a conexão de ligações diretas com painéis de comando ou módulos de E/S de CLPs, nas tensões CA ou CC padronizadas, tais como: 24 Vdc, 110 Vdc, 110 Vca, 220 Vca.

  • Comunicação paralela/serial, onde estão disponíveis os conectores compatíveis com os padrões RS232, RS422, RS485, etc.

  1. Entrada e saída temporizada – Neste grupo englobam-se os sinais provenientes de dispositivos tais como encoders, contadores e geradores de pulso em geral, tendo-se as seguintes opções:

  • Entrada e saída de freqüência

  • Entradas referentes a contagem de eventos e de tempo

  • Medidas de largura de pulso

  • Geração de trem de pulsos

Etapa 2 – Escolha do método de condicionamento do sinal

Muitos tipos de sensores e sinais precisam ser condicionados antes de serem conectados a um dispositivo de aquisição de dados. Assim sendo, deve-se aplicar dispositivos capazes de executar as seguintes tarefas nos sinais:

  • Amplificação - é usada nos casos em que o sinal recebido não está nos padrões de tensão compatíveis;

  • Isolação - em geral consiste no uso de dispositivos capazes de promover a isolação elétrica do sinal recebido para impedir a danificação do equipamento nos casos de alta tensão. Para isso podem ser usados acopladores óticos.

  • Filtragem - consiste em se retirar do sinal os ruídos indesejáveis antes de serem recebidos e introduzidos no computador.

  • Multiplexação – consiste em se trabalhar com vários sinais em uma mesma entrada.

Etapa 3-Seleção do dispositivo de entrada e saída apropriado ao sistema de aquisição de dados

A seleção do dispositivo de entrada e saída deve se basear em critérios tais como:

  • Precisão

  • Taxa de amostragem

  • Número de canais

  • Flexibilidade

  • Confiabilidade

  • Possibilidade de expansão

  • Robustez

  • Tipo de computador.

Com a definição desses critérios pode-se determinar qual dispositivo que melhor se adapta a aplicação desejada. Uma definição incorreta poderá levar a escolha de um dispositivo extremamente mais caro que as necessidades da planta em questão. Por outro lado, pode-se também, através de uma escolha incorreta, adquirir um dispositivo que não atenda às exigências do processo em questão. Há no mercado dispositivos para as mais variadas aplicações com grandes variações de preços. Portanto, cabe ao responsável pela escolha, primeiramente decidir pela classe de aplicação, que pode ser:

  • Classe de Instrumentação – Estes são considerados os dispositivos mais caros pois são os mais versáteis, com desempenho compatível com os instrumentos mais precisos, com rápida acomodação, grande precisão, altas taxas de amostragem, possibilidade de sincronização em mais de um SAD, uso de contadores e temporizadores avançados, tanto as entradas como as saídas dotadas de isolação etc.

  • Classe de baixo custo – Nesta classe, incluem-se os dispositivos com poucos canais de entrada e baixo desempenho, proporcionando uma solução de baixo custo para a maioria de aplicações industriais. Há, também no mercado uma infinidade de opções de fabricantes desta classe de produtos.

  • Classe dos dispositivos portáteis – nesta classe englobam-se principalmente as placas de aquisição para computadores PC.

Etapa 4-Escolha dos cabos

Para se conectar a placa de aquisição de dados ao computador, pode-se usar cabos coaxiais ou fitas de condutores múltiplos. Os primeiros têm melhor precisão, isolação a ruídos e conexão mais robusta. A vantagem das fitas é o seu baixo custo.

Etapa 5-Seleção do software

Com relação ao software necessário a um sistema de aquisição de dados deve-se decidir baseado nos seguintes itens:

  • Drivers para a conexão com diferentes fabricantes – Este é um item decisivo com relação à escolha de um sistema de aquisição de dados, visto que, havendo necessidade de conexão com os outros fabricantes, o sistema a ser adquirido deverá possuir drivers que suportem a conexão. Como, em geral, esses drivers são adquiridos à parte, deve-se cuidar para não se adquirir software desnecessário.

  • Ambientes de desenvolvimento e linguagens de programação – Os fabricantes de SAD têm oferecido, ultimamente, sistemas excelentes de aquisição de dados, com interfaces gráficas que permitem ao usuário operar facilmente o seu sistema. Entretanto, para certas aplicações, torna-se necessário o desenvolvimento de rotinas especificas, como por exemplo, no caso de geração de formas de onda para aplicações em equipamentos de testes. Para isso é importante que haja facilidade de conexão com linguagens tais como C, C++, Visual Basic, Delphi etc.

  • Sistemas Operacionais – O software de um sistema de aquisição de dados deve ser capaz de operar sob o sistema operacional usado no computador onde for instalado. Portanto, este também é um fator decisivo na escolha do SAD. Há no mercado SADs que operam sob todas as versões do Windows, incluindo-se o sistema Windows-NT, além de OS/2 e Mac OS.

    1. Sistemas Supervisórios

Neste texto, a denominação Sistemas Supervisórios se refere ao conjunto de equipamentos e ao software empregados na supervisão, operação e controle de plantas industriais, concessionárias de energia elétrica, sistemas de distribuição de água, edifícios etc.

Através desses sistemas, torna-se possível a execução das ações integradas de supervisão, operação e controle, a partir de um computador integrado ao sistema através de uma rede de computadores.

Há hoje, no mercado, um grande número de sistemas capazes de operar nas mais diversas plataformas de hardware. Nesses sistemas, a ação de supervisão é realizada pela visualização gráfica dos diversos componentes da planta na tela do computador. Os resultados das medições realizadas pelos instrumentos instalados em diversos pontos da planta são mostrados na tela do computador de várias formas:

  • Valores numéricos

  • Representações de variação de nível

  • Gráfico x-t

  • Visualização de medidores analógicos.

A ação de supervisão é também enriquecida pelo sistema de alarmes que tem a função de chamar a atenção dos operadores para os problemas que ocorrem na planta. Esta ação pode ser incrementada com um software de diagnóstico de falhas e recomendações de manutenção e reparo.

A tarefa de operação se torna extremamente facilitada com o uso dos atuais sistemas supervisórios, pois oferecem ao operador tanto a visão geral do processo industrial como os detalhes específicos dos instrumentos e dispositivos instalados. Todo o sistema pode ser completamente operado com o mouse e o teclado de um microcomputador. O comando dos dispositivos, chaves, válvulas e atuadores também é realizado com o mouse e o teclado, economizando-se o tempo gasto no acionamento de chaves e botoeiras dos painéis de comando.

Quanto à tarefa de controle, deve-se destacar as duas tendências existentes hoje na indústria:

  • Controle através de controladores lógicos programáveis (CLP)

  • Controle por microcomputadores.

No primeiro caso, a tarefa de controle fica restrita aos CLPs deixando para o sistema supervisório, somente as tarefas de supervisão e comando. Os defensores desta tendência alegam que os CLPs são mais confiáveis que os computadores. Isto se justifica visto que é comum se encontrar CLPs funcionando há mais de uma década, em ambientes industriais agressivos sem, contudo, haver falhas.

O controle através de computadores traz a vantagem de se poder utilizar toda a potencialidade de hardware e software dos modernos computadores, aliada às inúmeras possibilidades de técnicas de controle disponíveis nos sistemas de software de controle.

A utilização das duas tendências, em uma mesma instalação, é possível e será analisada ao longo deste trabalho. Nesse caso, deixa-se para os CLPS as tarefas de controle realimentado de plantas críticas e reservam-se as tarefas de controle dos níveis mais elevados para os computadores equipados com sistemas supervisórios. Nesses níveis, os tempos de resposta podem ser mais longos. Incluem-se, nesses casos, as ações de controle inteligente implementadas por sistemas especialistas utilizando-se técnicas avançadas como controle adaptativo, redes neurais artificiais, lógica fuzzy além de inúmeras técnicas de controle de sistemas não lineares.

Os vários produtores de sistemas supervisórios têm colocado no mercado versões cada vez mais sofisticadas e que permitem a integração de equipamentos de diversos fabricantes. Apesar de não haver uma padronização geral para os sistemas supervisórios, pode-se encontrar diversas características comuns que são analisadas nas seções seguintes.

    1. Plataforma de Hardware

Os primeiros sistemas supervisórios foram desenvolvidos na década de 60 para auxiliar na operação dos sistemas elétricos das concessionárias de energia. Eram usados computadores da época do tipo mainframe. Como esses computadores não possuíam as facilidades gráficas dos computadores atuais, eram utilizados painéis mímicos com lâmpadas sinalizadoras. Em seguida, ainda na década de 60, com o surgimento dos minicomputadores, diversos fabricantes passaram a produzir o que se conhecia como computadores de processo e que foram bastante utilizados na indústria. Esses sistemas foram os precursores dos SDCDs – Sistemas Digitais de Controle Distribuídos. Os primeiros SDCDs eram compostos, em geral, por computadores do tipo Workstation, utilizando-se amplamente a capacidade gráfica desses equipamentos. Os SDCDs são ainda amplamente utilizados na indústria. Diversas opções foram colocadas no mercado nos anos 80. Dentre as desvantagens desses equipamentos em relação aos sistemas supervisórios atuais, citam-se o custo e o fato de serem bastante fechados, isto é, dependentes do fabricante. Os sistemas supervisórios atuais são sistemas abertos, que aceitam hardware e software de diversos fabricantes e de diferentes plataformas, integrados em rede. Atualmente, são amplamente empregados microcomputadores do tipo PC, com processadores Pentium. As primeiras Workstations custavam em torno de US$50.000,00, enquanto que os computadores do tipo PC, atualmente utilizados nos sistemas supervisórios, custam em torno de US$2000,00. Sendo assim, o fator custo foi decisivo na escolha desses equipamentos para aplicações industriais. Nas seções seguintes são apresentados os detalhes de software e de estrutura dos sistemas supervisórios modernos.

    1. Estrutura dos Sistemas Supervisórios

O termo Sistema Supervisório costuma ser empregado com duas conotações. Pode ser utilizados para se referir a toda a estrutura de supervisão, controle, sistema de aquisição de dados e rede de computadores, incluindo todo o software e todo o hardware. Entretanto, tanto os usuários na indústria, como os produtores de software usam também o termo Sistema Supervisório para se referir ao software. Para evitar essa dupla interpretação, neste texto utiliza-se a denominação Software Supervisório ou Programa Supervisório para se referir especificamente aos programas computacionais utilizados na supervisão, comando e operação de plantas em geral. Não se incluem, nessa denominação, outros programas tais como os Sistemas Operacionais e o software de controle de rede de computadores.

Os fabricantes de software supervisório oferecem versões que operam em computadores do tipo PC, Workstations e outras plataformas, utilizando sistemas operacionais tais como Windows-NT, OS/2 e Unix. Estes sistemas operacionais são do tipo multitarefa, permitindo que o software supervisório seja utilizado através do sistema gráfico de janelas e, portanto, eliminando-se os sistemas antigos de painéis mímicos. Todas as facilidades de controle e supervisão estão embutidas no software, restando para o engenheiro de sistema as definições de projeto e a montagem das janelas através de sistemas gráficos de desenho em computador. Em geral, não se exige do engenheiro de sistema habilidades de programação para a definição de um sistema supervisório.

Durante a operação, o software supervisório comunica-se continuamente com os equipamentos de controle no campo, tais como CLPs, instrumentos de medida, sistemas de aquisição de dados e outros dispositivos no campo. O software supervisório responde adequadamente, durante a monitoração dos equipamentos, armazenando os dados programados e respondendo à lógica imposta pelo sistema, ou por solicitação do operador.

As seguintes características e ferramentas são desejáveis em um software supervisório:

  • Visualização

A visualização dos processos, através dos programas supervisórios é feita através de imagens gráficas com animação. Estas imagens podem ser construídas de forma hierárquica, de tal forma que o operador possa aplicar zoom em qualquer parte de uma imagem e obter informações mais detalhadas.

As variações de valores que ocorrem no campo são acompanhadas por essas telas gráficas, de diversas formas, tais como:

  • Gráfico x-t

  • Textos

  • Representação dos ponteiros de medidores analógicos

  • Representação visual de níveis em tanques.

As figuras são dotadas de uma característica especial de tal forma que qualquer figura pode ser definida como um trigger. Quando os triggers forem selecionados, automaticamente serão executadas diversas operações de entrada a partir dos Gates7.

A criação das figuras é realizada de acordo com o método adotado pelo fabricante do software supervisório. Os sistemas hoje existentes no mercado seguem os padrões de pacotes gráficos conhecidos, permitindo ao engenheiro de sistema criar representações dos equipamentos que possam realmente auxiliar os operadores das plantas industriais.

  • Alarmes

O software supervisório executa, a todo instante, testes para se verificar as condições de alarme que são definidas pelo engenheiro de sistema. Há classificadores sofisticados que classificam e ordenam os alarmes em diversas categorias. As informações específicas de cada alarme podem ser imediatamente armazenadas para uso posterior, oferecendo aos operadores dicas de solução para os problemas anunciados.

  • Gráficos

Os gráficos do tipo X-T servem para apresentar o histórico das variáveis do processo. Os valores são armazenados nos discos do sistema e podem ser consultados a qualquer instante. Trata-se de uma forma bastante eficaz de analisar desempenho e obter solução para problemas de controle. Podem também ser usados para estimação da equação dinâmica das plantas com vistas a melhoria dos esquemas de controle.

(Parte 42 de 46)

Comentários