REDES INDUSTRIAIS
AULA 5
Prof. Juliano De Mello Pedroso
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CONVERSA INICIAL
Quando se quer uma solução completa para a automação de um processo industrial, tem-se que prover uma estratégia de gestão industrial de forma clara e a garantia de que todos os esforços serão impulsionados para se chegar a um objetivo comum.
Além dos níveis que atuam no chão de fábrica, existem outros níveis de gerenciamento, gestão e supervisão que devem ser estudados, assim como tecnologias que crescem amplamente no ambiente industrial, por exemplo, as redes sem fio.
Assim teremos nessa aula os seguintes temas: gerenciamento de redes industriais, software de supervisão, manutenção de redes industriais, redes wireless, aplicações de redes sem fio.
TEMA 1 – GERENCIAMENTO DE REDES INDUSTRIAIS
Falaremos a seguir dos níveis mais altos da pirâmide, os quais são caracterizados por ter que trabalhar com uma quantidade muito maior de dados. Na Figura 1 temos a pirâmide da automação; trabalharemos com os níveis 3, 4, 5 dessa figura.
Figura 1 – Pirâmide da automação
Fonte: Goeking, 2010.
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Nesses niveis são feitos o gerenciamento e a supervisão da rede industrial, na verdade de todo o processo em si.
A seguir, falaremos de cada um desses niveis. Alguns autores e fabricantes alteram a posição de alguns desses gerenciamentos, por dividir algumas etapas ou por agregá-las, mas o importante é saber o foco de cada uma delas.
1.1 Nível 3
Nesse nível, é feita a supervisão de processos, que são constituídos por diversos sistemas de controle, além de CLPs, computadores industriais e CNCs. Como exemplos desses sistemas de controle temos softwares supervisórios e SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
Normalmente uma empresa usa um sistema de aquisição e um sistema de supervisão, o que podce ocorrer em softwares separados ou juntos.
Sistemas de supervisão e softwares de aquisição de dados são usados atualmente em diversas áreas, tanto na indústria quanto no meio científico. O foco principal é trazer ao usuário as medidas ou parâmetros dos processos automatizados. Ultimamente é notório o aumento do desenvolvimento desses tipos de sistemas, e diversos fatores contribuem para esse crescimento. O primeiro deles é o grande avanço da eletrônica moderna, o qual possibilita o aumento das capacidades e velocidades dos processadores digitais de sinal, elemento principal de um sistema de tratamento de sinais.
O aumento do custo benefício dos computadores pessoais também contribui para o desenvolvimento dos sistemas supervisórios e de aquisição de dados.
A seguir, temos a grande quantidade de linguagens de desenvolvimento na área de software, que trazem diversos benefícios e algumas características para esses sistemas. Além de tudo isso, o desenvolvimento de tecnologias novas permitem que os equipamentos usem a internet e o padrão de redes sem fio.
A grande questão a ser feita é: qual é o beneficio que softwares supervisórios e sistemas de aquisição de dados trazem para a indústria? Na verdade, a resposta a essa pergunta é bem simples: esses sistemas ajudam a melhorar os níveis de qualidade, cortar custos operacionais, aumentar o desempenho e melhorar a excelência operacional.
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1.2 Nível 4
Neste nível, temos o gerenciamento da produção. Aqui são usados sistemas como MES (Manufaturing Execution System), LIMS (Lab Information System), PIMS (Process Information Management System), APS (Advanced Planning and Scheduling), MMS (Maintenance Management System), MAS (Asset Management System) com a função de coordenar a produção, suportar as atividades produtivas e cuidar da obtenção e alocação de recursos para as atividades no processo produtivo.
Esses sistemas têm diversas funções, tais quais:
MES – esse sistema tem como função monitorar e controlar todos os níveis do processo produtivo em tempo real. Trata-se de um grupo de equipamentos (sotfware e hardware) que relaciona o que foi planejado com o que está sendo executado, em tempo real. Esse sistema também tem interligação com o software ERP (Entreprise Resource Planning)
LIMS – é um laboratório baseado em software e sistema de gerenciamento de informações com recursos que suportam as operações de um laboratório moderno. As principais características incluem, mas não estão limitadas a: suporte de fluxo de trabalho e suporte de dados, arquitetura flexível e interfaces de troca de dados, que “suportam plenamente seu uso em ambientes regulados”. Os recursos e usos de um LIMS evoluíram ao longo dos anos a partir de amostras de simples rastreamento para uma ferramenta de planejamento de recursos corporativos que gerencia vários aspectos da informática de laboratório. A definição de LIMS é um pouco controversa: os LIMSs são dinâmicos porque os requisitos do laboratório estão evoluindo rapidamente e laboratórios diferentes muitas vezes têm diferentes necessidades. Portanto, uma definição de trabalho de um LIMS depende, em última instância, da interpretação dos indivíduos ou grupos envolvidos.
PIMS – Um sistema de informação de gerenciamento de projetos (PMIS) é a organização coerente das informações necessárias para que uma organização execute projetos com sucesso. Um PMIS é tipicamente uma ou mais aplicações de software e um processo
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metódico para coletar e usar informações do projeto. Esses sistemas eletrônicos “ajudam [para] planejar, executar e fechar metas de gerenciamento de projetos”. Os sistemas PMIS diferem em alcance, design e recursos, dependendo dos requisitos operacionais de uma organização.
APS – esse tipo de sistema, que trabalha em conjunto com o ERP de forma complementar, controla recursos, tomando em conta a capacidade real dos suprimentos, bem como suas especificidades.
Isso contempla: ferramentas, mão de obra, estoque. Esse sistema pode levar em consideração cliente, produto e regra de negocio.
MMS – é um de gerenciamento de manutenção e manutenção generalizada para manutenção de plantas, computadores e equipamentos de fabricação. As organizações podem otimizar a utilização do equipamento, reduzir o tempo de inatividade do equipamento e aumentar a disponibilidade de informações em tempo real em toda a organização. Composto por um software que tem diversas ferramentas de controle de manuntenção assim como dados de todas as ações preventivas e corretivas.
MAS - O gerenciamento de ativos, amplamente definido, refere-se a qualquer sistema que monitore e mantenha coisas de valor para uma entidade ou grupo. Pode ser aplicado tanto a ativos tangíveis (como edifícios) quanto a ativos intangíveis (como capital humano, propriedade intelectual, ágio e / ou ativos financeiros). A gestão de ativos é um processo sistemático de desenvolvimento, operação, manutenção, atualização e eliminação de ativos de forma econômica.
1.3 Nível 5
O gerenciamento corporativo de processo auxilia a estabelecer critérios e ferramentas para avaliar a maturidade da gestão, em conjunto com outros setores da indústria, de modo a melhorar as condições da indústria. Alguns desses benefícios são: aumento da organização de diversos níveis e escalas, corte de custos, melhor aproveitamento do tempo, melhoria na produção e no atendimento.
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Nesse nível, o sistema implementado é o ERP (Enterprise Resource Planning), que, traduzido, seria sistema de gestão empresarial, uma ferramenta corporativa que tem a função de controlar os dados de uma empresa, melhorando o poder de tomada de decisão.
É composto por módulos que contemplam os processos dentro da empresa, porém o uso de um software ERP não significa que mudará todos os processos rapidamente. Há vários aspectos que devem ser levados em consideração, tais como: envolvimento dos usuários, apoio da direção, planejamento adequado, expectativas realistas e etc.
TEMA 2 – SOFTWARE DE SUPERVISÃO
Entre os anos 1970 e 1980 aconteceu o surgimento dos microprocessadores e, com isso, o microcomputador assumiu um papel muito importante em vários níveis da indústria. É nesse momento que entram em cena os softwares supervisórios, que têm a função de supervisionar um processo industrial colhendo informações, podendo armazená-las em um banco de dados, os quais provêm de diversas partes da planta automatizada, de atuadores, sensores, capturados através dos controladores (CLPs, IHMs etc.) e enviados como variáveis de processo para o supervisório.
Os sistemas supervisórios contêm um ou mais computador, que executam softwares específicos de monitoramento, operação, controle remoto em tempo real, de um processo produtivo ou de uma planta automatizada.
Conforme a fabricante Elipse, um software supervisório recebe dados dos CLPs num tipo de comunicação chamada OPC (OLE for Process Control, sendo que OLE significa Object Linking and Embedding), e guarda em um banco de dados SQL (Structured Query Language), através de uma tecnologia chamada ADO (ActiveX Data Object) utilizando scripts do supervisório.
Os sistemas supervisórios, à medida que foram evoluindo, ganharam uma interface gráfica mais amigável e também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Na Figura 2, temos uma arquitetura genérica de um sistema SCADA.
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Figura 2 – Arquitetura de um sistema SCADA
Fonte: Santos; Henriques, 2015.
Esse tipo de arquitetura tem um barramento central por onde trafegam vários protocolos interagindo entre os dispositivos, mesmo que esses sejam de fabricantes diferentes.
Os elementos do chão de fábrica (ou elementos de campo) têm a responsabilidade de adquirir as informações e enviar essas variáveis de processo real relacionadas a processos monitorados, fazendo a conversão de dados físicos, como temperatura e vazão, para sinais que o CLP processe.
A partir do momento em que o CLP processar as informações, ou seja, executar todas as funções programadas pelo usuário, ele as envia para o computador central, o qual, munido do software de supervisão, recebe as informações do CLP relacionadas com os eventos do processo em questão.
Esses eventos podem ser diversos: uma válvula aberta, variáveis em determinadas porcentagens, circuito ligado ou desligado.
Quando o valor repassado pelo CLP ao supervisório está fora dos padrões estabelecidos pelo usuário, o supervisório interpreta como um alarme e o repassa ao usuário, o qual, por sua vez, pode enviar informações para o processo industrial através do supervisório.
Na Figura 3, temos um exemplo de um processo industrial num software supervisório.
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Figura 3 – Exemplo um software supervisório
Fonte: Supervisório, 2015.
A seguir, temos vários sistemas supervisórios disponíveis no mercado:
Elipse, da Elipse Software;
FactoryTalk View SE, da Rockwell Automation;
iFIX, da General Electric;
Indu Soft Web Studio, da InduSoft;
Process View, da SMAR;
Scada BR (open source), da MCA Sistemas;
SIMATIC Wincc, da Siemens;
Vijeo Citect, da Schneider Electric
Wondewarein touch da Invensys.
TEMA 3 – MANUTENÇÃO DE REDES INDUSTRIAIS
A manutenção de qualquer equipamento no ambiente industrial é um dos gargalos da produção. Quanto mais um equipamento ficar parado, maior é o prejuízo decorrente.
Existem dois tipos principais de manutenção: a corretiva e a preventiva.
A manutenção preventiva ocorre antes que a falha aconteça, até mesmo que diminua a incidência de falhas, e tem como função prevenir falhas em
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equipamentos, maquinas ou processos industriais. É considerada uma das maneiras mais eficazes de se evitar a interrupção do processo produtivo, com a vantagem de ser programada e amenizar custos de compra de novos itens.
Já a manutenção corretiva, como o nome já diz, tem o intuito de corrigir um erro já apresentado. Nesse momento, o processo pode ser prejudicado.
Nas redes industriais, podemos ter problemas em várias etapas, desde a concepção até à plena produção.
A primeira preocupação que o engenheiro deve ter são as escolhas adequadas na etapa de planejamento. Em redes industriais, deve-se ater a todos os detalhes que serão essenciais para o projeto, por exemplo, escolher bem as características técnicas de todos os equipamentos. Se escolher um CLP com uma quantidade menor de entradas e saídas digitais, isso pode causar transtornos futuros; escolher um CLP que tenha muito mais funções que as necessárias também prejudica o projeto.
Depois de um bom planejamento, temos a etapa de montagem. Nesse momento, o acompanhamento de uma pessoa especializada é essencial.
Analise a Figura 4. Ali, temos um cabo de uma rede Profibus passando junto ao cabeamento elétrico. Erro de montagem. Analise nessa figura também que não temos identificações adequadas, apenas um pedaço de fita crepe com inscrições que dificilmente são traduzidas após a montagem.
Na Figura 5, temos a montagem de um equipamento de rede montado de ponta cabeça, outro erro de falta de acompanhamento e conferência.
Figura 4 – Cabeamento Profibus instalado incorretamente
Fonte: Aguiar, S.d.
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Figura 5 – Equipamento de ponta cabeça
Fonte: Aguiar, S.d.
Na montagem não se pode cair na armadilha da improvisação, ou seja, colocamos um projeto em fase de testes para funcionar e ele vira um produto que se usa de forma permanente. Dessa maneira, aumenta-se muito a probabilidade de haver manutenções corretivas. Na Figura 6, temos uma instalação improvisada.
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Figura 6 – Ligações improvisadas
Fonte: Aguiar, S.d.
Temos também a falta de certificação no fim da instalação, ou seja, a empresa ou o profissional que está fazendo o serviço tem que se certificar usando como base uma série de legislações e normas atualizadas na área de cabeamento estruturado, assim como o próprio funcionário tem que estar certificado na sua profissão.
Por fim, no momento em que o projeto estiver a pleno vapor, temos vários equipamentos considerados “inteligentes”, ou seja, dispositivos que têm autodiagnóstico, o que possibilita a interação com programas supervisórios e programas de manutenção preventiva e proativa. Nesse caso, os profissionais devem estar observando as mensagens de erro, alarmes ou estatísticas operacionais que permitem a antecipação de falhas.
TEMA 4 – REDES WIRELESS (SEM FIO)
A inserção da tecnologia sem fio no ambiente industrial traz vários benefícios ao processo automatizado, por exemplo: tempo de instalação reduzido, instalação facilitada, não precisa passar fiação, locais com dificuldade de acesso.
A partir do momento em que a produção tem aumentado, novos projetos vêm aparecendo, e, em grandes plantas industriais com áreas produtivas enormes, a tecnologia sem fio tem se encaixado como uma luva. Com esse
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aumento do uso da tecnologia sem fio, diminuem também as dúvidas em relação à confiabilidade das informações, capacidade de transmissão de dados, segurança dos dados, qualidade do serviço.
A seguir serão tratadas algumas tecnologias para exemplificar a tecnologia sem fio (wireless).
4.1 Bluetooth
A tecnologia bluetooth foi desenvolvida na década de 90 por uma companhia chamada Ericson com o intuito de criar um tipo de rede sem fio seguro, de custo baixo e com pouco alcance para conectar acessórios.
Para acontecer a transferência de dados entre equipamentos, não há necessidade de se configurarem redes ou permissões, pois o equipamento emissor faz uma varredura para achar outros equipamentos disponíveis.
A distância depende da classe utilizada. Pode-se conferir na Tabela 1 um comparativo entre essas classes
Tabela 1 – Comparativo entre classes
Classe Potência máxima permitida (mW/dBm)
Alcance aproximadamente
Classe 1 100mW
(20dBm)
Até 100m
Classe 2 2,5mW
(4dBm)
Até 10m
Classe 3 1mW
(0dBm)
1m
Fonte: Evolução, S.d.
A tecnologia bluetooth utiliza frequência de transmissão de 2,4GHz a 2,485GHz padronizada e não licenciada e utilizam um grupo de rede identificado como Piconet. Esse tipo de tecnologia tem a comunicação mestre e escravo, sendo um mestre e sete escravos no máximo. Padronizado pela norma 802.15.1
4.2 MiWi Protocol
Tecnologia sem fio padronizado pela Microchip na norma 802.15.4, tem como foco apresentar conexões simples de curta distância, de taxa pequena de
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transmissão e pequenas distâncias. A vantagem está no processador mais simples, por consequência mais barato. Existem redes dessas cujos componentes podem ultrapassar 5 anos de uso com pilhas AA.
Trabalham com frequência 2,4GHz, 915MHz, 868MHz e 433MHz.
4.3 Isa-SP100
O padrão ISA-SP100 é desenvolvido pela ISA (International Society of Automation) para funções industriais com redes sem fio, com o foco em ambientes severos ou hostis e suas aplicações.
Pelo motivo de haver redes com diferentes características e diferentes tempos de operação de cada equipamento na indústria, foram divididas em classes de acordo com o nível temporal e subdivididas de acordo com sua aplicabilidade. Na Tabela 2, temos essas classes.
Tabela 2 – Categoria, classes e aplicações ISA-SP100
Categoria Classe Aplicação Descrição
Segurança
0 Ação emergencial Restrição temporal sempre crítica
Controle
1 Sistema de controle de malha fechada
Restrição temporal normalmente crítica
2 Sistema de controle de malha fechada
Restrição temporal quase desprezível
3 Sistema de controle de malha aberta
Restrição temporal sempre crítica
Monitoramento
4 Alerta Aplicações com consequências
operacionais de curto prazo
5 Registro Eventos menos urgentes
Fonte: Cassiolato, [s.d.a].
4.4 Zigbee
A tecnologia Zigbee foi planejada com o foco de se ter alto rendimento de energia e versatilidade de aplicações. Trabalha com a norma 802.15.4 e utiliza frequência de transmissão 2,4GHz em 16 canais distintos. Usa-se a frequência de 915MHz (América) e 868MHz (Europa)
Utiliza topologias estrela, árvore e malha com alcance variando de 10m até 100m. As condições climáticas influenciam muito nessa característica. As velocidades podem ser de 20Kbps, 40Kbps, 250Kbps com segurança baseada no AES (Advanced Encryption Standard) -128.
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Uma vantagem notória é o número de nós que pode passar o valor de 64000.
4.5 Wireless HART
Esse protocolo de comunicação é baseado no protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer).
A tecnologia Wireless HART é um tipo de rede sem fio normalmente em malha, com vários nós, os quais podem ser pontos de acesso ou podem ser roteadores, que têm o papel de fornecer caminho para outras redes. Esse tipo de tecnologia é usado em aplicações industriais críticas. Na Figura 7, temos um esquema exemplificando a rede Wireless Hart.
Os elementos principais são dispositivos de acesso, gateway e gerenciador de rede.
Figura 7 – Wireless HART
Fonte: Cassiolato, S.d.
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4.6 6lowPAN
A sigla 6loWPAN significa IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks, que representa um grupo de trabalho que implanta o IPv6 em redes da norma 802.15.4. Tem a característica de baixo consumo de energia e normalmente funciona em dispositivos embarcados (smatphones, sensores, automação predial, transporte, medidores de energia inteligentes.)
TEMA 5 – APLICAÇÕES DE REDES SEM FIO
As tecnologias wireless não têm o objetivo de substituir as redes cabeadas; elas apenas auxiliam quando a rede precisa de mobilidade. Os fatores alto custo de implementação, dificuldade de se implementar segurança e problemas com os pontos de acesso são alguns dos estigmas criados sobre a tecnologia sem fio. Mas os padrões anteriormente citados diminuem esses mitos.
Porém escolher uma tecnologia de rede wireless exige cuidado com o ambiente de transmissão, interferências eletromagnéticas e ambientes hostis.
Na Figura 8, temos uma noção de quais são as fatias de mercado de cada tecnologia sem fio.
Figura 8 – Tecnologias sem fio
Fonte: Cassiolato, S.d.
Agora veremos uma sequência de equipamentos que são exemplos de aplicações em redes sem fio industriais.
Na Figura 9, temos um rádio bluetooth que serve para automatizar um sensor remoto utilizando uma entrada digital.
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Figura 9 - Rádio bluetooth industrial
Fonte: Bluetooth, S.d.
Na Figura 10, temos um driver microcontrolado DC/DC sem fio da Microchip, que faz o controle de luminárias led através do protocolo MiWi.
Figura 10 – Driver com o protocolo MiWi
Fonte: PIC16F1788, S.d.
Na Figura 11, temos um exemplo da rede sem fio Wireless HART industrial completa. Os sensores de chão de fábrica são sem fio.
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Figura 11 – Rede Wireless HART
Fonte: Design... S.d.
Na Figura 12, temos dois equipamentos 6loWPAN: o da esquerda é um nó e o da direita é um gateway. Com equipamentos assim se tem a condição de implementar a internet das coisas, pois não temos mais endereços IPV4 e temos que partir para a solução IPv6.
Figura 12 – Nó e Gateway 6loWPAN.
Fonte: Gascón; Kramp, S.d.
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FINALIZANDO
O mercado atual exige que a indústria coloque em prática sempre o que houver de melhor com o objetivo de aumentar a lucratividade e a agilidade no processo industrial. Nesse sentido, é inevitável o aumento da gestão industrial usando novas ferramentas de hardware e software, tais como software de controle e gerenciamento de redes industrias, assim como softwares supervisórios e de aquisição de dados.
Por esse motivo foram vistos os seguintes temas: gerenciamento de redes industriais, software de supervisão, manutenção de redes industriais, redes wireless, aplicações de redes sem fio.
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REFERÊNCIAS
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