Sistemas supervisórios e protocolos de comunicação industriais

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5. Sistemas Supervisórios e
Protocolos de Comunicação Industriais
Igor Kondrasovas
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENG. DE PRODUÇÃO E SISTEMAS - DEPS
INFORMÁTICA INDUSTRIAL – IFD
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Tópicos
• Sistemas Supervisórios
• Tipos de Sistemas Supervisórios
• Manufatura Integrada por Computador (CIM)
• Protocolos de Comunicação Industriais
• Tipos de Protocolos de Comunicação Industriais
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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).
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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).
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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.
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Sistemas Supervisórios
• Gráfico de Tendências:
Mostra curvas de tendência de variáveis do processo que estão sendo
monitoradas pelo sistema supervisório ao longo do tempo.
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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.
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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
• Baixa tolerância a falhas
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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.
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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).
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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
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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.
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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).
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Níveis Hierárquicos de um CIM
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Tecnologias Utilizadas para Integração Industrial
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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).
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Barramentos de Campo
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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, …).
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Barramentos de Campo
• Ideia original: economizar fiação!
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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.
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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 serãoconectados 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.
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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.
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Principais Protocolos
• Modbus
• HART
• DeviceNet (CAN)
• Profibus
• Foundation Fieldbus
• Rede AS-I (Actuator Sensor Interface)
• OPC (OLE for Process Control)
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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 cliente-
servidor.
- 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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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Profibus
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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
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Foundation Fieldbus
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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.
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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 mesmoacontece com um fornecedor de
inversores, de relés inteligentes ou de qualquer outro dispositivo
industrial inteligente.
* OLE: Object Linking and Embedding
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OPC (OLE for Process Control)
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Bibliografia
• CASTRUCCI, P.; MORAES, C. C.; Engenharia de Automação Industrial. 2ª Ed. 
São Paulo: LTC, 2007.
• http://www.cpdee.ufmg.br/~seixas/PaginaII/II.htm.
• http://www.cefetrn.br/~walmy/doku/doku.php?id=redes.
• http://marcelocoelho.net/SAI5X1-RCI.htm
• http://pessoal.utfpr.edu.br/trojan/
• http://www.pessoal.utfpr.edu.br/betini/?id=9