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DCA – Redes Industriais/ Maio de 2003 1

Alessandro J. de Souza

DCA-UFRN ajdsouza@dca.ufrn.br LECA-DCA-UFRN

Luiz Carlo de Oliveira

DCA-UFRN luiz@dca.ufrn.br LECA-DCA-UFRN

Resumo: Este artigo tem o objetivo de fazer um estudo sobre automação industrial seus processos, arquiteturas usadas e evoluções alcançadas ao longo dos anos. Bem como mostrar como a Internet esta influenciando os processos de automação.

Palavras Chaves: Automação Industrial, CLP, SDCD, SCADA, Novas Tendências.

Abstract: This article has the objective of doing a study about industrial automation its processes, used architectures and evolutions reached along the years. As well as to show as the Internet this influencing the automation processes.

Keywords: Industrial automation, CLP, SDCD, SCADA, New Tendencies.

1 INTRODUÇÃO

A história da automação industrial começa com a criação das linhas de montagens automobilisticas com Henry Ford, na decada de 20. Daí para cá o avanço tecnológico nas mais diversas áreas da automação Industrial tem sido cada vez maior, proporcionando um aumento na qualidade e quantidade de produção e reduzindo custos.

O avanço de automação está ligado, em grande parte, ao avanço da microeletronica que se deu nos ultimo anos. Os CLPs (Controlador Lágico Programável) sugiram na dácada de 60 e substituirão os paineis de cabina de controle com relés. Diminuindo, assim, o alto consumo de energia, a dificil manutenção e modificação de comandos e as onerosas alterações na fiação.

e competitividadeDentro desta visão de integração

Nos anos 90 programas de computador foram criados com a tentativa de obter maior produtividade, qualidade entre o chão de fabrica e o ambiente corporativo, decisões dentro do sistema organizacional de produção passa a ser tomada dentro do mais alto grau do conceito de qualidade, baseado em dados concretos e atuais que se originam nas mais diferentes unidades de controle.

Os fabricantes de CLPs também compreenderam a inequação básica: software mai hardware e passaram a produzir sistemas SCADA e outros pacotes mais especializados. Passaram a concorrer para a solução completa: SCADA mais CLP. Na área de instrumentação a revolução se deu mais dolorosamente. Era necessário dotar os instrumentos de mais inteligência e fazê-los se comunicar em rede. O velho padrão 4-20 mA para a transmissão de sinais analógicos tinha que ceder lugar à transmissão digital. A principio foi desenvolvido um protocolo que aproveitava a própria cablagem já existente, fazendo transitar sinais digitais sobre sinais analógicos 4-20 mA.

Este protocolo (HART) não foi mais que um paliativo, embora permaneça até hoje em sua interinidade. De certa forma, representa também uma reação ao avanço das novas tecnologias. Depois surgiram uma profusão de padrões e protocolos que pretendiam ser o único e melhor barramento de campo.

Atualmente, encontramos CLPs utilizados na implementação de painéis seqüenciais de intertravamento, controle de malhas, sistemas de controle estatístico de processo, sistema de controle de estações, sistemas de controle de células de manufatura entre outros. Os CLPs são encontrados em processos de: empacotamento, engarrafamento, enlatamento, transporte e manuseio de materiais, usinagem, geração de energia; em sistemas de controle predial de ar condicionado, sistemas de segurança, montagem automatizada, linhas de pintura e sistemas de tratamento de água, existentes em indústrias de alimentos, bebidas, automotiva, química, têxtil, plásticos, papel e celulose, farmacêutica, siderúrgica e metalúrgica.

2 AQUITETURA

Uma solução de automação tem por objetivos básicos o desempenho, a modularidade e a expansibilidade. Para que estes sejam alcançados, temos que conceber prioritariamente um desenho da arquitetura do sistema e, desta forma, organizar seus elementos: remotas de

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as de informação, e as de controle

aquisição de dados, CLP’s, instrumentos e sistemas de supervisão, dentre outros. As arquiteturas mais utilizadas são as que definem duas hierarquias de redes:

A primeira é o nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de informação. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos), e EPS (Enterprise Production Systems). 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.

As redes de controle interligam os sistemas industriais ou sistemas SCADA aos sistemas representados por CLP’s e remotos de aquisição de dados. Eventualmente, sistemas como PIMS e MES, podem estar ligados a este barramento. O padrão da arquitetura de Ethernet 10- Base T vem sendo substituído, no decorrer dos últimos dois anos, pela nova tecnologia Ethernet 100-BaseT, que tem sua velocidade de acesso aumentada. Fato este que garante a adesão das grandes empresas de automação a esse novo padrão, implementando-o em seus equipamentos.

A arquitetura de duas camadas permite que as redes de controle façam a comunicação das estações clientes com os servidores e as de informação, dos servidores com os CLP’s.

se verifica na arquitetura de duas camadas

Atualmente, ainda se utiliza a arquitetura de rede única, que consiste em uma modalidade onde ocorre o compartilhamento das redes de comunicação e controle. Mas, do ponto de vista de segurança, é interessante separar os tráfegos de controle e de informação, como

Já a arquitetura SDCDs, caracteriza-se por um elevado nível de redundância: redundância de servidores, redundância de rede de comunicação de dados, de cartões de entrada e saída, etc. Além disso, possui sofisticados algoritmos de diagnóstico, que permitem localizar o cartão defeituoso a partir da console de operação.

O sistema híbrido é atualmente o mais usado, pois alia a versatilidade e performance de um SDCD com o baixo custo de uma solução SCADA mais CLP. São exemplos desta classe de sistema o INDUSTRIALIT (OPERATEIT/ CONTROLIT) da ABB, o Plant Web da Emerson e o PSC7 da Siemens.

3 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS

Supervisory Control And Data Aquisition (SCADA), são sistemas de supervisão de processos industriais. Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétrico, permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial; monitorando apenas sinais representativos de medidas e estados de dispositivos através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface aplicacional com o operador.

Com a evolução da tecnologia, os computadores passaram a ter um papel importante na supervisão dos sistemas por coletar, entre outras coisas, dados do processo, principalmente dos controladores lógicos programáveis(CPLs). Estes dados já podem ser observados de maneira remota e amigável pelo operador; têm sua monitoração e controle facilitado; disponibiliza, em tempo útil, o estado atual do sistema através de um conjunto de previsões, gráficos e relatórios; permitindo assim, a tomada de decisão operacional, seja ela automática ou por iniciativa do operador.

Estes sistemas revelam-se de crucial importância na estrutura de gestão das empresas, fato pelo qual deixaram de ser vistos como meras ferramentas operacionais, ou de engenharia, e passaram a ser vistos como uma importante fonte de informação. Hoje os sistemas de supervisão oferecem três funções básicas: supervisão, operação e controle.

Na supervisão, inclui-se todas as funções de monitoramento do processo, sejam elas sinóticas, gráficos de tendências de variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressora dentre outras.

A operação nos atuais sistemas SCADA tem a grande vantagem de substituir as funções da mesa de controle,

DCA – Redes Industriais/ Maio de 2003 3 otimizando os processo de liga e desliga de equipamentos e seqüência de equipamentos, operação de malha PID, mudança de modo de operação de equipamentos.

A função de controle DDC (Digital Direct Control), é um sistema de supervisão que possui uma linguagem tal, que permite definir diretamente ações de controle sem depender de um nível intermediário representados por remotas inteligentes, já nas operações de entrada e saída, são usadas remotas mais simples ou são executadas através de cartões de I/O ligados diretamente no barramento do micro.

Já o controle supervisório, é uma classe de sistemas onde os algoritmos são executados pela unidade terminal remota, e os set-point são controlados dinamicamente pelo sistema de supervisão de acordo com o comportamento global do processo. Essa arquitetura traz vantagem sobre os DDC’s devido a sua maior confiabilidade. Outro ponto levado em conta é o fato dos supervisórios atuarem em diversas malhas simultaneamente enquanto o operador só consegue atuar geralmente malha a malha com um sistema convencional.

Para um melhor entendimento do controle supervisório, segue-se suas principais funcionalidades atualmente: aquisição de dados; visualização de dados; processamento de alarmes; tolerância a falhas.

A aquisição de dados é o processo que envolve a coleta e transmissão de dados desde as instalações das indústrias, eventualmente remotas, até às estações centrais de monitorização. O processo inicia-se nas instalações das indústrias, onde as estações remotas lêem os valores dos dispositivos a eles conectados. Após a leitura desses valores, segue-se a fase de transmissão de dados em que, quer em modo de comunicação por polling, ou em modo de comunicação por interrupção (Report by Exception), os dados são transmitidos através da rede de comunicações até à estação central. Por fim, o processo de aquisição de dados é concluído com o respectivo armazenamento em bases de dados.

A visualização de dados consiste na apresentação de informações através de interfaces homem-máquina, geralmente acompanhados por animações, de modo a simular a evolução do estado dos dispositivos controlados na instalação das indústrias. Os sistemas SCADA permitem visualizar os dados recolhidos, além de previsões e tendências do processo produtivo com base em valores recolhidos e valores parametrizados pelo operador, bem como gráficos e relatórios relativos a dados atuais e existentes em histórico.

de segurançaEm situações de falha do servidor ou da

Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em função da sua gravidade, sendo reservada a maior prioridade para os alarmes relacionados com questões rede de comunicações, é possível efetuar o armazenamento das mensagens de alarme em buffer, o que, aliado à capacidade de transmissão de mensagens de alarme para vários servidores, permite atingir um maior grau de tolerância à falhas. Através da informação proveniente do login, os sistemas SCADA identificam e localizam os operadores, de modo a filtrar e encaminhar os alarmes em função das suas áreas de competência e responsabilidade. Os sistemas SCADA guardam em arquivos os log’s(informação) relativa a todos os alarmes gerados, de modo a permitir que posteriormente se proceda a uma análise mais detalhada das circunstâncias que estiveram na sua origem.

Para atingir níveis aceitáveis de tolerância à falhas é usual a existência de informação redundante na rede e de máquinas backup situadas dentro e fora das instalações das indústrias. Desta forma, permitir que sempre que se verifique uma falha num computador, o controle das operações seja transferido automaticamente para outro computador que possui todos os seus dados espelhados do computador que estava funcionando até então, para que não se tenha interrupções significativa.

Faz parte dos componentes dos sistemas SCADA: os sensores e atuadores, as estações remotas, as rede de comunicações e as estações de monitorização central.

Os sensores e atuadores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorizados pelos sistemas SCADA, eles convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Já os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos.

O processo de controlo e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas, CLP’s e RTU’s (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que lhes estão associado e o respectivo controle. São através destes que as estações centrais de monitorização comunicam-se com os dispositivos existentes nas instalações das empresas.

A rede de comunicações é a plataforma através da qual a informação de um sistema SCADA é transferida, como veremos mais adiante.

As estações de monitorização central são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo 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 sistema SCADA.

Com tecnologias relacionadas a Ethernet, HTTP e HTML, é atualmente possível o acesso e partilha de dados entre a área de produção e a área de supervisão e controle de várias instalações das empresas. Desta forma, com o uso de um Web browser, é possível controlar em tempo real uma máquina localizada em qualquer parte do mundo, bastando introduzir o seu URL no browser sem que haja necessidade de se deslocar.

4 REDES DE COMUNICAÇÃO

Além das redes de informação e de controle já mencionadas nesse artigo, podemos verificar, ainda, a existência das redes de campo que são peças

4 DCA – LECA – Redes Industriais/ Maio de 2003 fundamentais para a comunicação em qualquer processo de automação industrial.

As redes de campo atendem pelo nome genérico de fieldbus ou barramento de campo. Na verdade, devemos dividir estes tipos de rede em 3 tipos diferentes:

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