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Sistemas Supervisórios e CLP com SDCD
Tipologia: Esquemas
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CENTRO TECNOLÓGICO DE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”
Rua Santo Agostinho 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035- Tel.: (031) 482-5576 - FAX (031) 482- email: [email protected] - home page: www.senai-mg.org.br/cetel
O desenvolvimento do controle industrial tem sido fortemente influenciado pela tecnologia dos microprocessadores que tende a tornar o controle de processo totalmente distribuído. Mesmo antes da revolução da eletrônica, o controle automático de processos contínuos já era verdadeiramente distribuído.
A diferença fundamental é que estes não tinham um funcionamento integrado, muito pelo contrario, funcionavam de forma desorganizada através de um conjunto de malhas de controle independentes.
As primeiras aplicações do computador no controle de processos foram forçosamente centralizadas devido ao alto custo do mesmo.
A tendência atual é integrar todo o sistema, permitindo um controle hierarquizado através da introdução de níveis de controle.
O controle automático de processos basicamente desde seus primórdios atravessou algumas modalidades de como o operador iria atuar no processo. Passamos a fazer um resumo histórico dessas fases.
Antes da segunda Guerra Mundial o controle automático era verdadeiramente distribuído. Um fluxo poderia ser controlado tal como mostra na ilustração.
O controlador era fixado próximo à unidade que ele controlava, ao alcance do medidor de fluxo e da válvula de controle de fluxo. Um registrador permitia ao operador conhecer o comportamento do fluxo durante sua ausência, bem como estimar a eficiência do processo, pela comparação com outros dados também registrados em outros pontos da planta.
Embora razoavelmente sofisticados, os controladores de então não solucionavam três grandes dificuldades:
O operador estando em um ponto de controle não tinha informações do que estava ocorrendo no resto da planta industrial;
Alguns controles dependiam do inter-relacionamento de medidas diversas, em pontos diversos, para maior eficiência do processo;
o ajuste dos controladores exigia deslocamentos constantes dos operadores ate a área;
Assim sendo esse modo de controle foi ultrapassado, porem cabe salientar que ainda hoje existem malhas de controle de pequena influencia na produção de uma fabrica onde esse modo de controle é encontrado.
Com o desenvolvimento dos transmissores, foi possível levar os sinais da variável de processo ate uma sala de controle central onde os controladores/indicadores realizariam as devidas correções e os sinais retornariam ao campo para atuar os elementos finais de controle.
Quando do uso da instrumentação pneumática isso representa um fator negativo para o controle de processos, devido ao tempo de resposta que o sistema agora teria. Isso porque aumentava-se consideravelmente a distancia entre sensor-controlador e controlador-atuador.
Esse inconveniente limitava essas distancias em aproximadamente 50 metros, sem prejuízo significativo para a malha de controle.
Hoje em dia existe o que chamamos de painel semi-gráfico onde temos em sua parte inferior os instrumentos alinhados e em sua parte superior o painel sinóptico do mesmo. Convém ressaltar que o nível de animação do sinóptico é bem reduzida devido ao fator espaço.
Pode-se perceber que toda vez que desejamos concentrar informações estamos esbarrando no problema de espaço e confiabilidade de opera›ção.
Com a chegada dos instrumentos microprocessados o problema de espaço foi atenuado, visto que com a instrumentação convencional cada instrumento tinha uma função definida. Pôr exemplo numa malha de controle e totalização de vazão com transmissor de ∆p, teríamos no painel os instrumentos: extrator de raiz quadrada, controlador de vazão, estação auto- manual, totalizador de vazão.
Já a mesma malha de controle com instrumentos microprocessados ficaria reduzida a um único instrumento no painel: o controlador de vazão que incorpora os demais instrumentos.
E ainda mais, um único controlador com o poder de realizar o controle de diversas malhas (controladores multi-loop).
Porem agora temos informações concentradas demais, fazendo com que o operador tenha que ter atenção redobrada, pois um único instrumento controla varias malhas, ou seja antes o mesmo poderia se enganar no instrumento e agora pode se enganar no ajuste especifico do instrumento o que é muito mais fácil de ocorrer.
Veremos mais adiante que o que parece ser uma desvantagem nesse sistema será uma vantagem nos sistemas digitais.
Estes sistemas apresentam inumeras vantagens para o pessoal de operação e de engenharia de produção, mas pôr serem pouco mensu ráveis, na maioria dos casos torna-se difícil justificar investimentos em tais sistemas.
Suas importantes vantagens:
Coleta de dados do processo com precisão, periodicidade e confiabilidade apuradas.
Informação dos valores das variáveis de processo em unidades de engenharia.
Informação de valores de variáveis calculadas em função de outras.
Informação de calculo de performance de equipamentos e do processo.
Relatórios de produção e calculo de rendimento de produtos.
Supervisão de variáveis gerando alarmes quando detectadas condições anormais.
Envio de mensagens de alerta para o operador.
Armazenamento de dados históricos para verificação de tendências e realização de estatísticas.
Todas estas vantagens irão proporcionar aos operadores um acompanhamento mais apurado do processo tornando as ações de controle mais eficientes. Pôr outro lado, a engenharia de processo e de produção disporão de um maior volume de informações, permitindo conhecer melhor o processo e facilitando assim a sua modelagem e, como consequencia, seu melhor controle e otimização.
O operador obtém informações sobre o processo, dialogando com o computador através de terminais de vídeo, analisando relatórios de balanços, cálculos, registros, alarmes e eventos que são fornecidos pelos periféricos de impressão.
Baseando-se nestas informações, o operador ajusta os pontos de controle dos instrumentos convencionais de controle analógico aos quais cabe o efetivo controle das variáveis do processo.
O sucesso dos sistemas DAS geraram a confiança necessária para o uso dos minicomputadores em tarefas mais críticas como, por exemplo, o controle de algumas variáveis importantes do processo. Nos sistemas SPC o computador mantem as mesmas funções de um sistema DAS e além disso, utiliza o resultado de cálculo para atualizar os pontos de controle dos instrumentos analógicos convencionais que controlam efetivamente o processo.
Aplica-se o controle SPC em processos em batelada, no controle da sequência de operações de abertura e fechamento de válvulas e dos pontos de controle dos controladores convencionais, que variam de acordo com uma curva pré-determinada.
Este tipo de controle é também muito utilizado quando se quer otimizar a operação de um processo contínuo, como por exemplo, deter minar os pontos ótimos de controle para minimizar o consumo de energia ou maximizar a produção ou o rendimento de determinados produtos.
Os controladores convencionais, neste caso, devem assumir o controle da unidade quando ocorrer alguma falha no computador e, pa ra tanto, eles devem possuir as seguintes características:
Circuito de memória de set point para armazenamentos do último valor de set point recebido.
Contato para detecção de falha no computador.
Dispositivo de chaveamento de comando pelo computador para comando pelo controlador.
Opções de retomada do set point em caso de falha do computador considerando o seu retorno:
Os sistema SPC podem ser de malha aberta ou fechada, sendo no primeiro caso chamado de sistema de "Instrução ao operador". Em ambos os casos o computador calcula os set points ótimos utilizando modelos matemáticos e teóricos de otimização, sendo que no primeiro, ele apenas informa aos operadores o valor ótimo a ser ajustado e no segundo, manipula diretamente os set points dos controladores.
Num sistema DDC também são operacionais as funções dos sistemas DAS e, além disso, o computador atua diretamente sobre os elementos finais de controle, contornando os controladores analógicos convencionais. Neste caso, os algorítimos de controle estão armazenados na memória do computador o que permite uma extensa gama de funções de transferência além dos tradicionais P, I E D.
Originalmente, esperava-se que os sistemas DDC pudessem ser justificados pela substituição direta da instrumentação convencio nal. No entanto, posteriormente foi provado que apesar da elevada disponibilidade do computador, sempre haveria a possibilidade de falhas e os operadores relutavam em operar sem uma instrumentação analógica de back-up, já que um mau funcionamento do computador poderia causar a perda simultânea de todo o controle do processo.
Entretanto, ainda assim o DDC foi muito utilizado em combinação com o SPC, devido a sua grande flexibilidade e habilidade no uso de técnicas de controle impossíveis de se obter com instrumentos analógicos convencionais.
Como uma solução para os problemas de falha do computador em sistemas DDC, os fornecedores de instrumentos lançaram no mercado as estações de back-up computador- manual.
Num evento de falha do computador, ou caso ele seja posto fora de serviço por qualquer outro motivo, a estação memoriza o último valor de saída calculado, e o elemento final de controle permanece na sua última posição anterior a falha ou desconexão do computador. Caso o tempo em que o computador esteja fora seja prolongado, a estação pode ser chaveada para o modo de controle manual, onde o sinal de saída pode ser manipulado diretamente pelo operador.
As vantagens e limitações de um sistema DDC são as mesmas apresentadas anteriormente para os sistemas SPC.
As limitações acrescenta-se o alto custo das estações de back-up necessárias para prevenir a perda do controle de todo o processo no caso de falha do computador.
Questionado o uso dos sistemas DDC, face à concentração da total responsabilidade de operação num único equipamento, evoluiu- se para uma filosofia de distribuição das funções de controle, tornada possível com o advento dos microprocessadores de baixo custo, elevado potencial e alta confiabilidade.
Nas arquiteturas SDCD o controle não é concentrado em um dispositivo central, mas distribuído entre as estações remotas. A estação central não é um elemento essencial à continuidade da operação, mas apenas um dispositivo para facilitar e oferecer maiores recursos para a interface do operador com o processo.
Nesta arquitetura as informações são centralizadas embora possa existir salas de controle locais e uma central, o controle é funcionalmente distribuído e os controladores são geograficamente centralizados ou não, possuindo as facilidades e recursos da eletrônica moderna dos microprocessadores, redes locais e fibras óticas. -
O fato da tecnologia baseada em microprocessadores ter tornado-se economicamente aplicável no projeto de instrumentação para controle de processos industriais, abriu a porta para muitas idéias inovadoras e permitiu filosofias de controle que podiam manipular funções de controle significativamente complexas, com a mesma facilidade e tão bem como se fossem malhas simples.
Novos avanços na tecnologia de microprocessadores vem possibilitando o desenvolvimento de um grande número de equipamentos de aquisição de dados e controle de processos que podem ser distribuídos ao longo de uma via de dados em uma planta industrial.
Cada um desses equipamentos é dotado de inteligência e executa funções específicas. Esta recente disponibilidade encontrada no mercado com grande quantidade de micro computadores com excepcional capacidade computacional e preços relativamente baixos tem tornado possível a implantação de sistemas digitais de controle distribuído possuindo capacidade e facilidades similares encontradas em um grande, poderoso e caro sistema de controle por computador centralizado e seus periféricos.
Os sistemas de processamento distribuído são adequados para uso tanto no controle de processo com também em condições de aplicações comerciais. Devido a seu baixo custo e simplicidade os microprocessadores podem ser distribuídos geograficamente ou funcionalmente para executarem funções dedicadas, gerando-se desta forma os sistemas de controle distribuído. Então os sistemas de controle distribuídos são uma série de microcomputadores(controladores programáveis) dedicados e altamente modularizados interligados por uma rede de comunicação digital.
Um sistema digital de controle distribuído combina as vantagens do conceito de controle distribuído dos sistemas analógicos mais as vantagens do conceito de opera›Äao centralizada dos sistemas de computadores.
Assim sendo o computador fica livre para executar aplicações mais sofisticadas tais como modelagem matemática e otimização do processo.
Elevada flexibilidade de configuração e reconfiguração
Interface homem-máquina de alto nível
Menores custos de instalação
Maior facilidade de interligação com computadores digitais
Menores custos de desenvolvimento de Software
Relacionados abaixo alguns fatores em que um sistema SDCD permite maior conforto e segunrança no controle de processos:
Cabeamento Praticamente 1 par de cabos para cada informação, ligando o sensor no campo ao painel
Cabo do sensor ligado a uma ECL no campo e a paritr da ECL, barramento digital de dados até a sala de controle
Configuração Dedicada e fixa definidas pela construção do painel
Fácil mudança pela configuração do sistema (software)
Visão da planta Instrumentos montados em painéis de até 30m de comprimento identificados pelo TAG
Diferentes tipos de telas gráficas em diferentes níveis de detalhes
Registro cronólogico dos eventos
Não possui grande capacidade de registro cronológico
Registra todos os eventos de forma cronológica
Falhas nos equipamentos São detectados somente através de observação de anomalias da planta
Através de alarmes de sistema e auto diagnósticos, são detectados as falhas assim que ocorrem
Registro de variáveis Utiliza registradores comuns do tipo suporte papel gráfico e penas sem nenhuma flexibilidade sem grande consumo de papel e tinta
Utiliza registradores em suporte magnético com níveis de infor ma›Äoes elevadas podendo incluvise excluir, sobrepor variáveis a analisar
otimização de processo geral se nenhum dos computadores tem informação completa sobre o estado geral de todo o processo.
Desta forma, caso se deseje realizar uma otimização geral da planta é recomendável a existência de um computador central com acesso rápido a base de dados de toda a planta e geralmente com uma capacidade computacional maior do que os processadores distribuídos. Este computador é conhecido como hospedeiro e fica em um nível hierárquico superior aos processadores distribuídos horizontalmente.
Temos então, um sistema com arquitetura mista, isto é, processadores distribuídos horizontalmente e verticalmente. A maioria dos SDCD associados a outras atividades tais como supervisão, coordenação e controle de produção possuem arquitetura mista.
De uma forma geral, as funções exercidas por um SDCD podem ser estruturadas de maneira hierárquica, sendo definidos diversos níveis de atividades.
De modo a melhor caracterizar um SDCD, vamos agrupar os elementos que o compõem em quatro subsistemas de acordo com suas características funcionais, e mostrar como o atendimento aos níveis hierárquicos acima se coaduna com a caracterização proposta.
Está diretamente ligado ao processo. A sua principal finalidade é a realização das funções de controle, que são exercidas pelas Estações de Controle Local (ECL, níveis 0, l e 2).
Nele se concentra a maior parte das funções de Interface Homem-Máquina(Nível 3).
É onde são realizadas as funções de otimização e gerenciamento de informações (Níveis 3 e 4).
Para que seja possível a realização de um controle integrado, é necessário que exista uma infra-estrutura de comunicação entre os diversos subsistema. Então este subsistema será responsável pela integração dos diversos módulos autônomos do sistema.
Em vista do exposto até agora, mostraremos alguns modelos de configurações de sistemas digitais:
