Independentemente da estrutura de implementação utilizada, espera-se que um sis-tema de controle de forma ampla seja capaz de controlar, monitorar e supervisionar um determinado processo de maneira adequada com o menor custo possível. Sendo assim, a seleção de uma estratégia para o sistema de controle não é trivial e depende, dentre outros fatores, do processo a ser controlado, da localização da planta, da confiabili-dade e da flexibiliconfiabili-dade do sistema, além dos custos de implementação e manutenção do conjunto [Fauci, 1997].
Um sistema distribuído, como seu próprio nome já sugere, é aquele cujas funciona-lidades estão distribuídas fisicamente entre os dispositivos que o compõem, ou seja, as funções de controle de processo são calculadas por mais de um dispositivo que podem estar localizados em diferentes pontos do sistema. Sendo assim, é necessário haver uma rede de comunicação de dados interligando o sistema para que as informações possam ser compartilhadas entre os dispositivos. Já em um sistema centralizado, as funções de controle estão contidas em um único equipamento, como um Controlador Lógico Programável (CLP) por exemplo, onde são feitas todas as operações com as variáveis do processo que se deseja controlar, sendo que os comandos são enviados diretamente aos dispositivos atuadores.
No caso do sistema piloto utilizado neste trabalho, mesmo quando a planta é con-trolada por meio de um CLP, as informações relacionadas com os valores das variáveis controladas e manipuladas trafegam por uma rede de comunicação de dados que, neste caso, é uma rede Foundation Fieldbus. Sendo assim, mesmo quando o controle é feito de forma centralizada, a instrumentação está distribuída e interligada por meio da rede de comunicação de dados.
1.6.1 Sistemas de Controle Via Rede
Os Sistemas de Controle via Rede (ou NCS, para Networked Control Systems) utili-zam um tipo de arquitetura onde os dispositivos de controle como sensores, atuadores e controladores estão interligados por uma rede de comunicação de dados em tempo real, sendo que as malhas de controle são fechadas por meio desta rede [Lian et al., 2001, Lian, 2001, Zhang et al., 2001, Santos et al., 2003].
Assim, ao utilizar este tipo de arquitetura é possível agregar aos sistemas de controle características de modularidade e interoperabilidade, além de facilidades de configura-ção, diagnóstico, manutenção e redução dos custos de instalação em relação à tradi-cional arquitetura ponto-a-ponto utilizada na indústria por décadas [Lian et al., 2001, Lian et al., 2002]. A Figura 1.6 ilustra um tipo de sistema de controle via rede. Nesta Figura, u(t) representa a variável manipulada e y(t) representa a variável de processo.
Figura 1.6: Exemplo de um sistema de controle via rede [Santos et al., 2003]
Pode-se observar na Figura 1.6 que a comunicação do controlador com o dispositivo sensor e o dispositivo atuador é feita de forma indireta, por meio de uma rede de comunicação de dados.
Diversas redes de comunicação podem ser utilizadas para a conexão de sensores, atuadores e controladores num sistema de controle, mas é importante ressaltar algumas características necessárias a estas redes [Santos et al., 2003]:
- suportar fluxos de mensagens periódicas, para permitir a transferência de dados periódicos relacionados com o controle;
- garantir um tempo de resposta para a transferência de mensagens que seja sufici-ente para respeitar os atrasos máximos de controle relacionados;
- garantir um comportamento temporal previsível na presença de carga de rede variável devido ao tráfego não relacionado a aplicação de controle.
Um problema significativo inerente à utilização de redes de comunicação interligando dispositivos de um sistema de controle é a questão do atraso de tempo relativo às trocas de informações por meio da rede.
Um exemplo de como ocorre o atraso de tempo na comunicação entre dois nós de uma rede de comunicação Fieldbus pode ser visto na Figura 1.7.
Figura 1.7: Diagrama ilustrando o atraso de tempo que ocorre na comunicação entre o nó x e o nó y de uma rede de comunicação de dados [Lian, 2001]
Observa-se, nesta figura, que Tpre é o tempo de pré-processamento, Tesp o tempo de espera, Ttxy o tempo de transmissão e Tposo tempo de pós-processamento da mensagem. Sendo assim, o atraso de tempo total que ocorre na transmissão de uma mensagem de um nó para outro por meio da rede pode ser expresso como:
Tatraso = Tpre+ Tesp+ Ttxy+ Tpos. (1.11)
Diversos trabalhos encontrados na literatura abordam com maior profundidade o problema do atraso de tempo em sistemas de controle via rede de comunicação de dados, realizando também estudos da estabilidade do sistema de controle na presença destes atrasos de tempo [Yook et al., 2000, Hong e Jang, 2001, Lian, 2001, Lian et al., 2001, Zhang et al., 2001, Santos et al., 2003, Pang e Nishitani, 2004].
No presente trabalho, duas configurações distintas para o sistema de controle são utilizadas, onde ambas utilizam a rede Foundation Fieldbus para o fechamento das ma-lhas de controle. Na primeira, as funções de controle estão distribuídas geograficamente, ou seja, os controladores estão localizados nos instrumentos ligados à rede. Na outra configuração, o controle está centralizado num CLP e, neste caso, a rede de comunicação
só está presente para interligar os dispositivos e fechar a malha de controle.
Em ambos os casos, existe um atraso de tempo da rede Foundation Fieldbus deno-minado macrociclo, ou seja, o tempo necessário à execução de todos os blocos funcionais e à passagem de todo o tráfego de informações operacionais. A equação (1.12), definida em [Smar, 2004b], mostra como é feito o cálculo deste parâmetro.
TM = (NE· 30 + ND· TR) · 1, 2, (1.12)
onde TM é o macrociclo em ms, NE é o número de links externos (conexões entre diferentes dispositivos), ND é o número de equipamentos e TR é definido como 30ms para operação simples e 60ms para operação redundante.
Como este atraso de tempo da rede é praticamente o mesmo em ambas as configu-rações, conforme será visto posteriormente, e o tempo de scan do CLP é muito pequeno em relação a ele, considera-se que tanto na configuração de controle distribuído quanto no centralizado, os atrasos de tempo do sistema são semelhantes.
1.6.2 Configuração do Controle Distribuído
Nesta configuração, os algoritmos de controle estão localizados nos instrumentos da rede Foundation Fieldbus, distribuindo geograficamente as funções de controle.
Sendo assim, para cada malha de controle existe um dispositivo, no caso um missor, que recebe as informações da variável de processo oriunda do sensor. O trans-missor, que possui o algoritmo de controle PID implementado, executa as funções de controle e envia as informações da variável manipulada para um dispositivo que con-verte o sinal proveniente da rede Foundation Fieldbus para um sinal de 4 a 20mA. Após feita a conversão, o sinal de 4 a 20mA é enviado, então, para o dispositivo atuador.
A configuração distribuída para o controle da planta piloto deste trabalho já foi utilizada anteriormente em outros projetos de pesquisa [Carvalho, 1998, Assis, 2000, Torres, 2002, Mendonça, 2004, Hott, 2004, Souza, 2005].
Inicialmente utilizava-se a rede de comunicação de dados Fieldbus ISP, que não cor-responde ao padrão normatizado pela Fieldbus Foundation. Além disto, da forma como a rede Fieldbus ISP estava implementada apresentava limitações, como por exemplo, não permitia que o sistema de supervisão acessasse diretamente os dados que nela
tra-fegavam [Mendonça, 2004]. Após a substituição da rede Fieldbus ISP pela rede
Foun-dation Fieldbus feita por Mendonça [Mendonça, 2004], a troca de dados entre a rede
de comunicação e o sistema de supervisão passou a ser feita diretamente, permitindo maior flexibilidade no acesso aos dados pelo sistema de supervisão.
1.6.3 Configuração do Controle Centralizado
Na configuração centralizada, os algoritmos de controle estão concentrados em um único dispositivo, que neste caso é um CLP. Além do controle da planta piloto, estão implementadas no CLP operações por meio de blocos matemáticos para fazer o esca-lonamento das variáveis oriundas da rede Foundation Fieldbus e também uma lógica responsável pelo intertravamento do sistema, como será mostrado no capítulo 4.
Assim, o algoritmo de controle PID de todas as malhas do sistema é executado por um único CLP que, após a leitura das variáveis de processo, faz o cálculo das variáveis manipuladas que são enviadas aos dispositivos atuadores.
Diferentemente de um sistema de controle centralizado usual, em que a comunica-ção entre o controlador e os dispositivos sensores e atuadores é feita de forma direta (conexão ponto-a-ponto), sem a necessidade de uma rede de comunicação de dados para compartilhar informações, na configuração existente no STEC-NVT, os sensores e atuadores estão interligados por meio de uma rede Foundation Fieldbus.
Desta forma, o CLP recebe os valores lidos pelos sensores (variáveis de processo) provenientes da rede Foundation Fieldbus e executa o algoritmo PID para cada malha de controle. Após o cálculo das variáveis manipuladas, estas são enviadas pelo CLP, via rede de comunicação, aos dispositivos conversores. No conversor, os valores das variáveis manipuladas são convertidos para sinais de 4 a 20mA que são enviados aos atuadores.