sistema supervisorio, Notas de estudo de Automação

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SISTEMAS SUPERVISÓRIOS

NEURY BOARETTO

JOINVILLE – 2008 Revisão - 2017

Índice

• Capítulo
• 1.1. AS NOVAS FRONTEIRAS DA AUTOMAÇÃO............................................................
• 1.2. A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL.....................................................................................
• 1.2.1. CLP - Controlador Lógico Programável.........................................................................
• 1.2.2. Sensores e atuadores.......................................................................................................
• 1.3. ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS...............................................................
• 1.3.1 Rede de informação Corporativa.....................................................................................
• 1.3.2 Rede de controle Industrial..............................................................................................
• 1.3.3 Rede de campo.................................................................................................................
• 1.3.4 Exemplo de arquitetura para rede industrial....................................................................
• 1.4. SISTEMAS SCADA ........................................................................................................
• 1.5 CONCEITOS ERGONÔMICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE TELAS........................
• Capítulo
• 2.1. ELIPSE SCADA................................................................................................................
• 2.2. OPÇÕES DE MENU.........................................................................................................
• 2.3. BARRA DE FERRAMENTAS.........................................................................................
• 2.3.1. Barra de Ferramentas Aplicação.....................................................................................
• 2.3.2. Barra de Ferramentas Objetos.........................................................................................
• 2.3.3. Barra de Ferramentas Arranjar........................................................................................
• 2.4. ORGANIZER.....................................................................................................................
• Capítulo
• SIEMENS S7-200..................................................................................................................... 3.1. COMUNICAÇÃO EM REDE ENTRE PROGRAMA SUPERVISÓRIO E CLP
• Capítulo
• 4.1. PROJETOS........................................................................................................................
• 4.2 TUTORIAL PROJETO 6....................................................................................................
• 4.3 TUTORIAL PROJETO 4....................................................................................................
• Referências ...........................................................................................................

Nessa hierarquia, o sistema ERP possui funcionalidades para a integração entre todos os departamentos da empresa. O ERP, além de atuar no planejamento, controla e fornece suporte a processos operacionais, produtivos, administrativos e comerciais da empresa. De forma geral, de acordo com Martins (2002), os sistemas ERP fornecem suporte às atividades administrativas (finanças, recursos humanos, contabilidade e tributário); comerciais (pedidos, faturamento, logística e distribuição) e produtivas (projeto, manufatura, controle de estoques e custo). Utilizando-se essa arquitetura, é realizada a integração entre os dados coletados automaticamente do chão de fábrica com um sistema ERP.

1.2. A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

O termo automação descreve um conceito amplo, envolvendo um conjunto de técnicas de controle, das quais é criado um sistema ativo, capaz de fornecer a melhor resposta em função das informações que recebe do processo em que está atuando. Dependendo das informações, o sistema calculará a melhor ação corretiva a ser executada (WEG, 2002). Entende-se também por automação, qualquer sistema, apoiado em computador ou equipamento programável, que remova o trabalhador de tarefas repetitivas e que vise a soluções rápidas e econômicas para atingir os objetivos das indústrias. O controle, sob o ponto de vista tecnológico, tem um papel importantíssimo no desenvolvimento de ações planejadas, modelando processos desde os mais simples até os mais complexos. Na figura 1.2, verifica-se, através de um diagrama de blocos, um sistema de automação inteligente em que os blocos são realimentados, o controlador (CLP) verifica os estados do processo através dos sensores, toma a decisão que foi programada e interfere no processo através dos atuadores, além de receber e enviar informações para o sistema de supervisão e operação do processo. Segundo Mamed (2002), até o fim do século passado, a produção de bens utilizava exclusivamente a força muscular. Com o advento da Revolução Industrial, a força muscular cedeu lugar às máquinas. A esse processo foi denominado ‘produção mecanizada’ porque, nessa situação, o homem era ainda parte ativa, não como executor da tarefa produtiva, mas como controlador do processo.

Figura 1.2 - Diagrama de blocos de um sistema de automação

As máquinas, porém, foram gradativamente evoluindo, tornando-se cada vez mais independentes do controle do homem, assumindo tarefas e tomando decisões. Essa evolução se deu, inicialmente, por meio de dispositivos mecânicos, hidráulicos e pneumáticos, mas, com o advento da eletrônica, esses dispositivos foram, aos poucos, sendo substituídos, de tal maneira que, hoje, a microinformática assumiu o papel da ‘produção automatizada’. A partir daí, o homem, utilizando técnicas de inteligência artificial, materializadas pelos sistemas computadorizados, instrui um processador de informações que passa a desenvolver tarefas complexas e tomar decisões rápidas para controle do processo. Assim, a automação industrial passou a oferecer e gerenciar soluções desde o nível do chão de fábrica e volta o seu foco para o gerenciamento da informação. Desta forma, o grau de complexidade de um sistema de automação pode variar enormemente. Os sistemas mais simples ainda mantêm uma forte participação do homem no processo. Os sistemas mais sofisticados basicamente dispensam a interferência do homem, a não ser como gerenciador do processo. Segundo Silveira & Santos (1998), “todo o sistema dotado de retroação e controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal característica é a realimentação para que seja feito o controle”. Esses componentes básicos são: Sensor, atuador, controlador – CLP.

1.2.1. CLP - Controlador Lógico Programável

Para Mamed (2002), “os CLPs são dispositivos que permitem o comando de máquinas e equipamentos de maneira simples e flexível, possibilitando alterações rápidas no modo de operá-los, por meio da aplicação de programas dedicados, que ficam armazenados em sua memória”. Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Já, segundo a National Electrical Manufacturers Association (NEMA), CLP é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários sensores e atuadores. Esse equipamento foi batizado, nos Estados Unidos, como Programmable Logic Controller (PLC), em português Controlador Lógico Programável (CLP) e este termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de CLP’s). Segundo Mamed (2002), os Controladores Lógicos Programáveis podem ser empregados em diversos setores da indústria. Utilizados sozinhos ou acoplados a outras unidades, no caso de projetos que ocupam grandes extensões, eles operam sincronizadamente fazendo todo o controle do processo. Nesses casos, “a automação assume uma arquitetura descentralizada, dividindo-se a responsabilidade do processo por várias unidades de CLPs, localizadas em diferentes pontos estratégicos da instalação”. A figura 1.3 mostra através do diagrama de blocos, como o CLP atua no sistema: os sensores alimentam o CLP (processador), a cada instante, com os dados (variáveis de entrada) informando, através de níveis lógicos, as condições em que se encontram. Em função do programa armazenado em sua memória, o CLP atua no sistema por meio de suas saídas. As variáveis de saída executam, a cada instante, os acionamentos dos atuadores no sistema, (NATALE, 1995).

1.3. 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 sequencia 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 frequência 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 frequência 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 frequência 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 ethernet, por exemplo. Porém, como o tráfego na rede de controle é caracterizado por mensagens curtas e muito frequentes e é de natureza diversa do tráfego na rede de informação, em geral representada por arquivos maiores transmitidos com baixa frequência, tornando os requisitos de desempenho e segurança das duas redes diferentes, Seixas (2004), não recomenda esta fusão.

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 sensoreamento 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). Os CLPs apresentam como principal vantagem a facilidade de programação e controle de I/O. 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 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 - 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 um sistema de supervisão (estação de monitoração), 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:  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.  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:

CLP

ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO

REDE DE COMUNICAÇÃO

SENSORES E ATUADORES

Capítulo 2

2.1. ELIPSE SCADA

Uma maneira fácil de compreender o funcionamento do Elipse SCADA é partir das ferramentas disponíveis e sua apresentação em tela. A ilustração a seguir mostra a tela principal de edição do Elipse SCADA quando uma aplicação está aberta, no módulo Configurador, identificando seus elementos.

A Barra de Título mostra o caminho e o nome de sua aplicação, bem como o título da tela corrente que está sendo mostrada na área de trabalho. A área de trabalho é o espaço onde desenvolvemos a aplicação. A edição de telas e de relatórios é feita nessa área. A Barra de Telas mostra o título da tela corrente e permite que você alterne entre uma tela e outra. A Barra de Menus permite a escolha das diversas opções para a configuração da aplicação. Os botões da Barra de Ferramentas permitem que você execute determinadas tarefas rapidamente sem usar os menus. Assim, com apenas um clique, você pode criar objetos de tela ou chamar o Organizer, por exemplo. A Barra de Status mostra várias informações auxiliares quando editando uma aplicação, como por exemplo, indicadores da ativação do teclado numérico (NUM), letras maiúsculas (CTRL) e rolagem de tela (SCRL) e coordenadas do ponteiro do mouse. Ela também mostra uma pequena descrição de um determinado objeto, por exemplo, um Botão da Barra de Ferramentas ou um item de menu.

2.2. OPÇÕES DE MENU

É através das opções de menu que podemos acessar os recursos e funções do software.

2.3. BARRA DE FERRAMENTAS

2.3.1. Barra de Ferramentas Aplicação

Figura 7: Barra de Ferramentas Aplicação

2.3.3. Barra de Ferramentas Arranjar

A Barra de Ferramentas Arranjar possui comandos para edição de Telas agindo sobre os Objetos de Tela que estiverem selecionados; os mesmos comandos estão disponíveis no menu Arranjar. Para selecionar mais de um Objeto de Tela, utilize o botão esquerdo do mouse mantendo a tecla [Ctrl] pressionada; o último objeto selecionado ficará com o foco em vermelho para ser usado como referência. Para desselecionar um objeto use a combinação de teclas: [Ctrl]+[Shift]+BotãoEsq.

Figura 9: Barra de Ferramentas Arranjar

2.4. ORGANIZER

O desenvolvimento de uma aplicação no Elipse SCADA é baseado na ferramenta Organizer. Ele permite uma visão simples e organizada de toda a aplicação, ajudando na edição e configuração de todos os objetos envolvidos no sistema através de uma árvore hierárquica. A estrutura do Organizer pode ser comparada à árvore de diretórios do Gerenciador de Arquivos do Windows. Desta forma, a estrutura da aplicação começa no canto superior esquerdo com a raiz da aplicação. Todos os objetos da aplicação descem a partir da raiz agrupados de acordo com seu tipo: Tags, Telas, Alarmes, Receitas, Históricos, Relatórios, Drivers, Databases, que constituem os principais elementos de sua aplicação. Selecionando-se qualquer um dos ramos da árvore da aplicação, ele irá se expandir, mostrando seu conteúdo; desta forma, você pode facilmente navegar pela aplicação tendo disponíveis todas as opções de configuração desde a criação de Tags até o redimensionamento de objetos em uma tela específica. A estrutura básica do Organizer é apresentada a seguir:

Figura 11: Árvore de classes de objetos no Organizer

A partir do Organizer você pode criar toda a sua aplicação, simplesmente navegando através da árvore da aplicação. Selecionando-se qualquer um de seus ramos, as propriedades do objeto selecionado serão mostradas no lado direito da janela, onde poderão ser editadas. Por exemplo, se você selecionar Tags na árvore do Organizer você poderá criar novos Tags e editar suas propriedades selecionando a página desejada a partir das abas no topo da janela. Os botões na Barra de Ferramentas do Organizer permitem realizar determinadas tarefas rapidamente sem utilizar os menus. Existem 13 botões como pode ser verificado na tabela a seguir:

Capítulo 3

3.1. COMUNICAÇÃO EM REDE ENTRE PROGRAMA SUPERVISÓRIO E CLP

SIEMENS S7-

Arquivo: Freeport32.dll Fabricante: Siemens Equipamentos: Linha S7-200 (Porta Freeport)

Introdução

O driver Freeport permite a comunicação entre o Elipse SCADA e um ou mais CLPs da linha S7-200.

Configuração do CLP: Para o perfeito funcionamento do driver, é necessário a inclusão de algumas rotinas em Step (fornecidas pela Elipse), que determinam um protocolo de comunicação entre o CLP e o Elipse SCADA.

O seguinte arquivo acompanha o driver para a configuração do Step 7: Comunica v301.mwp, (9600 bps - porta0) Comunica v302.mwp, (9600 bps - porta1)

Utilizando o Software Step-7 Microwin deve-se abrir o projeto comunicav301.mwp com as seguintes observações:

a) Abrir no MicroWin o programa padrão comunicav301.mwp e com as configurações e parâmetros já existentes, ou seja, a partir deste programa padrão você introduzirá o seu programa de controle; b) O baudrate é definido internamente no programa como 9600 bps. c) Definir um caminho para o projeto – salvar com o nome no projeto; b) No MAIN, NÃO ALTERAR o que já está escrito. Escrever o seu programa a partir da NetWork 6. NÃO alterar as networks 1 a 6; c) NÃO ALTERAR o INT_0 e INT_1; d) Escrever o seu programa de controle; e) Compilar; f) Gravar no CLP; g) Fechar o MicroWin, isto é muito importante!!! h) Colocar o CLP em modo RUN usando a micro-chave. A chave "Stop/Run/Term" do PLC deve estar em "RUN" para comunicar Freeport.

OBS: Não utilize VW0 (VB0, VB1) e o Timer 37, pois eles são usados internamente, bem como a área de memória compreendida entre VW300 e VW600.

Após estas configurações no Step-7, basta configurar o Driver no Elipse SCADA.

Parametrização no Elipse SCADA

Parâmetros (p) de comunicação do Driver: P1 Não utilizado (manter em zero) P2 Não utilizado (manter em zero) P3 Não utilizado (manter em zero) P4 Não utilizado (manter em zero)

Parâmetros (n) de endereçamento para Tags tipo PLC: N1 - Tipo do dado (0=VW, 1=IW, 2=QW) N2 - Endereço Inicial N3 - Tipo da variável (0=word, 1=string, 2=double-word, 3= double-word-2*) N4 - Se string, tamanho do string em bytes (máx. 509 bytes)

• A diferença entre a double-word e a double-word-2 é a ordem dos bytes e das words no telegrama de leitura e escrita. Na double-word a ordem é a padrão: LL, LH, HL, HH. Enquanto que na double-word-2 a ordem é: HL, HH, LL, LH.

Parâmetros (b) de endereçamento para Tags tipo Bloco: B1 - Tipo do dado (0=VW, 1=IW, 2=QW) B2 - Endereço Inicial B3 - Tipo da variável (0=word, 2=double-word) B4 - Não Usado (0)

Exemplos:

1. VW30: N1=0, N2=
2. IW0: N1=1, N2=
3. QW0: N1=2, N2=

Passos a realizar no Elipse

a) Abrir no Elipse o seu projeto; b) No ambiente Organizer ir em Drivers; c) Clicar em Novo, e selecionar a pasta onde está o drive (arquivo Freeport.dll) conforme item 1.2.1. deverá ficar conforme abaixo: