UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
JOSÉ CARLOS SANT’ANA DOS SANTOS ORLANDO EDUARDO IGESKI
THIAGO LUCAS PAZINI
INTEROPERABILIDADE DE CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMÁVEIS EM REDE ETHERNET TCP/IP E PROFINET
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2019
JOSÉ CARLOS SANT’ANA DOS SANTOS ORLANDO EDUARDO IGESKI
THIAGO LUCAS PAZINI
INTEROPERABILIDADE DE CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMÁVEIS EM REDE ETHERNET TCP/IP E PROFINET
Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação e do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial apresentado às disciplinas de Trabalho de Conclusão de Curso 2 e Trabalho de Diplomação, respectivamente, do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT), da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação e do título de Tecnólogo em Automação Industrial. Orientador: Professor Me. Daniel Balieiro da Silva
CURITIBA 2019
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenheiro de Controle e Automação
José Carlos Sant’Ana dos Santos Orlando Eduardo Igeski
Thiago Lucas Pazini
Interoperabilidade de controladores lógicos programáveis em
rede Ethernet TCP/IP e PROFINET
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro de Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 27 de junho de 2019.
____________________________________ Prof. Ednilson Soares Maciel, Me.
Coordenador de Curso Tecnologia em Automação Industrial
____________________________________ Prof. Paulo Sérgio Walenia, Esp.
Coordenador de Curso Engenharia de Controle e Automação
____________________________________ Prof. Marcelo de Oliveira Rosa, Dr.
Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia de Controle e Automação do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Daniel Balieiro da Silva, Me.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
_____________________________________ Daniel Balieiro da Silva, Me.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Jorge Assade Leludak, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ José da Silva Maia, Me.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Marco Antonio Busetti de Paula, PhD.
RESUMO
SANTOS, José C. S.; IGESKI, Orlando E.; PAZINI, Thiago L. Interoperabilidade de
Controladores Lógicos Programáveis em Rede Ethernet TCP/IP e PROFINET.
2019. 136f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação - Curso de Engenharia de Controle e Automação e Curso de Tecnologia em Automação Industrial). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Este documento tem como objetivo demonstrar os procedimentos necessários para interoperabilidade entre Controladores Lógicos Programáveis em Rede Ethernet TCP/IP e PROFINET utilizando três PLCs de fabricantes diferentes. A primeira parte da proposta de interoperabilidade é fundamentada numa rede PROFINET formada por um PLC Siemens SIMATIC S7-300 CPU 314C como controlador PROFINET IO e um PLC Phoenix Contact AXC 1050 com dispositivo PROFINET IO. A segunda parte da proposta de interoperabilidade é concebida em torno de uma rede Ethernet TCP/IP na qual o servidor TCP é configurado nos dois PLCs mencionados anteriormente, enquanto o PLC Moeller XC-CPU201-XV assume a condição de cliente TCP/IP. Para demonstrar a interoperabilidade, a alteração do estado nas entradas de cada um deles é transmitida para as saídas dos demais PLCs conectados à rede e que compartilham o mesmo meio físico, nesse caso, cabos Ethernet Cat. 5e com conectores RJ45.
ABSTRACT
SANTOS, José C. S.; IGESKI, Orlando E.; PAZINI, Thiago L. Interoperability of
Programmable Logic Controllers in Ethernet TCP/IP and PROFINET Network.
2019. 136f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação - Curso de Engenharia de Controle e Automação e Curso de Tecnologia em Automação Industrial). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
This document aims to demonstrate the necessary procedures for interoperability between TCP/IP and PROFINET Ethernet Network Programmable Logic Controllers using three PLCs from different manufacturers. The first part of the interoperability proposal is based on a PROFINET network consisting of a Siemens SIMATIC
S7-300 CPU PLC 314C as a PROFINET IO controller and a Phoenix Contact AXC 1050
PLC with PROFINET IO device. The second part of the interoperability proposal is designed around an Ethernet TCP/IP network in which the TCP server is configured in the two previously mentioned PLCs, while the Moeller PLC XC-CPU201-XV assumes the TCP/IP client status. To demonstrate the interoperability, the state change in the inputs of each of them is transmitted to the outputs of the other PLCs connected to the network and that share the same physical medium, in this case Cat. 5e Ethernet cables with RJ45 connectors.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Comparação das “Revoluções” Industriais ao longo do tempo... 23
Figura 2 - Indústria 4.0 em números até 2020. ... 24
Figura 3 - Exemplos de integração entre produtos, homem e sistemas. ... 25
Figura 4 - Os nove pilares da indústria 4.0. ... 26
Figura 5 - Justificativas para não implementar novas tecnologias. ... 28
Figura 6 - Relações entre entradas e saídas são definidas no programa. ... 32
Figura 7 - Partes de um controlador lógico programável. ... 34
Figura 8 - Ciclo de varredura do programa do PLC. ... 37
Figura 9 - Sistema de conexões das entradas/saídas (E/S) discretas do PLC. ... 38
Figura 10 - Diagramas de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas. ... 39
Figura 11 - Configuração da E/S fixa. ... 40
Figura 12 - Configuração da E/S modular. ... 41
Figura 13 - Fonte de alimentação para PLC do fabricante Siemens... 42
Figura 14 - Módulo da Automation Direct com interface Ethernet para PLC. ... 43
Figura 15 - Padrão IEC 61131-3 de linguagens de programação de PLC. ... 44
Figura 16 - Parte frontal do PLC Modular XC-CPU201-XV... 46
Figura 17 - PLC Compacto Siemens SIMATIC S7-300 CPU 314C-2PN/DP. ... 47
Figura 18 - Controles do operador e indicadores da CPU 314C-2 PN/DP. ... 49
Figura 19 - Conjunto de Inicialização AXC 1050 PN STARTERKIT. ... 51
Figura 20 - Controlador modular de pequena escala AXC 1050. ... 52
Figura 21 - Elementos de conexão e operação do controlador AXC 1050. ... 53
Figura 22 - Desenho do sistema Ethernet original. ... 55
Figura 23 - Camadas do Modelo OSI e subcamadas do padrão Ethernet. ... 56
Figura 24 - Quadros básicos do DIX Ethernet e do IEEE 802.3. ... 57
Figura 25 - PROFINET CBA e PROFINET IO em combinação. ... 67
Figura 26 - Estrutura das Classes de Conformidade. ... 68
Figura 27 - Planta com os seus respectivos componentes PROFINET CBA. ... 69
Figura 28 - Caminhos de comunicação para PROFINET. ... 71
Figura 29 - O conceito de tempo real aplicado ao padrão PROFINET. ... 72
Figura 30 - Arquitetura proposta para interoperabilidade dos PLCs. ... 73
Figura 31 - Exemplo do processo para iniciar novo projeto. ... 75
Figura 33 - Entrando nas configurações de hardware. ... 76
Figura 34 - Inserindo o Rail. ... 76
Figura 35 - Inserindo os dispositivos dentro do Rail. ... 77
Figura 36 - Mudança das propriedades da guia PN-IO. ... 77
Figura 37 - Configuração do IP Address, Subnet Mask e o nome da Subnet. ... 78
Figura 38 - Ramificação da rede PROFINET. ... 78
Figura 39 - Instalação do arquivo GSD. ... 79
Figura 40 - Direcionando a pasta do arquivo GSD. ... 79
Figura 41 - Seleção e instalação do GSD. ... 80
Figura 42 - Instalação de novos arquivos em PROFINET IO. ... 80
Figura 43 - Seleção da ramificação da rede PROFINET. ... 81
Figura 44 - Dispositivos vinculados a ramificação da rede PROFINET. ... 81
Figura 45 – Dispositivos vinculados à ramificação da rede PROFINET. ... 82
Figura 46 - Configuração da IP e da Subnet Mask. ... 83
Figura 47 - Caminho para Verificar validação de dispositivos na rede. ... 83
Figura 48 - Status da validação de dispositivos na rede. ... 84
Figura 49 - Compilando e salvando o arquivo. ... 84
Figura 50 - Fazendo o Download do arquivo para o PLC. ... 85
Figura 51 - Seleção do módulo para download. ... 85
Figura 52 - Visualização dos dispositivos para download. ... 86
Figura 53 - Seleção dos dispositivos para download. ... 86
Figura 54 - Verificação da conexão através do Prompt de comando. ... 87
Figura 55 - Utilização do bloco MOVE para acompanhamento dos sinais digitais. ... 87
Figura 56 - Interface do software de desenvolvimento PC Worx. ... 88
Figura 57 - Selecionando o adaptador de rede no software PC Worx. ... 89
Figura 58 - Faixas de IPs disponíveis e máscara de sub-rede. ... 90
Figura 59 - Parâmetros de rede do PLC AXC 1050. ... 91
Figura 60 - Teste de conexão com PLC AXC 1050. ... 92
Figura 61 - Iniciando configuração do PLC Phoenix Contact como dispositivo PROFINET IO. ... 93
Figura 62 - Enviando ao PLC Phoenix Contact como dispositivo PROFINET IO. ... 93
Figura 63 - Inserção Cartão de E/S Digitais no software PC Worx. ... 94
Figura 64 - Associando variáveis do programa a entradas e saídas do PLC AXC 1050. ... 94
Figura 65 - Variáveis do programa no software PC Worx. ... 95
Figura 66 – Declaração de uma variável do tipo PND_IO_256. ... 96
Figura 67 - Movendo bytes entre os PLCs na rede PROFINET. ... 96
Figura 68 - Descarregando o programa para o PLC Phoenix Contact. ... 97
Figura 69 - Blocos de comunicação TCP/IP para a CPU 314C-2 PN/DP. ... 98
Figura 70 - Assistente para criação dos dados da comunicação TCP/IP... 99
Figura 71 - Criando um bloco de dados para os parâmetros da conexão TCP/IP. . 100
Figura 72 - Selecionado o tipo de conexão a ser configurada. ... 100
Figura 73 - Selecionando e identificando os parceiros de comunicação TCP/IP. ... 101
Figura 74 - Propriedades dos parceiros de comunicação TCP/IP. ... 101
Figura 75 - Número da porta local de conexão TCP/IP para o PLC Siemens. ... 102
Figura 76 - Nome para o bloco da estrutura de dados da conexão TCP/IP. ... 102
Figura 77 - Propriedades da conexão TCP/IP. ... 103
Figura 78 - Relatório acerca da compilação dos dados da conexão TCP/IP. ... 103
Figura 79 - Estrutura de dados da conexão TCP/IP no bloco de dados DB1. ... 104
Figura 80 - Bloco de função FB65 "TCON” em operação. ... 105
Figura 81 - Habilitando a memória clock no PLC Siemens. ... 106
Figura 82 - Bloco de função FB64 "TRCV” em operação. ... 107
Figura 83 - Movendo os dados do PLC Moeller através da conexão Ethernet TCP/IP para as saídas digitais do PLC Siemens. ... 108
Figura 84 - Bloco de função FB63 "TSEND” em operação. ... 109
Figura 85 - Lógica para modificação da memória M2.0 e atualização do byte de envio de dados. ... 110
Figura 86 - Blocos de comunicação TCP/IP para o PLC AXC 1050. ... 112
Figura 87 - Bloco de função “IP_CONNECT” em operação... 112
Figura 88 - Bloco de função “IP_URCV” em operação. ... 113
Figura 89 - Inserindo novo tipo de dado no software Phoenix Contact PC Worx. ... 114
Figura 90 - Declaração de tipo de dado no software Phoenix Contact PC Worx. ... 115
Figura 91 - Bloco de função “IP_USEND” em operação. ... 116
Figura 92 - Iniciando um novo projeto no software easy Soft CoDeSys. ... 118
Figura 93 - Seleção do PLC XC-CPU201-XV no software easy Soft CoDeSys. ... 119
Figura 94 - Configurando a POU no software easy Soft CoDeSys. ... 119
Figura 95 - Acesso a opção “Communication Parameters” no software easy Soft CoDeSys. ... 120
Figura 96 - Criando canal de comunicação TCP/IP com PLC no software easy Soft
CoDeSys. ... 120
Figura 97 - Inserindo o endereço IP atual do PLC Moeller no software easy Soft CoDeSys. ... 121
Figura 98 - Entrar em modo ONLINE com PLC no software easy Soft CoDeSys. .. 121
Figura 99 - Definindo endereço IP e máscara de sub-rede para o PLC Moeller no software easy Soft CoDeSys. ... 122
Figura 100 - Salvando o novo endereço IP e reiniciando o PLC Moeller no software easy Soft CoDeSys. ... 122
Figura 101 - Inserindo o novo endereço IP do PLC Moeller no software easy Soft CoDeSys. ... 123
Figura 102 - Blocos de comunicação TCP/IP para o PLC XC-CPU201-XV. ... 123
Figura 103 - Inclusão das bibliotecas TCP/IP no software easy Soft CoDeSys. ... 124
Figura 104 - Variáveis do PLC Moeller para conexão com o PLC Siemens. ... 125
Figura 105 - Bloco de função “TCP_Client” em operação. ... 125
Figura 106 - TASKS das rotinas de conexão TCP/IP do PLC Moeller. ... 127
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Adesão de tecnologias da Indústria 4.0 por setor. ... 27
Quadro 2 - Recursos do PLC Modular XC-CPU-201-XV. ... 45
Quadro 3 - Modelo de referência TCP/IP de 5 camadas. ... 64
Quadro 4 - PROFINET no modelo ISO/OSI de 7 camadas. ... 67
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
AWG American Wire Gauge
CA Corrente Alternada
CAN Controller Area Network
Cat. 5e Category 5 Enhanced
CBA Component Based Automation
CC Corrente Continua
CIP Clean in Place
CNI Confederação Nacional da Indústria
CPU Central Processing Unit
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
D/A Digital/Analógico
DIX Digital Equipment, Intel, Xerox
DP Decentralized Peripherals
E/S Entradas/Saídas
EEPROM Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory
EPA Ethernet for Plant Automation
EPL Ethernet Private Line
EPROM Erasable Programmable Read Only Memory
ERP Enterprise Resource Planning
FBD Function Block Diagram
FCS Frame Check Sequence
GB Giga Byte
Gbps Gigabit Per Second
GSD General Station Description
HSE High Speed Ethernet
HTML Hypertext Markup Language
HW Hardware
IDE Integral Development Environment
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IL Instruction List
IoT Internet of Things
IP Internet Protocol
ISO International Organization for Standardization
KB Kilobyte
LD Ladder
LED Light Emitting Diode
MAC Media Access Control
MB Megabyte
Mbps Megabit Per Second
MES Manufacturing Execution System
MPI Multi-Point Interface
MRES Memory Reset
ms Milissegundo
NR-12 Norma Regulamentadora número 12
ns Nanossegundo
OPC OLE for Process Control
OSI Open Systems Interconnection
OUI Organizational Unique Identifier
PI PROFIBUS & PROFINET International
PLC Programmable Logic Controller
POU Program Organization Unit
PROFIBUS Process Field Bus
PROFINET Process Field Net
PROM Programmable Read Only Memory
RAM Random Access Memory
RJ45 Registered Jack 45
ROM Read Only Memory
RPC Remote Procedure Call
RX Reception
SD Secure Digital
SF/UTP Screen, Foil, Unscreened Twisted Pairs
SFC Sequential function chart
SFD Single Function Device
TCP Transmission Control Protocol
TX Transmission
UDP User Datagram Protocol
USB Universal Serial Bus
VCA Tensão Alternada
VCC Tensão Contínua
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 TEMA ... 15 1.1.1 Delimitação do Tema ... 17 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 18 1.3 OBJETIVOS ... 18 1.3.1 Objetivo Geral ... 18 1.3.2 Objetivos Específicos ... 18 1.4 JUSTIFICATIVA ... 19 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 20 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 22 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 23 2.1 INDÚSTRIA 4.0 ... 23
2.2 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁMEIS ... 31
2.2.1 Componentes Básicos do Controlador Lógico Programável ... 33
2.2.1.1 Unidade Central de Processamento (CPU) e a Memória ... 34
2.2.1.2 Sistema de Entradas/Saídas (E/S) ... 37
2.2.1.3 Fonte de Alimentação ... 42
2.2.1.4 Dispositivos de Comunicação ... 43
2.2.2 Linguagens de Programação ... 44
2.2.3 PLC Modular Moeller XC-CPU201-EC512K-8DI-6DO-XV série XC200 ... 45
2.2.4 PLC Compacto Siemens SIMATIC S7-300 CPU 314C-2PN/DP ... 47
2.2.5 Conjunto de Inicialização AXC 1050 PN STARTERKIT ... 51
2.3 PADRÃO ETHERNET ... 54
2.3.1 História do Padrão Ethernet ... 54
2.3.2 Ethernet e o modelo de referência ISO/OSI ... 55
2.3.3 Elementos Básicos do Padrão Ethernet ... 57
2.3.3.1 Quadro Ethernet ... 57
2.3.3.2 Endereço Ethernet ... 59
2.3.3.3 Protocolo de Controle de Acesso ao Meio ... 60
2.3.3.4 Hardware Ethernet ... 61
2.3.4 Evolução do Padrão Ethernet ... 61
2.3.4.2 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z)... 62
2.3.4.3 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae / IEEE 802.3an) ... 62
2.3.4.4 40 Gigabit e 100 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ba) ... 63
2.3.5 Protocolo TCP/IP para Ethernet ... 63
2.4 PROFINET: PADRÃO PARA ETHERNET INDUSTRIAL ... 65
2.4.1 Ethernet Industrial ... 65
2.4.2 Tecnologia PROFINET ... 66
2.4.3 Classes de Conformidade PROFINET ... 68
2.4.4 PROFINET CBA ... 69
2.4.5 PROFINET IO ... 70
2.4.6 Configuração com Arquivos GSD ... 71
2.4.7 Comunicação em Tempo Real ... 72
3 ARQUITETURA PROPOSTA PARA A REDE ETHERNET TCP/IP E PROFINET ... 73
4 INTEROPERABILIDADE EM REDE PROFINET ... 75
4.1 CONFIGURAÇÃO DO PLC SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU 314C-2 PN/DP COMO CONTROLADOR PROFINET IO ... 75
4.2 CONFIGURAÇÃO DO PLC PHOENIX CONTACT AXC 1050 COMO DISPOSITIVO PROFINET IO ... 88
5 INTEROPERABILIDADE EM REDE ETHERNET TCP/IP ... 98
5.1 CONFIGURAÇÃO DOS BLOCOS DE COMUNICAÇÃO TCP/IP NO PLC SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU 314C-2 PN/DP ... 98
5.2 CONFIGURAÇÃO DOS BLOCOS DE COMUNICAÇÃO TCP/IP NO PLC PHOENIX CONTACT AXC 1050 ... 112
5.3 CONFIGURAÇÃO DOS BLOCOS DE COMUNICAÇÃO TCP/IP NO PLC MOELLER XC-CPU201-XV ... 118
6 CONCLUSÃO ... 128
1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
Com a busca por eficiência, flexibilidade, sustentabilidade, personalização e conectividade, a indústria está se transformando à medida que é impulsionada pela combinação de tecnologias da informação e da automação. Atividades produtivas estão cada vez mais automatizadas, o chão de fábrica está dominado por robôs autônomos, enquanto máquinas, sistemas e pessoas estão se conectando ao processo produtivo gerando, processando e transmitindo grandes volumes de informação e dados (FEIMEC, 2016).
Essas transformações nos processos industriais movem a indústria como a conhecemos em direção a quarta revolução industrial, dando base aos especialistas para chamarem essa nova reestruturação de “Indústria 4.0” ou “Fábrica Inteligente”. Esse conceito foi utilizado pela primeira vez na Feira de Hannover, em 2011, na Alemanha, fundamentando-se no objetivo de garantir que o país se tornasse referência no desenvolvimento e aplicação de tecnologia de informação industrial (FEIMEC, 2016).
A quarta revolução industrial ou Indústria 4.0 é baseada na utilização de sistemas físico-cibernéticos aplicados à integração vertical e horizontal da estrutura organizacional da empresa, permitindo o aprimoramento da comunicação entre os seus setores o que impacta diretamente sobre a tomada de decisão e a eficiência produtiva. A integração vertical ocorre no campo da produção, da automação e da tecnologia da informação, que só é possível através da comunicação em rede de sistemas e equipamentos tais como atuadores e sensores, dispositivos de controle, manufatura, gestão e planejamento. A integração horizontal acontece entre vários sistemas de tecnologia da informação utilizados nos diferentes estágios da manufatura e do negócio, abrangendo troca de materiais e informação que circulam pela organização como, por exemplo, logística inbound, produção, logística
outbound, marketing, etc. (TROPIA et al., 2017).
Sob essa nova abordagem da cadeia produtiva, as máquinas que compõem a linha de produção e os produtos por elas fabricados devem se comunicar e operar ao longo de todo o processo independente de sua localização. Os dados e
informações gerados durante os eventos produtivos devem ser coletados e transmitidos de forma rápida e consistente garantindo uma tomada de decisão mais eficaz (LINS, 2015).
A interação promovida na fábrica através do conceito de Indústria 4.0 pode ser dividida em camadas. A camada de aplicação (ou inteligência) é formada por diversas aplicações de automação de fábrica tais como as relacionadas à comunicação coordenada com a cadeia de suprimentos e os fornecedores. A camada de rede é responsável por assegurar a comunicação de toda a rede da fábrica, que consiste no armazenamento, processamento e compartilhamento de dados. A camada de dispositivos físicos é responsável pela coleta e cálculo dos dados a partir de sensores e atuadores com base na sua localização e identificação. O monitoramento e o controle através dessas camadas ocorrem de forma ascendente (dos dispositivos físicos para a aplicação) e de forma descente (da aplicação para os dispositivos físicos) (LINS, 2015).
Atualmente as redes industriais fundamentadas no padrão de conexão de camada física IEEE 802.3, conhecido como Ethernet, permitem que inúmeras aplicações simultâneas e com finalidades distintas operem no mesmo meio físico e troquem dados sem comprometimento de sua funcionalidade ou desempenho. Assim, um protocolo industrial totalmente compatível com o padrão Ethernet permite que controladores industriais se comuniquem com equipamentos de campo na mesma rede onde operam aplicações industriais ou corporativas tais como ferramentas de gestão de ativos, ferramentas de diagnósticos, servidores de e-mail e web ou coletores de dados para sistemas MES/ERP/Laboratoriais (Associação PROFIBUS Brasil1).
O padrão Ethernet que torna possível essa integração do chão de fábrica ao ambiente corporativo local evoluiu consideravelmente desde que foi concebido por Robert M. Metcalfe, deixando para trás meios físicos de transmissão tais como pares metálicos grossos com atenuação elevada, passando por cabos coaxiais e pares trançados até chegar a aplicações com fibra óptica e sem fio (wireless) (Associação PROFIBUS Brasil2). Além disso, a evolução do meio físico utilizado permitiu o
aumento das taxas de transmissão de 10 Mbps para 100 Mbps até alcançar os 10, 40 e 100 Gbps.
As características do padrão Ethernet mencionadas e sua flexibilidade de aplicação intensificaram seu uso de tal forma em dispositivos de automação
industrial que levou ao surgimento da Ethernet Industrial (Associação PROFIBUS Brasil3). Tendo em vista a necessidade de adaptar a tecnologia de comunicação de
seus dispositivos a Ethernet Industrial, cada fabricante desenvolveu seu próprio padrão com as respectivas particularidades sem que a interoperabilidade entre eles fosse devidamente considerada. Dessa forma consolidaram-se quatorze padrões de protocolo: PROFINET, Ethernet/IP, HSE, Modbus/TCP, EPA, EPL, EtherCAT, IEC 61850, JetSync, PNet, Sercos III, SynqNet, TCnet e Vnet/IP (LUGLI et al., 2017).
Com as premissas apresentadas, fica clara a necessidade da utilização de uma rede de comunicação industrial que permita a simplificação e flexibilidade do sistema, onde a troca de informações entre os elementos do chão de fábrica e os níveis mais elevados de planejamento corporativo seja realizada através de um único padrão de conexão de camada física.
1.1.1 Delimitação do Tema
O Campus Curitiba da Universidade Tecnológica Federal do Paraná possui em seus laboratórios controladores lógicos programáveis de três diferentes fabricantes sendo eles: Eaton/Moeller XC-CPU201-XV, Phoenix Contact AXC 1050 e
CPU 314C-2 PN/DP Siemens SIMATIC S7-300. Enquanto o primeiro é compatível
com o protocolo Ethernet TCP/IP, os dois últimos, além de Ethernet TCP/IP, possuem compatibilidade com o padrão de Ethernet Industrial PROFINET. Sob esse cenário e a possibilidade do surgimento da necessidade de integração em rede entre esses recursos de hardware, torna-se oportuno o estudo de possíveis abordagens de programação e configuração que permitam a interoperabilidade entre os PLCs mencionados. Para tanto, pretende-se, a princípio, utilizar recursos de software e
hardware disponíveis nos laboratórios da instituição, apoiando-se em fundamentos
de programação e configuração de controladores lógicos programáveis aplicados a redes industriais.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Com a consciência de que hardware e software disponíveis para realização do trabalho pertencem a fabricantes distintos e possuem características distintas, questionamentos acerca da complexidade e das particularidades de operação desses recursos levam a ponderação sobre a possibilidade de identificação de uma solução que garanta a interoperabilidade entre eles de modo eficaz.
Caso os recursos disponíveis não sejam suficientes para encontrar uma solução, mas identifiquem-se quais atenderiam as necessidades do trabalho, seria possível adquiri-los ainda que temporariamente apenas para apresentar uma alternativa que garanta a interconectividade e comunicação dos PLCs através da rede Ethernet Industrial? Ainda sob o cenário da possibilidade da interoperabilidade entre os PLCs, seria a solução apresentada eficaz e viável sob o ponto de vista tecnológico e econômico tendo em mente as atuais necessidades da indústria?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Implementar uma solução para a interoperabilidade dos PLCs Eaton/Moeller
XC-CPU201-XV, Phoenix Contact AXC 1050 e CPU 314C-2 PN/DP Siemens SIMATIC S7-300 em rede Ethernet TCP/IP e PROFINET.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Levantar quais são os dispositivos de hardware e software disponíveis em laboratório e que podem ser utilizados como ponto de partida para o estudo e desenvolvimento de uma solução aplicada à interoperabilidade entre os PLCs;
• Identificar em documentação de fabricantes e outras bases de conhecimento relacionadas ao tema como proceder para utilizar de forma adequada os recursos disponíveis e se de fato são suficientes para
apresentação de uma solução eficaz a interconectividade e comunicação entre os controladores disponibilizados;
• Determinar uma rotina de trabalho que garanta em tempo hábil o aperfeiçoamento dos conhecimentos de programação e configuração dos PLCs apresentados, bem como a execução de testes e avaliações das possíveis alternativas para solução do paradigma da comunicação em Rede Ethernet Industrial entre hardwares de diferentes fabricantes;
• Descrever os procedimentos necessários para realizar adequadamente a configuração de hardware e software de forma a garantir a interoperabilidade entre PLCs, considerando a possibilidade de seu desenvolvimento dentro das limitações do projeto;
• Demonstrar a eficácia e viabilidade da solução encontrada com resultados acerca de seu desempenho e complexidade de aplicação tomando como ponto de referência sua correlação com as áreas industriais em que seja passível de utilização e que apresentem necessidades que possam ser sanadas por tal abordagem;
• Explicar de forma plausível os motivos pelos quais a interoperabilidade não foi possível no caso de os recursos disponíveis não serem suficientes ou adequados para tal finalidade e, caso exista a possibilidade de apresentação de uma solução com recursos adicionais, que metodologia deveria ser utilizada para alcançar a interconectividade e operação em Rede Ethernet Industrial de forma tangível.
1.4 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento da tecnologia da informação em conjunto com a tecnologia da automação de sistemas, ao passo que se integram a ambientes industriais, fundamenta o conceito de Indústria 4.0. Esse novo tipo de abordagem para a indústria gera flexibilidade operacional e possibilita o controle autônomo do processo produtivo como resultado da conexão dos diferentes níveis produtivos e administrativos de uma fábrica através de uma única rede industrial.
Nesse tipo de estrutura produtiva eventos envolvendo falhas e não conformidades no produto, quebras e defeitos em máquinas ou mesmo o aumento
ou redução da capacidade de produção em decorrência dos mais variados fatores devem ser rapidamente detectados e comunicados aos níveis gerenciais mais elevados da indústria permitindo tomadas de decisão de forma rápida e eficiente.
Com esses aspectos em mente, uma solução viável para a interoperabilidade entre as tecnologias presentes nos diferentes níveis produtivos de uma fábrica onde se pretenda adequar-se ao conceito de Indústria 4.0 seria a utilização de uma rede Ethernet Industrial. Através dessa rede deve ser possível a comunicação de equipamentos e dispositivos do chão de fábrica com recursos de
software e hardware comumente utilizados em áreas administrativas e gerenciais
independente de seu fabricante, de sua localização ou sua finalidade.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
1. Levantamento em laboratório dos recursos de hardware e software disponíveis:
• Avaliação das características operacionais dos PLCs Eaton/Moeller
Eaton/Moeller XC-CPU201-XV, Phoenix Contact AXC 1050 e CPU 314C-2 PN/DP Siemens SIMATIC S7-300, das interfaces de comunicação, da
disponibilidade de cabos de comunicação e de ferramentas para a adaptação dos mesmos se necessário, do sistema de alimentação e do espaço disponível para montagem da rede de comunicação junto dos demais dispositivos;
• Avaliação dos softwares disponíveis para programação e configuração dos PLCs (easy Soft CoDeSys, PC Worx, SIMATIC STEP 7), suas versões e pacotes de ferramentas integradas que tenham relação com configuração de redes de comunicação por padrão Ethernet, se há disponibilidade de recursos e funções que permitam o desenvolvimento de comunicação pelo modelo TCP/IP utilizando sockets caso seja cogitada como possível solução.
2. Identificação em documentação dos fabricantes e demais bases de conhecimento de procedimentos para configuração de hardware e software:
• Configuração de uma Rede Ethernet Industrial funcional considerando as características dos protocolos disponíveis, principalmente o PROFINET; • Estruturação de comunicação em rede Ethernet TCP/IP através das
funções integradas aos softwares de programação;
3. Determinar roteiro de estudos e testes para encontrar e aplicar a solução mais adequada para a operação e comunicação entre PLCs:
• Considerando que pelo menos dois dos PLCs disponíveis (Phoenix
Contact AXC 1050 e CPU 314C-2 PN/DP Siemens SIMATIC S7-300)
podem se comunicar em rede PROFINET, pretende-se tomar como ponto de partida a configuração de uma Rede Ethernet Industrial utilizando o padrão PROFINET;
• Com a identificação das características e parâmetros de configuração das funções destinadas à comunicação pelo modelo TCP/IP utilizando
sockets deseja-se construir um pequeno protocolo de mensagens para
avaliar seu desempenho caso haja interconectividade entre os PLCs disponíveis através dessa abordagem;
4. Descrever os procedimentos de desenvolvimento e implementação da solução para a interoperabilidade entre PLCs, considerando que seja possível a partir dos recursos disponíveis:
• Descrição do modelo utilizado para realizar a comunicação em Rede Ethernet entre os PLCs disponíveis, seus aspectos operacionais, funcionais, de desempenho e suas limitações;
• Registro dos procedimentos utilizados para programação e configuração dos PLCs, operação dos respectivos softwares e montagem dos elementos de rede, de forma a garantir que a solução encontrada possa ser reproduzida caso seja necessário.
5. Demonstrar a eficácia e viabilidade da solução encontrada em função de observações e conclusões obtidas durante seu desenvolvimento:
• Apresentação de resultados envolvendo o desempenho da solução identificada, fazendo um paralelo com as necessidades da indústria e levando em consideração a complexidade, a flexibilidade e os possíveis custos de sua utilização;
• Caso não seja encontrada uma solução efetiva para interoperabilidade entre os PLCs apresentados com os recursos disponíveis, pretende-se sugerir possíveis abordagens e metodologias de configuração da rede que poderiam garantir seu desempenho e funcionalidade desde que as ferramentas necessárias fossem disponibilizadas.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho de conclusão de curso terá a seguinte estrutura:
• Capítulo 1 - Introdução, delimitação do tema, problemas e premissas, objetivo geral, objetivos específicos, justificativa, procedimentos metodológicos e cronograma;
• Capítulo 2 - Fundamentação teórica acerca dos temas:
➢ Revisão bibliográfica acerca do tema “Indústria 4.0” e sua relação com a necessidade de adequação a Ethernet Industrial;
➢ Descrição de controladores lógicos programáveis com enfoque nos seus recursos e nas características dos componentes básicos;
➢ Apresentação e descrição dos recursos disponíveis nos PLCs
Eaton/Moeller Eaton/Moeller XC-CPU201-XV, Phoenix Contact AXC 1050 e CPU 314C-2 PN/DP Siemens SIMATIC S7-300;
➢ Descrição das propriedades, funções, aplicações e natureza do funcionamento do padrão Ethernet e do protocolo PROFINET;
• Capítulo 3 - Arquitetura de Rede Ethernet TCP/IP e PROFINET; • Capítulo 4 - Interoperabilidade em Rede PROFINET;
• Capítulo 5 - Interoperabilidade em Rede Ethernet TCP/IP; • Capítulo 6 - Conclusão.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 INDÚSTRIA 4.0
O processo de desenvolvimento tecnológico é formado por ciclos, e comumente chamado Revolução Industrial. Desde o inicio da chamada primeira revolução industrial, por volta dos anos de 1800, alguns outros ciclos se destacaram e passaram pela história da humanidade. Tudo começou com o desenvolvimento de mecanismos direcionados a maquinas a vapor, e, posteriormente, cerca de um século depois, na segunda revolução, uma série de desenvolvimentos no ramo químico, elétrico e de petróleo. Já em tempos menos longínquos, vimos à terceira revolução, que teve expressivas inovações nos campos da informática, sobretudo na área industrial, potencializando a produção e o consumo dos produtos (CARDOSO, 2018). Na Figura 1 vemos um esboço dessa evolução.
Figura 1 - Comparação das “Revoluções” Industriais ao longo do tempo. Fonte: FEIMEC (2016).
Por fim, chegamos ao quarto ciclo de desenvolvimento tecnológico, marcado principalmente pela integração entre o mundo físico e o digital. Tecnologias como cloud computing (Computação na Nuvem), IoT (internet das coisas), IA (Inteligência Artificial), e qualquer aplicação que possibilite a imersão das pessoas
com um sistema digital, podem entrar no que chamamos de quarta revolução industrial.
Essas novas tecnologias podem ser usadas em diversas situações, sobretudo em sistemas físicos de maior complexidade, visando à comunicação com o mundo digital, de forma a possibilitar um melhor aproveitamento dos processos e produtos nele envolvidos.
Segundo SCHWAB, diretor executivo do Fórum Econômico Mundial e um dos principais entusiastas da revolução “A quarta revolução industrial não é definida por um conjunto de tecnologias emergentes em si mesmas, mas a transição em direção a novos sistemas que foram construídos sobre a infraestrutura da revolução digital anterior”.
É claro que inicialmente esse desenvolvimento tecnológico tem por finalidade adentrar primeiramente nas indústrias, maximizando tempo e recursos, e quando falamos de coisas e equipamentos conectados, temos dados significativos que nos mostram a relevância do assunto, como podemos ver na Figura 2.
Figura 2 - Indústria 4.0 em números até 2020. Fonte: Adaptado de PWC (2016).
Essa integração não tem apenas uma aplicação, e está direcionada para as mais diversas situações, que vão do relógio do nosso pulso a nave espacial lançada pela SpaceX.
As “Fábricas Inteligentes”, que atualmente fazem parte do principal pilar da Indústria 4.0, são unidades produtivas e administrativas conectadas 24 horas por dia, integrando sistemas físicos e virtuais, possibilitando a comunicação entre si e com outras entidades, auxiliando maquinário, processo e administração na execução de suas tarefas (ZHANG et al., 2015). Na Figura 3 é possível visualizar essa ampla integração entre sistemas.
Figura 3 - Exemplos de integração entre produtos, homem e sistemas. Fonte: Adaptado de CIESP Santo André & Zorfatec (2017).
O termo “Indústria 4.0” foi inicialmente utilizado em meados de 2011, com o intuito de ilustrar a nova revolução industrial que estava por vir. Em um encontro de políticos, acadêmicos e empresários, começou-se a promover essa ideia com a tratativa de fortalecer a competitividade da indústria de manufatura alemã (KAGERMANN et al., 2013).
A Indústria 4.0 é formada por nove tecnologias principais, sendo Robôs Autônomos, Simulações, Integrações de Sistemas, Internet das Coisas, Cibersegurança, computação em nuvem, Impressão 3D/Manufatura Aditiva, Realidade Aumentada e Big Data (WEG, 2019). A Figura 4 ilustra esses 9 pilares:
Figura 4 - Os nove pilares da indústria 4.0. Fonte: Adaptado de WEG (2019).
Em publicação da revista EXAME, na edição especial com o título de Como Construir o Brasil 4.0, “O Conceito da indústria 4.0 começou a se popularizar em 2013 quando apareceu num documento com recomendações para a indústria alemã e segundo levantamento realizado em 2016, cerca de 40% das fábricas nesse mesmo país já utilizam tecnologias e processos alinhados com os padrões da indústria 4.0”. E essa evolução vai ser cada vez mais rápida, visto que o custo da implementação desses sistemas vem diminuindo gradativamente. Quanto maior é o grau de desenvolvimento de um setor industrial, mais aderência a pelo menos um dos sistemas da indústria 4.0 ele tem. No Quadro 1, podemos identificar a utilização das tecnologias mencionadas das empresas por setor.
Quadro 1 - Adesão de tecnologias da Indústria 4.0 por setor. Fonte: Confederação Nacional da Indústria - CNI (2016).
Vale lembrar que a visão da Indústria 4.0 deve ser ampla e contemplar vários aspectos da tecnologia: “O uso combinado de inteligência artificial, realidade mista, internet das coisas e outras tecnologias está promovendo uma mudança nos negócios no mundo todo - com redução de custos, flexibilidade de produção e personalização de produtos” por Rafael Kato, de Leipzig e Munique (Alemanha) e Paris (França), em citação na revista EXAME.
Embora seja evidente que as novas tecnologias vêm para ficar, segundo levantamento realizado pela CNI (Confederação Nacional da Indústria), numa publicação realizada em revista de sua autoria, datada de 2 de Abril de 2016, existem diversos fatores que são utilizados por parte dos empresários brasileiros para não migrarem de vez para a Industria 4.0,como pode ser visto na Figura 5.
Figura 5 - Justificativas para não implementar novas tecnologias. Fonte: Confederação Nacional da Indústria - CNI (2016).
Com o desenvolvimento desse novo conceito de Indústria, poderemos ter produtos cada vez mais customizados, de forma a atender da melhor forma possivel o cliente, com produtos confecionados com mais eficiência e menor custo. Com a implementação de sistemas cada vez mais inteligentes, teremos uma diminuição do retrabalho e maior flexibilidade produtiva, visto que possiveis alterações nos produtos poderão ser realizadas quase a qualquer tempo. Posto isso, teremos melhorias em diversos aspectos dos processos produtivos, que vão da engenharia de produtos até a cadeia de distribuição (KAGERMANN et al., 2013).
E essas tecnologias vieram para alterar de uma vez por todas a forma que os produtos e serviços são concebidos, visto que possibilitam uma integração real em todos os sentidos da cadeia produtiva. Segundo Zhang (2015) destacam-se três transformações: uma integração vertical, uma integração horizontal e uma integração de ponta-a-ponta que considera as duas integrações anteriores. Para Kagermann (2013), essa integração no campo produtivo e da automação refere-se à integração de vários sistemas, de tecnologia e fabricantes diferentes em vários níveis da piramide hierarquica (Supervisórios, PLCs, atuadores, sensores, controle, infraestutura de rede e no planejamento em níveis de administração e gestão). Com toda essa integração entre sistemas físicos e virtuais, vale a citação do professor e executivo Klaus Schwab, que “As mudanças são tão profundas que, na perspectiva da história da humanidade, nunca houve um momento tão potencialmente promissor ou perigoso”.
Desde o avanço dos sistemas de computação, da internet e da comunicação de um modo geral, houve um crescimento muito grande na utilização das redes Ethernet, que por sua vez sofreram algumas modificações até chegarem à indústria, para que pudessem ser utilizadas em dispositivos de automação industrial. Nessas mudanças, algumas adaptações precisaram ser feitas, visto o ambiente agressivo que pode ter dentro das indústrias, tais como aquecimento, vibração e outros inúmeros fatores. Esses fatores supracitados levaram ao surgimento do protocolo de Ethernet Industrial, de forma que seu surgimento deu-se pela necessidade de integrar os sistemas já conhecidos compatíveis com o protocolo TCP/IP aos vários dispositivos industriais. Devido a essas alterações, tivemos a evolução dos sistemas de comunicação na parte industrial.
E para essa quantidade de dados, é claro, precisamos de um bom sistema de comunicação, que seja estável e seguro. O PROFINET é um dos vários tipos de protocolos utilizados como estrutura de comunicação entre dispositivos da indústria, com uma estrutura compatível com o padrão Ethernet, sendo amplamente utilizado nas indústrias.
A horizontalização e verticalização de processos proporciona a interoperabilidade entre os sistemas, pessoas e informações neles envolvidos, permitindo que a troca de informações entre máquinas e processos seja realizada de forma rápida e transparente. A virtualização e integração dentro das fábricas é possível através do uso de modelos cada vez mais conectados, e a utilização do PROFINET possibilita simulação e emulação de linhas de produção inteiras, com análises, cenários e impactos dos processos produtivos. (Associação PROFIBUS Brasil4)
A comunicação utilizando o protocolo PROFINET é perfeita para a integração de sistemas, uma vez que é capaz de integrar os sistemas de uma indústria, da garra de um robô até o sistema logístico que entrega o produto final ao cliente.
É sabido que os PLCs são amplamente utilizados, mas antes da explosão da indústria 4.0, eles eram basicamente utilizados como uma evolução para os relés. Atualmente, agregando valor ao desenvolvimento de sistemas, seja no aspecto da segurança ou simplesmente no aperfeiçoamento da tecnologia, esses modelos não serão mais suficientes para suprir a demanda atual, visto que os processos não exigem apenas a comutação de relés e a implementação da lógica, mas sim, o
desenvolvimento da inteligência, de sistemas que possam ser capazes de integrar a máquina com o mundo externo, com o fluxo produtivo e sejam capazes de fornecer informações em tempo real para que a gestão consiga acompanhar o processo produtivo de forma clara.
Segundo a Leuze electronic, empresa com mais de 50 anos no ramo de automação industrial, “Os melhores PLCs de hoje são aqueles que já deram um passo a mais em direção à inteligência operacional. Além de trabalharem ativamente no monitoramento de segurança, são capazes de se conectar a todo o maquinário e o fluxo produtivo para fornecer informações vitais em tempo real”.
Além dos aspectos de gerenciamento das atividades e do processo produtivo e do monitoramento em tempo real, esses novos conceitos proporcionam maior segurança na operação dos maquinários, atuando em sintonia com a NR-12.
2.2 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁMEIS
Em meados da década de 1970, com o desenvolvimento dos microprocessadores, as funções básicas dos PLCs (Programmable Logic
Controllers) receberam grande expansão com a adição de recursos que permitiam
cálculos matemáticos, manipulação de dados, além de interfaces de programação e operação mais cômodas ao usuário (SILVEIRA et al., 1998). Ainda no final da década de 1970, com o aperfeiçoamento dos componentes e circuitos de comunicação tornou-se possível instalar PLCs a longas distâncias dos instrumentos e dispositivos a serem controlados, bem como, a troca de dados entre PLCs que compunham uma mesma solução de automação, garantindo o controle mais eficaz de máquinas e processos industriais (HUGHES, 2005).
Dessa forma, os mais variados seguimentos industriais e seus profissionais da área de automação passaram a contar com a tecnologia dos controladores lógicos programáveis os quais oferecem inúmeros benefícios em relação às tecnologias empregadas anteriormente, sendo algumas das mais significativas enumeradas conforme segue:
• Custo inferior: além das aplicações desenvolvidas com PLCs possuírem dimensões significativamente menores, a maior parte do custo desprendido com a fiação para a lógica com relés não se aplica no caso da utilização de PLCs, o que tornou a aplicação da tecnologia do relé lógico obsoleta a não ser para soluções que envolvam eletrônica de potência (Petruzella1, 2014);
• Confiabilidade superior: além dos PLCs disponibilizarem a confiabilidade dos componentes de estado sólido, os programas desenvolvidos para eles, depois de testados, podem ser transferidos para outros PLCs e como a lógica fica armazenada na memória de cada um deles a possibilidade de erros cometidos com a fiação necessária no caso dos relés foi significativamente reduzida (Petruzella1, 2014);
• Detecção de defeitos simplificada: PLCs possuem recursos de diagnóstico residente que permitem rastrear problemas no programa e no hardware e então corrigi-los de maneira ágil e eficiente, além disso, é possível acompanhar a execução em tempo real do programa através de
sua visualização num monitor com auxílio do software de programação, executando, dessa forma, as devidas correções (Petruzella1, 2014);
• Flexibilidade superior: desenvolver e revisar programas para PLCs é muito mais cômodo e menos complexo do que conectar ou desconectar os fios num circuito lógico a relé. Além disso, entradas e saídas são relacionadas com base nos critérios do usuário responsável pela rotina de programação (Ver Figura 6) e não mais no modo como se conectam através de sua fiação (Petruzella1, 2014);
Figura 6 - Relações entre entradas e saídas são definidas no programa. Fonte: Adaptado de Petruzella2 (2011).
• Rápido tempo de resposta: projetado para alta velocidade de resposta os PLCs operam em tempo real, isto é, um evento ocorrido no campo e detectado pelo PLC resultará na execução de uma rotina pré-definida ou na alteração do estado de uma saída tudo em apenas uma fração de segundos, sendo esse tempo maior ou menor dependendo da capacidade do controlador (Petruzella1, 2014);
• Recursos de Comunicação: PLCs podem se comunicar com outros controladores lógicos programáveis ou equipamentos do computador de forma a supervisionar, controlar e coletar dados de dispositivos e parâmetros de processo, além de ser possível, através da rede de comunicação, transferir e revisar programas de forma remota (Petruzella1, 2014).
Apesar de no exterior o PLC ganhar espaço como uma das principais soluções para automação de processos industriais logo nos primeiros anos após sua concepção, no Brasil, apenas na década de 1980 é que esse recurso começou a ser empregado, sendo o motivo principal as tecnologias adotadas pelas multinacionais e oriundas de suas matrizes (SILVEIRA et al., 1998).
2.2.1 Componentes Básicos do Controlador Lógico Programável
A estrutura básica de um PLC deve ser constituída dos seguintes componentes: unidade de processamento (CPU), memória, sistema de entradas / saídas (E/S), fonte de alimentação, além de um dispositivo ou porta de comunicação (HUGHES, 2005).
Um aspecto importante acerca do projeto de arquitetura de um PLC é que ele pode ser do tipo aberto, quando o hardware é compatível tanto com componentes quanto softwares de outros fabricantes desde que esses atendam a padrões pré-definidos e aprovados, ou pode ser do tipo fechado, quando o projeto é patenteado, sendo mais difícil conectá-lo a sistemas de diferentes fabricantes. Nessas condições, é fundamental checar a compatibilidade do sistema quando se pretende utilizar um dispositivo ou programa que não seja desenvolvido especificamente para o PLC em questão (Petruzella1, 2014).
A Figura 7 ilustra as partes de um controlador lógico programável, tanto para o tipo modular, quanto para o tipo fixo.
Figura 7 - Partes de um controlador lógico programável. Fonte: Adaptado de Petruzella2 (2011).
2.2.1.1 Unidade Central de Processamento (CPU) e a Memória
A unidade central de processamento ou CPU de um controlador lógico programável consiste num ou mais microprocessadores responsáveis pela execução de funções lógicas, manipulação de dados, além do controle e gerenciamento da comunicação com outros módulos, sendo que para isso necessita do suporte de um sistema de memória para armazenar o resultado das operações executadas pelo microprocessador (Petruzella1, 2014). De forma objetiva, pode-se dizer que a CPU lê
realiza cálculos e controla as saídas de acordo com os resultados objetidos com auxílio do microprocessador (HUGHES, 2005).
Além do suporte as operações executadas pelo processador do PLC, o sistema de memória deve armazenar o programa do usuário, bem como, os dados pertinentes para a sua execução. Os dados, de forma objetiva, são armazenados na memória através de um processo chamada de escrita e são consultados ou recuperados através de um processo chamado de leitura (Petruzella1, 2014).
A complexidade do programa determina o tamanho necessário de memória e nos elementos individuais dessa memória é que uma parcela da informação é armazenada, parcela essa chamada de bits (binary digits ou dígitos binários), ao passo que sua capacidade é determinada pela combinação de agrupamentos de 1000 ou “K” agrupamentos, sendo que 1 K representa 1024 bytes de memória e 1
byte equivale a 8 bits (Petruzella1, 2014).
A memória de um PLC pode ser classificada em volátil ou não volátil. As memórias voláteis são aquelas que dependem de uma fonte de alimentação para manter os dados armazenados, são facilmente modificadas e seu uso é recomendado junto de uma “bateria de backup” que deve garantir alimentação mesmo quando não existe uma fonte externa (FRANCHI et al., 2008).
As memórias não voláteis reterão os dados e o programa do usuário ainda que ocorra uma completa ausência da fonte de alimentação, o que torna uma “bateria de backup” completamente dispensável. Além disso, memórias não voláteis podem ser fixas ou reprogramáveis (FRANCHI et al., 2008).
Os tipos de memórias encontrados nos sistemas PLC e suas características são as seguintes:
• RAM: (Random Access Memory) tipo de memória volátil mais utilizado nos PLCs por conta da necessidade de uma área de armazenamento temporário em seu sistema, uma vez que, as informações podem ser facilmente gravadas e alteradas (SILVEIRA et al., 1998);
• ROM: (Read Only Memory) por ser do tipo não volátil é utilizada para armazenar informações que de forma alguma devem ser apagadas ou alteradas, permitindo apenas leitura dos dados e nos PLCs é empregada para armazenamento do programa executivo (sistema operacional) de responsabilidade do fabricante (SILVEIRA et al., 1998);
• PROM: (Programmable Read Only Memory) tipo de memória não volátil que permite que dados sejam gravados apenas uma única vez pelo usuário e se a gravação for malsucedida irá comprometer a utilização de forma permanente (SILVEIRA et al., 1998);
• EPROM: (Erasable Programmable Read Only Memory) tipo especial de memória PROM que garante ao usuário a alteração dos dados armazenados, no entanto, para que as informações antigas sejam apagadas é necessário expô-la a luz ultravioleta (SILVEIRA et al., 1998); • EEPROM: (Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory)
dispositivos de memória não volátil que oferecem a mesma flexibilidade de reprogramação que a RAM, dessa forma, é um dos tipos mais utilizados pelos PLCs, porém, suas desvantagens estão ligadas ao fato de que a regravação só pode ser efetuada após a limpeza da célula (exige alguns milissegundos por byte apagado) e sua vida útil é limitada pelo número de operações de limpeza/escrita, entorno de dezenas a centenas de milhares de vezes (SILVEIRA et al., 1998);
• FLASH: tipo recente de memória muito utilizada em computadores de modo a armazenar o programa BIOS. Trouxe grande facilidade para o processo de atualização de firmware através de softwares externos. Inúmeros fabricantes de PLCs utilizam esse tipo de memória, sendo um exemplo a SIEMENS em seu modelo S7-300 (FRANCHI et al., 2008); A partir do sistema de memória do PLC, a CPU executa o programa do usuário de forma sequencial e repetitiva num processo cíclico de varredura conhecido como scan. Durante o processo de scan o processador avalia os valores das entradas e atualiza os valores de saída conforme o programa do usuário, repetindo esse ciclo enquanto o PLC estiver em operação, uma vez que as entradas podem ser alteradas a qualquer instante (Petruzella1, 2014).
A Figura 8 ilustra um ciclo de varredura do programa de um PLC.
Figura 8 - Ciclo de varredura do programa do PLC. Fonte: Petruzella1 (2014).
O tempo desprendido para que a CPU conclua um ciclo de varredura (scan) é conhecido como tempo de clico de varredura ou scan time. Esse tempo pode variar entre 1 a 20 milissegundos, dessa forma, se um sinal mudar de estado mais de uma vez dentro de um tempo de ciclo é possível que o PLC não identifique essas mudanças. O scan time depende da velocidade da CPU, extensão ou tamanho do programa do usuário, tipos de instrução executada e condições reais de verdadeiro ou falso da lógica (Petruzella1, 2014).
2.2.1.2 Sistema de Entradas/Saídas (E/S)
O sistema de entradas/saídas (E/S) viabiliza a conexão entre os dispositivos de campo e o PLC, detectando e tratando os inúmeros sinais recebidos e enviados para os equipamentos externos. Aos terminais de entrada são conectados dispositivos tais como botões de comando, chaves-fim de curso e sensores para medição de grandezas físicas como temperatura, pressão, nível, vazão, posição, etc., enquanto que através dos terminais de saída são acionados dispositivos como pequenos motores, válvulas solenoides, alarmes, etc. (Petruzella1, 2014).
Os módulos de entradas/saídas discretas são o tipo mais comum num sistema PLC e conectam dispositivos de campo que possuem apenas dois estados distintos (ligado/desligado ou aberto/fechado) à CPU. Cada módulo desse tipo é projetado para ser ativado por um sinal de tensão, podendo ser de +5 VCC, +24 VCC, 120 VCA ou 240 VCA dependo das características do equipamento (HUGHES, 2005). A Figura 9 ilustra sistemas de conexões de entradas/saídas (E/S) discretas com os dispositivos de campo.
Figura 9 - Sistema de conexões das entradas/saídas (E/S) discretas do PLC. Fonte: Petruzella1 (2014).
Num módulo de entradas discretas quando o contato de uma chave de entrada é fechado, a tensão fornecida é detectada pelo módulo e convertida num nível lógico que permite a CPU identificar o estado do dispositivo, enquanto que num módulo de saídas discretas, o circuito de interface de saída comuta de modo a permitir que a fonte de tensão energize ou desenergize (ligue ou desligue) os dispositivos de campo (HUGHES, 2005).
Os módulos de entradas/saídas analógicas permitem monitorar e controlar grandezas físicas representadas por tensões e correntes analógicas as quais são compatíveis com muitos sensores, transmissores, transdutores, acionamentos de
motor e instrumentos de processo. As interfaces de E/S analógicas estão geralmente disponíveis em faixas de tensão ou corrente contínua unipolares (0 a 5 V, 0 a 10 V, 0 a 20 mA, 4 a 20 mA) e bipolares (-5 a 5 V, -10 a 10 V, -20 a 20 mA) (Petruzella1, 2014). Na maioria dos casos, uma única interface de entrada ou saída
pode acomodar duas ou mais faixas diferentes e pode satisfazer requisito de corrente ou tensão (HUGHES, 2005).
No módulo de interface de entrada analógica a transição de um sinal de saída analógico ocorre através de um conversor analógico-digital (A/D), enquanto que no módulo de interface de saída analógica os dados são recebidos de forma digital do processador e convertidos em um sinal analógico de tensão ou corrente por um conversor digital-analógico (D/A) (Petruzella1, 2014).
Na Figura 9 estão representados exemplos de diagramas de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas.
Figura 10 - Diagramas de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas. Fonte: Silveira et al. (1998).
Os módulos de E/S digitais operam de maneira parecida a dos módulos de E/S discretas, isto é, processam nivél lógico alto e baixo, no entanto, ao contrário dos módulos discretos que lêem apenas um único bit na entrada ou controlam apenas um único bit na saída individualmente, os módulos digitais processam combinações de bits de forma serial ou paralela (HUGHES, 2005).
Aplicações de módulos de entrada digital incluem interface com encoders absolutos e encoders incrementais, leitores de código de barras e chaves thumbwheel (chaves de contagem mecânica com certo número de posições em que cada uma representa um número). Exemplos de dispositivos acionados por módulos de saída digital incluem motores de passo, display de sete segmentos, display alfanumérico e painéis de exibição inteligentes (SILVEIRA et al., 1998).
Dependendo do modo como as entradas e saídas são incorporas a um PLC as configurações de E/S podem ser classificadas em fixas ou moduladas. As E/S fixas (Ver Figura 11), tipicamente encontradas em PLCs de pequeno porte, são incorparadas ao equipamento junto do processador e da fonte de alimentação sem separação, não sendo possível sua remoção PLC (Petruzella1, 2014).
Figura 11 - Configuração da E/S fixa. Fonte: Petruzella1 (2014).
Embora a configuração de E/S fixas seja vantajosa sob o ponto de vista do custo, tem como principal desvantagem a falta de flexibilidade em função da limitação na quantidade e no tipo de entradas e saídas. Além disso, se algum componente apresentar problema existe a possibilidade de ter que substituir todo o PLC (Petruzella1, 2014).
As configurações de E/S moduladas permitem que módulos sejam plugados individualmente a unidade aumentando significativamente sua flexibilidade, uma vez que garante ao usuário a possibilidade de escolher diferentes módulos e adicioná-los conforme sua necessidade (Ver Figura 12). Esses móduadicioná-los adicionais são plugados a uma série de contatos que constituem um tipo de placa mãe (backplane) os quais estão localizados na região traseira de um rack ao qual também está conectado a CPU o que permite a comunicação entre módulos e processor (Petruzella1, 2014).
Figura 12 - Configuração da E/S modular. Fonte: Petruzella1 (2014).
2.2.1.3 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação converte os níveis de tensão CA (120 VCA ou 240 VCA, por exemplo) em níveis de tensão CC (+5 VCC, -15 VCC ou +15 VCC, por exemplo) compatíveis com os circuitos eletrônicos do controlador lógico programável (Ver Figura 13). Essa fonte pode ser integrada aos compontentes do sistema PLC ou pode ser separada e conectada através de cabos. Com a adição de outros módulos ao PLC é possivel que uma fonte de alimentação auxiliar seja necessária para suprir a nova demanda de energia. Além de serem projetas para eliminar ruídos da rede elétrica e outros distúrbios provenientes do processo industrial, também devem suporta ambientes hostis e intempéries relacionadas à temperatura, umidade, vibração, pressão, etc. (HUGHES, 2005).
Figura 13 - Fonte de alimentação para PLC do fabricante Siemens. Fonte: Siemens AG3 (2019).
2.2.1.4 Dispositivos de Comunicação
Os PLCs possuem, em geral, uma ou mais portas ou dispositivos para comunicação cuja principal função é a de se comunicar com os softwares e dispositivos de programação de modo a inserir, corrigir e monitorar o pragrama do usuário. O mais comum é que o PLC possua uma porta serial no padrão RS-232C para programação e uma rede de comunicação do próprio fornecedor utilizada para troca de dados com os racks de módulos remotos e outros PLCs. É possível encontrar interface Ethernet em PLCs de maior porte o que possibilita a comunicação com PCs e outras redes com o mesmo protocolo desde que estejam conectadas ao sistema (HUGHES, 2005). A Figura 14 apresenta um exemplo de módulo de comunicação com interface Ethernet para PLC.
Figura 14 - Módulo da Automation Direct com interface Ethernet para PLC. Fonte: Petruzella1 (2014).
A rede Ethernet começou a ser adotada em processos industriais em função, principalmente, da integração do sistema de informações gerenciais (SIG ou MIS do termo em inglês Management Information System) as máquinas do chão de fábrica e
aos sistemas de controle de processo. A disseminação do uso da rede Ethernet em computadores em geral, PCs, sistemas de telecomunicação e Internet implicou no rápido desenvolvimento de aplicativos compatíveis para os sistemas de automação baseados em PLCs (HUGHES, 2005).
2.2.2 Linguagens de Programação
Em sistemas computacionais o que garante a execução de operações é o tipo de comando definido como instrução (FRANCHI et al., 2008). O programa é o conjunto de instruções que permite ao sistema computacional ou PLC executar ações pré-determinadas, enquanto a linguagem de programação fornece as regras e padrões necessários para combinar as instruções de forma que resultem nas ações desejadas (Petruzella1, 2014).
De forma a padronizar as múltiplas linguagens relacionadas à programação de PLCs e atender as necessidade dos diversos segmentos industriais a
International Electrotechnical Commission (IEC) emitiu a norma IEC 61131-3 que
estabelece cinco linguagens-padrão (Petruzella1, 2014): o Diagrama Ladder (LD), o
Diagrama de Blocos de Função (FBD), o Mapa de Função Sequencial (SFC), a Lista de Instruções (IL) e Texto Estruturado (ST).
A Figura 15 organiza as linguagens de programação segundo sua natureza textual ou gráfica.
Figura 15 - Padrão IEC 61131-3 de linguagens de programação de PLC. Fonte: Petruzella1 (2014).
