ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS
Nos processos produtivos, vem-se verificando uma tendência em substituir sistemas com processamento centralizado, geralmente baseado em equipamentos de grande porte, por sistemas distribuídos, compostos por diversos similares de menor porte. Porém, o controle distribuído somente será viável se todos os integrantes do sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e confiável.
Para atender a essa necessidade, surgiram diversos tipos, padrões, protocolos em redes de comunicação industrial.
Rede de comunicação industrial é o conjunto de equipamentos e softwares utilizados para propiciar o trânsito de informações da produção, entre os diversos níveis hierárquicos de um processo industrial.
As informações (dados) são transmitidas em quadros ou pacotes, que são uma seqüência de bytes definida por um protocolo de rede. Os dados podem compor um conjunto maior chamado de mensagem. Se a mensagem tiver um tamanho maior que um quadro, necessita ser fragmentada. Nas redes industriais, como se trata de informação de sensores na maioria das vezes, a quantidade de bytes a transmitir em cada mensagem é pequena (em média, na ordem de algumas dezenas de bytes). Assim, um quadro pode transportar uma mensagem inteira.
Diferentemente das redes locais de escritório, em que as redes estão instaladas em ambientes limpos e normalmente com temperaturas controladas, no caso de redes industriais, o ambiente nos quais as redes são instaladas é usualmente hostil, uma vez que ruídos eletromagnéticos de grande intensidade podem estar presentes. Por exemplo, no acionamento de motores elétricos, em função das altas correntes envolvidas, radiações eletromagnéticas são geradas, podendo induzir ruídos nos equipamentos eletrônicos nas proximidades. Além disso, ambientes industriais podem apresentar temperaturas e umidades elevadas, dois aspectos prejudicais aos componentes utilizados em sistemas computacionais e de comunicação. Desta forma, equipamentos para redes industriais são, em geral, especialmente construídos para trabalhar nessas condições adversas e os protocolos de comunicação adotados também devem considerar aspectos de segurança e disponibilidade do sistema desenvolvido (PEREIRA & LAGES, 2004).
Para se conceber uma solução na área de automação, o primeiro passo é projetar a arquitetura do sistema, organizando seus elementos vitais: remotas de aquisição de dados, CLPs, instrumentos, sistema de supervisão, etc, em torno de redes de comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura determinará o sucesso de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho, modularidade, expansibilidade, etc (SEIXAS, 2004).
Para esse mesmo autor, uma das arquiteturas mais praticadas é a que define hierarquias de redes independentes: rede de informação, rede de controle e rede de campo.
1.3.1 Rede de informação Corporativa
O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de informação. O tráfego é baseado em dados sem criticidade temporal, caracterizada pelo grande volume de dados, porém com baixa freqüência de transmissão. Nessas redes, a velocidade de transmissão é um fator importante, porém a latência (tempo entre o envio e recebimento dos pacotes de dados) é uma variável incerta.
Exemplos são as redes em sistemas de gestão corporativos em que há grande tráfego de dados.
Em grandes corporações, é natural a escolha de uma rede de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos), e EPS (Enterprise Production Systems).
1.3.2 Rede de controle Industrial
Interliga os sistemas industriais de nível 2 ou servidor SCADA aos sistemas de nível 1 representados por CLPs ou remotas de aquisição de dados.
O tráfego é baseado em dados em que a criticidade temporal pode ou não ser essencial, normalmente com volume médio de dados e freqüência de transmissão em função de eventos do sistema.
Nessa rede, os aspectos mais importantes são a disponibilidade e a imunidade a falhas.
1.3.3 Rede de campo
A rede de campo permite a interação dos diversos dispositivos de monitoração e controle presentes em uma planta de produção, através de aquisição de variáveis e atuação sobre equipamentos. Por meio dela esses dispositivos trocam informações e coordenam o controle dessa planta.
O tráfego é baseado em dados na maior parte com criticidade temporal, caracterizada pelo pequeno volume de dados entre dispositivos, mas com freqüência de transmissão elevada. Exemplo clássico é o envio de temperatura de um dispositivo de campo (sensor) para o CLP, onde o valor será utilizado no controle de temperatura de determinada área (atuador).
Nessa rede, a latência entre o envio do pacote e o recebimento do mesmo obedece a valores máximos bem definidos.
1.3.4 Exemplo de arquitetura para rede industrial
Com base nas definições de Seixas (2004), uma configuração de arquitetura para rede industrial com essas características pode ser vista na figura 1.4. Nessa figura, observa-se que as estações clientes SCADA se comunicam com seus servidores SCADA e com cliente e servidores ERP através da rede de informação. A estação servidor SCADA se comunica com os CLPs através da rede de controle. Os CLPs se comunicam com os sensores e atuadores através da rede de campo. Do ponto de vista de segurança, é favorável isolar o tráfego de controle do tráfego de informação através de equipamentos roteadores de rede.
As redes de controle e informação também podem estar fundidas em uma rede única, rede ethenet, por exemplo. Porém, como o tráfego na rede de controle é caracterizado por mensagens curtas e muito freqüentes e é de natureza diversa do tráfego na rede de informação, em geral representada por arquivos maiores transmitidos com baixa freqüência, tornando os requisitos de desempenho e segurança das duas redes diferentes, Seixas (2004), não recomenda esta fusão.
Figura 1.4 – Exemplo de Arquitetura de uma Rede Industrial 1.4. SISTEMAS SCADA
Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Acquisition Data System) são aplicativos que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo produtivo, as informações podem ser visualizadas por intermédio de quadros sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo (vazão, temperatura, pressão, volume, etc).
Os dados são provenientes do controle do CLP, podendo os softwares supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes auxiliam no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para gerenciamento e diretrizes. Desta forma, a escolha do software de supervisão é muito importante na estratégia de automação de uma empresa.
Segundo Boyer (1993), um sistema SCADA permite a um operador, em uma localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como, óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos, fazer set-point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou chaves, monitorar alarmes, e armazenar informações de processo.
De acordo com esse mesmo autor, quando as dimensões do processo tornam-se muito grandes, os benefícios, em termos de redução de custos de visitas rotineiras, podem ser verificados, porque torna desnecessária a presença do operador ou a visita em operação normal.
Hoje, os sistemas SCADA podem ter uma arquitetura aberta, ligada em rede, de forma a permitir que o fluxo de dados do processo ultrapasse o limite das paredes da empresa e percorra o mundo através dos meios de comunicação existentes.
Num ambiente industrial, esses sistemas auxiliam na gestão da produção, porque possibilitam:
• Comunicações significativamente melhores entre todas as áreas da operação;
• Um melhor planejamento da produção;
• Um melhor rastreamento das ordens de produção, incluindo listas de materiais, além de uma melhor administração do plano de produção;
• Um acompanhamento mais preciso dos níveis de estoque alocado e real de matérias-primas e produtos acabados;
• Uma melhor administração e manutenção dos equipamentos da planta, incluindo o acompanhamento de defeitos e a programação de ordens de trabalho para manutenção.
Caetano et al (aput FAVARETTO, 2001) apresentam uma solução denominada Sistemas de Monitoramento, Supervisão e Diagnóstico da Produção, composta dos seguintes módulos funcionais:
Monitoramento da produção: faz o sensoriamento e coleta em tempo real dos dados de produção;
Supervisão da produção: análise dos dados coletados:
Repositório de informações da produção: armazena as informações da produção.
Diagnóstico do chão de fábrica: trata as informações tecnológicas. Segundo Rodrigues & Coelho (2000), os sistemas SCADA podem ser subdivididos em:
a) Sensores e Atuadores: são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorizados pelos sistemas SCADA.
Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota.
Os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos.
b) Estações remotas: O processo de controle e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas, CLPs (Controlador Lógico Programável) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos a que estão associados e o respectivo controle.
Os CLPs apresentam como principal vantagem a facilidade de programação e controle de I/O. Por outro lado, os RTUs possuem boas capacidades de comunicação, incluindo comunicação via rádio, estando especialmente indicados para situações adversas onde a comunicação é difícil.
Atualmente, nota-se uma convergência no sentido de reunir as melhores características desses dois equipamentos: a facilidade de programação e controle dos CLPs e as capacidades de comunicação dos RTUs.
c) Redes de comunicações: A rede de comunicação é a plataforma através da qual a informação de um sistema SCADA é transferida. Tendo em consideração os requisitos do sistema e as distâncias a cobrir, as redes de comunicação podem ser implementadas, entre outros, através dos seguintes meios físicos:
Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas distâncias, normalmente em fábricas, não sendo adequados para grandes distâncias devido ao elevado custo da cablagem, instalação e manutenção;
Linhas Discadas - As linhas discadas podem ser usadas em sistemas com atualizações periódicas, que não justifiquem conexão permanente. Quando for necessário comunicar com uma estação remota é efetuada uma ligação para o respectivo número;
Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que necessitam de conexão permanente. Essa conexão, no entanto, é uma solução cara, pois é necessário o aluguel permanente de uma linha de dados ligada a cada estação remota;
Rede Wireless - Esses dispositivos são usados em locais onde não estão acessíveis linhas discadas ou dedicadas. Por vezes, em situações onde uma ligação direta via rádio não pode ser estabelecida devido à distância, sendo necessária a instalação de dispositivos repetidores. d) Estações de monitoração central
As estações de monitoração central (servidor SCADA) são as unidades principais dos sistemas SCADA, responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem estar centralizadas num único computador, ou distribuídas por uma rede de computadores de modo a permitir a partilha de informação proveniente do servidor SCADA.
A interação entre os operadores e as estações de monitoração central (servidor SCADA) é efetuada através de uma Interface Homem-Máquina, em que é comum a visualização de um diagrama representativo da instalação fabril, a representação gráfica das estações remotas, os valores atuais dos instrumentos fabris e a apresentação dos alarmes ativos.
Sob esta perspectiva a figura 1.5 mostra todos os componentes básicos de um sistema SCADA, desde a estação de monitoração central, onde está o software de supervisão, passando pela rede de comunicação, CLP, sensores e atuadores até as máquinas e equipamentos (processo).
Figura 1.5 - Componentes de um sistema SCADA
1.5 CONCEITOS ERGONÔMICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE TELAS Os olhos tendem a se mover de:
CLP ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO
REDE DE COMUNICAÇÃO
SENSORES E ATUADORES
Uma imagem grande para uma menor Uma cor saturada para uma não saturada Uma cor brilhante para uma cor pastel
Uma imagem colorida para outra monocromática Formas simétricas para formas assimétricas
Algo que se move e pisca para uma imagem estática.
Logo ao construir uma tela devemos obedecer aos seguintes critérios: Dar preferência a vídeos de 19"
A construção da tela deve ser bem balanceada: o número de elementos de informação por tela deve ser coerente com a capacidade humana de interpretá-los. Evite telas congestionadas ou vazias demais.
O sistema gráfico deve propiciar:
Resolução suficiente para tornar a imagem legível Diversas cores simultâneas
Caracteres com diversas formas e tamanho Representação gráfica dinâmica (animações). Evite objetos grandes piscantes
Deve haver redundância na forma de representar uma informação: valor, barras, enchimentos, etc. A representação mais natural é a mais indicada. Por exemplo, enchimento para tanques e silos, rotação para um forno de cimento ou britador de martelos, etc.
Equipamentos devem ser desenhados de acordo com sua forma e tamanhos exatos. A representação fotográfica com excesso de detalhes, sombra, etc. é desaconselhável.
A seqüência para ligar ou desligar equipamentos ou realizar ações de controle similares deve ser simples e intuitiva. Simplesmente selecione o objeto com o mouse e selecione a opção LIGA no menu.
Mensagens devem ser claras, explícitas e auto-suficientes. Contra exemplo: Erro 46A: Execute o procedimento de emergência 78
Exercícios
1- Quais as características de um ambiente fabril, para a instalação de redes industriais?
2- O que é uma Rede de informação Corporativa? 3- O que é uma Rede de Controle Industrial? 4- O que é uma Rede de Campo?
5- Defina o que são os sistemas SCADA?
6- Segundo Boyer, o que um sistema SCADA permite ao operador? 7- Cite algumas vantagens da utilização do sistema SCADA.
