GRANDE DO SUL – UNIJUI
RAFAEL RUPPENTHAL
SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS
ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO
ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET
Santa Rosa 2016
SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS
ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO
ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Me. Gilson Rogerio Batista
Santa Rosa 2016
SUPERVISÓRIO PARA DIAGNÓSTICO DE ACIONAMENTOS
ELÉTRICOS DE UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO
ATRAVÉS DE UMA REDE DEVICENET
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Santa Rosa, 20 de junho de 2016
Prof. Gilson Rogerio Batista Mestre pela Universidade Federal de Campina Grande Prof. Taciana Paula Enderle Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria
Dedico este trabalho aos meus pais, Elvio Milton Ruppenthal e Sandra Ruppenthal.
Agradeço primeiramente a Deus pela minha oportunidade de realizar meu sonho de ser Engenheiro Eletricista.
Quero agradecer de forma especial meus pais, Elvio Milton Ruppenthal e Sandra Ruppenthal que sempre me incentivaram a continuar estudando para meu desenvolvimento pessoal e profissional.
Agradeço aos meus avós pelo carinho e também pelas palavras de apoio. Ao meu irmão, Leonardo Ruppenthal pelo companheirismo, sinceridade e pelas brincadeiras que me proporcionam momentos alegres.
Agradeço também minha namorada, Pâmela, pelo apoio, carinho e entendimento pelos momentos que estive ausente para o desenvolvimento de meus trabalhos e estudos acadêmicos.
Agradeço a todos os professores e colegas do curso de Engenharia Elétrica, em especial meu amigo e colega Douglas Rodrigo Finkler, que esteve presente nos momentos de estudos assim como nos momentos de distração.
Aqui estão os loucos. Os desajustados. Os rebeldes. Os criadores de caso. Os pinos redondos nos buracos quadrados. Aqueles que veem as coisas de forma diferente. Eles não curtem regras. E não respeitam o status quo. Você pode citá-los, discordar deles, glorificá-los ou caluniá-los. Mas a única
coisa que você não pode fazer é ignorá-los. Porque eles mudam as coisas. Empurram a raça humana para frente. E, enquanto alguns os veem como loucos, nós os vemos como geniais. Porque as pessoas loucas o bastante para acreditar que podem mudar o mundo, são as que o mudam. Jack Kerouac
RUPPENTHAL, Rafael. Supervisório para diagnóstico de acionamentos elétricos de uma máquina misturadora de concreto através de uma rede DeviceNet. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016.
Muito embora que se obteve uma queda na construção civil nos anos de 2015 e 2016 no Brasil, o crescimento que houve neste ramo desde 2010 fez com que houvesse muitas máquinas misturadoras de concreto espalhadas pelo país. Muitas vezes, essas máquinas não apresentam um sistema de supervisão voltado à área de manutenção, o que provoca paradas repentinas e perdas de produção. Com a implementação dos relés de sobrecarga de estado sólido E3 Plus em quadros de comando descentralizados, interligados através de uma rede de nível de dispositivo, rede DeviceNet, é possível levantar dados de funcionamento de motores elétricos, como corrente elétrica, tensão nominal, potências, entre outros, que operam na máquina em questão. Estes dados são tratados e informados em um sistema de supervisão específico de manutenção da planta. Tal sistema de supervisão facilita o gerenciamento de manutenção preventiva, manutenção corretiva e detecção de falhas. Tornar-se-á vantajoso, a aplicação deste sistema, tanto para o ponto de vista técnico e de segurança. O incremento de novas tecnologias em produtos de fabricação nacional, neste caso, alavancam um investimento no ramo da automação industrial na intenção de produzir uma máquina otimizada, robusta, segura, rentável e competitiva no mercado nacional e internacional.
RUPPENTHAL, Rafael. Supervisório para diagnóstico de acionamentos elétricos de uma máquina misturadora de concreto através de uma rede DeviceNet. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016.
Although the drop in civil construction area in 2015 and 2016 on Brazil, the growth that had on this way since 2010 makes that many concrete mixer plants got installed around the country. Many times, these machines do not have a supervisory control to maintenance area and it results in a suddenly breaks and loss of production. With the application of the E3 Plus Solid-State overload relay on decentralized cabinets, linked with a dispositive network, called DeviceNet, is possible to find electric motors data as electric current, nominal power supply, powers, and another, that work at the plant. These data are informed to the specific maintenance supervisory control of the plant. This supervisory control turns easier to manager for preventive maintenance of the machine, corrective maintenance and fails detections. The application of this system turns advantageous to the technic view as well as the safety view. The increase of new technology on national products, improve the investment on industrial automations, it intends to build a machine optimized, robust, safe, profitable and competitive on the national and international markets.
Figura 1 - Níveis de uma rede industrial ... 20
Figura 2 - Sinal CAN ... 24
Figura 3 - Camada de link de dados. ... 26
Figura 4 - Prevalecimento de dados prioritários na rede. ... 27
Figura 5 - Cabo redondo grosso ... 29
Figura 6 - Cabo redondo fino ... 29
Figura 7 - Cabo chato ... 30
Figura 8 - Topologia Branch line ... 31
Figura 9 - Topologia Tree ... 31
Figura 10 - Topologia Line ... 32
Figura 11 - Distância máxima entre dois terminadores de rede ... 33
Figura 12 - Distância máxima entre dois dispositivos ... 34
Figura 13 - Fonte de alimentação no meio das cargas ... 36
Figura 14 - Duas fontes para a alimentação da rede ... 37
Figura 15 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo grosso ... 37
Figura 16 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo chato ... 38
Figura 17 - Power Tap ... 39
Figura 18 - T-port Tap modelo mini ... 40
Figura 19 - T-port Tap modelo micro ... 40
Figura 20 - DeviceBox Tap 8 portas ... 41
Figura 21 - Deviceport Tap 8 portas ... 41
Figura 22 - Terminadores de rede... 42
Figura 23 - Forma de aterramento com uma fonte de alimentação ... 43
Figura 24 - Forma de aterramento com duas fontes de alimentação ... 43
Figura 25 - Aterramento da rede construída com cabo chato com uma fonte de alimentação ... 43
Figura 26 - Aterramento da rede construída com cabo chato com duas fontes de alimentação .... 44
Figura 27 - Painel sinótico ... 46
Figura 28 – IHM ... 46
Figura 29 - SCADA ... 47
Figura 32 - Conexões típicas do motor ... 57
Figura 33 - RSView 32 ... 59
Figura 34 - Controller tags RSLogix 5000 ... 60
Figura 35 - Main program - linguagem ladder ... 61
Figura 36 - RSLinx ... 62
Figura 37 - Tela inicial do sistema de supervisão ... 63
Figura 38 - Tela de detalhes rosca cimento 1 ... 65
Figura 39 - Tela de detalhes interruptores de emergência ... 65
Figura 40 - Tela de alarmes ... 68
Figura 41 - Tela de alarmes em operação ... 69
Figura 42 - Tela de alarme com alarme ativo ... 69
Figura 43 - Tela de tendências ... 70
Figura 44 - Tela de manutenção ... 71
Figura 45- Tela de fluxograma ... 72
Figura 46 - Bancada de testes ... 72
Figura 47 - RSLinx - Configure drivers ... 74
Figura 48 - Configuração do IP ... 75
Figura 49 - Definindo OPC ... 75
Figura 50 - Configuração do sistema de supervisão ... 76
Figura 51 - Localização do nó de rede ... 77
Figura 52 - Apontamento de variáveis entre supervisório e ladder ... 77
Tabela 1 - Pares do cabo de rede DeviceNet ... 28
Tabela 2 - Taxa de comunicação pelo comprimento máximo de rede ... 33
Tabela 3 - Taxa de comunicação de acordo com o comprimento de derivações ... 34
Tabela 4 - Comprimento máximo das linhas de derivação pela corrente ... 35
Tabela 5 - Padrão de identificação de cores ... 49
Tabela 6 - Especificações elétricas E3 Plus ... 58
Tabela 7 - Funcionamento da tela inicial ... 64
Tabela 8- Funcionamento da tela de detalhes rosca cimento 1 ... 66
Tabela 9 - Funcionamento da tela de detalhes emergência ... 67
Tabela 10 - Funcionamento da tela de alarmes ... 68
A Ampère
AWG American Wire Gauge CA Corrente Alternada CAN Controller Area Network CIP Common Industrial Protocol CLP Controlador Lógico Programável CRC Cyclic Redundancy Code
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access EDS Electronic Data Sheet
NDA Non-Destructive Arbitration IHM Interface Homem Máquina IP Internet Protocol
ISA Instrumentation Symbols and Identification ISO International Organization for Standardization LSD Least Significant Digit
m Metro
mm Milímetro
MSD Most Significant Digit
ODVA Open DeviceNet Vendor Association OLE Object Linking and Embedding
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SOF Start of Frame
VA Volt Ampere (Potência Aparente) Vcc Volts Corrente Contínua
W Watt
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 17
2 REDES DE COMUNICAÇÃO BÁSICAS NA INDÚSTRIA ... 19
3 DEVICENET ... 22
3.1 PROTOCOLO CAN, A BASE DA REDE DEVICENET ... 22
3.2 CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO CAN ... 22
3.3 CARACTERÍSTICAS DA REDE DEVICENET ... 24
3.4 MODOS DE COMUNICAÇÃO DA REDE DEVICENET ... 25
3.4.1 Cyclic I/O ... 25 3.4.1.1 Polled... 25 3.4.1.2 Peer to Peer ... 25 3.4.1.3 Bit Strobe ... 25 3.4.1.4 Change of State ... 26 3.4.1.5 Cyclic ... 26 3.4.2 Explicit Message... 26
3.5 CAMADA DE LINK DE DADOS ... 26
3.6 MEIO FÍSICO - CABEAMENTO DE UMA REDE DEVICENET ... 28
3.6.1 Cabo redondo grosso ... 28
3.6.2 Cabo redondo fino ... 29
3.6.3 Cabo chato ... 30
3.7 TOPOLOGIAS DE REDE DEVICENET ... 30
3.7.1 Branch line ... 31
3.7.2 Tree ... 31
3.9 MÁXIMO COMPRIMENTO ACUMULADO DAS LINHAS DE DERIVAÇÃO DA
REDE DEVICENET ... 34
3.10 ALIMENTAÇÃO DA REDE DEVICENET ... 35
3.10.1 Escolha da fonte de alimentação ... 35
3.11 COMPONENTES BÁSICOS DA REDE DEVICENET ... 38
3.11.1 Power Tap ... 39
3.11.2 T-port Tap... 39
3.11.3 DeviceBox Tap ... 40
3.11.4 DevicePort Tap... 41
3.11.5 Terminating resistor ... 42
3.12 ATERRAMENTO DA REDE DEVICENET ... 42
4 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS ... 45
4.1 IHM ... 46
4.2 SCADA ... 47
4.3 MODELOS DE COMUNICAÇÃO ... 47
4.3.1 Comunicação por polling ... 48
4.3.2 Comunicação por interrupção ... 48
4.4 CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS SUPERVISÓRIOS ... 49
4.4.1 Facilidade de interpretação ... 49
4.4.2 Flexibilidade ... 50
4.4.3 Estrutura ... 50
4.4.4 Geração de receitas de produção ... 50
4.5 PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO... 50
4.5.3 Planejamento da base de dados ... 52
4.5.4 Planejamento de alarmes ... 53
4.5.4.1 Alarmes normais ou pré-alarmes ... 53
4.5.4.2 Alarmes de fato ... 53
4.5.5 Planejamento da hierarquia de navegação de telas ... 53
4.5.6 Desenho de telas ... 54
4.5.7 Sistema de segurança... 54
4.5.8 Padrão industrial de desenvolvimento ... 55
5 RELÉ DE ESTADO SÓLIDO E3 PLUS ... 56
5.1 CONEXÕES TÍPICAS DO MOTOR ... 57
5.2 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS ... 58
5.3 CHAVES PARA ENDEREÇAMENTO DE REDE ... 58
6 TESTES PRÁTICOS ... 59 6.1 PROGRAMAS UTILIZADOS ... 59 6.1.1 RSView 32... 59 6.1.2 RSLogix 5000 ... 60 6.1.3 RSLinx ... 61 6.1.4 RSNetWorx ... 62
6.2 SISTEMA SUPERVISÓRIO DESENVOLVIDO ... 62
6.2.1 Tela inicial ... 63
6.2.2 Tela de detalhes ... 64
6.2.3 Tela de alarmes ... 67
6.2.4 Tela de tendências ... 70
6.3 BANCADA DE TESTES ... 72
6.4 TESTE DE REDE DEVICENET ... 73
6.5 TESTE DO SISTEMA DE SUPERVISÃO ... 73
6.6 CONCLUSÕES DO TESTE PRÁTICO ... 78
7 CONCLUSÃO ... 79
7.1 SUSGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS ... 80
REFERÊNCIAS ... 81
APÊNDICE A – TABELA PARA DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO ... 83
APÊNDICE B – PROJETO DE REDE DEVICENET PARA UMA MÁQUINA MISTURADORA DE CONCRETO ... 84
1 INTRODUÇÃO
O alto investimento financeiro aplicado em uma máquina misturadora de concreto deve tornar a gerar lucro ao investidor o mais rápido possível no mundo dos negócios atual. Paradas repentinas na produção, ocasionadas por falhas na planta, situações de emergência ou por falta de manutenção são nada convenientes para empresas e, muitas vezes, geram atrasos significantes no plano de entrega estipulado pelo fabricante.
Para garantir o maior tempo de produção de uma máquina, deve ser investido na manutenção preventiva, uma vez que diminui ou elimina a manutenção corretiva em máquinas. Uma equipe bem treinada é capaz de realizar correções de defeitos e ações preventivas com eficiência e segurança. Porém, frequentemente, esta não é a realidade dos compradores de máquinas misturadoras de concreto, pois, estes possuem uma equipe limitada no que diz respeito a número e preparo.
Focando na dificuldade dos clientes, indubitavelmente a identificação das manutenções preventivas e corretivas, status de falhas, localização de erros, diagnóstico de sensores e acionamentos tornam-se de muita valia, se estes, forem fornecidos pelo sistema supervisórios da máquina. Dessa maneira é primordial que seja investido na aplicação de novas tecnologias para ser criado um facilitador tanto na operação quanto nos reparos de máquinas que possuem um tempo de parada mínimo.
Partindo de um sistema descentralizado de quadros de comando, onde existe a aplicação de relés de sobrecarga de estado sólido E3 Plus, capazes de atuar como funções de proteção, advertência e monitoramento de grandezas elétricas, interligados por uma rede industrial de nível de dispositivo, DeviceNet, é portanto, possível fazer o levantamento do comportamento da operação dos motores elétricos.
Tais dados serão informados no sistema de supervisão para a manutenção da máquina. Isso permite que o operador atue na vigilância do comportamento dos motores elétricos, pois, em situações anormais há a parada automática do acionamento e indicações da falta são apresentadas para o operador.
Ao ser levantado os tempos de funcionamento acumulado dos motores, é possível indicar, também no sistema de supervisão, os períodos de manutenção específica de cada componente da máquina. O sistema analisará o funcionamento da planta por completo, identificando pontos
indispensáveis para o perfeito funcionamento de todo o conjunto. É dessa forma que o supervisório identifica os pontos de manutenção preventiva ou corretiva, acelerando o processo de correção do defeito pela equipe competente.
Certamente todas as melhorias aplicadas na gestão sobre uma máquina devem estar embasadas para a construção de uma máquina segura e robusta. No processo de fabricação de máquinas, medidas de proteção para garantir a saúde e integridade físicas dos operadores do equipamento devem ser atribuídas.
Isto posto, este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo estudar e viabilizar a implantação de um software de supervisão de manutenção de máquinas misturadoras de concreto, por meio da obtenção de dados elétricos dos acionamentos da planta.
Desta maneira, começa-se com uma abordagem aos principais níveis de comunicação na indústria, formando uma base para a localização do protocolo DeviceNet. Posteriormente, será abordado minuciosamente o padrão DeviceNet de comunicação, apresentando informações desde sua criação, funcionamento, ligações, componentes e aterramento. Após os estudos de rede, é abordado o planejamento do sistema de supervisão. As informações que serão apresentadas são de fundamental importância para o projeto de um sistema supervisório.
Compilando os conhecimentos dos estudos da parte de rede DeviceNet assim como os estudos do sistema supervisório, serão realizados alguns testes práticos que provam a funcionalidade do sistema, assim como as configurações e parametrizações necessárias para a operação dos dispositivos utilizados.
2 REDES DE COMUNICAÇÃO BÁSICAS NA INDÚSTRIA
Na tentativa de melhorar a qualidade dos produtos fabricados, assim como aumentar a produção, o setor industrial começou a automatizar seus processos, retirando a produção apenas da mão do homem. Esse processo se fez de forma gradual nas últimas décadas até alcançar o nível computadorizado atual.
Anteriormente aos processos automáticos microcontrolados, toda a lógica para a automatização de uma linha de produção, era feita utilizando relés. Devido à complexidade elevada de alguns processos produtivos, a instalação de painéis com centenas de relés era necessária. Isto resultava em uma operacionalidade baixíssima dos quadros de comando. Alguns outros problemas também podem ser relacionados a estes sistemas [1]:
alto consumo de energia;
difícil manutenção;
modificação dos comandos elétricos dificultados e trabalhosos com muita alteração da fiação;
dificuldade em se manter os projetos atualizados quando os esquemas eram alterados;
pequenas alterações na linha ocasionavam horas de paradas na produção.
Estes sistemas de controle eram pioneiros e centralizados, ou seja, todo o comando principal era localizado em apenas um local, sendo que qualquer interligação com outra estação de controle era feita com uma quantidade elevada de cabos de controle.
Com o desenvolvimento de sistemas microprocessados e o surgimento da comunicação de dados por protocolos de rede, o processo de descentralização de sistemas de controle começou a crescer. Dessa forma, a planta passou a ser gerenciada por vários pontos, sendo que, cada um, transmite e recebem dados.
Com esta nova solução de controle em rede, surge um conjunto de benefícios antes não existentes [2];
menor quantidade de fios na instalação da planta resulta em uma diminuição de custos de cabeamentos;
ligações curtas em sensores analógicos - este modelo de sensor é sensível aos efeitos eletromagnéticos, dessa maneira, quanto menor o comprimento do cabo de ligação, menor a distorção dos sinais lidos;
facilidade de manutenção - como o sistema é descentralizado, uma possível falha ocasiona a parada de apenas uma parte do processo da planta. Muitas vezes, os sistemas são programados para acusar o ponto específico da falha, o que resulta em um tempo de parada ínfimo se comparado aos sistemas antigos;
cada estação de controle pode ser testada e melhorada individualmente;
adequações no sistema são fáceis e seguras, devido à planta ser controlada por dispositivos programados por linguagens de programação.
Indubitavelmente, o avanço tecnológico nas instalações industriais tem crescido exponencialmente nas últimas décadas. Inúmeros componentes industriais são controlados automaticamente, sendo que destes, a grande maioria está conectada em rede.
Segundo Filipe Pereira, existem três níveis de hierarquias dentro de uma rede industrial. A Figura 1 demonstra os estes três níveis [3].
Figura 1 - Níveis de uma rede industrial
Fonte: Mecatrônica Atual
A hierarquia mais elevada, que também é conhecida como nível de informação, é a EtherNet. Este modelo de rede é utilizado basicamente para interligar computadores com o propósito de trocarem informação. A EtherNet é muito utilizada para quando se quer trocar dados do tipo financeiro, inventários ou de produção, mas poderá ter problemas ao lidar com
informações de tempo real, como é o caso dos um CLP para ler uma informação de segurança [3].
O segundo nível da hierarquia é o nível de controle. A rede de comunicação nesse nível deverá assegurar atribuição de prioridades às mensagens, garantir um determinado tempo de entrega e deverá garantir a interligação entre CLPs e com os seus dispositivos de supervisão. Pode-se citar como exemplo deste modelo de rede, a rede ControlNet [3].
A terceira hierarquia é o nível de dispositivo. Esta rede é usada principalmente para a ligação de dispositivos que estão mais próximos das máquinas, tais como sensores e atuadores. Um exemplo deste modelo de rede é a rede DeviceNet, este é um padrão de rede industrial que é utilizada na comunicação entre CLPs, atuadores, sensores e drivers [3].
Assume-se então, a aplicação de uma rede DeviceNet entre os relés de estado sólido E3 Plus incluídos nos painéis descentralizados da máquina misturadora de concreto.
3 DEVICENET
DeviceNet é um padrão de rede industrial que é aplicada na comunicação entre dispositivos eletrônicos como CLP, atuadores, sensores e drivers. Este modelo de rede industrial foi desenvolvido pela Allen Bradley em 1994 com base no protocolo CAN (Controller Area Network). No ano de 1995 sua tecnologia foi transferida para a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Esta é uma associação sem fins lucrativos, composta por inúmeras empresas que trabalham para garantir o desenvolvimento e a padronização de redes com protocolo baseado no CIP (Common Industrial Protocol) [4] [5].
3.1 PROTOCOLO CAN, A BASE DA REDE DEVICENET
O protocolo CAN foi desenvolvido por Robert Bosh no ano de 1986 para aplicação em automóveis. A função principal era de simplificar os complexos e numerosos sistemas de fios elétricos em um veículo para um sistema de controle compostos por múltiplos controladores com o propósito de gestar a motorização, freios e demais sistemas que compõem um automóvel. A criação do protocolo CAN tinha como princípios básicos uma elevada taxa de transmissão de dados para evitar atrasos de envio e recebimento de informação, uma grande imunidade a interferências eletromagnéticas garantindo sua aplicação em ambientes com elevados índices de ruídos eletromagnéticos e também, por ser um sistema digital, pela capacidade de detectar erros no envio e recebimento de dados [2].
3.2 CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO CAN
O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono que permite transmissão de dados em tempo real. Isso significa que os módulos conectados na rede possuem um determinado tempo para que cada mensagem seja enviada ao barramento de rede. Este evento ocorre em intervalos de tempos regulares e conhecidos [6].
O sistema CAN é desenvolvido com capacidade multi-mestre. Essa característica possibilita que todos os dispositivos conectados no barramento de rede podem solicitar acesso ao meio de transmissão ao mesmo tempo, sendo que em determinados momentos, os módulos podem se tornar mestre ou escravo e trabalhar com mensagens Multicast, onde todas
as mensagens lançadas na rede são recebidas por todos os dispositivos conectados simultaneamente [2] [6].
Como cada mensagem enviada para a rede é recebida por todos os dispositivos, é necessário a identificação dos pacotes de dados para que cada dispositivo faça a análise do que se deva ou não processar cada mensagem. Assim, cada mensagem é composta por bits identificadores. Através do conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration) há a possibilidade de que os módulos conectados na rede estejam a todo instante monitorando o barramento de rede e analisando se outro módulo não está enviando uma mensagem com maior prioridade. Quando um dispositivo da rede detecta um sinal de alta prioridade, o módulo que possuir uma mensagem com a menor prioridade cessa sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem a necessidade de reiniciar a transmissão do pacote de dados prioritário [6].
Como no protocolo CAN os dados são processados em tempo real, estes têm a obrigatoriedade de ser transferidos com alta velocidade. As características apresentadas até o momento reforçam essa veracidade. De acordo com a especificação da ISO 11989, a taxa máxima de transmissão de dados para o protocolo CAN é de 1 Mbit/s para o comprimento máximo de 40 metros da linha de rede. Para diferentes comprimentos da rede, recomendam-se as seguintes taxas de transmissão [2]:
500 kbit/s para até 100 metros;
250 kbit/s para até 250 metros;
125 kbit/s para até 500 metros;
50 kbit/s para até 1000 metros.
No protocolo CAN, os sinais transmitidos na rede, utilizam o método de tensões diferenciais. Essa característica eleva muito a capacidade de imunidade a ruídos considerando que estas são de modo comum, ou seja, que o mesmo sinal de ruído for aplicado de forma igual nos dois cabos de comunicação [2].
As linhas de sinal são denominadas de CAN_H e CAN_L onde “H” e “L” vêm das palavras em inglês High (alto) e Low (baixo) respectivamente. A formação do sinal ocorre da seguinte maneira: um “0” é formado quando o sinal CAN_H estiver com um nível de sinal superior ao CAN_L, este é designado como bit dominante. Já quando o sinal CAN_L estiver superior ao CAN_H corresponde ao bit recessivo de valor 1 [2].
A Figura 2 apresenta a representação gráfica do sinal.
Figura 2 - Sinal CAN
Fonte: Protocolo de comunicações CAN
Em suma, o protocolo CAN possui alta confiabilidade agregada com um baixo custo de instalação. Por ser um meio simples e robusto é utilizado em peso na indústria em sistemas de controle distribuído.
3.3 CARACTERÍSTICAS DA REDE DEVICENET
Como a rede DeviceNet é desenvolvida com base no protocolo CAN, herda várias caraterísticas importantes deste protocolo [7]:
suporta até 64 nós de rede;
inserção ou remoção de dispositivo/nó na rede com a rede de comunicação em funcionamento;
possibilidade de utilização de dispositivos com conexão rápida para garantir um tempo de manutenção e parada muito menor;
proteção contra ligação errada dos cabos de rede;
cabo de alimentação de rede junto com os cabos de sinal, dessa maneira resulta em uma maior facilidade de instalação e também em um meio físico mais compacto;
possibilidade de utilizar várias fontes de alimentação em uma mesma rede com o emprego de Power Taps;
grande imunidade a interferências eletromagnéticas. 3.4 MODOS DE COMUNICAÇÃO DA REDE DEVICENET
Os modelos de comunicação do protocolo DeviceNet constituem-se basicamente de dois tipos básicos de mensagem, o Cyclic I/O e Explicit Message [5].
3.4.1 Cyclic I/O
É um modelo de sinal síncrono que é destinado à movimentação de dados prioritários entre o produtor deste dado com os consumidores da rede. Este se divide basicamente de acordo com a forma de que trocam dados entre si, sendo que os principais são Polled, Peer to Peer, Bit-Strobe, Change of State e Cyclic [4] [5].
3.4.1.1 Polled
Neste método de comunicação, o mestre da rede envia um pacote de dados para cada um dos outros dispositivos da rede, que são os escravos. Quando um dispositivo escravo da rede recebe a solicitação do mestre, ele responde ao mestre imediatamente. Este processo se reinicia assim que todos os dispositivos sejam consultados. Neste sistema o mestre da rede é fixo sendo apenas um mestre por rede [4] [5].
3.4.1.2 Peer to Peer
Nas redes Peer to Peer não há um mestre fixo. Cada dispositivo conectado na rede tem a possibilidade de gerar mensagens à rede quando este tiver a posse de um token. O mecanismo de passagem de token é baseado por um sistema de prioridade da rede [5].
3.4.1.3 Bit Strobe
Neste sistema o mestre envia para a rede um pacote de dados com 8 bytes. Cada bit destes 8 bytes representa uma dispositivo escravo na rede que, se endereçado, responde de acordo com a programação da rede [5].
3.4.1.4 Change of State
Este método de comunicação baseia-se na troca de informações entre o mestre e os escravos apenas quando houver mudanças nos valores que estão a ser monitorados e controlados dentro de certo limite de tempo estabelecido durante a programação. Se o tempo limite é atingido, a comunicação de dados é realizada mesmo que os valores não tenham sido alterados [5].
3.4.1.5 Cyclic
Muito semelhante ao processo Change of State, entretanto, neste caso, a comunicação ocorre em intervalos definidos e regulares de tempo independendo se os valores tenham sofrido alteração ou não. Este período é definido durante a programação do software de rede [5].
3.4.2 Explicit Message
Este modelo de comunicação possui um pacote de dados para uso geral e sem prioridade. Basicamente seu uso é realizado em tarefas que não possuem um sincronismo como, por exemplo, parametrizações e configurações dos dispositivos da rede durante o funcionamento do sistema [5].
3.5 CAMADA DE LINK DE DADOS
O protocolo DeviceNet utiliza o padrão CAN para a camada de link de dados, sendo que o formato do frame de dados DeviceNet é mostrado na Figura 3 [5].
Figura 3 - Camada de link de dados.
Os 11 bits identificadores na rede DeviceNet têm funções específicas de reconhecimento, prioridade e transporte de dados.
Os bits de arbitragem além de ter a função de identificação de cada início do processo de transmissão, possui bit com valores dominantes e recessivos que identificam uma prioridade de mensagem. É dessa forma que atua o conceito CSMA/CD with NDA herdado do protocolo CAN. Uma conferência bit a bit é realizada para garantir o correto funcionamento.
Há a possibilidade de que dois ou mais dispositivos iniciem o processo de transmissão de dados ao mesmo tempo. A Figura 4 exemplifica como os dados com prioridade prevalecem na rede.
Figura 4 - Prevalecimento de dados prioritários na rede.
Fonte: Smar
Os nós (dispositivos) 1, 2 e 3 transmitem pacotes de dados simultaneamente começando pelo bit de início (SOF –Start of Frame). Até o instante em que o nó 2 insere na rede um bit recessivo, com valor 1, e, lê na rede (bus-level) um bit dominante, com valor 0. Neste momento o dispositivo 2 passa apenas a ler os sinais de rede cancelando sua transmissão. No instante em que o nó 1, escreve na rede um bit recessivo e lê um bit dominante, este também passa apenas a ler a rede cancelando sua transmissão de dados. Dessa maneira, o nó 3 conectado na rede possui o menor valor binário e, consequentemente uma mensagem com maior prioridade que as demais mensagem enviadas na rede, sendo assim, esta a que prevalece [5].
Após os bits de arbitragem e de informação/dados, são enviados os bits de CRC (Cyclic Redundancy Code) que são destinados à identificação de erros. Dessa maneira, caso a mensagem possuir algum tipo de erro como, perda de informações, são nestes bits que o erro é descrito na transmissão [5].
Os bits de Ack (Acknowledgement) são bits de reconhecimento que são destinados para acusar o recebimento dos pacotes.
Para sinalizar o fim de transmissão são enviados os bits de final de frame e espaço entre frames, sendo este destinado a garantir uma pausa entre dois pacotes de dados enviados a rede. 3.6 MEIO FÍSICO - CABEAMENTO DE UMA REDE DEVICENET
Basicamente há três tipos de cabos padrão que podem ser empregados em redes DeviceNet, o cabo redondo grosso, redondo fino e chato. Existem outros modelos de cabos no mercado, porém variam de acordo com os fabricantes.
Tabela 1 - Pares do cabo de rede DeviceNet
Par Cor do
condutor Função
Par 1 Vermelho Alimentação (+) 24 Vcc Preto Alimentação (-) 0 Vcc Par 2 Azul Comunicação (CAN_L)
Branco Comunicação (CAN_H)
- Dreno Aterramento
Fonte: Mecatrônica Atual
Os cabos de rede possuem dois pares de fios, um destinado à alimentação em 24 Vcc e o outro, destinado para a comunicação digital de dados. A Tabela 1 mostra a função de cada par e condutor [8].
3.6.1 Cabo redondo grosso
É geralmente empregado nas linhas de tronco e de derivações de uma rede DeviceNet quando a corrente máxima é de até 8 A. Possui um diâmetro externo de 12,2 mm, sendo que internamente os cabos de comunicação possuem uma bitola de 18 AWG (0,82 mm²) e os cabos de alimentação possuem uma bitola de 15 AWG (1,65 mm²) [5] [9].
Figura 5 - Cabo redondo grosso
Fonte: Smar
3.6.2 Cabo redondo fino
Aplicado na maioria das vezes em derivações de rede por ser um modelo de cabo flexível que facilita as instalações. A corrente máxima neste modelo de cabo é de 3 A. Dessa maneira sua aplicação só se faz nas linhas tronco quando a corrente total dos dispositivos não ultrapassar a corrente máxima suportada pelo cabo [9].
Sua forma construtiva possui diâmetro externo de 9,6 mm, sendo que internamente os cabos de comunicação possuem uma bitola de 24 AWG (0,205 mm²) e os cabos de alimentação possuem uma bitola de 22 AWG (0,326 mm²) [5].
A Figura 6 mostra a forma construtiva do modelo de cabo fino.
Figura 6 - Cabo redondo fino
3.6.3 Cabo chato
O cabo chato é fisicamente construído para evitar contratempos na fiação de rede como, por exemplo, quebra de condutores. É muitas vezes aplicado em situações em que há movimento do cabo.
São utilizados exclusivamente em linhas de tronco de rede e possuem duas versões, a para aplicação pesada e para uso geral, sendo ambas construídas sem blindagem. O modelo para aplicação pesada (Heavy-duty) é utilizado em ambientes agressivos onde o cabo pode ser exposto a intempéries do meio. Neste modelo há duas classes sendo que a classe 1 suporta uma corrente elétrica máxima de 8 A e a classe 2 uma corrente elétrica máxima de 4 A. O modelo para uso geral (General Purpose) é aplicado em situações menos agressivas que o modelo para aplicação pesada [9].
Para o modelo de cabo chato, tanto o par de fios destinado à comunicação, quanto o par de fios de alimentação possuem uma bitola de 16 AWG (1,31 mm²). A Figura 7 apresenta a forma construtiva deste modelo de cabo [5].
Figura 7 - Cabo chato
Fonte: Smar
3.7 TOPOLOGIAS DE REDE DEVICENET
A topologia de rede representa a forma construtiva com que os componentes são conectados através do cabo de rede. Os modelos de topologia de rede que são aplicáveis as redes DeviceNet são: Branch Line, Tree e Line [8].
3.7.1 Branch line
A Figura 8 demonstra o modelo Branch Line.
Figura 8 - Topologia Branch line
Fonte: Autor
Neste modelo de rede há um cabo de rede principal (linha tronco) onde, a partir deste cabo, se fazem as ramificações através de conectores dedicados a este tipo de derivação.
3.7.2 Tree
A Figura 9 ilustra o modelo de topologia de rede Tree.
Figura 9 - Topologia Tree
Neste tipo de rede existem caixas de derivações em que as mesmas ramificam a rede para cada dispositivo. O que difere o modelo Tree para o modelo Branch Line, é que no modelo Tree, em uma mesma derivação pode haver vários dispositivos conectados nesta derivação, o que se torna possível pela aplicação das caixas de derivação.
3.7.3 Line
A Figura 10 demonstra o modelo Line de topologia de rede.
Figura 10 - Topologia Line
Fonte: Autor
Este tipo de rede é formada por uma linha onde o cabo de rede entra e sai dos componentes. Como neste modelo de rede todos os equipamentos estão conectados em série, uma vez que um dos elementos entrar em falha acarretará no comprometimento total da rede, pois causará a interrupção do circuito.
Existem topologias de rede que não podem ser aplicadas na rede DeviceNet, por exemplo, as topologias em estrela e em anel. Elas não se aplicam devido a necessidade de na rede DeviceNet existir terminadores de rede. É usado como terminadores de rede resistores de 121 Ω de ¼ W. Esses resistores devem ser colocados no início e no final dos cabos de comunicação da linha principal da rede, e tem a função de minimizar as reflexões dos sinais de comunicação, sendo, dessa maneira, essenciais para o funcionamento da rede [9].
3.8 MÁXIMO COMPRIMENTO LINHA TRONCO DA REDE DEVICENET
No protocolo CAN, a taxa de comunicação de dados depende do comprimento da linha de rede. Essa limitação se deve aos processos de arbitragem e recuperação de erros onde o tempo de bit não deve ser inferior ao dobro do atraso de propagação do barramento [2].
Para a rede DeviceNet é utilizado padrões de taxas de comunicação do protocolo CAN porém com velocidades menores para que se consiga um comprimento maior da rede. Isso se faz necessário em grandes fábricas onde os dispositivos interligados na rede comumente situam em grandes distâncias uns dos outros.
A Tabela 2 demonstra a taxa de comunicação permitida de acordo com o modelo de cabo e o comprimento máximo de rede.
Tabela 2 - Taxa de comunicação pelo comprimento máximo de rede
Máxima distância Taxa de comunicação de dados Cabo chato Cabo grosso Cabo fino 125 k bit/s 420 m 500 m 100 m 250 k bit/s 200 m 250 m 100 m 500 k bit/s 75 m 100 m 100 m
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
Figura 11 - Distância máxima entre dois terminadores de rede
Figura 12 - Distância máxima entre dois dispositivos
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
A máxima distância não é necessariamente a distância da linha tronco da rede, mas sim a distância máxima entre dois dispositivos da rede. A Figura 11 mostra quando a distância da rede é o comprimento da linha tronco, ou seja, entre dois terminadores de rede. Já a Figura 12 mostra quando o comprimento de rede é a distância entre dois dispositivos distantes da linha tronco. [9]. 3.9 MÁXIMO COMPRIMENTO ACUMULADO DAS LINHAS DE DERIVAÇÃO DA
REDE DEVICENET
Com os mesmos princípios que se impõem à distância máxima no comprimento da linha tronco de uma rede DeviceNet, o comprimento acumulado das linhas de derivação também deve ser observado.
A Tabela 3 mostra a relação da soma de todas as derivações de rede de acordo com a taxa de transmissão de dados que pode ser utilizada em cada caso. Caso a velocidade de comunicação da rede não respeitar estes limites, erros de comunicação começam a ser diagnosticados na rede.
Tabela 3 - Taxa de comunicação de acordo com o comprimento de derivações
Taxa de comunicação de dados
Comprimento acumulado das linhas de
derivação
125 k bit/s 156 m
250 k bit/s 78 m
500 k bit/s 39 m
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
O comprimento máximo de cada linha de derivação é apresentado na Tabela 4 de acordo com a corrente de carga de cada derivação.
Tabela 4 - Comprimento máximo das linhas de derivação pela corrente Comprimento da linha de derivação Máxima corrente permitida 1,5 m 3 A 2 m 2 A 3 m 1,5 A 4,5 m 1 A 6 m 0,75 A
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
3.10 ALIMENTAÇÃO DA REDE DEVICENET
A fonte de alimentação para uma rede DeviceNet deve possuir um tempo de subida menor que 250 ms para alcançar a margem de 5% de diferença de sua tensão de saída nominal. Outros pontos também são necessários para o correto funcionamento do sistema, que são [10]:
fonte de alimentação com tensão de saída de 24 Vcc. Corrente de acordo com a carga, sendo que a corrente máxima para cabos de rede DeviceNet é de 8 A;
a fonte de alimentação deve possuir proteção contra sobre corrente;
fusível de proteção para cada segmento do cabeamento;
a fonte de tensão deve ser dimensionada de acordo com a carga total da rede ou de acordo com a carga total para que a fonte terá que alimentar;
verificar a temperatura máxima ambiente para operação da fonte de alimentação de acordo com o ambiente em que ela será aplicada;
usar a fonte de alimentação especificamente para o sistema de alimentação da rede DeviceNet. Caso algum dispositivo requeira uma fonte de alimentação em 24 Vcc deve-se adicionar outra fonte ao sistema para a alimentação dos dispositivos;
a fonte de alimentação deve ter saída isolada da entrada CA de alimentação. 3.10.1 Escolha da fonte de alimentação
Para o dimensionamento da fonte de alimentação 24 Vcc é necessário levantar todo o consumo das cargas na rede para descobrir a corrente total ( ). Após descoberto o valor de
deve-se analisar a topologia de rede para o melhor posicionamento da fonte de alimentação,
No cabo redondo grosso, utilizado na linha tronco de uma rede DeviceNet, pode ser aplicado uma corrente máxima de 8 A. Caso possua um valor maior que 8 A, pode-se aplicar uma fonte de alimentação dimensionada para toda a carga no meio da rede. Neste caso, as cargas também devem estar divididas solicitando no máximo 8 A para cada lado. A Figura 13 exemplifica esta situação. A fonte 1 fornece uma corrente de 12 A para a carga sendo que estes são divididos pela topologia da rede, sem ultrapassar os 8 A máximo do cabo da linha tronco.
Figura 13 - Fonte de alimentação no meio das cargas
Fonte: Autor
Outra maneira de se aplicar à rede a corrente elétrica necessária para todas as cargas é utilizar duas ou mais fontes de alimentação. Nesta configuração é necessário utilizar, para cada fonte, um Power Tap específico. Conforme mostrado na Figura 14 [9].
Esta forma de ligação é muito utilizada quando se deseja utilizar uma rede conectando vários quadros de comando. Em cada quadro há uma ou mais fontes de acordo com a carga instalada, diminuindo assim as perdas por queda de tensão pelo comprimento da rede.
A Figura 15 demonstra a curva da corrente elétrica em relação ao comprimento da rede. Neste caso é considerado que a carga total está no lado oposto ao da fonte de alimentação.
Figura 14 - Duas fontes para a alimentação da rede
Fonte: Autor
Figura 15 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo grosso
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
A partir desde gráfico é possível perceber a perda de capacidade de condução de corrente de acordo com o comprimento da rede construída de cabo redondo grosso. A Figura 16 demonstra a mesma capacidade de condução de corrente, entretanto para rede construída de cabo chato.
Figura 16 - Corrente elétrica pelo comprimento da rede, cabo chato
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
No dimensionamento de uma fonte de tensão para uma rede DeviceNet, também deve ser observado e obedecido alguns fatores [10]:
consumo interno inicial da fonte de alimentação – 1.00%;
regulação de linha – 0.30% (A regulação de linha é dada em relação à variação da tensão de saída devido a uma variação ocorrida na tensão de entrada da fonte. Normalmente se utiliza este valor percentual em relação à variação da tensão nominal para seus valores mínimo e máximo [11].);
desvio de temperatura – 0,60% (total);
desvio de tempo – 1,05%;
regulação de carga – 0,30% (A regulação de carga é dada em relação à variação de tensão de saída quando a corrente de saída da fonte varia de zero ao seu valor nominal [11].)
A soma destes fatores não podem exceder 3.25% da tensão nominal de 24 Vcc requerida pela rede DeviceNet [10].
3.11 COMPONENTES BÁSICOS DA REDE DEVICENET
Para a construção de uma rede DeviceNet são necessários alguns componentes comerciais. Existem vários fabricantes de componentes para esta aplicação, entretanto abaixo é apresentado
componentes básicos da marca Allen-Bradley para a construção de uma rede DeviceNet através de cabo redondo.
3.11.1 Power Tap
O Power Tap é responsável pela conexão física entre a fonte de alimentação e a linha tronco da rede. A Allen-Bradley disponibiliza no mercado dois modelos de Power Tap, um com capacidade máxima de 15 A e outro com capacidade máxima de 6 A [12].
A Figura 17 mostra a composição de um Power Tap.
Figura 17 - Power Tap
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
No Power Tap há dois conectores para a linha tronco de rede e também dois fusíveis de proteção. Cada fusível é responsável pela proteção de cada saída de rede, sendo que no modelo de 15 A, cada fusível tem a capacidade de 7,5 A. No modelo de 6 A, cada fusível tem a capacidade de 3 A.
3.11.2 T-port Tap
Tem a função de conectar a linha tronco de rede às linhas de derivação. A Allen-Bradley fabrica os modelos mini e micro de rápida desconexão. A Figura 18 detalha o modelo mini de acordo com sua forma construtiva e terminais de ligação. Ele é fabricado com conexão direita ou esquerda para fins de posicionamento [10].
Figura 18 - T-port Tap modelo mini
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
O modelo micro é detalhado na Figura 19.
Figura 19 - T-port Tap modelo micro
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
3.11.3 DeviceBox Tap
O DeviceBox Tap é uma caixa de junção capaz de proporcionar uma conexão direta com a linha tronco da rede. A Allen-Bradley fabrica modelos de 2, 4 e 8 derivações. Para cada modelo é necessário especificar se o cabo da linha tronco da rede é do modelo grosso ou fino para a correta fixação do cabo na caixa, uma vez que para aquele, a caixa é fornecida com conector prensa cabo PG16 e para este, a caixa é fornecida com conector prensa cabo PG9 [13].
Figura 20 - DeviceBox Tap 8 portas
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
3.11.4 DevicePort Tap
DevicePort Tap são dispositivos derivadores de rede semelhante ao DeviceBox Tap, entretanto o DevicePort Tap é constituído de conectores rápidos mini e micro idênticos aos encontroados nos T-Port Tap. A Allen-Bradley fabrica tanto para o modelo mini como para o modelo micro DevicePorts com 4 e 8 conexões. A Figura 21 mostra o modelo de 8 conexões mini [10].
Figura 21 - Deviceport Tap 8 portas
3.11.5 Terminating resistor
Conforme explicado anteriormente, é necessário o uso de terminadores de rede DeviceNet. Estes terminadores são resistores de 121 Ω de ¼ W e, tem a função de minimizar as reflexões dos sinais na rede. A Allen-Bradley coloca a venda, além dos resistores de terminação, terminadores de conexão rápida com conexão nos modelos mini e micro. A Figura 22 mostra os modelos de terminadores [10].
Figura 22 - Terminadores de rede
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
3.12 ATERRAMENTO DA REDE DEVICENET
Para garantir a robustez e evitar interferências eletromagnéticas na rede, é fundamental realizar o aterramento do sistema.
O aterramento do cabo de rede deve ser realizado em apenas um só ponto e, de preferência no ponto central da rede, para evitar loop de terra. Dessa maneira, para o cabo redondo deve-se aterrar a malha do cabo de rede e o terminal negativo da fonte de alimentação conforme ilustra a Figura 23 [9].
Nas situações em que a rede exige duas fontes de alimentação, o aterramento deve permanecer em apenas um local e o fio positivo, do cabo de rede, deve ser interrompido entre as duas fontes de alimentação conforme demonstra a Figura 24.
Figura 23 - Forma de aterramento com uma fonte de alimentação
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
Figura 24 - Forma de aterramento com duas fontes de alimentação
Fonte: Allen Bradley Rockwell Automation
Nos casos em que a linha tronco da rede é constituída de cabo chato, que não possui blindagem, o aterramento se faz apenas no terminal negativo da fonte de alimentação conforme a Figura 25.
Figura 25 - Aterramento da rede construída com cabo chato com uma fonte de alimentação
Quando utilizado duas fontes de alimentação, o aterramento se faz semelhante ao realizado no cabo redondo, entretanto sem a conexão da blindagem. A Figura 26 ilustra o diagrama de ligação.
Figura 26 - Aterramento da rede construída com cabo chato com duas fontes de alimentação
4 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS
Segundo Moraes os sistemas supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação da planta que gerenciam informações provenientes de sensores que capturam dados específicos dos processos da máquina, as informações também são chamadas de variáveis de processos. Estas são atualizadas continuamente e podem ser guardadas em bancos de dados locais ou remotos para fins de registro histórico. Dessa maneira, os sistemas de supervisão têm a função de integrar os sistemas lógicos e de automação por meio de redes de comunicação de dados, disponibilizando informações ao operador da máquina para que este possa gerenciar e manipular as variáveis do processo automatizado [14] [15].
Em meados dos anos 70 e 80, com a evolução da eletrônica, e o surgimento dos microprocessadores, o computador tornou-se um grande aliado no desenvolvimento de sistemas de supervisão para sistemas industriais. Surgiam então, os primeiros sistemas supervisórios microcontrolados [16].
Muito embora o desenvolvimento dos microprocessadores começasse apenas por volta da década de 70, o monitoramento e o controle dos processos industriais já eram controlados por painéis sinóticos que forneciam indicações de temperatura, pressão, falha, nível de material e tantas outras informações que fossem necessárias para o gerenciamento e controle total da planta. Os painéis sinóticos possuem um desenho intuitivo do fluxo da planta, o que permite aos operadores um controle lógico moderadamente facilitado de todo o sistema. No entanto, esse tipo de interface trazia dois problemas claros, o primeiro era a dimensão da superfície do painel, que muitas vezes necessitava ser ampliada somente para alojar tantos botões ou informações que eram necessárias, e o segundo toda a complexa fiação para interligar os sensores e atuadores aos displays e chaves digitais. Na Figura 27 observa-se um exemplo de painel sinótico [14].
Hoje os painéis sinóticos são utilizados como uma alternativa mais barata ao sistema supervisório computacional. São empregados principalmente em máquinas que não possuem um controle intenso e nem mesmo uma precisão de produção elevada.
Com o desenvolvimento tecnológico elevado nas últimas décadas, houve o surgimento de ferramentas muito importantes no que se diz respeito ao controle de processos industriais. Segundo Moraes, atualmente, há no mercado dois grandes componentes que se destacam em
aplicações de controle e supervisão, que são: IHM (Interface Home-Máquina) e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – Controle de Supervisório e Aquisição de Dados) [14].
Figura 27 - Painel sinótico
Fonte: Fockink
4.1 IHM
Uma IHM é responsável por fazer a comunicação entre o operador e a máquina. Construída através de componentes eletrônicos, a IHM, possui uma tela gráfica ou alfanumérica onde são apresentadas todas as informações e funções necessárias para o controle da máquina. Na Figura 28 é apresentado um modelo de IHM utilizado para o controle de uma máquina.
Figura 28 – IHM
Fonte: Lintec-Ixon
Na indústria podem-se citar vários exemplos de máquinas que utilizam IHM para o processo de produção como, tornos, dobradeiras e fresas. Uma vez empregadas, as IHM garantem
a precisão elevada, maior produção, alterações instantâneas de parâmetros de processos, entre outros fatores que agregam na qualidade do produto final.
4.2 SCADA
Um sistema de supervisão SCADA, monitora, opera e controla todos os processos aos quais ele está conectado. Sua aplicação tem sido implementada tanto na área civil quanto na área industrial. Esses sistemas visam à integridade física das pessoas, equipamentos e produção consistindo muitas vezes em sistemas redundantes de hardware e meio físico, permitindo pronta identificação de falhas [14].
Estes dispositivos viabilizam a parametrização e configuração de relatórios de falhas, alarmes, produção, entre outros, para controle de produção e de funções que são desenvolvidas pelo sistema.
Em uma planta de complexidade elevada, pode haver a necessidade de utilização de vários sensores, CLPs, IHMs assim, todo o sistema é conectado por padrões de redes industriais. Na Figura 29 é apresentado um modelo de sistema supervisório SCADA.
Figura 29 - SCADA
Fonte: Lintec-Ixon
4.3 MODELOS DE COMUNICAÇÃO
4.3.1 Comunicação por polling
Neste modelo de comunicação, que também é chamado de mestre e escravo, o módulo de processamento principal tem total controle sobre todos os outros dispositivos conectados na rede. A comunicação entre os dispositivos ocorre sempre que o módulo principal desejar e, os componentes escravos da rede, apenas respondem ao módulo principal após o recebimento do pacote de solicitação enviado pelo módulo mestre. Assim, cada componente que está conectado na rede, recebe um endereço o qual irá representar seu posicionamento da rede, desta maneira, cada elemento deve possuir um endereço específico.
Na fase de comunicação entre o dispositivo mestre e os dispositivos periféricos, escravos, o módulo principal envia pacotes de dados solicitando as informações necessárias para cada dispositivo na rede um por um. Quando o módulo mestre não recebe o pacote de informações de resposta em um tempo específico, ele reenvia o pacote um série de vezes, criando novas tentativas polling antes de ser declarado estouro de tempo, time-out, só assim ele passa a se comunicar com o próximo dispositivo na rede.
Segundo Moraes, em um sistema de comunicação por polling pode citar algumas vantagens e desvantagens [14].
Vantagens:
simplicidade no processo de aquisição de dados;
inexistência de colisões no tráfego de rede;
permite, devido ao seu caráter determinístico, calcular a largura de banda utilizada pelas comunicações e garantir tempos de resposta;
facilidade na detecção de falhas de ligação; permite o uso de estações remotas não inteligentes.
4.3.2 Comunicação por interrupção
Neste modo de comunicação, a estação remota monitora os valores de entrada e, quando detecta alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos, inicia a comunicação com a estação central e a consequente transferência de dados. O sistema é implementado de modo a permitir a detecção de erros e a recuperações de colisões.
Antes de iniciar a transmissão, a estação remota verifica se o meio está ocupado por outra estação, aguardando um tempo programado antes de efetuar nova tentativa de transmissão. Em
caso de colisões excessivas, em que o sistema é gravemente afetado, a estação remota cancela a transmissão aguardando que a estação central proceda à leitura dos seus valores através de polling [14].
4.4 CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS SUPERVISÓRIOS
Os sistemas supervisórios são projetados a fim de garantir uma interface amigável e desenvolvidos para uma operação intuitiva, segura e rápida. Para isso, um bom sistema de supervisão deve apresentar as seguintes características.
4.4.1 Facilidade de interpretação
A representação dos processos da planta na tela do supervisório facilita a rápida interpretação, assim como a atuação da equipe responsável pela operação. São utilizadas animações, mudanças de cores, visibilidade, entre outras, para fazer com que a identificação fique intuitiva [14].
Na supervisão e controle de processos, tanto em modo manual quanto em sistemas automáticos, são empregadas cores diferentes para a identificação de ações ou informações. Na Tabela 5 são apresentados os diferentes significados das cores empregadas.
Tabela 5 - Padrão de identificação de cores
Cor Significado Exemplo de aplicações
Vermelho Parar/Desligar Emergência
Parada de motores Parada de unidades da máquina
Parada de ciclos de operação Parada de emergência
Falhas perigosas como sobreaquecimento
Verde ou Preto
Partir Ligar Pulsar
Partida de motores Partida de unidades da máquina Energizar circuitos de comando
Pulsos de limpeza
Amarelo Intervenção
Retrocesso Alarmes não emergenciais Interromper condições anormais
Azul ou Branco
Reset / Outras funções exceto as
acima descritas
Reset de circuitos
Comando auxiliares de operação da máquina
4.4.2 Flexibilidade
Os sistemas supervisórios permitem alterações no processo de produção, correções de erros e outros ajustes na produção sem interromper a operação normal da planta. Tomamos como exemplo um sistema de dosagem em que foi alterada a constituição da matéria prima, sendo que, dessa forma o peso específico do material fosse alterado. Dessa maneira, pode ser alterado o fator de corte de um sistema de dosagem para fazer com o que planta torne a produzir de forma correta.
4.4.3 Estrutura
O fluxograma da planta muitas vezes é desenhado na tela do sistema supervisório para ilustrar o processo produtivo. Neste mesmo princípio, são divididas em janelas, outras informações necessárias para o controle da planta. Esta divisão ocorre de maneira natural para que a visualização seja de maneira sistêmica e a navegação a mais objetiva possível.
4.4.4 Geração de receitas de produção
Os sistemas de supervisão atuais possibilitam a criação, configuração e importação de parâmetros de receita de produção para a alteração dos processos produtivos. Também criam relatórios com características da produção como: desvios de receita, tempos de produção, falhas no sistema, entrada de emergência, entre outras.
4.5 PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO
Segundo Moraes, é necessário o entendimento de nove etapas para o desenvolvimento de qualquer sistema supervisório [14].
4.5.1 Entendimento do processo produtivo
Para o projetista do sistema supervisório é muito importante o conhecimento rigoroso dos processos da planta. É essencial que sejam adquiridas informações de técnicos, operadores, projetistas e outros profissionais que trabalham no desenvolvimento ou operação da máquina. Dessa maneira, é fundamental realizar as seguintes análises no desenvolvimento de um sistema de supervisão [14];
reunir-se com operadores da planta, caso ela já exista, ou com especialistas no processo;
quais informações são importantes para a monitoração do sistema pelo operador;
desenhar o fluxograma ou o diagrama de blocos do processo da planta de forma a identificar todas as interações entre os subsistemas da planta;
descobrir o melhor tipo de comunicação a ser adotado, de acordo com as instalações existentes, se existirem;
fazer o planejamento do sistema de alarmes da planta em estudo. 4.5.2 Variáveis de processo
A comunicação entre o CLP e o sistema supervisório é feita utilizando endereços de memória no CLP. Cada variável que é utilizada é nomeada por um tag. É neste tag que irá conter a informação do valor processado ou lido em campo e, no sistema supervisório ele será convertido, se necessário, para uma unidade de engenharia apropriada [14].
Em uma planta muito grande, com uma enorme quantidade de tag’s, o gerenciamento do sistema é facilitado com o uso de um padrão de identificação das variáveis. Os tag’s podem ser identificados por área, malha, função do instrumento de medição e a variável de medição [17].
A ISA (Instrumentation Symbols and Identification) fornece uma lista de códigos para instrumentação apresentada na Figura 30. A partir desta tabela é possível formar um código para nomenclatura de acordo com as letras na primeira coluna.
A formação de um código para a nomenclatura das variáveis não necessariamente precisa seguir o padrão ISA. Os engenheiros projetistas devem estar cientes de que o desenvolvimento de um padrão adequado para os sistemas de supervisão da indústria em que trabalham pode facilitar e agilizar a elaboração, manutenção e também a correção dos programas desenvolvidos. É muito importante que este padrão seja disseminado para todos os trabalhadores envolvidos no processo de elaboração do sistema de supervisão. Deixando claro quais os princípios e normas que devem ser seguido em instruções detalhadas de trabalho que são acompanhadas pelo sistema de gestão de qualidade.
Figura 30 - Códigos para nomenclatura de instrumentação
Fonte: ISA
4.5.3 Planejamento da base de dados
É necessário construir um sistema supervisório eficaz e com informações essenciais ao operador. Deve-se evitar a apresentação de dados irrelevantes para o controle da planta, uma vez que estes podem causar dificuldade na interpretação das informações, utilizam espaço no tráfego de rede e, para que o sistema supervisório fique o mais intuitivo possível.
Em sistemas em que o número de informações muito grandes, é necessário fazer o dimensionamento do processador do CLP para tal, pois, processo de busca de informações consome grande energia de processamento e grande volume de tráfego da rede [14].
4.5.4 Planejamento de alarmes
A criação de alarmes deve ser realizada com base nas possíveis faltas que podem ocorrer durante a operação da planta. Assim, deve-se verificar [14]:
quais condições que irão entrar em indicação de alarmes;
de que maneira os alarmes irão sinalizar a condição de falta;
como o operador fará o reconhecimento do alarme.
A partir destes pontos é possível dividir os alarmes em alarmes normais e alarmes de fato. É muito importante que os alarmes não se restrinjam somente em sinalizações visuais na tela, mas também que estes sejam realizados por sirenes ou alto-falantes conectados ao sistema. Dessa maneira é possível provocar uma atenção maior por parte do operador e também dos trabalhadores em volta da planta.
4.5.4.1 Alarmes normais ou pré-alarmes
São alarmes que não requerem a necessidade de intervenção ou parada da máquina, exigindo apenas atenção por parte do operador.
4.5.4.2 Alarmes de fato
Quando um alarme propriamente dito é acionado, a intervenção do operador é necessária para que a planta volte ao seu funcionamento normal. Muitas vezes um alarme pode ser acionado e o sistema de automação realiza o desligamento imediato da máquina para evitar que a falha venha ocasionar um risco maior.
4.5.5 Planejamento da hierarquia de navegação de telas
Uma hierarquia de navegação de telas é proveniente de uma série de telas que fornecem progressivamente detalhes dos processos da planta à medida que se navega através do sistema de supervisão. A hierarquia de telas deve ser feita de modo a seguir o mais próximo da realidade, guiando dessa maneira a serviço aos usuários [14].
