Sistemas distribu´ıdos de controle de processos s˜ao utilizados na ind´ustria de forma a permitir a otimiza¸c˜ao da produtividade, aumentar a qualidade da produ¸c˜ao, diminuir custos, melhorar a seguran¸ca, entre outros. Sistemas s˜ao uma combina¸c˜ao de componentes que atuam em conjunto e realizam um certo objetivo [14]. Na ´area de controle, h´a a composi¸c˜ao de um sistema distribu´ıdo quando os equipamentos que
(a) (b)
Figura 1 – Esquematiza¸c˜ao do governador de Watt em (a) [1], e James Watt (1736-1819) em (b)
permitem o controle de um processo s˜ao interligados entre si atrav´es de uma rede. A rede permite o acesso remoto a estes equipamentos, per- mitindo algoritmos de controle mais eficientes e uma seguran¸ca maior. Foi a cria¸c˜ao das redes industriais que permitiu a existˆencia destes siste- mas, e elas s´o vieram a existir devido `a evolu¸c˜ao na ´area de transmiss˜ao de sinais. Na verdade, cada aperfei¸coamento feito nesta ´area acabou por conduzir a uma evolu¸c˜ao das redes e, por consequˆencia, dos siste- mas de controle, por possibilitarem um melhor acesso ao processo, seja pela leitura de dados atrav´es dos sensores ou pelo envio de dados aos equipamentos de atua¸c˜ao [17].
Um passo fundamental na evolu¸c˜ao da transmiss˜ao de sinais foi o advento da transmiss˜ao anal´ogica, que permitia que os dados de en- trada e sa´ıda (E/S) do processo fossem enviados ou recebidos remota- mente por uma central de controle atrav´es de sinais el´etricos anal´ogicos de corrente. Isto permitiu, nas d´ecadas de 1950 a 1970, o desenvol- vimento do chamado Direct Digital Control (DDC), uma arquitetura centralizada, composta de um ou mais controladores respons´aveis pelo processo que eram conectados aos equipamentos de E/S. Estes contro- ladores eram configurados localmente, pois s´o se transmitia pela rede dados de E/S do processo, assim, possu´ıam pain´eis localizados na sala de controle por onde eram feitas as configura¸c˜oes. Como os controlado- res precisavam estar localizados em salas especiais, e cada equipamento transmitia seus dados por um par de cabos, a instala¸c˜ao e manuten¸c˜ao
Figura 2 – Computador Argus Ferranti de 1961, utilizado em arquite- turas DDC [2]
destes sistemas era extremamente trabalhosa e custosa. Al´em disso, caso houvesse uma falha nos computadores centrais do sistema, o que n˜ao era incomum, haveria uma falha generalizada do processo, fazendo com que fosse necess´aria a existˆencia de equipamentos servomecˆanicos e/ou pneum´aticos em espera para que n˜ao houvesse uma paralisa¸c˜ao duradoura da produ¸c˜ao [17]. Na Fig. (2) ´e mostrado um computador central utilizado em DDCs.
Ao longo da d´ecada de 1970 houve o desenvolvimento da comu- nica¸c˜ao digital. O advento desta tecnologia ´e um grande marco na ind´ustria pois permitiu que m´ultiplos dados pudessem ser transmitidos em um par de cabos, o que n˜ao acontecia com a comunica¸c˜ao anal´ogica, e, por admitirem somente dois estados (um e zero), os sinais digitais s˜ao mais robustos que os anal´ogicos, sendo menos suscet´ıveis a dis- tor¸c˜oes causadas por ru´ıdo ou interferˆencias el´etricas. Al´em disso, a comunica¸c˜ao digital pode utilizar t´ecnicas de checagem de erro para detectar uma distor¸c˜ao e retransmitir o sinal, o que n˜ao ´e poss´ıvel no caso anal´ogico [3]. Pode-se dizer mais, a comunica¸c˜ao digital permitiu o uso de um mesmo barramento de comunica¸c˜ao (ou cabo de trans- miss˜ao) por m´ultiplos equipamentos, reduzindo ainda mais a infra-
Figura 3 – Compara¸c˜ao entre dois sinais, um sinal anal´ogico (direita) e digital (esquerda), transmitidos por corrente (4-20mA).
estrutura necess´aria para a instala¸c˜ao de equipamentos. A Fig. (3) mostra uma compara¸c˜ao entre os sinais anal´ogicos e digitais transmiti- dos por corrente (4-20 mA). No caso digital, idealmente, os estados 0 e 1 s˜ao representados pelos valores de corrente 4 mA e 20 mA, respec- tivamente. Caso seja lido um valor intermedi´ario, este ´e considerado inv´alido. Para montar uma mensagem, s˜ao enviados sequˆencias de 0s e 1s com tamanho pr´e-determinado de elementos. Essa mensagem ´e ent˜ao interpretada e pode conter dados de m´ultiplos equipamentos. No lado direito da mesma figura est´a um exemplo de sinal anal´ogico, que pode variar continuamente entre os limites de 4 mA e 20 mA. Dado um sensor anal´ogico de temperatura que pode medir entre 0 e 100oC, por exemplo, pode-se fazer com que a leitura de 0oC seja equivalente a 4 mA e que 100oC seja equivalente a 20 mA, havendo uma equivalˆencia linear entre os valores intermedi´arios. Ent˜ao, nos casos anal´ogicos, o sinal s´o pode representar uma vari´avel, neste exemplo, o valor de tem- peratura.
Como dito anteriormente, cada evolu¸c˜ao na transmiss˜ao de si- nais implicou numa evolu¸c˜ao no controle de processos. Neste caso, um dos resultados foi a arquitetura Sistema Distribu´ıdo de Controle ou, em inglˆes, Distributed Control System (DCS). Estes sistemas s˜ao ditos distribu´ıdos pois, ao contr´arios dos DDCs, os processos s˜ao divididos em sub-sistemas que s˜ao controlados, por exemplo, pelos chamados Controladores L´ogico Program´aveis (CLPs).
A subdivis˜ao do processo em sub-sistemas traz diversas vanta- gens. A principal delas ´e que, como o controle do processo est´a dividido em sistemas menores (os CLPs), caso haja algum erro em um deles, o
risco de causar uma falha geral no processo ´e menor. Al´em disso, se houver redundˆancia de controladores, ou seja, a existˆencia de CLPs de reserva que entram em a¸c˜ao caso o controlador principal do sub-sistema falhe, este risco de falha ´e reduzido ainda mais, mas isto leva, ´e claro, a custos maiores [17].
Apesar do nome distribu´ıdo, os DCSs, pelos padr˜oes atuais, s˜ao considerados sistemas centralizados [17]. O avan¸co nas tecnologias de redes industriais em conjunto com a evolu¸c˜ao tecnol´ogica de proces- sadores, que reduziu custos e miniaturizou equipamentos eletrˆonicos, permitiu que fossem criados dispositivos inteligentes capazes de auto- regula¸c˜ao. Por exemplo, o Posicionador de V´alvula Fieldbus Founda- tion [18], ´e utilizado para regula¸c˜ao da abertura de uma v´alvula. O controle de abertura ´e feito por este mesmo dispositivo, bastando ape- nas configurar o algoritmo de controle remotamente e enviar a referˆencia de abertura desejada, tudo realizado atrav´es da rede industrial.
O desenvolvimento destes tipos de dispositivos levou `a arqui- tetura Sistema de Controle de Campo ou, em inglˆes, Field Control Systems (FCS), onde h´a a distribui¸c˜ao da habilidade de controle aos instrumentos de campo, como o exemplo citado anteriormente. O FCS leva o DCS a um passo adiante aumentando a tolerˆancia a falhas, pois, como cada dispositivo n˜ao lida com mais do que uma malha de controle, o problema de uma ´unica falha afetar uma grande parte da planta ´e quase eliminado [17]. O avan¸co provido por estes dispositivos inteli- gentes vai muito mais al´em, j´a que estes s˜ao capazes de se diagnosticar e reportar qualquer problema atrav´es da rede, reduzindo o tempo ne- cess´ario para a descoberta do local da falha e sua repara¸c˜ao. A Fig. (4) faz uma compara¸c˜ao entre as arquiteturas descritas, indicando onde s˜ao executados os algoritmos de controle em cada uma.
Atualmente, estamos em um per´ıodo de transi¸c˜ao da arquitetura DCS para FCS. Novas instala¸c˜oes tendem a ser constru´ıdas com dis- positivos inteligentes utilizados nos FCSs, mas ainda existem in´umeras instala¸c˜oes mais antigas funcionando com a estrutura DCS que n˜ao po- dem custear arquiteturas mais novas [17]. Assim, para este projeto, seria de grande interesse criar um dispositivo inteligente capaz de ser utilizado tanto em arquiteturas DCS como FCS.
As se¸c˜oes seguintes tratar˜ao das estruturas DCS e FCS de modo a ficar claro como o dispositivo a ser desenvolvido ser´a inserido em cada uma destas arquiteturas de controle.
Figura 4 – Compara¸c˜ao entre as arquiteturas DDC, DCS e FCS [3]