Redes de Automação Industrial

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Redes de Automação Industrial – Parte 1 1/15
Redes de Automação Industrial – Parte 1
Delcio Prizon
dprizon@smar.com.br
Unilins – Centro Universitário de Lins
Objetivos
Apresentar neste documento os tópicos principais ministrados no segundo bimestre da matéria de
Redes de Comunicação para Automação, no curso de graduação de Engenharia de Automação
Empresarial.
Introdução
• Os primeiros sistemas de controle de processo foram criados totalmente analógicos.
• As redes de automação foram introduzidas em 1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e
logo em seguida também em DCS (Distributed Control Systems) e PLCs (Programmable Logic
Controller).
• Os equipamentos de campo (transmissores) digitais surgiram em 1980.
• Porém as redes fieldbus , que interligam os equipamentos de campo, só vieram a surgir em
1990.
Antes da comunicação digital, os controladores eram instalados em painéis, e os sensores e
atuadores eram ligados aos controladores via um par de fios.
Os DCS e PLC possibilitaram que os controladores fossem instalados em racks auxiliares. Com
isto as informações de supervisão puderam ser enviadas até o operador via rede.
Através das conexões Multidrop (multi-ponto), a comunicação digital permitiu a interligação de
vários equipamentos através de um único par de fios. Isto fez com que os custos de instalação
fossem bastante reduzidos. Cada equipamento em uma rede multidrop possui um endereço único
(cada equipamento é um nó na rede).
Formas de comunicação
Algumas formas de comunicação devem ser entendidas quando se fala de comunicação digital.
• Mestre/Escravo ou Cliente/Servidor (Master/Slave or Client/Server) – Esta seria uma das
mais simples formas de comunicação, onde o mestre faz a pergunta e o escravo destino
responde.
Exemplo 1: Configuradores HART ou Profibus escrevendo um parâmetro em um equipamento
posicionador.
Exemplo 2: PLC lê um valor de processo de um transmissor, executa o algoritimo de controle e
escreve a saída em um posicionador.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 2/15
Publisher/Subscriber (Publicar/Subscrever) – Esta é a forma ideal para comunicação cíclica,
onde o equipamento publisher envia a informação via broadcast, a qual é então utilizada por todos
os equipamentos interessados (subscribers).
Exemplo: Controle de malha fechada utilizado no padrão Foundation Fieldbus
• Source/Sink (Origem/Canal) – Neste modo, a transmissão só será efetuada pela origem caso
houver uma alteração na informação. Transmissão por exceção.
Interoperabilidade
Um problema potencial com comunicação digital reside no fato que há muitas maneiras de
executar esta comunicação. Os métodos de representação, codificação e transmissão dos dados
são definidos pelos protocólos.
Cada fabricante tem a tendência de inventar o seu protocólo. Um dos objetivos dos comitês de
padronização é definir um padrão que todos possam seguir.
Áreas de aplicação das redes de automação
As áreas que estaremos focando no nosso estudo, serão basicamente as áreas de Manufatura e
Processo contínuo. Há também outras áreas (Predial, Residencial, Comercial) que vários dos
conceitos aqui abordados, também se aplicam, porém não será objeto deste documento.
As redes devem ser otimizadas para cada área de aplicação. Por exemplo, em Manufatura
predomina o controle lógico e intertravamento. Em controle de processo contínuo, geralmente são
utilizadas variáveis analógicas.
Em ambos, as instalações estão localizadas em áreas inóspitas, sujeitas a interferências do chão
de fábrica. Diferentes da automação predial.
Manufatura
Em Manufatura (ex. Indústria Automobilística), o tipo ideal de rede é aquela que tem alta
velocidade de troca de dados utilizando de pequenos pacotes de informação. Os típicos padrões
adotados nesta área são as redes Interbus e AS-i que são também denominadas redes de
Sensores. Os padrões DeviceNet, ControlNet e Profibus-DP também são utilizados e são
conhecidos como redes de Devices.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 3/15
Processo Contínuo
Em Processo Contínuo (ex. Refinarias, Papel e Celulose, Energia, Química), as variáveis
predominantes são analógicas e exigem controle de malha fechada através de algoritimos
especialistas e/ou de controle PIDs (Proporcional, Integral e Derivativo). Os típicos padrões
adotados nesta área são Foundation Fieldbus, Profibus-PA e HART. Também são conhecidos
como redes de campo ou fieldbus.
Estas redes foram projetadas para suprir energia aos equipamentos através do mesmo
barramento, além do que, os parâmetros e comandos permitem diagnóstico, calibração,
identificação, etc.
Resumindo
Normalmente, as redes de automação são redes locais (LAN) até 2 kilometros em diâmetro e se
enquadram e um dos padrões típicos abaixo.
SensorBus
AS-i
Interbus
DeviceBus
DeviceNet
ProfibusDP
fieldbus
FF
ProfibusPA
HART
Controle
Lógico
Controle
de Processo
Equipamentos
Simples
Equipamentos
Complexos
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 4/15
E o Modbus?
O padrão Modbus é um protocólo proprietário, que foi desenvolvido em 1978 pela empresa
Modicon, com a finalidade de interconectar seus produtos. Este protocólo acabou se tornando um
padrão de fato no mundo dos PLCs, devido a sua. Utiliza o conceito de Mestre/Escravo e padrão
físico RS-232 e/ou RS-485 para transferência de dados entre sistemas de supervisão e
equipamentos PLCs.
Recentemente, melhorias foram incorporadas ao protocólo, originando o Modbus/TCP. Este foi
criado, encapsulando as mesmas mensagens do Modbus tradicional, na área de dados do
comando TCP. Isto tem facilitado a interconexão e troca de dados entre sistemas de vários
fabricantes, que também suportam Modbus, porém agora utilizando LAN.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 5/15
Visão geral do Controle Discreto utilizando tecnologia CLP
O Controlador Lógico Programável ( C.L.P. ) nasceu praticamente dentro da indústria
automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors , em 1968,
devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança
na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.
Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as
necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de
toda a indústria manufatureira.
Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de
modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro
fabricante, não só CLPs , como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes
Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação,
gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da
chamada Globalização. Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e
protocolos de comunicação.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO - DIAGRAMA EM BLOCOS
INICIALIZAÇÃO
VERIFICAR ESTADO DAS ENTRADAS
TRANSFERIR PARA A MEMÓRIA CICLO DE
VARREDURA
COMPARAR COM O PROGRAMA DO USUÁRIO
ATUALIZAR AS SAÍDAS
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 6/15
ESTRUTURA INTERNA DO C.L.P.
O C.L.P. é um sistema microprocessado , ou seja, constituí - se de um microprocessador ( ou
microcontrolador ), um Programa Monitor , uma Memóriade Programa , uma Memória de Dados,
uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.
REDE FONTE DE MEMÓRIA DO TERMINAL DE
ELÉTRICA ALIMENTAÇÃO USUÁRIO PROGRAMAÇÃO
UNIDADE DE MEMÓRIA
PROCESSAMENTO DE DADOS MÓDULOS
DE SAÍDAS
MEMÓRIA DO MEMÓRIA MÓDULOS
PROGRAMA IMAGEM DE ENTRADAS
MONITOR DAS E/S
CIRCUITOS BATERIA
AUXILIARES
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 7/15
NOÇÕES BÁSICAS DE REPRESENTAÇÃO
Podemos representar, logicamente , um circuito série simples ,composto de dois interruptores e
uma lâmpada, de diversas maneiras :
Todas as figuras acima, são representações possíveis de um mesmo circuito elétrico. Todas
igualmente válidas para representar o circuito mencionado.
X 0 X 1 Y 0 X 0
X 1
Y 0
Y0 = X0 . X1
LD X0
AND X1
OUT Y0
DIC ou LADDER
DIL ou BLOCOS LÓGICOS
LIS ou LISTA DE INSTRUÇÕES
EXPRESSÃO LÓGICA
CIRCUITO ELÉTRICO
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 8/15
INSTRUÇÕES E BLOCOS BÁSICOS
Os blocos básicos ou fundamentais nas linguagens de programação são : bloco NA ( função SIM
- NO ), bloco NF ( função NÃO - NOT ), bloco SÉRIE ( função E - AND ) e o bloco PARALELO (
função OU - OR ). Veremos em detalhe cada bloco, em várias representações.
BLOCO N.A. ( NORMALMENTE ABERTO ) , que pode ser representado :
BLOCO N.F. ( NORMALMENTE FECHADO ), que pode ser representado :
X0
Y0
X0 Y0 X0 Y0
Y0 = / X0 ou Y0 = X0
LDI X0
OUT Y0
X0
Y0
X0 Y0
X0 Y0
Y0 = X0 LD X0
OUT Y0
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 9/15
BLOCO SÉRIE ( FUNÇÃO E ), que pode ser representado :
BLOCO PARALELO ( FUNÇÃO OU ) , que pode ser representado :
BLOCO SÉRIE NA - NF
X0 X1
Y0
X0
X1
Y0
X0 X1 Y0
Y0 = X0 . X1
X0 X1
LD X0
ANI X1
OUT Y0
X0
X1
X0 X1 Y0Y0
Y= X0 . X1 LD X0
AND X1
OUT Y0
X0
X1
Y0
X0
X1
Y0
X0
X1
Y0
Y0 = X0 + X1 LD X0
OR X1
OUT Y0
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 10/15
BLOCO PARALELO NA - NF
BLOCO OU INSTRUÇÃO TIMER - T ( TEMPORIZADOR ): Esta instrução serve para ativar uma
saída ou memória após um certo período de tempo.
X0
X1
Y0
X0
X1
Y0
X0
X1
Y0
Y0 = X0 + X1
LD X0
ORI X1
OUT Y0
X0
T0
K5
T0 Y0
LD X0
K5
OUT T0
LD T0
OUT Y0
X0
T0
Y0
1 2 3 4 5
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 11/15
EXEMPLOS PARA EXERCÍCIOS :
Exemplo - Tanque de Agitação de Produtos
Mapa das entradas / saídas :
Entradas :
Botoeira Liga X 01
Botoeira Desliga X 02
Sensor de Nível Máximo X 03
Sensor de Nível Mínimo : X 04
Sensor de Tanque Vazio: X 05
Saídas :
Motor do Agitador: Y 01
Válvula de Entrada : Y 02
Válvula de Saída : Y 03
Funcionamento :
1 - A botoeira liga inicia o processo e a Desliga interrompe o processo;
VÁLVULA DE
ENTRADA
SENSOR DE
NÍVEL MÁXIMO
SENSOR DE
NÍVEL MÍNIMO
SENSOR DE
TANQUE VAZIO
VÁLVULA DE
SAÍDA
MOTOR DO
AGITADOR
PAINEL
LIGA
DESL.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 12/15
2- A Válvula de entrada é aberta até o Nível Máximo ser atingido;
3 - O Motor do Agitador é ligado por 10 segundos.
4 - A Válvula de Saída é aberta, até que o Nível Mínimo seja atingido;
5 - O Motor do Agitador é desligado;
6 - Ao ser detectado que o Tanque está vazio, a Válvula de Saída é fechada.
7 - Termina o ciclo.
Diagrama Ladder para o exercício acima
Tente desenhar o Ladder para praticar. Vale lembrar que variáveis auxiliares temporárias são
aceitas com a notação Axx. Utilize os operandos NA, NF, SAIDA e TEMPORIZADOR,
respectivamente conforme desenhos abaixo:
Mapeamento destas variáveis em registros Modbus
Mapa hipotético Modbus de entradas / saídas :
Entradas :
Botoeira Liga X 01 = Registro de Entrada Modbus 001
Botoeira Desliga X 02 = Registro de Entrada Modbus 002
Sensor de Nível Máximo X 03 = Registro de Entrada Modbus 003
Sensor de Nível Mínimo : X 04 = Registro de Entrada Modbus 004
Sensor de Tanque Vazio: X 05 = Registro de Entrada Modbus 005
Saídas :
Motor do Agitador: Y 01 = Registro de Saida Modbus 001
Válvula de Entrada : Y 02 = Registro de Saida Modbus 002
Válvula de Saída : Y 03 = Registro de Saida Modbus 003
Uma vez mapeados os registros Modbus, os registros de entrada poderiam ser requisitados pelo
Mestre, utilizando a formatação de pacotes conforme a seguir:
Request PDU
Function code 1 Byte 0x02
Starting Address 2 Bytes 0x0000 to 0xFFFF
Quantity of Inputs 2 Bytes 1 to 2000 (0x7D0)
Response PDU
Function code 1 Byte 0x02
Byte count 1 Byte N*
Input Status N* x 1 Byte
*N = Quantity of Inputs / 8 if the remainder is different of 0 Þ N = N+1
Para os registros de saída:
Request PDU
Function code 1 Byte 0x01
Starting Address 2 Bytes 0x0000 to 0xFFFF
Quantity of coils 2 Bytes 1 to 2000 (0x7D0)
Response PDU
Function code 1 Byte 0x01
Byte count 1 Byte N*
Coil Status n Byte n = N or N+1
*N = Quantity of Outputs / 8, if the remainder is different of 0 ⇒ N = N+1
T
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 13/15
Exemplo de Controle de Nível
Mapa das entradas / saídas :
Entradas :
Botoeira Liga X _ _
Botoeira Desliga X _ _
Sensor de Nível Máximo : X _ _
Sensor de Nível Mínimo : X _ _
Saídas :
Válvula de Entrada : Y _ _
Funcionamento :
1 - A Botoeira Liga inicia o processo e a Desliga encerra ;
2 - Quando o Nível de liquido cair abaixo do Mínimo a Válvula se abre;
3 - Quando o Nível de liquido passar do Nível Máximo a Válvula se fecha.
SENSOR DE
NÍVEL MÁXIMO
SENSOR DE
NÍVEL MÍNIMO
VÁLVULA DE
ENTRADA
PAINEL
LIGA
DESL.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 14/15
Visão geral do Controle Contínuo
No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são
utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante
específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em geral, a fim de
tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de
saída é comparado com um sinal de referência (chamado no jargão industrial de set-point) e o
desvio (erro) entre estes dois sinais é utilizado para determinar o sinal de controle que deve
efetivamente ser aplicado ao processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir
este desvio entre a saída e o sinal de referência. O dispositivo que utiliza o sinal de erro para
determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado à planta é chamado de controlador ou
compensador. O diagrama básico de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado a
seguir.
Na figura acima, o sinal de realimentação é obtido através de um elemento Sensor que através de
um Transmissor conduz o sinal até o elemento Controlador, onde o sinal é comparado com um
sinal de referência, gerando por sua vez a saida para o elemento Atuador.
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Redes de Automação Industrial – Parte 1 15/15
Fieldbuses
Focalizaremos nossos estudos a partir de agora (parte 2 deste documento), nas Redes Fieldbus
(HART, FF e Profibus PA), dedicadas principalmente ao controlede Processo Contínuo.
Abordamos uma pequena parte do conceito da lógica discreta através dos CLPs e do Protocólo
Modbus. Não queremos com isto no entanto, diminuir a importância das redes DeviceNet,
ProfibusDP e AS-i, muito utilizadas em chão de fábrica atualmente.
Bibliografia
• Berge, Jonas. Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance.
• Apostila do curso ministrado no CEETPES - E.T.E Professor Armando Bayeux da Silva , no
ano de 1998 no Curso CLP – Básico, por Pedro Luis Antonelli.
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