Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS REVISÃO 2 Prof. Dr. Júlio Cesar Braz de Queiroz Sumário 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 3 2. ESTRUTURA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO E INFORMAÇÃO ........................... 4 2.1. Sistemas de Automação ..................................................................................................... 5 2.1.1. Sistemas de Instrumentação ......................................................................................... 5 2.1.1.1. Redes de Campo Industriais ..................................................................................... 7 2.1.2. Sistemas de Controle .................................................................................................. 17 2.1.3. Sistemas de Supervisão .............................................................................................. 23 2.1.3.1. Protocolo de Comunicação OPC............................................................................ 31 2.1.4. Sistemas de Otimização ............................................................................................. 34 2.1.4.1. Modelagem Matemática ......................................................................................... 35 2.1.4.2. Controle Avançado................................................................................................. 36 2.1.4.3. Inteligência Artificial ............................................................................................. 37 2.2. Sistemas de Informação ................................................................................................... 39 2.2.1. Sistemas de Gestão Corporativa................................................................................. 40 2.2.2. Sistemas de Execução da Manufatura ........................................................................ 41 2.2.3. Sistemas de Gestão da Informação ............................................................................ 42 2.2.3.1. Sistemas de Gestão da Informação da Planta......................................................... 42 2.2.3.2. Sistemas de Gestão da Informação do Laboratório................................................ 44 3. ORGANIZAÇÃO DA INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS ...................................................... 46 3.1. Plano Diretor de Automação e Informação ................................................................... 46 3.1.1. Objetivos de um PDAI ............................................................................................... 46 3.1.2. Premissas para o desenvolvimento de um PDAI ....................................................... 46 3.1.3. Diretrizes para o desenvolvimento de um PDAI........................................................ 46 3.1.4. Escopo de um PDAI ................................................................................................... 47 3.1.5. Abrangência de um PDAI .......................................................................................... 47 4. ASPECTOS OPERACIONAIS DA INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS ............................... 50 4.1. Ambiente de instalação dos equipamentos .................................................................... 50 4.2. Sistemas de Retaguarda de Energia ............................................................................... 51 4.3. Sistemas de Gerenciamento das Redes de Comunicação ............................................. 52 4.4. Sistemas de Segurança das Redes de Comunicação...................................................... 52 4.5. Estratégias de Redundância ............................................................................................ 53 4.5.1. Redundância física ..................................................................................................... 53 4.5.2. Redundância lógica .................................................................................................... 54 3 1. INTRODUÇÃO O termo automação está associado, fundamentalmente, à aplicação de dispositivos que visam substituir o trabalho braçal, insalubre ou repetitivo. O termo informação está associado, por sua vez, ao processamento de dados para o monitoramento de atividades e processos e à tomada de decisões. A integração de ambos resulta em sistemas de automação e informação, que podem ser implantados em ambientes residenciais, comerciais ou industriais, proporcionando benefícios inegáveis como o aumento da produtividade e da qualidade, redução dos custos e maior agilidade nos processos de tomada de decisões. A presente disciplina tem como objetivo apresentar ao aluno informações sobre a integração de sistemas de automação e informação em ambientes industriais, cujos conceitos mais complexos, podem ser estendidos e aplicados aos demais ambientes, desde que devidamente adequados à natureza dos processos. Serão apresentadas as principais características desses sistemas, como infraestruturas, interfaces, arquiteturas e configurações mais utilizadas. A abordagem do tema não está vinculada a qualquer tipo de produto de mercado, sendo que os conceitos e funcionalidades dos dispositivos são apresentados em âmbito geral. As figuras apresentadas no texto são de caráter meramente ilustrativo. Para usufruir plenamente dos benefícios de sistemas dessa natureza é necessário estabelecer um alto nível de integração, que deve abranger os seguintes aspectos e atender os respectivos requisitos, na ordem apresentada: − Organizacional: planejamento da integração dos sistemas de automação e informação em todas as unidades da empresa; organização e preparação das equipes de colaboradores; distribuição das atribuições e responsabilidades; disponibilização de procedimentos, padrões e normas. − Estrutural: redes, dispositivos, equipamentos e protocolos de comunicação; interfaces entre sistemas e usuários; distribuição das tarefas e funcionalidades entre os sistemas. − Operacional: padronização de procedimentos operacionais, implementação de estratégias para aumentar a disponibilidade e a confiabilidade dos sistemas. Entretanto, na prática da evolução dos sistemas industriais, a maioria dos processos é automatizada isoladamente, dando origem às chamadas “ilhas de automação”. Num estágio seguinte, tais ilhas são integradas umas às outras, constituindo os sistemas de automação. Num estágio mais avançado, estes sistemas são integrados aos sistemas de informação, ainda no limite de cada unidade. A plenitude é alcançada quando todas as unidades da empresa fazem parte de um único sistema de automação e informação, totalmente integrado. A organização do material da presente apostila segue a ordem prática e não a ideal relatada anteriormente. É abordado inicialmente o aspecto estrutural no capítulo 2, para depois abordar os aspectos organizacional e operacional nos capítulos 3 e 4, respectivamente. 4 2. ESTRUTURA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO E INFORMAÇÃO A integração dos sistemas de automação e informação é comumente representada em camadas, na forma de uma pirâmide, como ilustra a figura 1: Figura 1 - A pirâmide de sistemas de automação e informação A representação piramidal é bastante eficiente para mostrar a divisão hierárquica dos sistemas, entretanto, em aplicações reais, essa divisão nem sempre é tão clara, como é possível constatar na figura 2. Em um mesmo local, podem conviver vários sistemas, que utilizam inclusive os mesmos recursos de hardware. Outra questão importante é a possibilidade de execução de uma tarefa em sistemas diferentes, em função dos recursos disponíveis. Tomando como exemplo a tarefa de controle, observamosao longo da história, as seguintes mudanças: − Os primeiros algoritmos de controle foram implementados em módulos alojados em painéis e alocados no campo junto aos equipamentos sensores e atuadores, desempenhando um controle local; − Numa segunda etapa, a tarefa de controle passou a ser desempenhada por relés eletromecânicos, nos quais eram implementadas as lógicas de controle, intertravamento e sequenciamento (solução ainda aplicada em situações que exigem alta segurança); − A popularização dos computadores permitiu a migração da lógica implementada nos relés para os controladores programáveis, ampliando de maneira significativa os recursos de programação; − A utilização de computadores para desempenhar a interface com o usuário possibilitou que o controle também fosse implementado na camada de supervisão, apesar de não muito confiável devido à vulnerabilidade destes equipamentos; − Mais recentemente, o controle voltou a ser implementado na camada do chão de fábrica com a nova geração de instrumentos microprocessados conectados em rede. Não existe, portanto, uma regra que determine onde as tarefas devem ser executadas, quais recursos devem ser utilizados ou mesmo onde os dados devem ser armazenados. Existe sim, uma recomendação para que a tarefa seja executada o mais próximo de sua utilização, como será constatado adiante. Dessa forma, cada sistema deve possuir uma configuração de hardware e 5 software adequada às suas necessidades, estar apto a receber dispositivos de outros fabricantes bem como prever futuras mudanças e expansões. Figura 2 - Arquitetura de sistemas integrados A seguir, os sistemas de automação e informação são apresentados de forma ampla. 2.1. Sistemas de Automação Neste item, serão abordados os seguintes sistemas: − Instrumentação; − Controle; − Supervisão; − Otimização. 2.1.1. Sistemas de Instrumentação A primeira camada, analisando a pirâmide da figura 1 a partir da base, é formada pelos sistemas de instrumentação. Eles são compostos por: − Sensores que realizam as medidas do processo com base em fenômenos físicos; − Transdutores que traduzem estas medidas em sinais elétricos ou conjunto de bits para que possam ser transmitidas aos dispositivos de controle; − Atuadores que agem sobre o processo sob o comando dos controladores. Sistemas de Controle Rede Corporativa Rede de Controle Controladores Programáveis Estações de Supervisão Estações de Otimização Sistemas de Execução da Manufatura Sistemas de Gestão da Informação Sistemas de Otimização Sistemas de Supervisão Equipamentos inteligentes Rede de Campo Sistemas de Instrumentação Atuadores Sensores Dispositivos inteligentes Estações Gerenciais Sistemas de Gestão Corporativa Estações de Informação e Execução da Manufatura 6 É sem dúvida a mais importante das camadas como afirmou Connvell em 1988: "Todo controle começa com a medição e a Qualidade do Controle não será maior que a Qualidade da Medição". Esta frase retrata bem a necessidade de um sistema de instrumentação que realmente garanta a confiabilidade dos sinais das variáveis medidas bem como a precisa atuação dos elementos final de controle. Constitui assim uma área de interface crítica entre o processo e os demais sistemas, pois o bom desempenho dos mesmos é totalmente dependente da qualidade dos dados fornecidos pela instrumentação. Os fabricantes disponibilizam modelos de instrumentos nas tecnologias analógica e digital. A escolha da tecnologia depende obviamente da aplicação e da relação custo benefício. A tecnologia analógica (convencional) realiza a interligação dos instrumentos aos dispositivos de controle através de condutores, como mostrado na figura 3. Os sinais de entrada e saída são tipicamente correntes de 4 a 20 mA (analógicas) e tensões de 0 a 127 Vca ou 24 Vcc (discretas). Este tipo de tecnologia possui algumas desvantagens como: − Utilização de grande quantidade de cabos (2, 3 ou 4 condutores por instrumento); − Necessita de cartões de entrada e saída para realizar a interface com o controlador; − Maior vulnerabilidade a desgaste, interferência eletromagnética e mau contato; − Demanda maior tempo de instalação; − Requer mais manutenção; − Outras. Figura 3 - Interligação convencional de instrumentos A tecnologia digital (microprocessada) oferece alguns diferenciais, sendo o mais interessante a possibilidade de interligação dos instrumentos em rede, como mostra a figura 4. Mesmo optando pela tecnologia analógica, é possível conectar os instrumentos em rede através de conversores de sinais. Entretanto, as características e funcionalidades da tecnologia digital não estarão presentes. A tecnologia digital oferece algumas vantagens como: − Interligação dos instrumentos em redes de campo; − Redução drástica da necessidade de cabos e cartões de controladores; − Menor tempo de instalação; − Programação e configuração de instrumentos através de rede; − Realização de diagnósticos dos instrumentos e emissão de alarmes e mensagens; − Desenvolvimento de estratégias de controle no próprio instrumento; − Implementação e execução de tarefas via software; − Outras. Sistema de Supervisão Controlador Instrumentação 7 Apesar de ainda apresentar algumas limitações, essa tecnologia é bastante promissora para a implementação de sistemas totalmente integrados. Figura 4 - Interligação de instrumentos em redes de campo Links associados: www.emersonprocess.com.br/ www.br.endress.com/ www.yokogawa.com.br/ www.smar.com.br/ www.honeywell.com/ www.siemens.com.br/ www.ti.com/ 2.1.1.1. Redes de Campo Industriais As redes de campo industriais, denominadas em inglês pelo termo fieldbus, são redes de comunicação, bidirecionais, projetadas e utilizadas para interligar instrumentos e equipamentos de chão de fábrica. Tais redes possuem requisitos específicos, sendo o mais crítico deles, a velocidade de transmissão dos dados. Entretanto, somente este requisito não é suficiente para uma boa escolha. Outras questões devem ser consideradas como a facilidade de instalação, configuração e manutenção, possibilidade de implementação de diagnósticos, segurança na transmissão de dados, possibilidade de implantação de estratégias de redundância, estratégias de controle, etc. As primeiras redes de campo apareceram no início da década de 90 com o intuito de interligar instrumentos e equipamentos microprocessados em um meio físico e um protocolo que proporcionasse a interoperabilidade, ou seja, instrumentos de fabricantes diferentes poderiam ser interligados numa mesma rede e intercambiar dados e funcionalidades operacionais. Apesar de ter havido um grande esforço para a definição de um padrão único, a divergência de interesses dos principais desenvolvedores dessa tecnologia, não permitiu alcançar este objetivo. Dessa forma, surgiram diversos tipos de redes. Atualmente, dois grandes grupos detêm os principais padrões de redes de grande porte: Foundation Fieldbus (EUA) e Profibus (Alemanha). Outras redes, de menor expressão, atendem o mercado de aplicações de pequeno porte. Cada tipo de rede possui características próprias e é indicada para aplicações específicas. A figura 5 apresenta o domínio de aplicação de alguns tipos de redes de campo. 8 Figura 5 – Domínio de aplicação das redes de campo A variedade de opções permite ao usuário escolher o tipo de rede com a melhor relação custo- benefício para a solução de problemas, entretanto, não contribui para adefinição de um padrão de mercado amplo e único. A escolha de um determinado tipo de rede depende fundamentalmente do nível de complexidade das estratégias de controle e do tipo de dispositivos utilizados. A seguir, são apresentadas, de forma sucinta, algumas redes de campo industriais. Introduzida em 1989, a rede HART surgiu com o propósito de facilitar a calibração e a realização de ajustes em equipamentos analógicos, através de uma rede. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle, como mostra a figura 6. Figura 6 – Modulação de sinal na rede HART Possibilita a implementação de estratégias do tipo mestre-escravo/multimestre, trafegando sinais de 4-20 mA, como mostra a figura 7: S e n s o r e s e A tu a d o r e s 9 Figura 7 – Aplicação da rede HART O protocolo ModBUS foi desenvolvido inicialmente para estabelecer a comunicação entre os controladores da Modicon (Schneider). Por ser um protocolo aberto e aplicável a qualquer meio físico, foi utilizado por várias redes industriais e acabou tornando-se um padrão. Permite a configuração de dispositivos do tipo mestre-escravo/cliente-servidor. A aplicação de alguns protocolos é ilustrada na figura 8. Figura 8 – Protocolos ModBUS 10 A rede AS-Interface (Actuator-Sensor-Interface) foi inicialmente desenvolvida para ser uma alternativa de rede para interligação de sensores e atuadores discretos. Emprega soluções modulares para a interligação de equipamentos e instrumentos em rede. Utiliza cabeamento simples (2 fios) e possibilita a implementação de estratégias do tipo Mestre-Escravo, como ilustra a figura 9. Figura 9 – Aplicação da rede AS-Interface A rede Interbus é um sistema de barramento universal para conexão de sensores e atuadores. Possibilita configurações do tipo Mestre-Escravo, nas quais dispositivos controladores transferem diretamente para os módulos conectados, os níveis de entrada/saída do sistema de controle. Permite topologia em anel, enviando e recebendo dados simultaneamente (full-duplex). Uma aplicação da rede Interbus é apresentada na figura 10. Figura 10– Aplicação da rede Interbus 11 A rede Lonworks é baseada em um microcontrolador programável chamado Neuron que suporta o protocolo de comunicação Lontalk. Apresenta um modelo de comunicação independente do meio físico, podendo transmitir dados sobre cabos da rede elétrica, rede telefônica, correntes portadoras, fibra óptica, radiofrequência, infravermelhos, coaxial, entre outros. Apesar de projetada para atender a maioria das aplicações de controle, tem bastante aceitação em automação predial, conforme figura 11. Figura 11 – Aplicação da rede Lonworks A rede CAN (Controller Area Network) foi desenvolvida originalmente para aplicações em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios e tratores, entre outros. O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro. Uma aplicação da rede CAN em automóveis é apresentada na figura 12. Figura 12 – Aplicação da rede CAN Routers 12 A rede DeviceNet é um sistema de conexão aberto, de baixo custo, entre os dispositivos industriais (sensores e atuadores) e dispositivos de nível superior (controladores lógicos programáveis e PC). A rede DeviceNet usa um protocolo independente do tipo de rede, chamado protocolo industrial comum (Common Industrial Protocol - CIP), que é responsável pelos recursos de controle, configuração e coleta de dados da rede. Este processo garante maior flexibilidade graças à capacidade de trabalhar com dispositivos de diferentes fornecedores, como mostra a figura 13. Figura 13 – Aplicação da rede DeviceNet A rede ControlNet é uma rede dedicada à interligação de controladores. É extremamente rápida e atente às demandas de tempo real e aplicações de alto fluxo de dados. Ela combina, ao mesmo tempo, a funcionalidade de uma rede de dispositivos simples (entrada/saída) e o alto desempenho para os controladores. A figura 14 apresenta a aplicação conjunta das redes DeviceNet e ControlNet. Figura 14 – Aplicação conjunta das redes ControlNet e DeviceNet 13 O Profibus (Process Field Bus) é um padrão aberto de rede de campo, criado por um grupo de empresas alemãs para atender inicialmente o segmento de manufatura, estendendo-se posteriormente para a automação de processos. Seus padrões são estabelecidos por normas EN e segue as especificações do modelo de camadas OSI. Apresenta três classes distintas de rede: DP - Periferia Descentralizada, PA - Automação de Processos e FMS - Especificação de Mensagens Fieldbus (atualmente substituída pela rede ProfiNet), como mostra a figura 15. Figura 15 – Aplicação da rede Profibus O Fieldbus é um padrão aberto de rede de campo, criado por uma organização sem fins lucrativos (Foundation Fieldbus), liderada por empresas norte-americanas. Consiste em um sistema da comunicação totalmente digital, em série e bidirecional dedicado à automação de processos e instrumentação industrial. Seus padrões são estabelecidos por normas IEC e segue as especificações do modelo de camadas OSI. Apresenta três classes distintas de rede: H1 – Baixa Velocidade, H2 – Alta Velocidade e HSE – Ethernet de Alta Velocidade. Um exemplo de aplicação da rede Fieldbus é apresentado na figura 16. Figura 16 – Aplicação da rede Fieldbus 14 Contar com várias opções de escolha pode interessante. Entretanto, no caso das redes de campo, o excesso de alternativas e a indefinição quanto ao melhor padrão, ocasionou dúvidas nos usuários finais, que não foram capazes de definir quando usar, como usar e porque usar uma tecnologia. Diante de tal cenário, diversos fabricantes do setor de automação decidiram investir em pesquisas para o desenvolvimento de um padrão universal. O padrão Ethernet foi escolhido como plataforma, por ser o mais popular e já utilizado nas demais camadas do ambiente industrial e empresarial, como descrito a seguir: Ethernet é um padrão aberto de rede criado pela Xerox para, inicialmente, atender as necessidades de interligação de equipamentos em escritórios. Entretanto, devido ao sucesso do padrão, houve uma evolução significativa de sua utilização bem como de seus padrões de hardware, topologia e velocidade. Como os equipamentos de escritório não atendiam as necessidades das redes de maior porte, houve uma evolução significativa na tecnologia dos dispositivos repetidores e distribuidores (hubs, switches, bridges e routers) que passaram a utilizar softwares de gerenciamento de rede. O uso destes dispositivos microprocessados, com capacidade de realizar a comutação de mensagens, aliados ao modo de comunicação full duplex em substituição half duplex, promoveram ganhos significativos de desempenho na comunicação. Por sua vez, a velocidade inicial de 2,94 Mbps passou para 10 Mbps, em seguida para 100 Mbps e 1 Gbps. Entretanto, a rede Ethernet apresenta limitações para utilização no chão de fábrica. O problema fundamental em se aplicar a Ethernet como rede de campo industrial está no mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), através do qual a Ethernet define o compartilhamento do meio físico e corrige erros de colisão dos dados. Este mecanismo é fundamentalmente não-determinístico, o que pode ser um empecilho para aplicações em tempo real. Outras limitaçõesainda podem ser relacionadas à robutez e configuração do hardware, e também às topologias disponíveis. Dessa forma, diversas empresas uniram-se para trabalhar no sentido de superar as limitações da Ethernet convencional e evoluir para um padrão industrial, a Ethernet Industrial. O determinismo na entrega de mensagens em uma rede de comunicação é dependente de um conjunto de fatores que tornam o fluxo de dados gerenciável e programável. Fatores como velocidade de comunicação, topologia da rede, domínios de colisão, conexões redundantes e qualidade de serviço são capazes de qualificar a Ethernet como determinística, desde que haja garantia de atendimento dos tempos de resposta especificados para cada aplicação. Na busca do determinismo, a Ethernet Industrial pretende utilizar a velocidade de 10 Gbs, capaz de transmitir frames de 1518 bytes a 1,2 µs. A redução dos tempos de transmissão significa, para o determinismo, que toda a comunicação está acontecendo de forma mais rápida. Qualquer tempo de espera por dados de outro dispositivo torna-se insignificante. Entretanto, o aumento da velocidade aumenta também a probabilidade de ocorrerem colisões. Uma forma de minimizar esse problema é a substituição do modo de operação compartilhado (utilização de hubs) pelo modo chaveado (utilização de switches). Neste modo de operação, a taxa de transferência de dados é duas vezes maior devido à possibilidade de enviar e receber dados simultaneamente (full duplex). Outro mecanismo que visa aumentar o desempenho da rede Ethernet 15 Industrial é permitir os equipamentos definir a prioridade das mensagens trafegadas, garantindo assim o recebimento de dados de modo determinístico. Para suportar a agressividade do ambiente industrial, fabricantes desse segmento desenvolveram equipamentos específicos, com configurações adequadas às aplicações. As figuras seguintes apresentam equipamentos no padrão Ethernet Industrial. Figura 17 – Hubs, Switches, Bridges e Routers para Ethernet Industrial Figura 18 – Conectores padrão Ethernet Industrial Figura 19 – Interfaces óticas padrão Ethernet Industrial Um problema fundamental da rede Ethernet convencional é o suporte à redundância. Algumas soluções proprietárias surgiram nas próprias empresas usuárias, porém com utilização restrita. As topologias convencionais evoluíram da configuração do tipo barra (ligação dos repetidores em sequencia) para estrela (centralização da distribuição de informações), como mostra a figura 20. Todavia, para atender as exigências de disponibilidade das aplicações industriais foram desenvolvidos dispositivos de rede inteligentes para a construção de anéis redundantes com switches óticos ligados sequencialmente, como mostra a figura 21. Um recurso interessante que pode agregar flexibilidade às aplicações industriais é a possibilidade de comunicação sem fio (wireless). É uma solução prática, de fácil instalação e configuração, e custo relativamente baixo. Entretanto, a solução sem fio é recomendada sem restrições apenas para aplicações não-críticas. Em ambientes industriais, sujeitos às interferências eletromagnéticas causadas por equipamentos e rádio comunicadores, a solução sem fio não é totalmente segura. Ela pode utilizada em situações em que é necessário comunicar dispositivos remotos ou equipamentos móveis. Mesmo assim, é importante verificar se a área não está sujeita a interferências indesejadas que possam causar perturbação no processo, como ilustra a figura 22. 16 (a) (b) Figura 20 – Topologias de rede (a) Barra (b) Estrela (a) (b) Figura 21 – Topologias de rede em anel redundante (a) Simples (b) Duplo Figura 22 – Aplicação da rede Ethernet Industrial sem fio Superadas as limitações da rede Ethernet para o ambiente industrial, ela será instituída como o padrão de rede para todos os níveis institucionais, interligando desde o chão de fábrica até os níveis corporativos. Links associados: www.smar.com/ www.schneider.ind.br/ www.moeller.com.br/ 17 www.phoenixcontact.com.br www.lonmark.org/ www.rockwell.com.br/ www.controlnet.org/ www.odva.org/ www.profibus.org/ www.fieldbus.org/ www.iebmedia.com/ www.hirschmann.com 2.1.2. Sistemas de Controle Os sistemas de controle são constituídos, essencialmente, por controladores programáveis e “dispositivos inteligentes”. Entende-se por “dispositivos inteligentes”, os equipamentos capazes de desempenhar tarefas importantes para o processo, através da utilização de microprocessadores. Dentre os “dispositivos inteligentes” mais utilizados em plantas industriais podem ser destacados os relés microprocessados, que realizam o gerenciamento de motores (controle, proteção e diagnósticos) de forma flexível e modular, em conjunto com os controladores programáveis. Desta forma, parte da programação que normalmente é realizada nos controladores pode ser implementada nos relés, aliviando a carga de processamento nas CPU. Uma ilustração de um relé microprocessado é mostrada na figura 23. Figura 23 – Relé microprocessado Os controladores programáveis, por sua vez, são computadores dedicados que executam diversas tarefas em tempos da ordem de milisegundos. Apresentam configurações compactas, com limitada capacidade de expansão, ou modulares, que podem ser especificados de modo a atender as necessidades do processo a ser controlado. A figura 24 ilustra as duas modalidades. (a) (b) Figura 24 – Modelos de controladores programáveis (a) Compacto (b) Modulares As configurações modulares são normalmente instaladas em painéis, que devem obedecer a requisitos normativos de construção. Estes requisitos levam em consideração, fundamentalmente, o ambiente de instalação e as condições de operação. Um exemplo de painel é mostrado na figura 25. 18 Figura 25 – Painel para controlador programável Sistemas de controle de médio e grande porte utilizam arquiteturas distribuídas, como exemplifica a figura 26. Nesta arquitetura a unidade principal (CPU) é instalada próximo à sala de operação. Na CPU é processada toda a lógica de controle, sequenciamento e intertravamento do processo. Através de uma rede de comunicação, a CPU é interligada a várias unidades terminais remotas (RTU). As RTU não possuem CPU e são instaladas em salas elétricas próximas às áreas do processo, a fim de facilitar as conexões dos instrumentos de campo. Caso uma RTU esteja a uma distância muito grande, a ponto de comprometer os requisitos de processamento em tempo real para controle e segurança, é recomendado instalar uma CPU para processamento local. Figura 26 – Arquitetura distribuída de controladores Unidade Principal com: - CPU - Cartão de Rede - Acessórios Sala de Operação Unidade Remota com: - Cartão de Rede - Cartões de Entrada/Saída Sala Elétrica Área X Unidade Remota com: - CPU - Cartão de Rede - Cartões de Entrada/Saída Sala Elétrica Área Y Rede de Controle CHÃO-DE-FÁBRICA CHÃO-DE-FÁBRICA 19 Coexistem no mercado, três soluções de sistemas de controle, baseadas nas seguintes tecnologias: � CLP (Controlador Lógico Programável) + interface gráfica SCADA (Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados); � SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído);� Sistema híbrido. O CLP teve suas origens na indústria automobilística (manufatura) e é indicado para processos com predominância de variáveis discretas. Está presente nos segmentos industriais de mineração, alimentício, têxtil, cimento, energia, etc. Abaixo, seguem ilustrações de equipamentos de CLP. Figura 27 – Equipamentos de CLP O SDCD teve suas origens na indústria petroquímica (transformação) e é indicado para processos com predominância de variáveis analógicas. Está presente também no segmento de papel e celulose, cujo produto apresenta alto valor agregado. A figura 28 ilustra os equipamentos de SDCD. Figura 28 – Equipamentos de SDCD Entretanto, nem todos os processos apresentam predominância explícita de variáveis discretas ou analógicas, como por exemplo, siderúrgico, químico, metalúrgico. Para atender estes segmentos, os fabricantes de SDCD desenvolveram os chamados sistemas híbridos, que agregam as potencialidades de ambas as tecnologias, CLP e SDCD, em um só produto. A figura 29 ilustra os equipamentos de sistemas híbridos. 20 Figura 29 – Equipamentos de Sistemas Híbridos Dessa forma, com base no critério de dominância de variáveis, é possível estabelecer a relação: Figura 30 – Processos versus tecnologias Na prática, grande parte dos segmentos que poderiam utilizar os Sistemas Híbridos não o faz, devido ainda a seu alto custo, dando preferência ao CLP e agregando, quando necessário, sistemas de otimização tradicionais. A seguir, são apresentadas as principais características das três tecnologias, que comumente estão presentes nos produtos de maior penetração no mercado. Eventualmente poderão ser notados alguns desvios com relação a produtos existentes. CLP + SCADA SDCD Sistema Híbrido Fornecimento por projeto de integração de hardware e software: CPU e módulos de CLP, estações de engenharia e operação, redes de comunicação, softwares, engenharia básica e detalhada, configuração e integração. Fornecimento por projeto de integração de hardware e software: CPU e módulos de SDCD, estações de engenharia e operação, redes de comunicação, softwares, engenharia básica e detalhada, configuração e integração. Fornecimento por projeto de integração de hardware e software: CPU e módulos de CLP e SDCD, estações de engenharia e operação, redes de comunicação, softwares, engenharia básica e detalhada, configuração e integração. Tecnologia aberta atendendo os padrões de mercado com liberdade de escolha de fornecedores. Hardware e software padrão de mercado permitindo agilidade de atualização e incorporação de novos dispositivos. Predominância de Variáveis Analógicas Discretas Tecnologias SDCD Sistema Híbrido CLP 21 CLP + SCADA SDCD Sistema Híbrido CPU e remotas de CLP distribuídas pelas áreas do processo para atender variáveis discretas e analógicas. CPU e remotas de SDCD distribuídas pelas áreas do processo para atender variáveis discretas e analógicas. CPU e remotas de CLP para atender variáveis discretas e CPU e remotas de SDCD para atender variáveis analógicas. Possibilidade de redundância com duplicação de CPU, fontes e cartões de entradas e saídas Evolução, migração e/ou adaptação para a plataforma Windows NT tendo sido originalmente concebidos para sistemas como DOS, Windows, OS2, etc. Alguns produtos ainda utilizam a plataforma VMS, UNIX e outras, que não se consolidaram como tendência no mercado mundial. A maioria dos sistemas já está adotando a plataforma NT. Utilização da plataforma Windows NT como ambiente nativo empregando todos os recursos e tendências recentes em termos de aplicativos, arquiteturas, padrões de comunicação, redes, drivers, interfaces, etc. Alta eficiência no tratamento de variáveis discretas com funções dedicadas à manipulação dessas variáveis. Crescente melhoria no tratamento de variáveis analógicas. Alta eficiência no tratamento de variáveis analógicas com funções dedicadas à manipulação dessas variáveis. Crescente melhoria no tratamento de variáveis discretas. Alta eficiência no tratamento de variáveis analógicas e discretas com funções dedicadas à manipulação de ambas as variáveis. Requer maior esforço de configuração e manutenção, sendo geralmente necessário, um profissional para realizar a programação do nível de controle e outro para configurar o sistema de supervisão. Redução do esforço de configuração sendo que um único profissional pode realizar a programação do nível de controle e configurar a supervisão. Redução do esforço de configuração sendo que um único profissional pode realizar a programação do nível de controle e configurar a supervisão. Bases de Dados de Tempo Real no nível de supervisão e dos controladores, o que dificulta a construção e manutenção da consistência e da confiabilidade dos dados cadastrados. Bases de Dados de Tempo Real localizadas no nível dos controladores, o que facilita a construção e manutenção da consistência e da confiabilidade dos dados cadastrados. Bases de Dados de Tempo Real localizadas no nível dos controladores, o que facilita a construção e manutenção da consistência e da confiabilidade dos dados cadastrados. Capacidade de gerenciar Bases de Dados de Tempo Real com aproximadamente 15.000 pontos de I/O sem comprometimento de performance. (*) Capacidade de gerenciar Bases de Dados de Tempo Real com aproximadamente 50.000 pontos de I/O sem comprometimento de performance. (*) Capacidade de gerenciar grandes Bases de Dados de Tempo Real com aproximadamente 50.000 pontos de I/O sem comprometimento de performance. (*) Execução da lógica de processo, intertravamentos, controle convencional no PLC. Execução da lógica de processo, intertravamentos, controle convencional e controle avançado no SDCD. Execução da lógica de processo e intertravamentos nos CLP e execução das estratégias de controle convencional e avançado no SDCD. (*) Estes valores podem variar em função do hardware e software utilizado. Conforme mencionado anteriormente, a maioria dos segmentos da indústria utiliza os CLP devido a seu baixo custo, bom desempenho, alta disponibilidade e confiabilidade. Mesmo as empresas que Dessa forma, é o equipamento estudado na maioria das instituições de ensino, uma vez que os alunos terão maiores chances de trabalhar com ele em sua vida profissional. Além dos aspectos 22 tratados acima, é necessário destacar a norma IEC 61131-3, que trata da programação de controladores industriais. A norma apresenta cinco divisões, listadas a seguir: 1. Definições e Visão Geral a. Definições e glossário de termos utilizados na norma b. Lista de normas IEC correlatas / referenciadas c. Características principais de controladores programáveis 2. Hardware a. Requisitos elétricos, mecânicos e funcionais de Controladores Programáveis e periféricos associados b. Condições de serviços, armazenagem e transporte c. Informações a serem fornecidas pelo fabricante d. Métodos e procedimentos de testes para verificação de conformidade de Controladores Programáveis e periféricos associados 3. Linguagens de Programação a. Modelo de software de comunicação e programação b. Definição de 5 linguagens de programação interrelacionadas c. Sintaxe e Semântica de duas linguagens textuais e duas gráficas: Lista de Instruções (Instruction List - IL), Texto Estruturado (Structured Text - ST), Diagrama de Contatos (Ladder Diagram - LD) e Diagrama de Blocos Funcionais (FunctionBlock Diagram - FBD) d. Diagrama de Funções Sequenciais (Function Chart - SFC) para estruturação de programas 4. Orientação ao Usuário a. Utilização de outras divisões da norma do controlador programável b. Especificação de requisitos para aplicações c. Seleção e implementação de sistemas 5. Comunicação a. Baseada no MMS (Manufacturing Message Specifications) A divisão 3 da norma é de interesse imediato do usuário de CLP, pois após a especificação do hardware adequado para a solução da automação, é necessário realizar a programação das estratégias de controle e operação. O programador tem 5 linguagens (ver figura 31) disponíveis e poderá utilizar cada uma de acordo com as suas características. Apesar disso, a linguagem mais utilizada é a de Diagrama de Contatos, por ser mais compreendida pelos usuários finais, que normalmente possuem formação técnica em eletricidade. Figura 31 – Linguagens de Programação de controladores industriais 23 Links associados: www.siemens.com.br/ www.schneider-eletric.com.br/ www.br.rockwellautomation.com.br/ www.gefanucautomation.com/ www.altus.com.br/ www.invensys.com.br/ www.yokogawa.com.br www.abb.com.br/ www.emersonprocess.com/ 2.1.3. Sistemas de Supervisão Os sistemas de supervisão são responsáveis por desempenhar a interface gráfica entre usuário e processo. Essa interface pode ser bastante simples, como uma botoeira, um pouco mais elaborada como as interfaces humano máquina (IHM) ou complexa como os sistemas de supervisão. A figura 32 mostra tais modalidades. (a) (b) (c) Figura 32 – Interfaces com o usuário: (a) Botoeiras (b) IHM (c) Tela de um Sistema de Supervisão 24 Os dispositivos mais simples, como as botoeiras, são limitados a indicar o estado de equipamentos e possibilitar comandos básicos. As IHM apresentam recursos mais elaborados e permitem a implementação de lógicas de controle, segurança e operação. Dispõem de um hardware resistente ao ambiente industrial e são utilizadas em situações em que o usuário deve ter visão do processo ou máquina em que está trabalhando, como ilustra a figura 33. Figura 33 – IHM para operação local Os sistemas de supervisão, também chamados sistemas “supervisórios” ou sistemas SCADA (Supervision Control and Data Acquisition) são sistemas completos de supervisão que utilizam computadores e softwares gráficos para representar a dinâmica do processo. Estão presentes nas salas de operações de plantas industriais e são utilizados para supervisão e operação remota, como mostra a figura 34. Apesar de permitir a implementação de aplicativos de controle, não é indicado realizá-la nessa camada devido à sua menor confiabilidade e disponibilidade quando comparada às camadas de controle e instrumentação. Figura 34 – Salas de operações de uma planta industrial Os sistemas SCADA possuem diversas funcionalidades, esquematizadas na figura 35. Abaixo, as funcionalidades dos sistemas de supervisão são descritas brevemente. Elas podem variar na forma de apresentação e configuração, de acordo com o fabricante, sendo mais, ou menos amigável, e consequentemente menos, ou mais aberta. Em geral, a facilidade de configuração da tarefa é inversamente proporcional à sua abertura. 25 Figura 35 – Funcionalidades de um sistema de supervisão Driver de Comunicação O termo driver é utilizado para denominar a interface de comunicação entre as estações de operação e os controladores, cuja configuração é ilustrada na figura 36. A quantidade de drivers suportada por cada software de supervisão difere de acordo com o fabricante. A priori, é possível realizar a comunicação de uma estação de operação com mais de um tipo de controlador. Ao configurar o driver de comunicação, deve ser observada a distribuição dos dados na base de dados em tempo real do controlador, para adequar a periodicidade de leitura à característica temporal dos grupos de variáveis. As leituras podem ser realizadas por tempo ou por exceção. Uma configuração adequada do driver pode resultar em ganhos significativos de tempo na comunicação. Figura 36 – Configuração do driver de comunicação A comunicação entre equipamentos e sistemas, no chão de fábrica, não é tarefa simples. Fabricantes diferentes, apesar de adotar o padrão Ethernet para comunicação, não disponibilizam funções que permitem o intercâmbio de dados, diretamente entre equipamentos. Essa limitação pode ser superada a partir da utilização de drivers que utilizam o protocolo de comunicação OPC, apresentado em 2.1.3.1. 26 Base de dados em Tempo Real A Base de Dados em Tempo Real (BDTR) é o repositório de dados do sistema de supervisão, atualizado em tempo real e alocado em memória RAM. A BDTR pode conter dados lidos diretamente do processo, pelo driver de comunicação, dados de entrada do operador e dados internos para armazenamento de operações realizadas. Mesmo suportando grandes quantidades de dados, é interessante priorizar as variáveis de processo, ou seja, as variáveis que demandam atualização em tempo real. Para o cadastramento dos dados na BDTR, deve ser realizado um levantamento de todas as variáveis envolvidas na tarefa de supervisão e controle, suas características, atributos e propriedades. Para cada variável, devem ser definidos: - o nome da variável (TAG); - a descrição da variável; - tipo da variável; - o endereço; - a periodicidade de atualização; - a amplitude de escala; - a unidade de engenharia; - o fator de conversão ou correção; - os valores de limites operacionais; - o valor da zona morta; - outros. A figura 37 ilustra a tarefa de cadastramento de dados em um software orientado a objeto. Figura 37 – Cadastramento de variáveis na Base de Dados em Tempo Real 27 Interface gráfica Os sistemas de supervisão possuem ambientes de desenvolvimento de telas gráficas que permitem construir a interface do processo com o usuário, como mostra a figura 38. Figura 38 – Ambiente do editor gráfico As interfaces podem ser divididas em: - Telas de sinóticos, contendo a visão geral do processo (ver figura 32c); - Janelas de operação específicas por equipamento ou funcionalidade, como ilustra a figura 39; - Telas de utilidades para alarmes, relatórios, diagnósticos, gráficos, etc. (ver figuras abaixo). Figura 39 – Janela para sintonia de controladores 28 A configuração das telas do sistema deve atender a alguns princípios de ergonomia, como a cor de fundo, que deve ser selecionada de modo a não fatigar o usuário que passará horas diante do monitor. Outro ponto a ser observado é o emprego de cores muito claras desgastam com maior rapidez a tela do monitor. Os desenhos dos objetos devem, sempre que possível, seguir um padrão. Desta forma, em qualquer área atendida pelo supervisório, equipamentos da mesma espécie são representados pelo mesmo símbolo. Os softwares de configuração de sistemas supervisórios geralmente possuem bibliotecas de objetos que podem ser exploradas, como mostra a figura 40. Figura 40 – Biblioteca de objetos A alocação dos objetos pela área útil da tela deve ser distribuída, evitando a concentração em determinadas áreas. Telas excessivamente carregadas, com objetos e textos, podem dificultar a compreensão das informações por parte do usuário, além de provocar atrasos na atualização das informações da tela. Os recursos gráficos do software devem ser explorados ao máximo. São eles: cópia, duplicação, eliminação, seleção de objetos, seleção de cores, facilidades para confecção de textos e figuras, recursos de ampliação, grid, alinhamento de objetos,recursos de multimídia, etc. Alarmes A tarefa de Alarme é responsável pela sinalização de ocorrências e defeitos nos equipamentos. O texto do alarme deve conter informações essenciais, como por exemplo: - data da ocorrência (dia-mês-ano); - horário da ocorrência (hora:minuto:segundo); - tag do equipamento; - valor da variável excedida; - descrição da ocorrência; - endereço ou referência para localização do defeito; - indicação de reconhecimento do alarme. 29 Cada tela deve conter, no rodapé ou cabeçalho, uma faixa destinada aos alarmes correntes, denominada banner, como ilustra a figura 41. Figura 41 – Banner com alarmes correntes Deve ser construída também, uma tela destinada aos alarmes ativos e outra aos alarmes históricos, como mostra a figura 42. Figura 42 – Tela de alarmes A tela de alarmes ativos deve conter todos os alarmes do sistema durante um período definido. Os alarmes devem ser diferenciados por cores, modo piscante e emissão sonora (definidos no padrão), para facilitar a identificação do defeito ou ocorrência. O conteúdo desta tela deve ser configurável, com a possibilidade de separação dos alarmes por classes, categorias ou outras chaves de seleção. Deve também apresentar recursos para paginação, seleção, reconhecimento e eliminação de alarmes, direcionamento para impressora ou arquivo, habilitação/desabilitação de alarmes sonoros. A tela de histórico de alarmes deve possibilitar o resgate dos alarmes ocorridos, a partir da data corrente até uma determinada data. O conteúdo desta tela também deverá ser configurável, com a possibilidade de separação dos alarmes. Deve também apresentar recursos para paginação, seleção e eliminação de alarmes, direcionamento para impressora ou arquivo. 30 Relatórios Os relatórios do sistema devem ter seu conteúdo e formatação definidos previamente à configuração, como exemplifica a figura 43. A tela de relatórios deverá apresentar a relação de relatórios emitidos pelo sistema e botões para comandar geração destes. Figura 43 – Exemplo de relatório É desejável que o usuário possa visualizar o conteúdo do relatório antes de solicitar a impressão, bem como realizar alterações e adicionar comentários. Deve ser prevista ainda, a possibilidade de direcionamento do conteúdo do relatório para arquivos. Os constantes insucessos nas implementações de relatórios em sistemas de supervisão, mostraram que este não é o ambiente adequado para suportar tal funcionalidade. É interessante contar com um computador à parte, no qual deve ser instalado um banco de dados. O banco de dados será o responsável por armazenar e organizar os dados, aliviando a base de dados em tempo real do sistema de supervisão. Um software específico deverá ser utilizado para a elaboração dos relatórios. Tendência Os gráficos de tendência apresentam o comportamento dinâmico de variáveis em períodos definidos pelo usuário, como mostra a figura 44. Figura 44 – Tela de tendências Os gráficos devem possibilitar a seleção das variáveis apresentadas, seleção da cor da pena, seleção do período e escala de apresentação, bem como recursos de deslocamento no tempo, ampliação, congelamento, barra de valores instantâneos, etc. 31 Receitas Receita é um conjunto de parâmetros pré-definidos do sistema para ser enviado ao CLP. Esta tarefa é de grande utilidade em processos em batelada (lotes de produção). A tarefa deve ser configurada de forma a possibilitar o envio da receita ao CLP sem interrupção da operação, modificar parâmetros durante a operação e resgatar o conjunto de parâmetros modificado como uma nova receita. A figura 45 ilustra a tarefa de receitas. Figura 45 – Tela de receitas Segurança Deve ser estabelecida uma estratégia de segurança operativa implementada através de senhas com 2 (dois) níveis de restrição: permissão de acesso do usuário somente às áreas permitidas, e acesso do usuário somente aos comandos permitidos. Uma tela de login é mostrada na figura 46. Figura 46 – Tela de login 2.1.3.1. Protocolo de Comunicação OPC Reprisando os argumentos apresentados anteriormente, a comunicação entre equipamentos e sistemas de fabricantes diferentes, apesar de adotar o padrão Ethernet para comunicação, não é possível de forma direta. Dessa maneira, a plena comunicação somente é alcançada quando utilizados equipamentos e sistemas de mesmo fabricante, como ilustra a figura 47. Na configuração apresentada na figura, os CLP podem intercambiar dados entre si e com os sistemas de supervisão. Caso um dos CLP fosse de marca diferente, a comunicação entre eles não seria possível. 32 Figura 47 – Configuração com equipamentos de mesmo fabricante Para superar essa limitação, um grupo de empresas liderado pela liderado pela Microsoft, criou uma fundação, denominada OPC Foundation, para trabalhar em um protocolo único de comunicação, o OLE for Process Control (OPC). As especificações do protocolo OPC, bem com as especificações para a construção de drivers e aplicativos estão disponíveis no site da fundação. O protocolo OPC é uma evolução do Object Linking and Embedding (OLE) para atender os requisitos da modalidade industrial. Ele estabelece a figura de um servidor, com o qual qualquer cliente OPC pode trocar dados, como mostra o esquema da figura 48. Figura 48 – Relação servidor/cliente no padrão OPC Sendo assim, equipamentos de marcas diferentes, compatíveis ao padrão OPC, podem numa configuração servidor/cliente, intercambiar dados entre si, como ilustra a figura 49. Figura 49 – Configuração com equipamentos de fabricantes diferentes utilizando OPC 33 Além da funcionalidade fundamental de prover uma Base de Dados em Tempo Real (BDTR), o servidor OPC ainda pode disponibilizar dados sobre alarmes e eventos (OPC Alarms and Events Specification), dados históricos (OPC Historical Data Access Specification), dados de processos em batelada (OPC Batch Specification), entre outros. A organização dos dados no servidor segue uma estrutura de grupos, como mostra a figura 50. Cada grupo de dados pode ter características diferentes, como por exemplo, a periodicidade de atualização. Um grupo pode ser ativado ou desativado a qualquer momento. Os aplicativos de telas gráficas, receitas, relatórios, etc., podem usar um ou mais grupos de dados. Figura 50 – Organização dos dados no servidor OPC Uma forma de organizar os dados no servidor OPC é mostrada na figura 51. É criada uma estrutura de diretório (pasta) para armazenar dados de todos os equipamentos, no caso, controladores programáveis. Sob essa estrutura, são criadas subpastas referentes às CPU dos controladores. Sob cada CPU, são criadas pastas referentes aos grupos de variáveis da base de dados do controlador. Finalmente, em cada pasta, armazenadas as variáveis do processo. Cada variável é um objeto OPC que proporciona uma conexão com uma entrada física de dados. A variável fornece ao cliente OPC informação de: valor, time stamp, qualidade do dado e tipo de dado. É possível definir um vetor de objetos como uma única variável. Figura 51 – Exemplo da organização dos dados no servidor OPC Links associados: www.siemens.com.br/ www.schneider-eletric.com.br/ www.br.rockwellautomation.com.br/ www.gefanucautomation.com/ www.invensys.com.br/ www.abb.com.br/ www.opcfoundation.org/ 34 2.1.4. Sistemas de Otimização O conceito de otimização está relacionado à melhoria de índices de uma planta industrial, a partir da modernização dos recursos instalados, adoção de estratégias de controle avançado e de mudanças de caráter operacional. A utilizaçãodas técnicas de otimização tem se mostrado uma alternativa muito interessante para ultrapassar os limites usualmente alcançados somente com a automação dos processos, como ilustra a figura 52. Figura 52 – Benefícios da automação e da otimização Dessa forma, a otimização de um processo passa pela identificação dos índices de desempenho e das técnicas que permitem maximizá-los ou minimizá-los. Entretanto, alguns índices podem ser concorrentes em determinadas situações, como por exemplo, “redução de custos” versus “aumento da quantidade produzida”. Cabe então, às estratégias de otimização, conciliar e indicar/decidir, a cada momento, qual a melhor alternativa. Antes de apresentar algumas das técnicas de otimização, é importante entender como funciona um sistema de otimização, independente da plataforma utilizada: CLP+SCADA+Otimização, SDCD ou Híbrido. O sistema de otimização opera em conjunto com o sistema de automação tradicional, no modo definido pelo usuário (Desativado ou Ativado, com ou sem poder de decisão), como mostra a figura 53. Em modo desativado, os set-points do processo devem ser definidos pelo operador, que possui em sua mente as regras e estratégias para atender as metas e condições estabelecidas pela produção. Ocorre que, na maioria das vezes, estes set-points permanecem fixos ou sofrem poucas alterações ao longo do turno de serviço do operador. Sem entrar no mérito da questão, é possível imaginar que devem haver outras combinações de set-points, além das usadas pelo operador, que proporcionam melhor desempenho. Quando o sistema de otimização é ativado, os set-points do processo passam a ser calculados por ele. O sistema de otimização busca, a todo instante, a melhor combinação de set-points a fim de obter os melhores rendimentos para o processo. O operador então deve decidir em adotar ou não as sugestões apresentadas pelo sistema. Pode ainda, atribuir autonomia ao sistema para tomar decisões sem a sua autorização. Sistemas de otimização podem utilizar diversas tecnologias, das quais podemos relacionar as mais utilizadas: − Modelagem Matemática; − Inteligência Artificial; − Controle Avançado. 35 (a) (b) (c) Figura 53 – Modos de operação de um sistema de otimização (a) Desativado (b) Ativado sem poder de decisão (c) Ativado com poder de decisão 2.1.4.1. Modelagem Matemática Um modelo matemático representa a relação matemática entre variáveis de entrada e saída de um processo real. São várias as possibilidade de representação, como por exemplo: − Equações diferenciais; − Diagramas de blocos; − Diagramas de fluxo de sinais; − Funções de transferência; − Equações de estado; − Modelos autoregressivos; − Etc. Um bom modelo permite a realização de simulações computacionais a fim de verificar o comportamento do processo para entradas específicas, sem ter que necessariamente, submeter o processo real a tais circunstâncias. Permitem também a estimação de variáveis do processo para a elaboração de estratégias de controle e para a implementação de sensores virtuais (soft sensors). A denominação soft sensor é utilizada para sensores baseados em software. O soft sensor é uma implementação computacional que funciona como um back-up virtual de um sensor real, sendo economicamente mais interessante que a instalação de sensores reservas ou redundantes. A utilização destes sensores pode ser uma boa alternativa para minimizar os problemas citados em relação à instrumentação, mesmo nos casos em que a taxa de amostragem não é adequada. Em geral, os soft sensors fornecem uma estimativa das variáveis usando um modelo que relaciona a variável de interesse com outras medidas correlacionadas a ela. A figura 54 mostra uma implementação genérica de um soft sensor, que utiliza um modelo com as medidas correlatas secundárias como entrada, em substituição a um sensor real no momento de falha. 36 Figura 54 – Aplicação de um sensor virtual (soft sensor) 2.1.4.2. Controle Avançado As técnicas de Controle Avançado consistem em estratégias de controle elaboradas com base em algoritmos avançados do tipo multivariável, adaptativo e preditivo. A estratégia de controle multivariável contrasta com o controle convencional no sentido de que a primeira é aplicável a sistemas com entradas e saídas múltiplas, lineares ou não-lineares, variantes ou invariantes no tempo, enquanto a última é aplicável apenas aos sistemas monovariáveis (uma única entrada e uma única saída), lineares e invariantes no tempo. Além disso, a estratégia de controle multivariável é uma abordagem centrada essencialmente no domínio do tempo, enquanto a o controle convencional adota um enfoque no domínio de frequência. A figura 55 apresenta os sistemas mono e multivariáveis. (a) . (b) Figura 55 – Modelos (a) Monovariáveis e (b) Multivariáveis Em determinados sistemas de controle, alguns parâmetros não são constantes ou variam de uma maneira não conhecida. Há formas de minimizar os efeitos de tais contingências projetando um controlador para sensibilidade mínima (sensível a pequenas variações). Se, entretanto, as variações dos parâmetros são grandes ou muito rápidas, pode ser desejável projetar um controlador com a capacidade de identificar estas variações continuamente e ajustar seus parâmetros de sintonia (Kp, Ti e Td) de modo que os critérios de desempenho estabelecidos para o sistema sejam sempre satisfeitos. Esta técnica é denominada controle adaptativo. A figura 56 mostra um diagrama em blocos de um sistema de controle adaptativo. Os parâmetros A e B da planta são variantes no tempo. O módulo designado por Identificação e Ajustamento dos Parâmetros mede continuamente a entrada M(s) e a saída C(s) da planta, para identificar os parâmetros A e B. Desta maneira, os parâmetros de sintonia do controlador (Kp, Ti e Td) podem ser modificados por este módulo para satisfazer as especificações do sistema. O projeto Função de Transferência entrada saída FT 11 entrada 1 saída 1 FT 12 FT 1M ... FT 21 entrada 2 saída 2 FT 22 FT 2M ... . . . . . . . . . ... FT N1 entrada N saída M FT N2 FT NM ... 37 do módulo de Identificação e Ajustamento dos Parâmetros é o problema maior do controle adaptativo. Os produtos comerciais que utilizam técnicas de controle adaptativo recebem a denominação de self-tuning ou auto-tuning. Podem constituir ferramentas de sintonia de controladores independentes ou estar incorporadas em sistemas de controle e supervisão industriais. O processo de autosintonia pode ser executado automaticamente toda vez que o erro entre o set- point e a saída do sistema ultrapassar um valor determinado pelo usuário, ou ser executado somente ao comando do usuário. Figura 56 – Diagrama de blocos de um sistema em malha fechada com controlador PID adaptativo A estratégia de controle preditivo visa determinar o valor da entrada do sistema (excitação) de modo que o erro entre a saída e o set-point seja minimizado dentro de um determinado número de amostragens futuras. Esta afirmação equivale dizer que o sistema deverá ser capaz de predizer os futuros valores da variável de saída. A função preditiva é tarefa de um modelo matemático. Portanto, o sucesso do controlador preditivo está diretamente relacionado à capacidade do modelo matemático em predizer com precisão razoável o valor da entrada (excitação) do processo a ser aplicada no próximo instante para que a saída diste o mínimo do set-point. Através da realimentação o sistema de controle verifica a todo instante a performance e a robustez do controlador e se ajusta para minimizar o erro, comomostrado na figura 57. Figura 57 – Diagrama de blocos de um sistema em malha fechada com controlador PID preditivo 2.1.4.3. Inteligência Artificial As técnicas de Inteligência Artificial podem ser utilizadas como alternativa ou mesmo apoio aos sistemas de automação, em procedimentos de diagnóstico, tomada de decisão e estimação de variáveis. A base de um sistema de otimização que utiliza Inteligência Artificial pode ser um Sistema Especialista (Expert System), sobre o qual podem ser inseridos módulos de Lógica Nebulosa (Fuzzy Logic) e Redes Neurais Artificiais (Artificial Neural Networks). Nesta configuração, o Sistema Especialista contemplará as regras operacionais e as estratégias de otimização e utilizará as variáveis recebidas do processo para desempenhar suas tarefas. O bom desempenho do Sistema sT sTTsTK i diip )1( 2 ++ + _ C(s) E(s) R(s) BAss ++ 2 1 Identificação e Ajustamento dos Parâmetros M(s) + _ C(s) E(s) R(s) Modelo Matemático M(s) Controle da Excitação Sistema 38 Especialista depende do bom desempenho da instrumentação do processo, ou seja, as variáveis devem ser precisas. Como a qualidade dos dados do processo não pode ser amplamente garantida, pode haver a necessidade de tratar as variáveis imprecisas utilizando a Lógica Nebulosa. Outro problema ainda pode ocorrer: a ausência de variáveis importantes para a otimização. Neste caso, podem ser utilizadas Redes Neurais para estimá-las. Sistemas Especialistas são programas computacionais desenvolvidos a partir do conhecimento dos especialistas, para resolver problemas num domínio restrito. O conhecimento extraído dos especialistas é formalizado e codificado numa Base de Conhecimento, como mostra o esquema da figura 58. A utilização de um Sistema Especialista para resolver um problema consiste em manipular este conhecimento através do uso de silogismos lógicos, derivando novos conhecimentos, estendendo assim a Base de Conhecimento. Sistemas Especialistas são utilizados para resolver problemas para os quais não existe uma solução algorítmica viável. Tais problemas envolvem, geralmente, conhecimento extenso, frequentemente difuso e empírico. Outra característica importante da classe de problemas abordáveis pelos Sistemas Especialistas é o papel importante desempenhado pelo conhecimento heurístico disponível sobre o problema. Figura 58 – Diagrama de blocos de um sistema em malha fechada com controlador PID preditivo A Lógica Nebulosa é uma técnica que possibilita trabalhar com o conhecimento incerto e impreciso, permitindo que se realizem inferências sobre situações que não dominamos completamente. Ela possui uma estrutura que incorpora alguns dos mecanismos de inferência humanos, sendo muito adequada ao desenvolvimento de sistemas de controle inteligentes, pois permite que o conhecimento de peritos possa ser traduzido de maneira direta em um algoritmo de controle e decisão. A figura 59 exemplifica um sistema de inferência nebuloso. Figura 59 – Exemplo de aplicação da Lógica Nebulosa Um sistema de inferência nebuloso coleta as variáveis reais do processo e as converte para o domínio nebuloso, através de gráficos, que permitem transformar valores numéricos em conceitos linguísticos associados a graus de pertinência. Esses conceitos são aplicados a regras de produção 39 que resultam em saídas gráficas. A resultante gráfica é então transformada para o domínio real e enviada ao atuador. As Redes Neurais Artificiais (RNA) são estimadores universais capazes gerar valores aproximadamente corretos a partir de entradas relacionadas a um padrão. O elemento básico de uma RNA é um modelo matemática do neurônio humano (figura 60 a). Quando interligado a outros neurônios forma uma rede (figura 60 b). (a) (b) Figura 60 – (a) Modelo matemático de neurônio humano (b) Rede Neural Artificial As RNA precisam ser previamente treinadas com uma massa de valores que representam, com qualidade, o padrão a ser estimado. Durante o treinamento, é realizado o ajuste dos pesos associados às entradas de acordo com a importância e a repetibilidade dos dados, considerando uma saída padrão fixa, que deve ser estimada pela função de ativação. Após o treinamento e em operação, as entradas são ponderadas, e, atingido o valor de polarização, é disparada a função de ativação para gerar a saída. As RNA podem ser utilizadas para substituir modelos matemáticos, filtros e estimadores de modo geral. São utilizadas em aplicações de Controle de processos, Controle de qualidade, Reconhecimento de voz, escrita e caracteres, etc. Links associados: www.siemens.com.br/ www.invensys.com.br/ www.abb.com.br/ www.emersonprocess.com/ www.mintek.co.za/ www.metso.com.br/ 2.2. Sistemas de Informação Neste item, serão abordados os seguintes sistemas: − Gestão da Informação da Planta; − Execução da Manufatura; − Gestão Corporativa. 40 Por motivos estratégicos, a abordagem dos sistemas de informação será realizada na ordem hierárquica inversa da pirâmide da figura 1, ou seja, enquanto a sequência de apresentação dos sistemas de automação partiu da base para o topo, a apresentação dos sistemas de informação será feita do topo para a base, culminando no encontro dos dois segmentos (automação e informação), considerada também, uma área crítica de integração. 2.2.1. Sistemas de Gestão Corporativa Os sistemas de gestão corporativa são responsáveis por suportar a programação e a gestão da produção, contando com poderosas ferramentas de software, baseadas no conceito ERP - Enterprise Resource Planning ou Planejamento dos Recursos do Empreendimento. ERP é uma arquitetura de software que facilita o fluxo de informações entre todos os departamentos da empresa e suas atividades, tais como fabricação, logística, finanças e recursos humanos. É um sistema amplo de soluções e informações. A figura 61 mostra o conceito de integração ERP, onde um banco de dados único operando em uma plataforma comum interage com um conjunto integrado de aplicações consolidando todas as operações do negócio em apenas um ambiente computacional. Figura 61 – Conceito de integração ERP A implantação do ERP traz vantagens como: − Eliminação do uso de interfaces manuais; − Redução de custos; − Otimização do fluxo da informação e da qualidade da mesma dentro da organização (eficiência); − Otimização do processo de tomada de decisão; − Eliminação da redundância de atividades; − Redução dos tempos de resposta ao mercado. A implantação de um sistema ERP pode, contudo, ser bastante complexa e sujeita a turbulências caso não esteja adequada ao ambiente da empresa, em razão das mudanças provocadas. Algumas mudanças podem ser necessárias na organização como: − Redesenho dos processos; − Eliminação das funções em duplicidade e fluxos de informação mal definidos; − Desenvolvimento de um sistema adicional para estabelecer a interface com o nível de chão de fábrica. Este último item, em particular, pode ser bastante trabalhoso, uma vez que o ERP é pouco flexível no que se refere à comunicação com outros sistemas. Como o número de sistemas entre o nível corporativo e o chão de fábrica é grande, como ilustra a figura 62, pode ser necessário o 41 desenvolvimento de uma camada de interface denominada MES - Manufacturing Execution System ou Sistemas de Execução da Manufatura. Figura 62 – Sistemas existentes entre o nível corporativo e o chão de fábrica 2.2.2. Sistemas de Execução da Manufatura Os Sistemas de Execução da Manufatura, MES, são responsáveis por processar as informações brutas do chão defábrica que vão para o ERP, e no sentido inverso, processar as informações vindas do ERP adequando-as aos padrões do chão de fábrica. A natureza das funcionalidades desempenhadas pelo MES dependerá das regras de negócio e estratégias de informatização da organização, como mostra a figura 63. O MES pode ser orientado para o negócio da empresa (vendas e serviços) ou para a produção (qualidade e valor agregado). (a) (b) Figura 63 – MES orientado para (a) Negócio da empresa (b) Produção Além de estabelecer essa interface, o MES desempenha outras tarefas como o sincronismo do trabalho, máquinas, ferramentas e recursos. Baseado em informações atuais e históricas do Gestão Planejamento Gestão da das Receitas Informação Gestão do Patrimônio Gestão da Segurança Execução do Controle ERP (Enterprise Resource Planning) Sensores, Atuadores, Analisadores, ... Planejamento da Produção Modelagem Simulação Otimização Controle Avançado Sub-sistemas Gestão da Manutenção Assistência à Operação Comunicação com o campo Gestão de Dispositivos Gestão Planejamento Gestão da das Receitas Informação Gestão do Patrimônio Gestão da Segurança Execução do Controle ERP (Enterprise Resource Planning) Sensores, Atuadores, Analisadores, ... Planejamento da Produção Modelagem Simulação Otimização Controle Avançado Sub-sistemas Gestão da Manutenção Assistência à Operação Comunicação com o campo Gestão de Dispositivos Subsistemas 42 processo, os gerentes de produção definem os procedimentos e os recursos que serão utilizados para atender as ordens de produção, vindas do ERP, em tempo, quantidade e qualidade requerida. As principais funcionalidades de um MES foram definidas por uma associação chamada MESA - Manufacturing Execution Systems Association, e são listadas abaixo: 1. Alocação de recursos; 2. Planejamento detalhado da operação; 3. Gestão do fluxo produtivo; 4. Controle de documentos; 5. Aquisição e armazenamento de dados; 6. Gestão de serviços; 7. Gestão da qualidade; 8. Gestão do processo; 9. Gestão da manutenção; 10. Genealogia e rastreamento do produto; 11. Análise de desempenho. A implantação de um sistema MES começa pela aquisição e armazenamento de dados (funcionalidade nº 5 da lista acima). O sistema que realiza essa tarefa no chão de fábrica é denominada PIMS - Plant Information Management System ou Sistema de Gestão da Informação da Planta, e no laboratório, LIMS - Laboratory Information Management System ou Sistema de Gestão da Informação do Laboratório. 2.2.3. Sistemas de Gestão da Informação 2.2.3.1. Sistemas de Gestão da Informação da Planta Os Sistemas de Gestão da Informação da Planta, PIMS, constituem uma infra-estrutura utilizada para o gerenciamento de dados em plantas industriais, que possibilita a utilização da informação nos diversos níveis: operação, supervisão, manutenção, produção, gestão, qualidade dentre outros, constituindo um grande recurso para a empresa, como ilustra a figura 64. Para desempenhar a principal função do PIMS, aquisição e armazenamento de dados, é utilizado um banco de dados temporal. Este tipo de banco é capaz de armazenar grandes quantidades de dados de diversas fontes da planta, utilizando poucos recursos de hardware. Isso é possível devido à utilização de algoritmos de compactação de dados. A consulta aos dados nos grandes volumes gerados é agilizada pela adoção de estratégias de busca. Conforme mencionado anteriormente, o PIMS é o primeiro componente no processo de implantação de um MES. Cientes dessa situação, os desenvolvedores de PIMS incorporaram a seus bancos, diversas funcionalidades, fazendo do PIMS uma interessante plataforma para o desenvolvimento do MES. Explorados os diversos recursos do PIMS para a construção do MES, todos os níveis de todas as unidades da empresa ganham um ilimitado acesso às informações em tempo real, ajudando a tomar melhores decisões de negócios, como ilustra a figura 65. Embora o PIMS tenha sido usado principalmente em indústrias de processos, sua flexibilidade e sofisticação de recursos fazem dele um ativo valioso em qualquer lugar onde informações importantes necessitem ser gerenciadas com precisão. 43 Figura 64 – Arquitetura de um PIMS Figura 65 – Acesso às informações, em tempo real, em todos os níveis de todas as unidades da empresa 44 O PIMS apresenta as seguintes funcionalidades que atendem o MES: − Interfaces com o processo: conexões bidirecionais de alta velocidade (drivers) às fontes de dados do processo e sistemas de automação. − Interfaces com coletores de dados: permite a entrada manual de dados no sistema PIMS através do teclado, ou através de coletores de dados. − Conectores com o nível corporativo: conexões bidirecionais com o sistema corporativo para o intercâmbio das informações, distribuindo os dados ou seus históricos entre o ERP e os bancos de dados externos ao sistema, sem necessitar armazená-los em bancos de dados intermediários. − Banco de dados temporal: com a capacidade de armazenar e compactar os dados por longos períodos de tempo, em um único servidor, sem consumo excessivo de memória em disco rígido. − Interface gráfica com o usuário: representação gráfica dos dados de processo de forma dinâmica e interativa incluindo sinóticos, animações, tendência histórica e/ou instantânea, gráficos diversos, etc. Suporte para visualizar informações de diversos sistemas PIMS simultaneamente ou de dados advindos de outros bancos de dados. − Conector com planilha eletrônica: conexão bidirecional com softwares de planilha eletrônica, permitindo a recuperação de dados armazenados no sistema PIMS. Possibilidade de geração de relatórios complexos, gráficos utilizando dados históricos ou em tempo real, bem como a entrada manual de dados no sistema PIMS. − Interface WEB: permite a criação de páginas html para exibir telas gráficas contendo informações do sistema PIMS via Internet ou Intranet. − Segurança: permite restringir o acesso aos dados e funcionalidades através de senhas. Cada usuário possui atributos específicos, de acordo com a sua atividade, para definir o nível de intervenção sobre o sistema: visualização, e/ou alteração dos dados e/ou configuração do sistema. − Organizador por grupos: permite organizar o conteúdo de dados do PIMS por grupos de modo a facilitar a sua utilização por usuários de áreas distintas em programas e telas. − Módulo estatístico: permite realizar cálculos estatísticos em tempo real para os dados armazenados no sistema PIMS. Permite o cálculo de diversos parâmetros (desvios, médias, etc) além de permitir a construção de diversos gráficos estatísticos (tendências, histogramas, etc). − Módulo batelada: utilizado para visualizar os dados armazenados no PIMS a partir de processos de fabricação associados por lotes: número do lote ou batelada, produto e unidade de processo. − Módulo de cálculo avançado: permite a elaboração de cálculos complexos em ambiente externo, como por exemplo, a linguagem de programação Visual Basic. Permite a criação de rotinas diversas e manipulação dos dados armazenados no sistema PIMS. − Sumário de alarmes: sumariza as informações do servidor de alarmes e as exibe na forma de uma estrutura hierárquica para os usuários. − Reconciliador de dados: valida as informações de produção, verifica a qualidade dos dados e garante a produção de dados limpos, consistentes e confiáveis. 2.2.3.2. Sistemas de Gestão da Informação do Laboratório Os Sistemas de Gestão da Informação do Laboratório, LIMS, constituem uma infra-estrutura utilizada para o gerenciamento dos dados em laboratórios. O LIMS supre as necessidades
Compartilhar