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PIMS 09 10 2014

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PIMS
 de AllanGlobim | trabalhosfeitos.com
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS _ FACET
DISCIPLINA: COMPUTAÇÃO INDUSTRIAL
PIMS - Plant Information Management System
Belo Horizonte
	2014	
CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS _ FACET
DISCIPLINA: COMPUTAÇÃO INDUSTRIAL
PIMS - Plant Information Management System
PROF.: LUIZ KUMMEL
ALLAN ALCEBIADES MOTA
DOUGLAS AMARAL MEDRADO
FILIPE PEREIRA MARINHO
JÚLIO CÉSAR PEREIRA DE OLIVEIRA
RAFAEL ALVES DE CARVALHO
Belo Horizonte
	2014	
Sumário
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, muitas indústrias enfrentam problemas de fragmentação de dados, pois tem dificuldades em visualizar de forma unificada o processo produtivo. Nesses casos, os PIMS (Plant Information Management Systems, ou em português, Sistema de Gestão de Informações de Processo) passam a se constituir como uma ferramenta fundamental. Isto porque estes são sistemas de aquisição de dados capazes de visualizar tanto os dados de tempo real como históricos de processo, eliminando as ilhas de informação e concentrando em uma única vase de dados informações sobre todas as áreas de uma planta. Tal base de dados possuem características que não são encontradas em bancos de dados convencionais, como por exemplo: alta capacidade de compactação dos dados e alta velocidade de resposta à consulta em sua base histórica. Devido a isto é possível armazenar um grande volume de informação com recursos mínimos se comparado às soluções convencionais.
O sistema PIMS nasceu na indústria deprocessos contínuos mais propriamente na indústria química e petroquímica para resolver o problema da fragmentação de dados e proporcionar uma visão unificada do processo. Numa primeira fase, o PIMS passa a se constituir na ferramenta fundamental para o engenheiro de processos. A partir de uma estação ele pode visualizar tanto os dados de tempo real como históricos da planta.
Atualmente os sistemas PIMS além de se estenderem para outros mercados como: papel e celulose, siderurgia, cimento, mineração, enfim todos os processos contínuos, ainda existem sistemas PIMS que dão algum suporte a indústrias de processos discretos / por batelada.
2. CONCEITO BÁSICO
Os PIMS são sistemas de aquisição de dados que, basicamente, recuperam as informações contínuas de processo (temperaturas, pressões, vazões, quantidades, velocidades, pesos, etc.) residentes em fontes distintas, os armazenam num Banco de Dados único e os disponibilizam através de diversas ferramentas. A partir de uma estação de trabalho, pode-se visualizar tanto os dados de tempo real como históricos da planta. Pode-se montar tabelas, gráficos de tendência, telas sinópticas e relatórios dinâmicos, concentrando a informação e possibilitando uma visão unificada de todo processo produtivo.
Imagem 2.1: PIMS eliminando as ilhas de informação.
A capacidade que os softwares PIMS possuem de gerar outros dados através de cálculos e de armazená-los por um longo período de tempo sem ter que enviá-los a um mainframe constitui um grande ganho para análise do processo a medida que não existe mais a preocupação quanto à origem dos dados, sejaela um PLC, um sistema SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition) ou SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído).
Na chamada Pirâmide da Automação, que apresentada na imagem 2.2, os sistemas PIMS encontram-se no nível 4, juntamente com os sistemas MES (Manufacturing Execution System, ou em português, Sistema de Execução de Manufatura), neste nível estão os sistemas responsáveis pelo controle, programação e planejamento da produção, são sistemas que integram ferramentas de planejamento com o nível controle, tendo como objetivo gerir e otimizar os processos produtivos.
A implantação de um sistema PIMS serve como vase à implantação de outros módulos de software como reconciliador de dados, sistema especialista, MES (Manufacturing Execution System) Supply Chain Manager. E também facilita a integração de sistemas EPR (Enterprise Resource Planning) com o chão de fábrica, ou seja, facilita a integração entre o topo e a base da pirâmide da automação.
Imagem 2.2: Pirâmide da Automação.
3. BENEFÍCIOS DOS SISTEMAS PIMS
Dentre os muitos benefícios gerados pela implantação de um sistema PIMS podem ser destacados seis, sendo eles:
Centralização da informação: com o PIMS toda a informação é concentrada em uma única base de dados de forma a permitir uma melhor correlação e análise sobre estes dados.
Democratização da informação: o PIMS possibilita que qualquer usuário tenha acesso aos dados da planta instantaneamente.
Visualização do processo produtivo em tempo real: todo processo produtivo pode ser visualizado de diversas formas, como: gráficos de tendência, gráficosXY, relatórios dinâmicos, telas sinóticas, aplicações Web e etc.
Imagem 3.1: Gráfico de tendência.
Imagem 3.2: Gráfico XY estabelecendo a correlação entre variáveis.
Imagem 3.3: Monitoramento do processo via Web.
Maior interatividade com os dados do processo: ferramentas simples, mas poderosas, permitem realizar, entre outras funcionalidades, cálculos, estudos estatísticos e lógica de eventos, utilizando os dados do processo.
Histórico de dados: capaz de armazenar até 15 anos de dados de processo graças à eficiência de seu algoritmo de compressão. A relação típica de compressão é da ordem de 10:1, mas podem ser alcançadas taxas de compressão de 20:1.
jkhk
Receita de processo: os sistemas PIMS permitem identificar e armazenar os dados correspondentes ao melhor resultado obtido na produção, para que estes sirvam como referência às interações futuras.
Todos estes benefícios combinados entre si permitem que, tanto o engenheiro de processo quanto o operador da planta, encontrem respostas para o comportamento positivo ou negativo do processo e alcancem o pleno conhecimento de sua planta, podendo assim atuar de forma a buscar os melhores resultados.
4. INFRA-ESTRUTURA
A infra-estrutura básica de um sistema PIMS consiste em:
Servidor Principal;
Servidores de Comunicação;
Estações Clientes;
Banco de Dados Relacional;
Infra-estrutura de Rede (Corporativa e Automação).
Imagem 4.1: Exemplo de Arquitetura dos Sistemas PIMS.
Servidor Principal: o servidor principal é o elemento responsável pela centralização das informações, ou seja, é nesta máquina que os dados doprocesso são armazenados e disponibilizados para as diversas aplicações. Os dados armazenados são oriundos dos Servidores de Comunicação e sua aquisição é feira através de protocolos que variam de acordo com o software PIMS utilizado. Alguns destes softwares possuem um mecanismo de “Store&Forward” que permite que os dados do chão-de-fábrica sejam temporariamente armazenados no servido de comunicação caso haja perda de comunicação entre este e o servidor principal.
Servidores de Comunicação: os servidores de comunicação realizam a interligação do Servidor Principal com os sistemas de supervisão da planta ou diretamente com os sistemas de controle. Os principais PIMS possuem interfaces para quase todos os sistemas de importância comercial, porém, por uma questão de praticidade, na maioria das aplicações os dados são adquiridos do chão-de-fábrica cia protocolo OPC (OLE for process control), ficando o PIMS como OPC Client e o Sistema de Supervisão e Controle como OPC Server.
Estações Clientes: as estações clientes são, em geral, computadores comuns, possuindo uma versão cliente do software de PIMS utilizado que permite visualização e tratamento dos dados residentes no servidor principal, os dados podem ser visualizados, por exemplo, através de gráficos, relatórios
e telas sinóticas.
Banco de Dados Relacional: quando utilizados alguns módulos especiais como controle de bateladas e gerenciador de eventos, o software de PIMS faz uso de banco de dados relacional externo, sendo necessário que para cada módulo e para cada servidor seja criada uma base de dados. O Banco de Dados usado pelo sistemaPIMS não é um banco de dados “convencional”. Isso porque ele funciona de forma a poder receber milhares de transações em curtos espaços de tempo para armazenar o resultado da aquisição de um sem número de dados dos vários subsistemas dos Níveis 2 e/ou 1.O Banco de Dados usado como repositório de dados de sistemas PIMS apresenta uma série de requisitos que diferem um pouco dos geralmente usados nas empresas:
Capacidade: gigantesco volume de dados das inúmeras variáveis coletadas.
Tempo de aquisição: altíssima frequência, por vezes ao nível de segundos.
Tipo de dados: dados de sensores, atuadores, medidores, válvulas, etc.
Volume de transações: dada a altíssima frequência, o volume de transações (principalmente escrita) é enorme, o que requer um extremamente robusto SGBD.
Tempo real: aqueles tipos de dados a serem coletados o são em tempo real, e não apenas em alguns momentos.
Compressão de dados: dado ao enorme volume de dados coletados e historiados (da ordem de 10 a 15 anos de coleta) são usados algoritmos especiais de compactação de dados.
Infra-estrutura de Rede: 	a configuração básica de rede do PIMS é composta pelos servidores principais conectados aos servidores de comunicação. Os servidores principais podem ser conectados à rede corporativa através de um switch para comunicação com as estações clientes, e à rede PIMS através de outro switch para receber dados dos servidores de comunicação, como mostrado na imagem 4.2 abaixo. Da mesma forma, os servidores de comunicação podem ser conectados à rede PIMS local através de um switch para comunicação com o servidor principal, e àrede de controle através de outro switch para comunicação com as estações de supervisão, PLCs ou SDCDs. Em aplicações que exigem comunicação com um banco de dados relacional externo, geralmente se utiliza a rede corporativa. Porém, não existe restrição em se instalar o software de banco de dados (Oracle, MS-SQL Server, etc) já no servidor principal.
Imagem 4.2: Exemplo de Infra-estrutura de Rede dos Sistemas PIMS.
5. FUNCIONALIDADES
Os principais constituintes de um sistema PIMS são:
O historiador de processos responsável por colher os dados de diversas fontes e armazená-los em um banco de dados temporal;
A interface gráfica para recuperação e visualização dos dados armazenados;
As aplicações clientes complementares;
5.1. FUNCIONALIDADES DO HISTORIADOR
O histórico dos sistemas PIMS têm capacidade de realizar aquisição de dados de diversas fontes alternativas (PLCs, SCADA, SDCDs). Em geral, a interface mais usada é a OPC, entretanto os principais PIMS possuem interfaces para quase todos os sistemas de importância comercial.
Os dados podem ser lidos ciclicamente pelo PIMS ou enviados por iniciativa do dispositivo de campo (unsolicited messages).
O armazenamento é feito num repositório de dados representado por um banco de dados temporal, cujas configurações como tamanho em bytes, dado mais antigo, número de ocorrências, podem ser definidas pelo usuário.
Depois de armazenados, os dados podem ser facilmente recuperados de acordo com a solicitação do usuário.
5.2. COMPRESSÃO DE DADOS
Uma das características mais importantes de sistemas PIMS é sua grande capacidade de compressãode dados históricos, o que torna possível armazenar até 10 anos da operação de uma planta em um disco rígido de capacidade típica em um PC (10/20 Gbytes). A relação típica de compressão é da ordem de 1:10, mas razões de 1:20 são comuns.
Ao invés de comprimir dados usando um algoritmo de codificação de repetição (run length encoding), típica de compressores de texto, ou de resumir os dados de um segmento de dados pelos valores dos extremos do período e por figuras auxiliares como valor médio, mínimo e máximo no intercalo, que causam grande perda das informações intermediárias, os PIMS desenvolveram algoritmos mais engenhosos.
Uma primeira idéia seria a de se amostrar o dado a intervalos fixos. Para aumentar a compressão teríamos que aumentar o período de amostragem. Isto causaria uma grande perda da informação intermediária. Agora imagine que se pode amostrar a curva nos pontos certos, isto é quando existem mudanças significativas acontecendo. Com isso conseguiríamos uma alta taxa de compressão sem perda da qualidade do dado.
Um bom algoritmo de compressão deve possuir as seguintes características:
Alta velocidade de compressão: o algoritmo deve ser simples, rápido e implicar em baixo overhead para a máquina que realiza a compressão, já que geralmente esta atividade é realizada por um processo em background.
Alta velocidade de descompressão: o usuário deseja examinar um gráfico de tendência de um dado armazenado há muito tempo e deseja visualizar os dados históricos na mesma velocidade que visualiza dados em empo real.
Alta taxa de compressão: quanto maior a relação entre o tamanho doarquivo de dados antes e depois da compressão melhor.
Boa reconstrução dos dados: os dados descompactados devem ser os mais próximos possíveis dos dados originais.
Segurança de dados: os dados já armazenados não podem ser perdidos em caso de uma pane ou queda de energia, o que implica que comprimir os dados em memória para depois salvá-los em disco deve ser feito com critério. 
O sistema de arquivos (repositório de dados) por detrás da implementação deve assegurar a geração de arquivos diferentes para diferentes tipos de dados (dados que variam rapidamente no tempo x dados que variam pouco).
5.3. FUNCIONALIDADES DE EXTRAÇÃO DE DADOS, CONSULTA E VISUALIZAÇÃO
Interagir com o usuário para solicitar queries SQL sobre os dados armazenados;
Definir e exibir gráficos de tendência e gráficos XY;
Definir e exibir sinópticos com animações gráficas em tempo real ou históricas;
Exportar dados para planilhas e outros aplicativos desktop;
Exportar dados para aplicações Web, compondo vista de processo que podem ser visualizadas através de browsers;
Exportar e importar dados para um banco de dados relacional.
Elaborar relatórios em vídeo ou impressos através de um gerador de relatórios próprio ou de terceiros (Cristal report, etc).
Imagem 5.1: Gráfico de Tendência.
Imagem 5.2: Consulta SQL na base de dados temporal.
Imagem 5.3: Relatório em Excel.
Imagem 5.4: Gráfico X-Y Estabelecendo a correlação entre variáveis.
5.4. FUNCIONALIDADES DAS APLICAÇÕES COMPLEMENTARES
Interfaceamento com bancos de dados relacionais: embora alguns produtos de PIMS permita uma consulta SQL aobanco de dados temporal, este banco de dados, pela sua própria natureza, é ineficiente para organizar informações relacionais. É aconselhável que todas as informações de natureza relacional sejam copiadas para um banco de dados relacional externo (Oracle, MS-SQL Server, etc). Todas as queries complexas deverão ser dirigidas a este banco, para não sobrecarregar o sistema PIMS quanto as suas funções básicas.
Interfaceamento com ERP: os principais PIMS possuem interfaceshomologadas para as principais transações dos principais ERPs. Muitos dos sistemas PIMS hoje instalados no mercado justificaram sua implantação pela necessidade de se ter um middlewarepar interligar os sistemas de chão de fábrica ao ERP. 
Gestão e tracking de bateladas: como a maior parte dos processos incluem etapas de batelada foram incluídos módulos para gerenciamento do processo e de ordem de fabricação de bateladas. Em geral, os pacotes dedicados têm-se mostrados mais poderosos e completos no gerenciamento do processo (Sequentia, Open Batch, Visuual Batch, etc). Já na função de rastreamento os módulos de bateladas dos PIMS têm-se mostrados
muito úteis, possibilitando correlacionar cada batelada com os seus dados de processo. Exemplo: Batch21 da Aspentech.
Imagem 5.5: Visualizando todos os dados de uma aplicação Batch
Gerenciamento de receitas: as receitas recebidas dos níveis superiores são recebidas e processadas. Este módulo pode estar incluído no de gerenciamento de bateladas, mas em alguns casos é tratado separadamente.
Reconciliação de dados: os dados provenientes de uma planta foram medidos diretamente através debalanças, totalizadores de vazão, etc. Muitos são obtidos diretamente e outros pela combinação da leitura de múltiplos instrumentos. Para se calcular a produção de uma planta de fertilizantes, por exemplo, temos que integrar a vazão de polpa de produto que é bombeada para fora da fábrica. Isto é conseguido calculando-se a vazão mássica através da vazão volumétrica e da densidade da polpa. Basta que um dos dois instrumentos esteja descalibrado para que se aumente a margem de erro do resultado (pose-se empregar também um medidor de vazão mássica por Coriolis, que evita a necessidade do densímetro). Existem produtos complementares ao PIMS que tratam os dados de produção de forma a distribuir os erros de medições e fechar balanços de massa ou energia, assegurando que os dados finais sejam coerentes entre si. Exemplo de produtos desta classe são o Process Advisorda Aspen e o Sigmafineda OSI.
Controle estatístico de processos: este módulo permite acompanhar o comportamento estatístico de um determinado processo através de cartas de controle e de relatórios. Alguns fornecedores possuem módulos avançados de controle estatístico multivariável (Aspen multivariate).
Imagem 5.6: Cartas de Controle.
Genealogia: este módulo tem por objetivo realizar o trackingdos produtos consumidos e gerados numa linha de produção, de forma a correlacionar o produto final com suas partes e cada parte a um produto final. Ao tomar um produto no final da linha de produção, deve-se ser capaz de dizer a que lote pertence cada um de seus componentes, a que hora foi introduzido no processo, quem realizou a montagem e qual oresultado do teste de conformidade aplicado (segundo norma internacional, da fábrica ou do cliente). Exemplo: Aspen Genealogy.
Interfaceamento com outros aplicativos: inclui o interfaceamento com softwares de gerenciamento de cadeia de suprimento e/ou otimizadores de processo. Muitos desses módulos realizam a função do MES (Manufacturing Execution Systems ou em português “Sistemas de Execução da Manufatura”), que são softwares que adquirem dados discretos de processo, os armazenam em um banco de dados e os disponibilizam através de relatórios diversos, mas com foco para a administração de recursos da empresa. Mas para um pleno gerenciamento do processo, deve-se limitar o PIMS à coleta e tratamento de dados e caso seja necessário à utilização de um sistema MES dedicado.
6. FONTE DE DADOS: SCADA OU REDE DE PLCs?
Existe uma discussão sobre onde buscar os dados, se dos PLCs e remotas ou se dos sistemas SCADA e as estações clientes de SDCDs. Na sua forma clássica, os sistemas PIMS acessam as fontes de dados localizadas nos sistemas SCADA e SDCD. Porém, há algumas implementações que também acessam dados diretamente dos PLCs e remotas, na verdade, existem vantagens nos dois casos.
Vantagens via PLCs:
Busca dos eventos com menor atraso temporal. Se o time stamp for aplicado pelo PIMS ele será mais preciso que se buscado SCADA.
Para redes homogêneas de PLCs (PLCs de mesmo fabricante) podem-se coletar os dados em um ponto único, se todas as redes de PLCs estiverem interligadas.
PLCs são mais confiáveis e apresentam menor suscetibilidade a falhas que os sistemas SCADA.
PLCs sãomais estáveis que sistemas SCADA. É normal se fazer o upgrade de sistemas SCADA a cada dois anos devido a novas versões do aplicativo e do sistema operacional. O SW de PLCs raramente sofrem upgrades.
Sistemas SCADA muitas vezes operam em hot stand-by o que implica em se definir um mecanismo de backup também para a aquisição de dados do PIMS.
Vantagens via SCADA:
No sistema SCADA os dados estão sempre em unidades de engenharia enquanto que em alguns PLCs mais antigos os dados estão em valor bruto (de 0 a 4095). Buscando-se os dados nos sistemas SCADA pegamos os dados já convertidos.
Muitas variáveis são definidas apenas no sistema SCADA, não existindo nos PLCs. Por exemplo, a umidade de uma pilha constitui um parâmetro de processo definido pelo operador em uma tela de entrada manual de dados de um sistema SCADA.
7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
PIMS - Process Infrmation Management System – Uma introdução. UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina; DAS – Departamento de Automação e Sistemas; [acesso em 02 de maio de 2014]. Disponível em: 
PIMS - Plant Infrmation Management System. ATAN SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO. [acesso em 02 de maio de 2014]. Disponível em: 
SISTEMAS PIMS – CONCEITUAÇÃO, USOS E BENEFÍCIOS. UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina; DAS – Departamento de Automação e Sistemas; [acesso em 02 de maio de 2014]. Disponível em: 
PIMS & MES - Process Information Management Systems& Manufacturing Execution Systems. RABELO, Prof. Ricardo J.; UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina; DAS – Departamento de Automação e Sistemas; [acesso em 02 de maio de 2014]. Disponível em:

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