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Faculdade Anhanguera Sorocaba

Instrumentação

Sistema digital de controle distribuído

O Sistema digital de controle distribuído ou SDCD é um equipamento da área de automação industrial e sua finalidade é o controle de processos de forma a permitir uma melhora na produção diminuindo os custos e fabricando peças com mais qualidade. Ele é composto basicamente por um conjunto de dispositivos que se completam no cumprimento das suas diversas funções - o sistema controla e supervisiona o processo produtivo da unidade. Utilizam-se técnicas de processamento digitais em oposição ao analógico, com o objetivo de proporcionar uma manutenção no comportamento de um referido processo na planta da indústria, dentro de parâmetros já estabelecidos. O sistema é dotado de processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do processamento de dados e decisões.

 Semáforos  Sinais de radio  Sistemas de tratamento de água  Refinarias de petróleo  Usinas químicas  Indústria farmacêutica  Redes de sensores  Navios de transporte de carga seca a granel e Petroleiro

Controle distribuído x Descentralizado

Controle Distribuído:

• Refere-se à topologia da malha de controle;
• Sensor, controlador e atuador distribuídos fisicamente ao longo da planta;
• Tipicamente cada malha possui 1 sensor, 1atuador e 1 controlador; Controle Descentralizado:
• Refere-se à topologia do controlador
• O controle é implementado de forma distribuída, com os dados processados localmente;
• Tipicamente existem diversos sensores e atuadores na mesma malha.

 Elementos

O sistema tipicamente é dotado de processadores personalizados, que são usados como controladores, usa redes redundantes, que podem ser tanto proprietárias quando obedecer protocolos padronizados. Os processadores recebem informação dos módulos de entrada e enviam para os módulos de saída. Os módulos de entrada recebem informação dos instrumentos de entrada, que estão no processo (também chamado de

campo), enquanto os módulos de saída se comunicam com os atuadores do campo. Os elementos do SDCD pode estar conectado diretamente com equipamento físico, como interruptores, bombas e válvulas, ou pode trabalhar através de um sistema intermediário, como por exemplo, o sistema SCADA.

 Aplicação SDCD são sistemas dedicados, usados no controle de processos de manufatura de natureza tanto continua quando orientada por lotes, como por exemplo, refino de petróleo, petroquímicas, usinas elétricas, farmacêuticas, indústria de alimentos e bebidas, produção de cimento, metalurgia e industria de papel. SDCD são conectados a sensores e atuadores e usam controle por setpoint para controlar o fluxo de material através da planta. Um dos exemplos mais comuns de sistema de controle por setpoint consiste em um sensor de pressão, controlador e válvula de controle. A medida de pressão é enviada ao controlador, quando o valor medido alcança certo ponto, o controlador induz a válvula ou atuador a abrir ou fechar ate que a pressão atinja o valor do setpoint. Um SDCD típico consiste em controladores digitais distribuídos por função ou localização geográfica, capazes de executar de 1 ate 256 funções de controle em uma caixa de controle.. SDCD podem empregar uma ou mais estações de trabalho (PCs, por exemplo) e podem ser configurados através delas ou de um PC. Comunicação local é realizada através de uma rede de cabo de par trançado, coaxial ou de fibra óptica. Um servidor e/ou processador de aplicações pode ser incluso no sistema com o intuito de adicionar capacidade computacional extra assim como de coleta de dados e de gerar relatórios.

consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. Nível Alto: dados no formato de pacotes de mensagens, a rede se interliga aos equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Desempenham funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros e programas ). Exemplos: include IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

 Protocolos Abertos X Protocolos Proprietários Podemos diferenciar dois tipos de protocolos: protocolos proprietários e protocolos abertos. Os primeiros são protocolos definidos por uma empresa e que não são disponibilizados aos usuários e outros fabricantes de dispositivos. Neste caso, somente dispositivos da empresa em questão são capazes de comunicar uns com os outros. Os protocolos abertos, pelo contrário, são aqueles cujas regras e convenções são amplamente divulgados, geralmente na forma de uma norma técnica internacional, nacional ou regional. Neste caso, diversos fabricantes podem, a princípio, desenvolver sistemas computacionais que permitam o interfaceamento de seus dispositivos com outros que entendam o mesmo protocolo. Uma das principais vantagens da adoção de protocolos abertos é a independência de fabricantes, ou seja, quanto mais empresas tiverem produtos disponíveis em um protocolo, menos dependente fica a automação de uma empresa específica. Tal aspecto tende a levar a uma redução dos custos dos dispositivos em função da concorrência que naturalmente surge no mercado.

 Protocolo Modbus O protocolo MODBUS é uma estrutura de mensagem desenvolvida pela Modicon em 1979, usada para estabelecer comunicação entre os dispositivos mestre-escravo / cliente-servidor. Ele é de fato um padrão, muitos protocolos de rede industriais utilizam este protocolo em seu ambiente. O protocolo

MODBUS disponibiliza um padrão de indústria através do método MODBUS para trocar mensagens.

 Comunicação entre os Dispositivos Modbus Os dispositivos MODBUS comunicam utilizando a técnica mestre-escravo no qual permite que somente um dispositivo (o mestre) possa iniciar as transações. Os outros dispositivos (escravos) respondem de acordo com o pedido do mestre, ou de acordo com a tarefa em questão. Um dispositivo periférico escravo (válvula, drive de rede ou outro dispositivo de medição), que processa a informação e envia o dado para o mestre.

 Modo De Transmissão Rtu (Remote Terminal Unit) No modo RTU (Remote Terminal Unit), cada mensagem de 8 bits contém dois caracteres hexadecimais de 4 bits. Quando o dispositivo for configurado para este modo, para cada palavra de dados é enviado apenas um caracter no padrão hexadecimal. A principal vantagem do padrão RTU em relação ao ASCII é a maior densidade de caracteres que é enviada numa mesma mensagem, aumentando o desempenho da comunicação. Em relação à formação da palavra de dados que comporá o conjunto de dados (framing) da mensagem, são adotados alguns critérios.

 Protocolo Profibus PROFIBUS é um padrão de fieldbus aberto para largas aplicações, processos contínuos, manufatura, elétrica, entre outras. Com a necessidade de padronização da comunicação entre máquinas do processo industrial, surgiu em 1986 uma corrente européia com o propósito de criar meios comuns de

poderosos abrem um amplo alcance de aplicações e provêem grandes flexibilidades, também pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas.

Comunicação Industrial Profibus.

 Protocolo Hart O protocolo de comunicação HART é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4

• 20mA. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART. Esse protocolo permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20mA, sem interferência e na mesma fiação. O HART proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes.

 A Tecnologia Hart O Protocolo HART usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação

digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal, portanto ele não interfere no sinal de 4- 20mA. A lógica “1” é representada por uma frequência de 1200Hz e a lógica “0” é representada por uma frequência de 2200Hz. O sinal HART FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes (Tutorial SMAR HART, 2005). O protocolo HART se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.

Sistema Supervisórios

Os sistemas supervisórios são programas utilizados basicamente, para o monitoramento de processos industriais. São programas instalados em microcomputadores conectados a uma rede de comunicação de um ou mais CLP’s, ligados a um equipamento ou a um processo completo de fabricação. Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e posteriormente, apresentadas ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) É sabido que um sistema de supervisão pode ler as entradas digitais/analógicas e ler/escrever nas saídas digitais/analógicas. Houve uma grande melhora nos sistemas SCADA, os primeiros sistemas criados permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos, através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface operacional com o operador. Já nos sistemas atuais são utilizados tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle de processos industriais, efetuando

Para cada tag criada pode-se estabelecer condições de trabalho, assim quando o valor tag ultrapassa a condição pré-estabelecida condição de alarme são ativadas, sendo possível programar a gravação de registros em banco de dados, ativação do som, mensagem, mudança de cores, etc.

 Telas do Trabalho É necessário criar algumas telas de trabalho para melhor acionamento e controle de modos de operação e estados do motor: Tela Apresentação, Tela Projeto, Tela Alarmes, Tela Motor. Cada tela é nomeada de acordo com o que o projetista achar conveniente. Em virtude das características do ambiente, os dados obtidos através dos sensores são encaminhados a concentradores de dados por meio de canais de RF. Os dados coletados pelos concentradores são encaminhados ao Sistema Supervisório através da uma rede de comunicação de dados padrão RS485 e para o tráfico de dados é utilizado o protocolo MODBUS/RTU. A figura 1 apresenta a configuração completa de um sistema em desenvolvimento.

Os dados obtidos do ambiente controlado são utilizados para alimentar as entradas das receitas de controle e também são armazenados em um banco de dados. O banco de dados é utilizado para a emissão de relatórios de operação e também servem para análise estatística do comportamento do sistema. O sistema assim concebido poderá, em uma fase subseqüente, proporcionar inúmeras vantagens, tais como: análise estatística de dados, racionalização de energia, tomada de decisões para a implantação de um sistema de manutenção preventiva e preditiva, bem como monitoramento remoto do sistema. Em uma etapa subseqüente pretende-se implementar a capacidade de gerenciamento remoto do sistema através de uma interface HTML, cuja interface para programas de aplicação (API) já se encontra disponível no software empregado.

 Concentrador de dados O concentrador de dados, também denominado Concentrador de Instrumentação, é uma unidade microprocessada, desenvolvida a partir de um microcontrolador da Microchip e incorpora uma interface RS485. Um sistema operacional residente implementa todas as funções necessárias para a aquisição de dados provenientes das unidades de sensores e atender as requisições de dados do Sistema Supervisório. Para a comunicação com as unidades de sensores é empregado um transceptor monolítico da RF Monolitcs. A comunicação entre essas unidades é implementada através de canais half-duplex. A figura 2 apresenta o diagrama de um Concentrador de

 5 Sensores Algumas unidades de sensoriamento empregadas para o monitoramento dos parâmetros do sistema tiveram que ser desenvolvidas para a aplicação: Temperatura Ambiente Os termômetros foram desenvolvidos a partir do termômetro digital DS da Dallas Semicondutores que incorpora um transdutor de temperatura e fornece uma saída digital de 11 bits representando temperaturas de -55 a 125 ºC e resolução de 0.5 ºC. Umidade Relativa do Ar Os higrômetros foram desenvolvidos a partir do circuito integrado monolítico HIH36705-A da Honeywell International Inc.. Este CI fornece uma saída de tensão analógica proporcional à umidade relativa do ar. Sua principal característica é de fornecer tensão contínua no intervalo de 0,8 a 4,07 Vdc para a UR variando de 0 a 100%. Radiação Solar Os medidores de iluminamento solar foram desenvolvidos a partir do circuito integrado TSL235 da TAOS - Texas Advanced Optoelectronics Solutions, que fornece um sinal de freqüência proporcional à intensidade de radiação solar recebida pelo viveiro. Umidade de Substrato Os medidores de umidade de substrato são tensiômetros miniaturizados aos quais foi acrescentado um circuito integrado monolítico sensor de pressão da série SDX, fornecido pela Sensym. Este CI incorpora uma ponte resistiva que deve ser polarizada por uma tensão contínua e sua saída é uma tensão proporcional à pressão interna do reservatório do tensiômetro.

CLP

O Controlador Lógico Programável (CLP) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors , em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as

necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações, o que justifica hoje (junho/1998) um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais. Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário.

DIVISÃO HISTÓRICA Podemos didaticamente dividir os CLPs historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado: 1ª. Geração: Os CLPs de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando - se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP. 2ª. Geração: Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor” no CLP, o qual converte (no jargão técnico, Compila), as instruções do programa, verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. Os Terminais de Programação (ou Maletas, como eram conhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado. 3ª. Geração: Os CLPs passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks. 4ª. Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores (normalmente clones do IBM PC), os CLPs passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc. 5ª. Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLPs, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais

• Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.  VERIFICAR ESTADO DAS ENTRADAS O CLP lê o estado de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura (Scan) e normalmente é de alguns micros - segundos (scan time).  TRANSFERIR PARA A MEMÓRIA Após o Ciclo de Varredura, o CLP armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa do usuário.  COMPARAR COM O PROGRAMA DO USUÁRIO O CLP ao executar o programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das Entradas, atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa.  ATUALIZAR AS SAÍDAS O CLP escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia - se então, um novo ciclo de varredura. ESTRUTURA INTERNA DO CLP O CLP é um sistema microprocessado, ou seja, constituí-se de um microprocessador (ou microcontrolador), um Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.

DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS ITENS

FONTE DE ALIMENTAÇÃO:

A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas: -Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, (+ 5VCC para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador);

• Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo RAM;
• Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 VCC). UNIDADE DE PROCESSAMENTO: Também chamada de CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo - se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são:
• Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits (INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx);
• Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte;
• Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ;
• Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais. BATERIA: As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca ou Li. Nestes casos, incorporam se circuitos carregadores. MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR: O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerenciarem o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc. MEMÓRIA DO USUÁRIO: É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias), EEPROM e FLASH-EPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa. MEMÓRIA DE DADOS: É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns CLPs, utiliza - se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia. MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS / SAÍDAS: Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena os estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem