Sistemas Supervisórios, Resumos de Automação

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APOSTILA DE

MONTAGEM:

PROFESSOR MARCELO S. COELHO

Parte 1: JULHO/

CONCEITOS BÁSICOS

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, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition).

Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos, através de painéis de lâmpadas e indicadores.

Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coleta de dados em ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva apresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces homem-máquina) e conteúdo multimídia.

Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação através de tags, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex: temperatura, nível, vazão etc), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário.

Os sistemas SCADA podem também verificar condições de alarmes, identificadas quando o valor da tag ultrapassa uma faixa ou condição pré- estabelecida, sendo possível programar a gravação de registros em Bancos de Dados, ativação de som, mensagem, mudança de cores, envio de mensagens por pager, e-mail, celular, etc.

A partir do momento em que a monitoração e o controle de um processo são feitos com a ajuda de um sistema supervisório, o processamento das variáveis de campo é mais rápido e eficiente. Qualquer evento imprevisto no processo é rapidamente detectado e mudanças nos set-points são imediatamente providenciadas pelo sistema supervisório, no sentido de normalizar a situação. Ao operador fica a incumbência de acompanhar o processo de controle da planta, como o mínimo de interferência, excetuando-se casos em que sejam necessárias tomadas de decisão de atribuição restrita ao operador.

HIERARQUIA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

O nível mais alto dentro de uma arquitetura é representado pela rede de informação. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade para interligação dos sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos), e EPS (Enterprise Production Systems). Este

Figura 2. Função das camadas de uma hierarquia de automação.

Os sistemas SCADA são os sistemas de supervisão de processos industriais que coletam dados do processo através de remotas industriais, principalmente Controladores Lógico Programáveis, formatam estes dados, e os apresenta ao operador em uma multiplicidade de formas. O objetivo principal dos sistemas SCADA é propiciar uma interface de alto nível do operador com o processo informando-o "em tempo real" de todos os eventos de importância da planta.

Figura 3. Exemplo de Sistema SCADA

Figura 4. Exemplo de Arquitetura de uma rede SCADA.

a) Funções de supervisão:

Inclui todos as funções de monitoramento do processo tais como: sinóticos animados, gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressos, etc.

b) Funções de operação:

Atualmente os sistemas SCADA substituíram com vantagens as funções da mesa de controle. As funções de operação incluem: ligar e desligar equipamentos e seqüência de equipamentos, operação de malhas PID, mudança de modo de operação de equipamentos, etc.

c) Funções de controle:

Controle DDC ("Digital Direct Control") Alguns sistemas de supervisão possuem uma linguagem que permite definir diretamente ações de controle, sem depender de um nível intermediário de controle representado por remotas inteligentes. Todas as operações de entrada e saída são executadas diretamente através de cartões de I/O ligados diretamente ao barramento do micro, ou por remotas mais simples. Os dados são amostrados, um algoritmo de controle como um controlador PID, por exemplo, é executado, e a saída é aplicada ao processo (ação direta sobre uma variável manipulada). Isto, entretanto só é possível quando a velocidade do processo assim o permite. Em alguns casos, requisitos de confiabilidade tornam desaconselhável este tipo de solução.

Estação de Gerência: É uma estação que permite a gerentes, supervisores ou quaisquer outras pessoas terem acesso aos dados de processo em forma de relatórios, gráficos e telas, sendo que reconhecimentos de alarme ou alteração de parâmetros do processo, entre outras tarefas de operação, não poderão ser realizadas nesta estação.

COMPONENTES LÓGICOS DE UM SISTEMA SCADA

Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos ou módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução desejada.

Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em:

• Núcleo de processamento;
• Comunicação com PLCs/RTUs (DRIVER RUNTIME);
• Gerenciamento de Alarmes (ALARM);
• Banco de Dados (TAG’S DATABASE);
• Históricos (TREND);
• Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle (MATH);
• Interface gráfica (VIEWER);
• Relatórios (REPORTS);
• Comunicação com outras estações SCADA (TCP/IP, DDE, ODBC);
• Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos;
• Outros.

Figura 7.

A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos de comunicação com os equipamentos de campo,cujas informações são enviadas para o núcleo principal do software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações para os demais módulos, até chegarem à forma esperada para o operador do sistema, na interface gráfica ou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações, relatórios, etc, de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado, permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou reagir automaticamente.

As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas SCADA têm evoluído bastante nos últimos anos, de forma a permitir que, cada vez mais, aumente sua confiabilidade, flexibilidade e conectividade, além de incluir novas ferramentas que permitem diminuir cada vez mais o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades de cada instalação.

APRESENTAÇÃO GRÁFICA

Fornecem uma representação gráfica geral da planta em substituição aos painéis sinóticos tradicionais. Cada sinótico representa uma área do processo em um certo nível de detalhe. Para se obter uma visão mais detalhada de uma determinada área pode- se recorrer a um novo sinótico, a um sinótico de hierarquia inferior (sub-sinótico), ou a uma visão de uma outra camada do mesmo sinótico (sistema "multi layer").

operador se dá geralmente de duas formas: Uma janela de alarmes exibe os alarmes mais recentes. O operador pode solicitar a exibição de uma página de alarmes contendo uma certa quantidade de alarmes recentes e depois paginar para frente e para trás até encontrar o evento de interesse.

Figura 9. Exemplo de tela d e configuração de alarmes.

Figura 10. Exemplo de tela sumário de alarmes.

Quando um alarme ocorre o operador é avisado através de uma buzina, música ou por um speech maker. O operador deve declarar que está ciente do problema, reconhecendo o alarme mais recente ou todos os alarmes simultaneamente. O alarme mais recente é então substituído na tela por outro alarme que ainda não tenha tido a oportunidade de se manifestar.

REGISTRADOR DE TENDÊNCIA

Desenha um gráfico de tendência de uma dada variável, geralmente analógica, em função do tempo. Um gráfico de tendência pode ter, normalmente, de 1 a 8 penas. O usuário deverá definir duas coisas:

• Quais variáveis devem ser amostradas pelo sistema sincronamente com um relógio e com qual freqüência;

• Para cada gráfico, quais das variáveis registradas devem ser exibidas simultaneamente em uma mesma tela.

Figura 11. Exemplo de um gráfico de tendência

Os períodos de amostragem que variam tipicamente de 100 ms a 1 hora devem ser escolhidos de acordo com a velocidade real do processo. É normal escolher um período para cada tipo de variável (temperatura, nível, pressão, etc). Os dados são geralmente armazenados em um buffer circular. O período total de armazenagem de dados irá depender do período de amostragem e do tamanho do buffer.

As operações possíveis neste tipo de gráfico são:

a) Movimentação de cursor: Um cursor gráfico vertical (dial) é passeado pela figura fornecendo a leitura dos pontos onde o cursor intercepta as curvas. Serve para examinar os valores críticos da variável e o momento em que um evento ocorre.

b) Paginação: Realiza paginação horizontal do gráfico para visualização dos pontos passados.

c) Zoom horizontal e vertical: Realiza ampliação da parte do gráfico selecionada por uma janela de edição. A redução de escala pode ser feita para se retornar a escala original, ou para uma atingir uma escala reduzida, gerada pela compressão dos dados armazenados.

que farão parte do relatório e o seu período (ou instante) de amostragem. A armazenagem de um dado pode estar vinculada a um evento e não apenas a um horário. Isto é muito comum em sistemas de batelada. Depois deverá der definido o formato do relatório e o instante de sua impressão (final do turno, dia, etc).

Figura 12. Exemplo de tela de configuração de relatórios.

CONSTRUTOR DE ESTRATÉGIAS DE CONTROLE

Alguns sistemas supervisórios possuem uma linguagem procedimental ou gráfica (blocos lógicos) para descrever procedimentos de controle a serem realizados em nível de supervisão.

Basicamente as funções de um construtor de estratégias podem ser agrupadas nas seguintes bibliotecas:

a) Biblioteca de entrada e saída: Realiza leitura e escrita de variáveis na RTU, solicita dados ao operador.

b) Biblioteca de funções matemáticas: funções convencionais + Max, Min, Média, Alarm, etc.

c) Biblioteca de funções lógicas: And, Or, Xor, Not, Pulso, etc.

d) Biblioteca de funções de controle: PID, PI, etc.

e) Biblioteca de funções de tratamento de sinais: Lead_Lag, Atraso, Interpolação linear em tabela, Filtro, Função Log após ganho e offset, Função Exp após ganho e offset, Aplicação de ruído, Totalização (integração), Derivação.

Em sistemas supervisórios mais recentes, o construtor de estratégias tem sido totalmente substituído por um módulo que programa as funções típicas de um CLP utilizando as linguagens do padrão IEC 61131-3.

LOG DE EVENTOS

Registra no arquivo de diário de bordo todos os eventos relevantes de operação, com data, hora, descrição do evento e operador “logado” na hora do evento. Os eventos de interesse geralmente são:

• Eventos de configuração da base de dados;
• Eventos de operação críticos tais como: ação sobre malhas de controle, partida e parada da planta ou de equipamentos críticos, etc.

Este registro está vinculado à existência de um sistema de senhas para identificar cada operador que assuma a operação. O operador que deixa a operação deverá realizar o logoff da estação enquanto o novo realiza o login, identificando-se.

RECEITAS

Uma Receita é um conjunto de valores pré-definidos que podem ser carregados para um grupo de tags a fim de configurar um processo específico. Esta lista de tags também se chama modelo de receita.

Por exemplo, seja uma máquina que fabrica diferentes tipos de parafusos. As variáveis envolvidas no processo são sempre as mesmas, mas seus valores provavelmente irão mudar dependendo do tipo de parafuso que se quer produzir. Supondo que você tem diferentes configurações de máquina para cada tipo de parafuso, estes valores poderiam ser gravados em uma receita e serem posteriormente carregados em tags de controle, facilitando a tarefa do operador e evitando erros.

Dessa maneira, podemos criar um modelo de receita “Parafuso” com diversas receitas “Fenda Philips”, “Fenda Torx”, “Fenda Simples” e assim por diante. Para que sejam recuperados quando necessário, os modelos e os dados de uma receita são armazenados em disco, em um “arquivo de receitas”.

LINGUAGEM PARA DEFINIÇÃO DE APLICAÇÃO DO USUÁRIO

Permite ao usuário criar seus próprios programas associados à ocorrência de algum tipo de evento. Os eventos podem ter diversas naturezas. Alguns supervisórios contemplam apenas parte destes eventos. Hoje a compreensão da natureza dos eventos possíveis de ocorrer tem trazido alto grau de generalidade às ferramentas. Alguns eventos possíveis são: Variação de um dado de processo, atendimento de uma condição de processo, acionamento de uma tecla especial, clique do mouse sobre um objeto ativo (pushbutton), lançamento de uma aplicação, abertura de uma janela, dentre outros.

Seja, por exemplo, o evento gerado pelo acionamento de uma tecla especial do teclado. O programa pode ser programado para ser ativado: ao se apertar a tecla; enquanto a tecla permanecer apertada; ao se aliviar a tecla.

l) Filtro: Somente quando o valor da variável variar mais que o limite especificado (filtro) é que o valor em tela será atualizado.

m) Endereço: Corresponde ao endereço da variável no CLP.

Os valores limites definem 5 faixas de operação para a variável. Quando a variável cruza uma destas fronteiras um alarme é dado para o operador. Em geral os valores da variável na tela dependem das cores atribuídas a cada faixa. Estas cores em geral são as mesmas para todas as variáveis.

Figura 13. Faixas de uma variável analógica

Variável Discreta : Também chamada de variável digital. Corresponde a 1 bit de informação que pode assumir os valores 0 ou 1.

Principais atributos:

a) Tag: nome da variável

b) Texto: Descrição sucinta da variável

c) Descrição do estado: texto a ser atribuído aos estados 0 e 1 da variável. Pode corresponder a 2 strings ou a um índice para uma tabela que contém os textos a serem associados a cada tipo de variável, por exemplo: Aberto/Fechado para válvulas, Ligado/Desligado para motores etc,

d) Endereço: endereço da variável na memória do CLP

e) Tipo: Diz se a variável desempenha alguma função importante como, por exemplo: bit de Funcionando, Pronto para Partir ou Defeito de algum equipamento.

f) Valor: valor corrente do ponto

g) Alarme: Determina a classificação do alarme associado ao ponto: Crítico, Urgente, Alarme, Evento, Sem alarme. O sistema também define que tipo de ação será realizada para cada classe de alarme.

O valor normal para uma variável discreta é sempre convencionado para todas as variáveis em conjunto para maior facilidade de interpretação por parte do operador e pessoal da manutenção.

Em alguns sistemas é possível definir agregados de variáveis discretas (bit strings), definir cores e textos para cada estado (2n), etc.

VARIÁVEIS COMPOSTAS

Enquanto alguns sistemas possuem apenas um pequeno número de primitivas, outros possuem tipos mais complexos formados pelo agregado de várias primitivas fundamentais.

De uma forma ou de outra cada sistema sempre possui uma forma de representar todas as entidades que correspondem às entidades controladas no processo ou aos instrumentos da mesa de comando convencional:

TOTALIZADOR

Totaliza uma variável analógica diretamente ou reproduz um valor totalizado pelo CLP. O input da totalização tanto pode ser um valor analógico (fluxo ou vazão) ou pulsos associados a uma variável discreta (totalizador de pulsos). Neste último caso, a cada pulso, um incremento pré determinado é aplicado ao valor totalizado.

O operador pode a qualquer tempo zerar o valor totalizado. Assim é conveniente definir três atributos básicos:

Ø Valor totalizado sem reset: não pode ser zerado pelo operador.

Ø Valor totalizado com reset: pode ser zerado pelo operador ao final de um turno, dia, mês, etc

Ø Data de reset: armazena a data e hora da última ação de reset.

CONTROLADOR PID

Descrevem um controlador PID independente de sua encarnação física. Um sistema supervisório moderno é capaz de comandar dezenas de malhas de controle que na verdade são implementadas no nível inferior de controle representado pelos CLP, Single loops e Multi loops.

Os parâmetros de configuração definidos são enviados para a memória do controlador. O operador pode então realizar a sintonia da malha durante o start-up do sistema, guiado por uma tela de tendência que plota os valores de variável medida, set-point e variável manipulada em função do tempo (tuning) ou usando uma ferramenta qualquer de sintonia.

j) Limite máximo e mínimo da variável de saída k) Polarização (bias)

EQUIPAMENTO

Corresponde a um equipamento de processo qualquer: motor, classificador espiral, transportador de correia, reator, etc.

Seus principais atributos são:

a) Tag: Identificação do equipamento

b) Texto: Descrição do equipamento

c) Bits de status: Cada equipamento possui uma série de bits típicos de entrada para o supervisório, que em suma são função da filosofia de programação de funcionamento destes equipamentos em nível do CLP, por exemplo:

• FUN - bit que avisa ao supervisório que o equipamento está funcionando
• PPP - bit que sinaliza que o equipamento está pronto para partir (pronto para operar)
• DEF - Bit que diz que o equipamento está com defeito (or lógico de todos os bits de defeito do equipamento)

Além destes bits hoje é normal enviar para o supervisório todos os bits de defeito que discriminam qual o problema ocorrido. Estes bits são utilizados para alarme, diagnóstico, e para guias de operação no caso dos sistemas inteligentes.

• MODO: um, dois ou três bits que discriminam o modo de operação do equipamento:
• LOCAL/REMOTO: diz se o comando está sendo dado pela central de controle ou pelo painel de comando local do equipamento.
• OPERAÇÃO/MANUTENÇÃO: diz se o equipamento está sendo comandado pela seqüência a qual pertence ou isoladamente para manutenção, ETC

d) Bits de comando: São bits de saída do supervisório para o equipamento permitindo realizar ações de comando:

• LIGA: comando de liga para o equipamento.
• DESLIGA: comando de desliga
• MODO: definição de um novo modo para o equipamento.

e) Horímetro: Fornece o total de horas de operação do equipamento

SEQÜÊNCIA OU GRUPO

É um conjunto de equipamentos intertravados que pode ser tratado do ponto de vista lógico como uma única entidade. Cada seqüência é composta tipicamente por 8 ou mais equipamentos. Por exemplo: o conjunto de motores e outros subsistemas que compõem um moinho de bolas pode ser tratado de forma unificada pelo sistema, já que todos os equipamentos que o compõem partem e operam em conjunto de forma intertravada. Um equipamento pode pertencer a diversas seqüências diferentes. Por exemplo, um transportador de correia do pátio de um porto pode estar conectado a diversas rotas de transferência de minério de acordo com o tipo de minério sendo carregado, píer de embarque, etc.

Atributos típicos:

a) Tag: Identificação da seqüência

b) Texto: Descrição da seqüência

c) Equipamentos:Relação dos equipamentos que compõem a seqüência.

d) Bits de status: semelhantes aos bits de status de um equipamento: Funcionando, Pronto para Partir, Defeito.

e) Modos de Operação: Basicamente a seqüência pode operar em Remoto, onde todos os equipamento estão intertravados e são operados pelo supervisório, ou em Local onde cada equipamento é operado independentemente. A partida se inicia pelo equipamento cabeça da seqüência,

f) Bits de comando: Servem para ligar desligar ou mudar o modo de operação de todos os equipamentos de uma seqüência.

CÁLCULO

Nem todas as variáveis de interesse podem ser amostradas diretamente do processo. Às vezes estamos interessados no comportamento de uma variável que não é medida, mas que pode ser inferida a partir de diversas outras variáveis. Por exemplo, calcular a potência ativa a partir dos valores de tensão, corrente e fator de potência.

Cálculos como estes em geral são definidos a partir de uma linguagem procedimental que deve conter no mínimo:

• Funções de acesso a valores de variáveis do processo.
• Funções aritméticas fundamentais: soma, subtração, multiplicação, divisão, mod.
• Funções booleanas: and, or, xor e not.
• Funções transcendentais: trigonométricas, exponenciais, logarítmicas, radiciação, etc.