UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
WARLEY HENRIQUE PEREIRA
SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
WARLEY HENRIQUE PEREIRA
SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
Orientadora:
Prof.ª Drª. Karla Boaventura Pimenta
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP Dezembro/2009
Fonte de catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br
P436s Pereira, Warley Henrique Pereira.
Sistemas digitais de controle distribuído [manuscrito] / Warley Henrique Pereira. – 2009.
44 f. : il., color. ; graf.
Orientador: Prof. Karla Boaventura Pimenta.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro
Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia Controle e Automação.
Área de concentração: Sistemas de controle.
1. Sistema de controle distribuído. 2. Controle de processos. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
AGRADECIMENTOS
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo apresentar o estudo da arte sobre Sistemas Digitais de Controle Distribuído, SDCD. Este sistema foi originado no inicio da década de 1970, e é composto de uma arquitetura mista, ou seja, dividido em outros subsistemas que integrados se completam no cumprimento de suas principais funções: o controle e a supervisão do processo produtivo da unidade. Estes processos podem ser contínuos, discretos ou em bateladas. Fundamentado em conceitos como: IHM (Interface Homem-Máquina), redes de comunicação, unidades remotas microprocessadas, toda uma visão técnica e estrutural do sistema de controle distribuído foi apresentada. Os conceitos em que se baseiam toda teoria relacionada à filosofia de funcionamento e estrutura de um SDCD, permite em plantas de menor porte, uma simulação do mesmo. Ao final deste estudo, essa proposta para trabalhos futuros é levantada, ou seja, uma simulação de um sistema de controle que possuem as mesmas características funcionais de um SDCD em laboratório.
ABSTRACT
The following job presents a study about Distributed Control Systems – DCS. This system originated in the early 1970s, and is composed of a mixed architecture, which is divided into other subsystems integrated complement to fulfill its main functions: the control and supervision of the unit's production process. These processes can be continuous, discrete or in batches. Based on concepts such as HMI (Human Machine Interface), networking, remote units microprocessor, a whole vision of the technical and organizational distributed control system was presented. The concepts on which to base any theory related to the gear philosophy and structure of a DCS allows for smaller plants, a simulation of it. On completion of this study, this proposal for future work is raised, in other words, a simulation of a control system that have the same functionality of a DCS in the laboratory.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Antiga sala de controle de uma subestação energética (Canastra, RS). ... 13
Figura 1.2 - Control room inside the Joint Institute (Rússia 1959). ... 12
Figura 1.3 - Imagem ilustrativa de um COI (Centro de Operações Integradas). ... 13
Figura 3.1 - Controle Digital Direto – DDC. ... 23
Figura 3.2 - Ciclo de vida das tecnologias de controle de processo. ... 24
Figura 3.3 - SDCD – Visão Geral... 26
Figura 4.1 - Modelo de referência de um SDCD. ... 27
Figura 4.2 - Estação de Operação Típica do SDCD. ... 30
Figura 4.3 - Tela Geral. ... 31
Figura 4.4 - Malha de instrumentação de um poço. ... 32
Figura 4.5 - Tela de Registro. ... 33
Figura 4.6 - Tela de Alarme... 34
Figura 4.7 - Evolução da sigla CIM. ... 35
Figura 4.8 - Esquema básico de comunicação em um SDCD. ... 36
Figura 5.1 - Planta do controle de nível e temperatura - Laboratório de Tecnologias Industriais. ... 39
Figura 5.2 - Supervisório do controle de nível e temperatura. ... 39
Figura 5.3 - Circuito de aquisição de dados do sistema de correção do fator de potência. ... 40
Figura 5.4 - Tela principal do supervisório do sistema de correção do fator de potência. ... 40
LISTA DE ABREVIAÇÕES
AD – Analógico-Digital.
CLP – Controlador Lógico Programável. CIM – Computer Integrated Manufacturing.
DA – Digital-Analógico.
DCS – Distributed Control System. DDC – Direct Digital Control. IHM – Interface Homem-Máquina. LAN – Local Area Network.
PID – Proporcional Integral Derivativo.
SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído. SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition. UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto.
WAN – Wide Area Network.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 13
1.1. Contexto ... 13
1.2. Motivação... 16
1.3. Objetivos ... 16
1.4. Metodologia ... 16
1.5. Estrutura do Trabalho ... 17
2 TIPOS DE PROCESSO ... 18
2.1. Introdução ... 18
2.2. Processo Contínuo ... 19
2.3. Processo Discreto ... 19
2.4. Processo em Batelada ... 20
3 SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO ... 22
3.1. Histórico e Evolução ... 22
3.2. Origem ... 24
3.3. Definição e Funcionalidade ... 25
4 ESTRUTURA DE UM SDCD ... 27
4.1. Subsistema de Aquisição de Dados e Controle ... 28
4.2 Subsistema de Monitoração e Operação ... 29
4.2.1 Telas de Visão Geral ... 30
4.2.2 Telas de Grupo ... 31
4.2.3 Telas de Malhas Individuais ... 31
4.2.4 Telas de Registros ou Históricos ... 32
4.2.5 Telas de Alarmes ... 33
4.3 Subsistema de Supervisão e Otimização ... 34
4.4 Subsistemas de Comunicação ... 35
5 SIMULAÇÃO DE UM SDCD EM LABORATÓRIO ... 38
5.1 Proposta... 38
REFERÊNCIAS ... 42
1 INTRODUÇÃO
1.1. Contexto
Com o passar do tempo via-se a necessidade de melhora de controle nos processos industriais. Velocidade de processamento, qualidade e segurança encabeçaram e impulsionaram essa melhoria. Muitos sistemas de automação só se tornaram possíveis por causa dos recentes e grandes avanços na eletrônica. Sistemas de controle que antes eram inviáveis devido ao elevado custo hoje se tornam obsoletos diante do rápido avanço da tecnologia.
Até a década de 1940, as plantas de controle eram operadas manualmente, com poucos instrumentos para realizar o controle local, como ilustrado nas figuras 1.1 e 1.2. A introdução da eletrônica durante as décadas de 1950 e 1960, paralelamente com os avanços de dispositivos de processamento, permitiram o desenvolvimento de processos mais elaborados que pudessem utilizar formas de controle mais precisas. Com isso, percebeu-se a necessidade de criar sistemas aplicáveis e eficientes que pudessem receber informações da planta, processá-las e atuar sobre esse mesmo processo, tudo isso sob uma supervisão visual do operador (GUTIERREZ, 2008).
Figura 1.2 - Control room inside the Joint Institute (Russia 1959). Fonte: SOCHUREK, 1959.
controle. A figura 1.3 ilustra um centro de operação baseado em uma arquitetura de controle moderno. Pode-se facilmente perceber a evolução dos sistemas de controle com o passar dos anos.
Figura 1.3 - Imagem ilustrativa de um COI (Centro de Operações Integradas). Fonte: SMAR, 2008.
Com o avanço tecnológico da eletrônica microprocessada fornecendo sistemas programáveis, transformações significativas no custo e qualidade dos equipamentos destinados ao controle industrial foram obtidas. Entre inúmeras arquiteturas de sistemas digitais aplicadas na aquisição e monitoração de variáveis analógicas e digitais, assim como na supervisão e controle de processos industriais, tem-se o Sistema Digital de Controle Distribuído, SDCD ou DCS, (“Distributed Control System”). O SDCD é um elemento da área de Automação Industrial que tem como função o controle de processos de forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custo de produção, viabilizando melhoria na qualidade de produtos, precisão das operações e garantia de segurança operacional, (GUTIERREZ, 2008).
variáveis analógicas, e foi sendo expandido em suas aplicações até abranger praticamente todas as aplicações de controle usuais, incluindo-se aí as variáveis discretas, o controle de bateladas, controle estatístico de processo, geração de relatórios, etc..
Originado na década de 1970 para automatizar plantas em indústrias de processo em batelada ou contínuo, o SDCD foi desenvolvido na forma de um pacote (hardware + software + rede de comunicação) com recursos adaptados às peculiaridades de cada um dos segmentos da indústria – siderúrgica, metalúrgica, refinamento de petróleo, alimentícia, farmacêutica, etc..
1.2. Motivação
A maior motivação deste trabalho é adquirir conhecimentos teóricos sobre SDCD, identificar os subsistemas e dispositivos que o compõem e poder fornecer informações necessárias para simulação de sistemas com características semelhantes ao SDCD. Estas simulações poderão ser realizadas no Laboratório de Tecnologias Industriais do Departamento de Engenharia de Controle e Automação da Escola de Minas na Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP. Esta implementação fornecerá soluções para plantas de menor porte que futuramente teriam fins didáticos para os alunos de Engenharia de Controle e Automação que se interessem em estudar e até mesmo aprofundar sobre o assunto.
1.3. Objetivos
Os objetivos deste trabalho são adquirir conhecimentos teóricos e práticos sobre os SDCD. Identificar e conhecer as funcionalidades e aplicabilidades dos dispositivos que compõem o sistema; unidades remotas microprocessadas, IHM (Interface Homem-Máquina) e redes de comunicação. Mostrar de forma clara uma abordagem atual do controle industrial, bem como suas necessidades e novidades tecnológicas.
Para o desenvolvimento teórico deste trabalho foi realizada revisão bibliográfica abrangendo diversos artigos, monografias, tutoriais e literaturas sobre o assunto. Temas como: automação do controle industrial, sistemas e subsistemas de controle, sistemas supervisórios, sistemas SCADA do inglês “Supervisory Control and Data Aquisition”, redes industriais de comunicação, interface homem-máquina, CLP (Controlador Lógico Programável), etc., foram exaustivamente pesquisados e estudados.
1.5. Estrutura do Trabalho
No capítulo 1 é explanada uma introdução sobre o assunto. É apresentado um pequeno histórico da evolução tecnológica dos sistemas de controles de automação, a definição de um SDCD, a citação dos principais dispositivos que o compõem juntamente com a importância do desenvolvimento desta tecnologia.
No capítulo 2 é apresentado o conceito de processos industriais, bem com seus principais tipos e características, pois, para aplicações de sistemas de controle, é necessária uma boa compreensão do processo.
No capítulo 3 é pretendido um aprofundamento sobre Sistemas Digitais de Controle Distribuído, com um estudo da arte sobre o assunto.
No capítulo 4 é abordada a filosofia de funcionamento e estrutura de um SDCD, devidamente agrupado em subsistemas independentes que interligados compõem um sistema distribuído.
No capítulo 5 é proposta futura simulação de um Sistema Digital de Controle Distribuído realizada no Laboratório de Tecnologias Industriais.
2 TIPOS DE PROCESSO
2.1. Introdução
Segundo Naveiro e Pará (2000), um processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho e do capital para transformar a matéria-prima em bens de produção e consumo, por meio de técnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo de negócio.
Do ponto de vista de produção, o processo é geralmente tomado como lugar onde os materiais e a energia se juntam para fazer um produto desejado. Do ponto de vista de controle, associa-se ao processo uma ou mais variáveis importantes o suficiente para que seus valores sejam conhecidos e controlados. Este mesmo processo pode envolver uma operação mecânica, um circuito elétrico, uma reação química ou uma combinação desses eventos, (RIBEIRO, 2001).
Qualquer operação ou série de operações que produza o resultado final desejado é considerada um processo. Geralmente, consiste na modificação das matérias primas, colocadas na sua entrada, através do suprimento de energia durante um determinado período de tempo, obtendo os produtos finais em sua saída. A necessidade de automação em processos industriais é sempre crescente. Ela permite ganhos de produtividade uma vez que as informações são processadas com mais velocidade. Os processos produtivos nessas indústrias geralmente são complexos e requerem um eficiente sistema de controle. Para aplicações de sistemas de controle eficientes, é necessário um bom entendimento de processo. Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, o processo pode ser classificado em:
2.2. Processo Contínuo
De acordo com Gutierrez (2008), processos contínuos são referentes a sistemas em que as variáveis precisam ser monitoradas e controladas ininterruptamente. É o caso per exemplo, de siderúrgicas, da produção de combustíveis, gás natural, produtos químicos, plásticos, papel e celulose, cimento, etc..
Em um sistema de produção do tipo contínuo existe uma padronização tanto dos insumos quanto dos equipamentos. Nos processos contínuos percebe-se uma padronização dos inputs (variáveis de entrada), de modo a facilitar que o equipamento também seja padronizado, gerando uma inflexibilidade dos mesmos. Devido a essa padronização, tanto de insumos como de maquinário, características como: alta velocidade de produção, pouco trabalho humano, baixa complexidade do produto, baixo valor agregado, pequeno número de etapas de produção e número limitado de produtos, estão presentes em processos contínuos.
Levando em consideração o tempo de processamento, uma boa explanação sobre processos contínuos é abaixo descrito:
Em processo contínuo o tempo de processamento por unidade é muito pequeno, porém a alta velocidade de produção, e o grande tempo gasto com mudanças de set up (preparação do equipamento), impõem que os pedidos
ou ordens de serviço sejam grandes. A baixa complexidade e variedade dos produtos, aliados ao baixo número de etapas de produção e a grande demanda por estes poucos produtos, tornam justificáveis altos investimentos em equipamentos que operem em regime permanente de 24 horas. (FRANSOO; RUTTEN, 1993).
2.3. Processo Discreto
Os processos discretos são referentes à fabricação de produtos ou peças que podem ser contados como unidades individuais e na qual predominam as atividades discretas.
desenergizado, aceso ou apagado, alto ou baixo, 1 (um) ou 0 (zero). O processo discreto requer controle lógico. Aplicações de controle lógico incluem o alarme e intertravamento do controle contínuo de processos industriais.
As indústrias que se caracterizam pelo controle de processo do tipo discreto são as indústrias manufatureiras, de fabricação por lote, cujo maior expoente é a indústria automobilística. Também são exemplos desse tipo de processo a produção de placas de metal estampadas, indústria aeronáutica, bens de capital, brinquedos, eletroeletrônicos, computadores, vestuário, tijolos, pneus, calçados, etc.. Nesse tipo de indústria, atualmente, usam-se sistemas de controle baseados em robôs para executar estas séries de operações repetitivas.
2.4. Processo em Batelada
Para Gutierrez (2008), os processos em bateladas são relativos a bens cuja produção requer que determinadas quantidades de matérias-primas sejam combinadas de forma apropriada durante um dado período de tempo. Apesar de intermitentes (descontínuos), tais processos têm natureza contínua durante o período de atividade.
No processo em batelada, uma dada quantidade de material é processada através de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar ao passo seguinte. A alimentação do processo batelada é feita por quantidades discretas, de modo descontínuo. O processo é alimentado, a operação é executada, o produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo.
Segundo Ribeiro (2001), cada operação do processo de batelada pode ser considerada um processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente pequeno, medido em minutos ou horas.
Este processo é aquele em que as funções de transferência de material ou processamento de material são cíclicas com resultados repetitíveis. O processo batelada faz um produto em quantidades finitas. Em uma situação ideal, este produto é determinado por:
b) Informações dos ingredientes ou as matérias primas usadas; c) A ordem dos passos;
d) As condições do processo;
e) Equipamentos usados no processo.
No processo em batelada, ao contrário dos demais processos, o número de etapas de produção é maior e o nível de complexidade do produto é alto. Em indústrias de química fina, por exemplo, muito comumente pode se distinguir mais de dez etapas de produção diferentes para um mesmo produto. O fato de se produzir uma maior variedade de produtos que requeiram para sua produção a utilização de um mesmo equipamento, torna o controle da produção muito complexo. Frequentemente faz-se necessário uma ampla reconfiguração: instalações são refeitas e reconectadas para proporcionar novas configurações de processo. Para situações de produção por bateladas, é recomendo implantações de sistemas de controle onde os equipamentos devem ser flexíveis o suficiente para manipular o processamento de uma larga variedade de produtos, tamanhos e mudanças de projetos de cada produto.
São exemplos desse tipo de processamento indústrias de fabricação de colas ou alimentos, em que a mistura de insumos, em proporções calculadas, precisa ser mantida aquecida durante um tempo preestabelecido. Também podem ser classificadas nessa categoria as indústrias farmacêuticas, de bebidas, de produtos de limpeza, de alimentos, cerâmica, fundição, embalagens, etc..
3 SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
3.1. Histórico e Evolução
Até a década de 1930, todos os instrumentos mecânicos eram conectados diretamente ao processo, servindo apenas para fornecer indicações e registros para que os operadores, espalhados por toda área da planta, monitorassem o processo.
Na década seguinte, 1940, a instrumentação analógica pneumática foi uma evolução da instrumentação mecânica com a invenção do transmissor pneumático. Com ele foi possível retirar os controladores e registradores, transferindo-os para um local abrigado, dando inicio ao conceito da “sala de controle”. Ali, os operadores podiam acompanhar as variáveis do processo, registrar leitura e alterar setpoints, além de optar entre trabalhar no modo manual ou automático.
Ao final da década de 1950 quando o uso da instrumentação pneumática já estava consolidado, apareceram os transmissores e controladores eletrônicos analógicos, com padrão 4-20 mA. Inicia-se uma transição, uma nova mudança de paradigma tecnológico. O novo padrão possibilitou a transmissão de sinais a distâncias relativamente consideráveis, permitindo o aumento na quantidade de informações vindas do processo para as salas de controle das unidades.
programação. Ou seja, teriam que possuir uma formação bem mais complexa que a dos operadores e instrumentistas daquela época. Outro inconveniente estava na centralização de todo cabeamento entre o campo e a sala de controle, pois cada instrumento, ou equipamento precisava de um par de condutores (SILVA, 2004).
Figura 3.1 - Controle Digital Direto – DDC. Fonte: RIBEIRO, 2001.
DDC, as plantas continuariam a operar. O processamento e confiabilidade melhoraram, mas a via de dados do campo aos controladores continuava sendo unidirecional e analógica, limitando a utilização do potencial dessa nova tecnologia.
A figura 3.2, ilustra um gráfico evolutivo das tecnologias e sistemas de controle em processos industriais ao longo do tempo.
Figura 3.2 - Ciclo de vida das tecnologias de controle de processo. Fonte: SILVA, 2004.
Durante os anos 1980, vários projetistas adotaram este sistema como solução para sistemas de automação e, durante os anos 1990, ocorreu um grande desenvolvimento na eficiência dos computadores, CLP, sensores, atuadores e sistemas de comunicação, tornando os SDCD uma realidade.
3.2. Origem
operacional. Também teve como objetivo substituir os controladores analógicos dedicados ao controle de processos industriais e, ao mesmo tempo, permitir aos operadores uma melhor visualização da operação da unidade, podendo controlá-la melhor.
Ao final da década de 1970, foram analisados os resultados de um estudo sobre as rotinas de uso das salas de controle centralizado. Este estudo ocorreu na Divisão de Sistemas de Gerenciamento da Honeywell, e avaliou o tempo de resposta do operador ao observar continuamente o número de variáveis, detectando qualquer anomalia no comportamento das mesmas, e tomando medidas corretivas. A rapidez de resposta do operador é essencial, principalmente em situações de emergência.
Toda a pesquisa e analise fundamentada neste estudo, influenciou diretamente na elaboração de sistemas de controle e supervisão mais eficiente que suprissem as necessidades industriais da época. Surgem nesse contexto, os Sistemas Digitais de Controle Distribuído, SDCD, desenvolvidos por vários fabricantes.
3.3. Definição e Funcionalidade
O SDCD é composto basicamente por um pacote integrado de dispositivos que se completam no cumprimento de suas principais funções, o controle e a supervisão do processo produtivo da unidade.
Para Finkel (2006), algumas das definições mais usuais de SDCD exprimem o fato de que uma “máquina” é responsável pela ação de controle, enquanto outra é responsável pela interface com o operador humano. O elemento de ligação entre os dois dispositivos microprocessados é a via de dados (data highway) do sistema. Por essa definição, basta que os dois processadores sejam distintos para se ter um SDCD.
(controladores), distribuídas nas áreas do processo, que os sinais dos equipamentos de campo (elementos sensores) são processados conforme pré-programado. No controle digital distribuído, as funções de monitorização e controle são distribuídas em vários painéis locais, cada um com seu próprio sistema digital, todos ligados por um circuito que se comunica com uma estação central. As operações são distribuídas funcional e fisicamente entre os vários processos da planta. Além disso, o sistema oferece uma interface homem-máquina (IHM), permitindo que as informações de processo sejam atualizadas em tempo real nas telas de operação do supervisório, através dos equipamentos remotos de comunicação digital (controladores, elementos sensores, transmissores, registradores, etc.) conectados em rede.
Nas arquiteturas SDCD, conforme ilustrado na figura 3.3, o controle não é concentrado em um dispositivo central, mas distribuído entre as estações remotas. A estação central não é um elemento essencial à continuidade da operação, mas apenas um dispositivo para facilitar e oferecer maiores recursos para a interface com o operador.
4 ESTRUTURA DE UM SDCD
Segundo Ribeiro (2001), a filosofia de controle digital é a de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente distintos: controle, operação, gerenciamento e comunicação. Um módulo de controle pode controlar várias malhas do processo, outro módulo, pode gerar as telas necessárias para a operação da planta (interface Homem-Máquina), outros ainda, regulam o fluxo de informação através de todo o sistema.
Uma coisa que é comum a todos os módulos, é que todos eles podem operar independentemente, por que a potência de processamento necessária para fazer suas funções está embutida em cada um deles. Isto é o que o microprocessador tornou possível.
Tem-se então, um sistema com arquitetura mista. De uma forma geral, as funções exercidas por um SDCD podem ser estruturadas de maneira hierárquica, sendo definidos diversos níveis de atividades. Para Souza (SOUZA, 1999), um SDCD pode ser dividido em subsistemas de acordo com suas características funcionais, segundo sua filosofia de funcionamento: subsistema de aquisição de dados, subsistema de monitoração e operação, subsistema de supervisão e otimização e subsistema de comunicação. A figura 4.1 ilustra muito bem a distribuição destes subsistemas.
4.1. Subsistema de Aquisição de Dados e Controle
Este subsistema tem como principal finalidade a realização das funções de controle, que são exercidas pelas estações remotas locais. Este está diretamente ligado ao processo.
É formado por um conjunto de unidades remotas, unidades de processamento (controladores microprocessados) capazes de executar rotinas pré-determinadas, elementos sensores, registradores, transmissores, etc.. Estes equipamentos foram desenvolvidos para manipular diretamente os sinais provenientes do processo, entradas digitais e/ou analógicas, inclusive com habilidade de gerar sinais de saída para os equipamentos atuadores. As principais características destes equipamentos se baseiam na padronização, flexibilidade e altíssima densidade dos sinais manipulados simultaneamente. Os sinais típicos são: fechamento e abertura de contatos secos, sinais analógicos de corrente (4 a 20 mA), tensão (1 a 5 V), militensão de termopares, pulsos de freqüência variável e até o prosaico sinal pneumático de 20 a 100 kPa.
Este subsistema apresenta uma variada gama de funções que inclui, por exemplo:
Controle multivariável;
Algoritmos de nível superior; Controle de seqüência; Controle lógico; Intertravamento;
Soma, subtração, multiplicação e divisão;
Raiz quadrada, compensadores de pressão e temperatura;
Polinômios e logaritmos;
Alarmes de nível, desvio e velocidade; Linearizações, etc..
Neste subsistema, os controladores podem desempenhar o controle da planta por dois modos distintos: o controle convencional e controle microprocessado. O primeiro se dá por meios analógicos, incorporando estações de controle e painéis clássicos. O segundo envolve computação matemática, intertravamentos e lógica seqüencial.
O subsistema de aquisição de dados e controle é interfaciado com os subsistemas de comunicação e com um eventual subsistema simplificado de monitoração local, entretanto vale ressaltar sua característica de autonomia, pois mesmo na ausência das funções de níveis superiores (demais subsistemas), ele deve continuar operando as funções de controle.
Para Ribeiro (2001), nas aplicações industriais, a aquisição de dados deve ser em tempo real, ou seja, o sistema deve ter a habilidade de coletar os dados ou fazer uma tarefa de controle dentro de uma janela aceitável de tempo. A duração da janela de tempo depende de quão rapidamente o sistema deve responder, que é uma função da velocidade e exatidão requeridas para uma dada aplicação.
4.2 Subsistema de Monitoração e Operação
Neste subsistema se concentra a maior parte das funções de interface homem-máquina (IHM). Por IHM, entendem-se os dispositivos de software que fornecem ao operador um maior controle e um melhor nível de informações sobre as condições de operação da planta, reduzindo o seu esforço através da simplificação dos procedimentos operacionais.
As informações são apresentadas sob forma de telas gráficas. As telas são claras e sucintas, onde o operador pode ter acesso ao processo em vários níveis: planta inteira, unidade parcial, grupo de malhas de controle e malha individual. Um cuidado bastante tomado na concepção dessas telas gráficas é em relação ao acúmulo de informações que pode prejudicar a visualização das condições excepcionais.
Figura 4.2 - Estação de Operação Típica do SDCD. Fonte: RIBEIRO, 2001.
Segundo Finkel (2006), uma boa interface com o operador, sistema supervisório, é constituído das seguintes telas de operação:
Telas de Visão Geral; Telas de Grupo;
Telas de Malhas Individuais; Telas Registros ou Históricos; Telas de Alarmes.
4.2.1 Telas de Visão Geral
Figura 4.3 - Tela Geral. Fonte: BOFF et al, 2005.
4.2.2 Telas de Grupo
Nas telas de grupo, as informações fornecidas ao operador são aquelas semelhantes às obtidas frente a um grupo de instrumentos de um painel. São telas que apresentam grupos de instrumentos (controladores indicadores, botoeiras, totalizadores, etc.), fornecendo a situação real dos mesmos, parados ou em funcionamento. Através destas telas, que podem abranger instrumentos de diferentes malhas, o operador poderá monitorar e manipular alguns parâmetros dos controles tais como: setpoint, transferência automático manual, saída para válvula, etc..
4.2.3 Telas de Malhas Individuais
Figura 4.4 - Malha de instrumentação de um poço. Fonte: SOUZA, 2005.
4.2.4 Telas de Registros ou Históricos
São telas que registram precisamente em gráficos os valores das variáveis e seu comportamento, fornecendo data, hora e minuto em que foi lido aquele valor.
Figura 4.5 - Tela de Registro. Fonte: ELIPSE, 2009.
4.2.5 Telas de Alarmes
São através destas telas que os operadores tomam conhecimento das informações de alarme de vários locais remotos. O alarme ao surgir, geralmente dispara um texto, informando a data, hora, evento, serviço, tag, grupo de alarmes e o valor dos mesmos. Para diferenciar os estados dos alarmes são usadas cores diferentes, normalmente adota-se o seguinte padrão: alarme ativo (vermelho), alarme reconhecido (amarelo) e retorno ao normal (verde).
outras telas de operação. Não é necessário que um operador acione uma tela de alarme para tomar conhecimento do alarme de um evento novo.
Figura 4.6 - Tela de Alarme. Fonte: ELIPSE, 2009.
4.3 Subsistema de Supervisão e Otimização
Acima do controle convencional do processo, que cuida de manter as variáveis iguais ou próximas de pontos de ajuste (setpoints), o processo pode e deve ser gerenciado e otimizado. Por essa razão, na estrutura de um SDCD, encontra-se o subsistema de supervisão e otimização. Este, tem como finalidade executar as funções de supervisão total do sistema, otimização do processo e geração de relatórios gerenciais periódicos.
Para todo esse gerenciamento, são necessários softwares específicos, fornecendo informações de alto nível ao gerente da planta. Estes programas específicos são executados por um computador digital, não necessariamente responsável pelo controle do processo. Através dessas informações, geradas em relatórios, é possível elaborar estratégias que visam aumentar a eficiência do controle e melhorar o gerenciamento do processo, sejam modificando os parâmetros de controle, pontos de ajuste, exercendo economia no uso da energia, definindo valores e quantidades da produção, tipos de produtos, especificações, etc..
Computador (CIM), que possibilitaram a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica, usando de complexos algoritmos, distribuição do controle e centralização de macro-decisões, viabilizando uma gestão do processo tanto técnica quanto administrativa.
Figura 4.7 - Evolução da sigla CIM. Fonte:ROZENFELD, 1996.
4.4 Subsistemas de Comunicação
Segundo Silva (2004), redes de campo, designadas na literatura anglo-saxônica por "fieldbuses", são redes locais de comunicação, bidirecionais, projetadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controle e sistemas de operação industriais.
subsistemas. Esta infra-estrutura é denominada de subsistema de comunicação, necessária para a integração dos diversos módulos autônomos do sistema.
Na arquitetura de um SDCD, o subsistema de comunicação, conhecido também como via de dados, estabelece e arbitra as prioridades de comunicação e de comando em todas as áreas da empresa. Através das vias de dados, é possível toda integração hierárquica de informações industriais e empresariais, ou seja, dados oriundos do campo, a partir deste subsistema, passam a ser integrados a outros nos bancos de dados de gestão. A figura 4.8 ilustra bem essa integração.
Figura 4.8 - Esquema básico de comunicação em um SDCD. Fonte: GUTIERREZ, 2008.
Em uma arquitetura SDCD, encontram-se as redes distribuídas e configuradas de acordo com seus níveis funcionais. O primeiro e mais alto nível é o de administração. Este é responsável pela integração dos níveis mais baixos, e até de várias fábricas. Nessas redes as estações de trabalho fazem a ponte entre o processo produtivo e a administração, que inclui a supervisão de vendas, o controle de estoques, etc.. Normalmente empregam -se as Redes de Área Local (LAN - Local Area Network) e a Redes de Área Ampliada (WAN
- Wide Area Network). No segundo nível, o de controle, ficam as estações de projeto,
seguida, o nível de campo, que são sub-redes que integram pequenas automações, modernos instrumentos digitais de campo como: controladores PID, CLP, multiplexadores, etc.. E por fim, o nível de entradas/saídas, configuradas na própria planta. Neste, são integrados atuadores, elementos sensores, transmissores, entre outros dispositivos, responsáveis por interfacear processo de produção. (FINKEL, 2006).
Se tratando dos processos da informática industrial (chão de fábrica), as vantagens são evidentes com o surgimento das redes industriais, dentre as principais tem-se:
a) Visualização e supervisão do processo de produção;
b) Programação remota, sem necessidade de acesso físico aos dispositivos de chão de fábrica;
c) Configurações de controle redundantes, isto é, se uma falhar, o processo continua a operar pela outra, sem descontinuidade ou redução de desempenho notável;
d) Os dados do processo são capturados de maneira mais eficiente e rápida; e) Aumento do intercâmbio de dados de processo entre setores e
departamentos distintos;
f) Melhora do rendimento do processo.
5 Simulação de um SDCD em Laboratório
5.1 Proposta
Os SDCD’s são equipamentos de altíssimo custo, recomendados apenas para aplicações em grandes complexos industriais. Entretanto, estes são fundamentados nos conceitos até agora discutidos, permitindo assim, a simulação de sistemas de controle que possuem as mesmas características funcionais de um SDCD. A proposta é usar destes conceitos para controlar remotamente plantas de menor porte, monitorá-las individualmente (supervisórios próprios), e através de uma rede de comunicação ethernet, interligá-las em um sistema “supervisório mãe“, este, centralizado, terá acesso aos supervisórios individuais, simulando um sistema de controle distribuído.
Para execução destas montagens são necessários uso de recursos específicos, como CLP, software para desenvolvimento de supervisórios, neste caso, ELIPSE SCADA ou o ELIPSE E3, disponíveis em Laboratório, e estruturação de redes de comunicação ethernet.
A proposta baseia-se na integração de trabalhos realizados no Laboratório de Tecnologias Industriais do Departamento de Engenharia de Controle e Automação da Escola de Minas na Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP, e realizar o controle distribuído individualmente. Estes trabalhos abrangem diferentes sistemas de controle que foram desenvolvidos pelos próprios alunos de engenharia de controle e automação. Atualmente tem-se implementado dois sistemas: controle de nível e temperatura e controle da correção do fator de potência de transformadores. Nas figuras 5.1 a 5.4 são mostrados as fotos dos sistemas já implementados com seus respectivos supervisórios.
Figura 5.1 - Planta do controle de nível e temperatura - Laboratório de Tecnologias Industriais.
Figura 5.3 - Circuito de aquisição de dados do sistema de correção do fator de potência.
6 Considerações Finais
A intenção deste trabalho foi apresentar de maneira clara não só o equipamento SDCD, mas principalmente os conceitos nos quais ele se fundamenta, e a partir desse contexto, poder avaliar a eficiência destes sistemas diante das necessidades de controle de processos industriais.
REFERÊNCIAS
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