Abstract – The modern industry, with its high competition, needs continually of more efficient production methods, more process information and capacity of non-specialized operation. The automation system presented in this article is a classic system, however it shows high level tools not just for control and change of information, but it offers an operation interface through a supervisory system. The technology OPC (OLE for process control), equipment PLC (Programmable Logic Computer) and supervision software Elipse used, can be perfectly applied to academy purpose to introduce the students to the professional environment with a bigger practice capacity.
Key words – Dynamic Systems Control, OPC, PLC, and Supervisory System.
Resumo – A indústria moderna com sua alta competitividade necessita continuamente de métodos de produção com maior eficiência, mais informações de processo e capacidade de operação não especializada. O sistema de automação apresentado neste artigo é um sistema clássico, porém apresenta ferramentas de alto nível não apenas para o controle e troca de informações, mas também para interface com a operação através de sistema supervisório. A tecnologia (OPC – OLE for process control), equipamento CLP (Controlador Lógico Programável) e software de supervisão (Elipse E3), utilizados neste, podem ser perfeitamente aplicados no meio acadêmico a fim de introduzir o aluno no meio profissional com maior capacitação prática.
Palavras chave – Controle de Sistemas Dinâmicos, CLP, OPC, e Sistema Supervisório.
I. INTRODUÇÃO
Em virtude da crescente necessidade de introduzir no ambiente acadêmico, condições e situações semelhantes ao encontrado nos meios industriais, este artigo aborda o desenvolvimento de um sistema de supervisão de uma planta de nível didática, utilizando sistema supervisório e CLP (Controlador Lógico Programável) comunicando através do protocolo de comunicação OPC (Object Linking and
Embedding for Process Control). O sistema em questão deve
ter como características o baixo custo, a utilização de equipamentos e controladores industriais e a facilidade de implementação em laboratório.
O sistema de supervisão proposto neste trabalho, é constituído em três etapas distintas: o algoritmo de controle embarcado no CLP, o software de supervisão e o protocolo de comunicação OPC. Além das três partes principais, utilizam-se instrumentos para aquisição de dados da planta e os atuadores para o controle da planta.
Serão apresentadas também, algumas ferramentas para que este sistema torne-se amigável à operação, o que inclui uma
Artigo apresentado no II Seminário de Automação Industrial e Sistemas Eletro-Eletrônicos – SAISEE (ISSN 2319-0280), ocorrido em 04 de Março de 2015 na cidade de Santa Rita do Sapucaí-MG
interface gráfica com parâmetros e valores das variáveis do
sistema, onde é possível operar cada item do controle individualmente e ajustar parâmetros, a fim de atingir os objetivos operacionais.
II. PRINCIPIOSGERAIS
A. CLP
O CLP foi desenvolvido em 1968 na indústria automobilística com intuito de trazer flexibilidade às linhas de montagem. Como os sistemas de controle tradicionais desta época envolviam grandes painéis de relés e contatores, as modificações eram complicadas, demoradas e caras. Neste momento já surgiam sistemas computacionais, o que colaborou com a digitalização dos sistemas de controle através de CLP. [8]
O CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e
software compatíveis com aplicações industriais, segundo a
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Pode ser definido também, como um dispositivo eletrônico, que pode armazenar e executar instruções para controle de processos, também pode realizar operações matemáticas, manipulação de dados, é capaz ainda de interfacear com a maioria das redes de comunicação do mercado, sendo utilizado no controle de sistemas automatizados. [9] A Figura 1, mostra o diagrama em blocos simplificado de um CLP.
Figura 1 – Diagramas de bloco do CLP. [8]
Como apresentado na Figura 1, a UCP (Unidade Central de Processamento) é responsável pela execução do programa e pelo gerenciamento do processo. Para que as informações do processo sejam atualizadas no programa do CLP, é necessário o uso de hardware compatível com as grandezas elétricas a serem monitoradas e controladas. Este hardware é chamado de módulos de Entrada/Saída ou módulo de I/O (Input/Output). Cada fabricante de CLP possui uma gama de produtos de I/O, mas em geral se encontra no mercado módulos de entrada e saída digital 24VDC ou de corrente alternada 127/220VAC, módulos de entrada e saída analógica para corrente 4-20 mA ou tensão 0-10VDC, etc. [8]
O ciclo de máquina de um CLP ou Scan é executado em um tempo pré-determinado pelo usuário, denominado Cycle Time, e é composto pelas seguintes etapas: Leitura das entradas,
Alexandre Baratella Lugli, Giovanni Henrique F.Floriano, Joao Paulo Henriques, Lucilene Paula de Oliveira,
Romulo Mota Volpato, Valter Luís Rodrigues e Yvo Marcelo Chiaradia Masselli
execução do(s) programa(s) e atualização das saídas, como apresentado na Figura 2. [8]
Figura 2 – Ciclo de Máquina de um CLP.
Os fabricantes oferecem softwares de desenvolvimento e edição de programa para seus CLPs e embora possam ter recursos e interfaces diferentes, todos adequam seus softwares à norma IEC 61131-3. [8]
B. Sistema Supervisório.
Por volta das décadas de 70 e 80 com o surgimento do microprocessador em escala industrial, do computador e da necessidade competitiva da indústria, os sistemas computacionais tiveram suas primeiras aplicações no meio industrial e desta forma, surgiram os primeiros sistemas supervisórios. [1]
Um sistema supervisório uma ferramenta gráfica computacional, no qual é possível representar uma planta industrial de tal forma que se visualize exatamente as etapas do processo. Pode-se representar sequencias de processos, movimentos de máquinas, abertura e fechamento de válvulas, leitura de variáveis como temperatura, pressão, vazão, entre outros. Também é possível gerar gráficos de tendências, histórico de variáveis, relatórios e outras facilidades de gestão de processo. Esse sistema, também permite armazenar os dados amostrados em uma base de dados. [10] Todas as animações criadas nas telas do sistema de supervisão podem ser referenciadas a esta base de dados. A Figura 3 apresenta um modelo de tela de um supervisório.
Antes da popularização dos protocolos de redes industriais, a comunicação entre sistema supervisório e CLP era feita através de drivers específicos, ou seja, para cada CLP o fabricante de supervisório deveria implementar (desenvolver) um driver de comunicação. Atualmente nos sistemas de supervisão, a comunicação entre CLP e supervisório é feita através de protocolos padrões de comunicação, como por exemplo, Profibus, DeviceNet e o Protocolo OPC, de especial interesse deste trabalho.
Figura 3 – Exemplo de tela supervisório para controle e monitoração. [10]
C. Protocolo de comunicação OPC.
O OPC é um padrão de comunicação industrial que tem como objetivo interligar equipamentos industriais mesmo que estes sejam de fabricantes diferentes. Este padrão de comunicação, que surgiu em 1996, foi resultado do trabalho voluntário de uma equipe que posteriormente se tornou a OPC
Foundation e em 2013 contava com mais 480 membros da
China, Japão, Europa e América do Norte. [2] Esta fundação criou uma especificação que define o formato padrão de objetos, interfaces e métodos para uso em sistemas de automação e controle que facilitam a interoperabilidade. Desta forma, há modelos padrões de alarmes, registros, comandos, banco de dados que devem ser seguidos por qualquer fabricante de equipamentos. Assim os grandes fabricantes de equipamentos para automação passam a produzir tecnologia neste padrão e não mais nos padrões proprietários que até então eram foco destes. [6]
O funcionamento do OPC tem base na tecnologia OLE (Object Linking and Embedding) que teve sua origem nos padrões COM (Modelo Objeto/Componente) e DCOM (Modelo Objeto/Componente distribuído) da Microsoft, permitindo que programas troquem informações que podem ser acessadas por mais de um computador desde que usem a arquitetura client/server. [5]
O padrão OPC permite que os dispositivos trabalhem de diferentes formas, a fim de maximizar a banda de comunicação, embora muitos dos equipamentos encontrados no mercado não tenham opção de configuração dessas formas de comunicação. O OPC é a ferramenta que proporciona a interconectividade entre equipamentos e sistemas para a maioria das aplicações nas indústrias. [3] [6]
O protocolo de comunicação OPC é o link entre a base de dados e o CLP. Sem o driver de comunicação seria impossível estabelecer uma comunicação entre o sistema supervisório e o CLP.
Com a evolução do padrão OPC, surgiu em 2008 o OPC UA (Unified Architecture) versão 1.0. Esta nova versão apresenta melhorias em diversos aspectos, principalmente na segurança das informações. [4] [7] Posteriormente, o OPC UA passou por melhorias, até a versão 1.02 que está disponível hoje no
mercado. [2]. A Figura 4 mostra o diagrama em blocos do protocolo de comunicação OPC.
Figura 4 – Diagramas de bloco do OPC.
D. Sistema de Nível
Em diferentes sistemas industriais, especialmente na indústria de processos, é de interesse controlar o nível de um determinado produto em um tanque.
O controle de nível consiste em garantir uma quantidade constante de produto dentro de um recipiente. Este controle monitora o valor do nível e a partir das especificações de projeto, alteraram a vazão de entrada ou saída do produto no tanque. [11]
A ação de controle u(k) atua sobre a alimentação elétrica da bomba localizada no tanque inferior alterando a vazão do líquido bombeado para o tanque superior e consequentemente a altura da coluna de líquido y(k). A altura da coluna de líquido do tanque superior é medida utilizando um sensor ultrassônico e a adequação do sinal do sensor ultrassônico para o padrão de automação (0~10V) é feita utilizando uma plataforma de microcontrolador. A Figura 5 apresenta uma representação genérica de um sistema de nível.
Figura 5 – Representação genérica do Sistema de Nível.
III. DESENVOLVIMENTO
Como descrito anteriormente, o objetivo do trabalho em questão é implementar um sistema de supervisão didático para uma planta de nível utilizando a comunicação OPC. Primeiramente definiu-se o hardware, o software e as funcionalidades do sistema. Para que haja maior interação entre o aluno e a planta, foram definidas que todas as funções e informações deveriam ficar em uma única tela para que se tenha uma visão geral do comportamento do sistema a ser controlado quando este estiver submetido àquelas condições.
Uma vez definidas as variáveis e as funcionalidades do processo, a segunda etapa da implementação do sistema foi o desenvolvimento do algoritmo de controle no CLP. Dentre as linguagens de programação definidas pela norma IEC 61131-3, optou-se por utilizar a linguagem texto estruturado, uma vez que este tipo de linguagem possibilita a organização do programa de forma mais objetiva. A Figura 6 apresenta o bloco PID (LCRSlimPID) implementado no CLP utilizando texto estruturado.
Figura 6 – Bloco PID em texto estruturado.
Finalizado o desenvolvimento do algoritmo de controle no CLP, desenvolveu-se a parte visual e funcional do supervisório utilizando o software de supervisão Elipse E3. Através da tela de comando e supervisão, é possível o operador (aluno) controlar a planta em dois modos, manual e automático. Em automático, o usuário insere os parâmetros do controlador PID e o Set Point de maneira manual, e a partir desses parâmetros e da referência especificada, o bloco PID determina a porcentagem de funcionamento da bomba para que o sistema tenda ao equilíbrio, ou seja, entre em regime permanente com erro zero. Em manual, o usuário determina a porcentagem fixa de funcionamento da bomba (degrau) e a partir da resposta do sistema a essa excitação, é possível obter seu modelo matemático. Ainda há os comandos liga e desliga, tanto em automático como em manual.
Para uma melhor visualização das grandezas envolvidas no processo, a tela do supervisório apresenta um gráfico em tempo real que apresenta a variável a ser controlada (nível do tanque superior) e o valor desejado (Set Point). A Figura 7 mostra a tela do supervisório com as funcionalidades apresentadas.
Figura 7 – Tela do supervisório parcial em desenvolvimento.
Desenvolvido os objetos de supervisório e a programação do CLP, foi estabelecida a comunicação entre os equipamentos utilizando o protocolo OPC. Para o trabalho em questão, optou-se por utilizar o servidor OPC no CLP, e o cliente OPC no sistema supervisório.
Para a configuração do servidor OPC, utilizou-se a ferramenta de programação proprietária do fabricante do CLP, denominada Automation Studio. A Figura 8 apresenta a etapa de configuração do servidor OPC no CLP e a etapa de seleção das variáveis a serem utilizadas no processo.
Figura 8 – Tela de configuração do OPC no CLP.
Uma vez configurado o servidor OPC e selecionadas as variáveis do processo, mapeou-se as variáveis utilizadas dentro do servidor OPC como apresentado na Figura 9.
No sistema supervisório para a criação de um cliente OPC, foi necessário incluir nos arquivos de configuração da ferramenta um driver de comunicação OPC com as configurações (Endereço IP e ID do servidor) definidas. Após esta etapa, foram importadas as TAGs (variáveis) que foram declaradas e configuradas no CLP. A Figura 10 mostra a tela de configuração e monitoramento das variáveis da comunicação OPC no supervisório.
Figura 9 – Tela de mapeamento do OPC no CLP.
A tela de configuração e monitoramento permite estabelecer escala para as variáveis, através das colunas Min UE, Max UE, Min I/O E Max I/O. Este tipo de configuração é muito utilizado quando é necessário exibir variáveis em outras unidades diferentes da usada na lógica do CLP.
Figura 10 – Tela de configuração e monitoramento das variáveis da comunicação OPC no supervisório.
Depois de estabelecida a comunicação OPC, criou-se a relação dos objetos, animações, valores e comandos às variáveis que já declaradas no driver OPC. Nesta etapa, devem-se configurar as variáveis já importadas com relação ao tempo de atualização e com relação ao comportamento, ou seja, se a variável é de leitura, escrita ou leitura e escrita.
Uma vez estabelecida à comunicação entre o CLP e o sistema supervisório, foram realizados testes para verificar a confiabilidade e a robustez na comunicação OPC.
A seção a seguir, apresenta alguns resultados práticos do sistema de supervisão em questão.
IV. RESULTADOSEAPLICAÇÕES
A fim de comprovar a funcionalidade do sistema desenvolvido, foram realizados dois testes. Inicialmente foi realizada a resposta ao degrau em malha aberta (modo manual) e a resposta ao degrau do sistema controlado em malha fechada
Para o primeiro teste, aplicou-se um degrau de 40% na potência do motor e a altura da coluna de líquido do tanque superior foi amostrada, como apresentado na Figura 11.
Por se tratar de um sistema didático, a partir da curva de reposta apresentada na Figura 11, o aluno pode aplicar alguns métodos de identificação de sistemas dinâmicos e a partir destes resultados, obter o modelo matemático do sistema a ser controlado.
Figura 11 – Tela do sistema supervisório operando em manual.
No segundo teste (resposta do sistema controlado em malha fechada), os parâmetros do controlador PID (Kp = 20, Ti = 4 e Td = 0), e o valor de referência SP = 100 mm foram inseridos no supervisório para obtenção da resposta do sistema controlado.
Os valores de Kp, Ti e Td foram obtidos através de um algoritmo de auto-tunning já embarcado no CLP. No entanto, precisaram ser otimizados em função do ruído apresentado pelo sensor ultrassônico utilizado neste trabalho. Neste sentido foi necessário anular o valor de Td a fim de melhorar a resposta do sistema.
Na Figura 12, é possível observar a variável de processo sendo controlada, de acordo com os parâmetros determinados e inseridos no sistema supervisório.
Figura 12 – Tela do sistema supervisório operando em automático.
Ao observar a Figura 12, nota-se que ao iniciar o controle, a variável de processo busca atingir o Set Point e ao atingir este,
oscila até concluir o controle, onde a bomba passa a trabalhar com uma potência intermediária e praticamente constante.
V. CONCLUSÃO
Neste trabalho apresentou-se o desenvolvimento de um sistema supervisório para supervisão de uma planta de nível didática, utilizando um CLP e um supervisório comunicando via protocolo OPC. Através dessa implementação realizou-se testes com o supervisório operando em modo manual e automático para controle e identificação do sistema de nível em questão.
A utilização do protocolo OPC traz como principais vantagens à facilidade de implementação do servidor e do cliente nos equipamentos em questão, e também a alta capacidade de troca de dados, uma vez que o meio físico do protocolo é o padrão Ethernet.
Este sistema foi submetido a diversos testes funcionais e todas as suas funcionalidades previstas no início do projeto foram concluídas, os valores indicados no gráfico tem atualização em tempo real e o valor de nível indicado e plotado no gráfico possui uma instabilidade em virtude da variação da superfície do fluído em ondas. Para que esta medida fique estável, é necessário a aplicação de um filtro no sensor, uma melhoria que pode ser aplicada no futuro.
Além da aplicação didática, este trabalho se mostra importante também para o meio industrial, pois dentro deste tema existem diferentes tipos de controle de nível, onde se controla a admissão, como neste trabalho, onde se controla o consumo do fluido e também há controles de nível em tanques pressurizados onde se faz necessário o uso de medidor de nível por pressão diferencial ao invés de medidor de nível por ultrassom, entre outros.
REFERÊNCIAS
[1] QUEIROZ, M. H. Controle supervisório modular de sistemas de porte. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2000, 61p.
[2] OPC FOUNDATION - History - Disponível em:
https://opcfoundation.org/about/opc-foundation/history/, acessado em 14/09/2014.
[3] OPC FOUNDATION - What is OPC? - Disponível em:
https://opcfoundation.org/about/what-is-opc/, acessado em 14/09/2014. [4] OPC FOUNDATION - Unified Architecture - Disponível em:
https://opcfoundation.org/about/opc-technologies/opc-ua/, acessado em 14/09/2014.
[5] BRANQUINHO, M. A.; MORAES, L. C.; SEIDL, J.; BRANQUINHO, T. B.; JUNIOR, J. A. Segurança de Automação Industrial e SCADA, 1ª Edição, Rio de Janeiro, RJ, Elsevier, 2014, 280p.
[6] Anwar, M.R.; Anwar, O.; Shamim, S.F.; Zahid, A.A. Humam Machine
Interface Using OPC (OLE for Process Control), in Conf. Rec. 2004
IEEE Students Conf. on Engineering Sciences and Technology, pp. 35-40.
[7] YANG C.; LI H.; LIU Z. Implementation of migrations from class OPC
to OPC UA for data acquisition system, in Conf. Rec. 2012 IEEE Int.
Conf. on System Science and Engineering (ICSSE), pp. 538–592. [8] FRANCHI, C. M.; CAMARGO, V. L. A. Controladores Lógico
Programáveis, 2ª Edição, São Paulo, SP, Érica, 2010, 352p.
[9] GEORGINI, M. Automação aplicada, 4ª Edição, São Paulo, SP, Érica, 2000, 236p.
[10] MORAIS, C. C.; CASTRCUCCI, P. L. Engenharia de controle
