AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Alessandro J. de Souza
Luiz Carlo de Oliveira
DCA-UFRN
[email protected]
LECA-DCA-UFRN
Resumo: Este artigo tem o objetivo de fazer um estudo
sobre automação industrial seus processos, arquiteturas
usadas e evoluções alcançadas ao longo dos anos. Bem
como mostrar como a Internet esta influenciando os
processos de automação.
Palavras Chaves: Automação Industrial, CLP, SDCD,
SCADA, Novas Tendências.
Abstract: This article has the objective of doing a study
about industrial automation its processes, used
architectures and evolutions reached along the years. As
well as to show as the Internet this influencing the
automation processes.
Keywords: Industrial automation, CLP, SDCD, SCADA,
New Tendencies.
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INTRODUÇÃO
A história da automação industrial começa com a criação
das linhas de montagens automobilisticas com Henry
Ford, na decada de 20.
Daí para cá o avanço
tecnológico nas mais diversas áreas da automação
Industrial tem sido cada vez maior, proporcionando um
aumento na qualidade e quantidade de produção e
reduzindo custos.
O avanço de automação está ligado, em grande parte,
ao avanço da microeletronica que se deu nos ultimo
anos.
Os CLPs (Controlador Lágico Programável)
sugiram na dácada de 60 e substituirão os paineis de
cabina de controle com relés. Diminuindo, assim, o alto
consumo de energia, a dificil manutenção e modificação
de comandos e as onerosas alterações na fiação.
Nos anos 90 programas de computador foram criados
com a tentativa de obter maior produtividade, qualidade
e competitividade.
Dentro desta visão de integração
entre o chão de fabrica e o ambiente corporativo,
decisões dentro do sistema organizacional de produção
passa a ser tomada dentro do mais alto grau do conceito
de qualidade, baseado em dados concretos e atuais que
se originam nas mais diferentes unidades de controle.
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LECA-DCA-UFRN
Os fabricantes de CLPs também compreenderam a
inequação básica: software mai hardware e passaram a
produzir sistemas SCADA
e outros pacotes mais
especializados. Passaram a concorrer para a solução
completa: SCADA mais CLP. Na área de instrumentação
a revolução se deu mais dolorosamente. Era necessário
dotar os instrumentos de mais inteligência e fazê-los se
comunicar em rede. O velho padrão 4-20 mA para a
transmissão de sinais analógicos tinha que ceder lugar à
transmissão digital. A principio foi desenvolvido um
protocolo que aproveitava a própria cablagem já
existente, fazendo transitar sinais digitais sobre sinais
analógicos 4-20 mA.
Este protocolo (HART) não foi mais que um paliativo,
embora permaneça até hoje em sua interinidade. De
certa forma, representa também uma reação ao avanço
das novas tecnologias. Depois surgiram uma profusão
de padrões e protocolos que pretendiam ser o único e
melhor barramento de campo.
Atualmente,
encontramos
CLPs
utilizados
na
implementação
de
painéis
seqüenciais
de
intertravamento, controle de malhas, sistemas de
controle estatístico de processo, sistema de controle de
estações, sistemas de controle de células de manufatura
entre outros. Os CLPs são encontrados em processos
de: empacotamento, engarrafamento, enlatamento,
transporte e manuseio de materiais, usinagem, geração
de energia; em sistemas de controle predial de ar
condicionado, sistemas de segurança, montagem
automatizada, linhas de pintura e sistemas de tratamento
de água, existentes em indústrias de alimentos, bebidas,
automotiva, química, têxtil, plásticos, papel e celulose,
farmacêutica, siderúrgica e metalúrgica.
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AQUITETURA
Uma solução de automação tem por objetivos básicos o
desempenho, a modularidade e a expansibilidade. Para
que estes sejam alcançados, temos que conceber
prioritariamente um desenho da arquitetura do sistema e,
desta forma, organizar seus elementos: remotas de
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aquisição de dados, CLP’s, instrumentos e sistemas de
supervisão, dentre outros.
As arquiteturas mais
utilizadas são as que definem duas hierarquias de redes:
as de informação, e as de controle.
A arquitetura de duas camadas permite que as redes de
controle façam a comunicação das estações clientes
com os servidores e as de informação, dos servidores
com os CLP’s.
A primeira é 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 backbone pode
ser representado pela rede ATM ou GigaEthernet ou
mesmo por uma Ethernet 100-BaseT, utilizando como
meio de transmissão cabo par trançado nível 5. Esta
última rede vem assegurando uma conquista de espaço
crescente no segmento industrial, devido à sua
simplicidade e baixo custo.
Atualmente, ainda se utiliza a arquitetura de rede única,
que consiste em uma modalidade onde ocorre o
compartilhamento das redes de comunicação e controle.
Mas, do ponto de vista de segurança, é interessante
separar os tráfegos de controle e de informação, como
se verifica na arquitetura de duas camadas.
Já a arquitetura SDCDs, caracteriza-se por um elevado
nível de redundância: redundância de servidores,
redundância de rede de comunicação de dados, de
cartões de entrada e saída, etc. Além disso, possui
sofisticados algoritmos de diagnóstico, que permitem
localizar o cartão defeituoso a partir da console de
operação.
O sistema híbrido é atualmente o mais usado, pois alia a
versatilidade e performance de um SDCD com o baixo
custo de uma solução SCADA mais CLP. São exemplos
desta classe de sistema o INDUSTRIALIT (OPERATEIT/
CONTROLIT) da ABB, o Plant Web da Emerson e o
PSC7 da Siemens.
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As redes de controle interligam os sistemas industriais
ou sistemas SCADA aos sistemas representados por
CLP’s e remotos de aquisição de dados. Eventualmente,
sistemas como PIMS e MES, podem estar ligados a este
barramento. O padrão da arquitetura de Ethernet 10Base T vem sendo substituído, no decorrer dos últimos
dois anos, pela nova tecnologia Ethernet 100-BaseT, que
tem sua velocidade de acesso aumentada. Fato este que
garante a adesão das grandes empresas de automação
a esse novo padrão, implementando-o em seus
equipamentos.
SISTEMAS SUPERVISÓRIOS
Supervisory Control And Data Aquisition (SCADA), são
sistemas de supervisão de processos industriais. Os
primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétrico,
permitiam informar periodicamente o estado corrente do
processo industrial; monitorando apenas sinais
representativos de medidas e estados de dispositivos
através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem
que houvesse qualquer interface aplicacional com o
operador.
Com a evolução da tecnologia, os computadores
passaram a ter um papel importante na supervisão dos
sistemas por coletar, entre outras coisas, dados do
processo, principalmente dos controladores lógicos
programáveis(CPLs). Estes dados já podem ser
observados de maneira remota e amigável pelo
operador; têm sua monitoração e controle facilitado;
disponibiliza, em tempo útil, o estado atual do sistema
através de um conjunto de previsões, gráficos e
relatórios; permitindo assim, a tomada de decisão
operacional, seja ela automática ou por iniciativa do
operador.
Estes sistemas revelam-se de crucial importância na
estrutura de gestão das empresas, fato pelo qual
deixaram de ser vistos como meras ferramentas
operacionais, ou de engenharia, e passaram a ser vistos
como uma importante fonte de informação. Hoje os
sistemas de supervisão oferecem três funções básicas:
supervisão, operação e controle.
Na supervisão, inclui-se todas as funções de
monitoramento do processo, sejam elas sinóticas,
gráficos de tendências de variáveis analógicas e digitais,
relatórios em vídeo e impressora dentre outras.
A operação nos atuais sistemas SCADA tem a grande
vantagem de substituir as funções da mesa de controle,
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otimizando os processo de liga e desliga de
equipamentos e seqüência de equipamentos, operação
de malha PID, mudança de modo de operação de
equipamentos.
A função de controle DDC (Digital Direct Control), é um
sistema de supervisão que possui uma linguagem tal,
que permite definir diretamente ações de controle sem
depender de um nível intermediário representados por
remotas inteligentes, já nas operações de entrada e
saída, são usadas remotas mais simples ou são
executadas através de cartões de I/O ligados
diretamente no barramento do micro.
Já o controle supervisório, é uma classe de sistemas
onde os algoritmos são executados pela unidade
terminal remota, e os set-point são controlados
dinamicamente pelo sistema de supervisão de acordo
com o comportamento global do processo.
Essa
arquitetura traz vantagem sobre os DDC’s devido a sua
maior confiabilidade. Outro ponto levado em conta é o
fato dos supervisórios atuarem em diversas malhas
simultaneamente enquanto o operador só consegue
atuar geralmente malha a malha com um sistema
convencional.
Para um melhor entendimento do controle supervisório,
segue-se suas principais funcionalidades atualmente:
aquisição
de
dados;
visualização
de
dados;
processamento de alarmes; tolerância a falhas.
A aquisição de dados é o processo que envolve a coleta
e transmissão de dados desde as instalações das
indústrias, eventualmente remotas, até às estações
centrais de monitorização. O processo inicia-se nas
instalações das indústrias, onde as estações remotas
lêem os valores dos dispositivos a eles conectados.
Após a leitura desses valores, segue-se a fase de
transmissão de dados em que, quer em modo de
comunicação por polling, ou em modo de comunicação
por interrupção (Report by Exception), os dados são
transmitidos através da rede de comunicações até à
estação central. Por fim, o processo de aquisição de
dados é concluído com o respectivo armazenamento em
bases de dados.
A visualização de dados consiste na apresentação de
informações através de interfaces homem-máquina,
geralmente acompanhados por animações, de modo a
simular a evolução do estado dos dispositivos
controlados na instalação das indústrias. Os sistemas
SCADA permitem visualizar os dados recolhidos, além
de previsões e tendências do processo produtivo com
base em valores recolhidos e valores parametrizados
pelo operador, bem como gráficos e relatórios relativos a
dados atuais e existentes em histórico.
Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em
função da sua gravidade, sendo reservada a maior
prioridade para os alarmes relacionados com questões
de segurança. Em situações de falha do servidor ou da
rede de comunicações, é possível efetuar o
armazenamento das mensagens de alarme em buffer, o
que, aliado à capacidade de transmissão de mensagens
de alarme para vários servidores, permite atingir um
maior grau de tolerância à falhas. Através da informação
proveniente do login, os sistemas SCADA identificam e
localizam os operadores, de modo a filtrar e encaminhar
os alarmes em função das suas áreas de competência e
responsabilidade. Os sistemas SCADA guardam em
arquivos os log’s(informação) relativa a todos os alarmes
gerados, de modo a permitir que posteriormente se
proceda a uma análise mais detalhada das
circunstâncias que estiveram na sua origem.
Para atingir níveis aceitáveis de tolerância à falhas é
usual a existência de informação redundante na rede e
de máquinas backup situadas dentro e fora das
instalações das indústrias. Desta forma, permitir que
sempre que se verifique uma falha num computador, o
controle das operações seja transferido automaticamente
para outro computador que possui todos os seus dados
espelhados do computador que estava funcionando até
então, para que não se tenha interrupções significativa.
Faz parte dos componentes dos sistemas SCADA: os
sensores e atuadores, as estações remotas, as rede de
comunicações e as estações de monitorização central.
Os sensores e atuadores são dispositivos conectados
aos equipamentos controlados e monitorizados pelos
sistemas SCADA, eles convertem parâmetros físicos,
tais como velocidade, níveis de água e temperatura, para
sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota.
Já os atuadores são usados para atuar sobre o sistema,
ligando e desligando determinados equipamentos.
O processo de controlo e aquisição de dados inicia-se
nas estações remotas, CLP’s e RTU’s (Remote Terminal
Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos
que lhes estão associado e o respectivo controle. São
através destes que as estações centrais de
monitorização comunicam-se com os dispositivos
existentes nas instalações das empresas.
A rede de comunicações é a plataforma através da qual
a informação de um sistema SCADA é transferida, como
veremos mais adiante.
As estações de monitorização central são as unidades
principais dos sistemas SCADA, sendo 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 sistema
SCADA.
Com tecnologias relacionadas a Ethernet, HTTP e
HTML, é atualmente possível o acesso e partilha de
dados entre a área de produção e a área de supervisão
e controle de várias instalações das empresas. Desta
forma, com o uso de um Web browser, é possível
controlar em tempo real uma máquina localizada em
qualquer parte do mundo, bastando introduzir o seu URL
no browser sem que haja necessidade de se deslocar.
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REDES DE COMUNICAÇÃO
Além das redes de informação e de controle já
mencionadas nesse artigo, podemos verificar, ainda, a
existência das redes de campo que são peças
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fundamentais para a comunicação em qualquer processo
de automação industrial.
As redes de campo atendem pelo nome genérico de
fieldbus ou barramento de campo. Na verdade, devemos
dividir estes tipos de rede em 3 tipos diferentes:
Redes de sensores ou Sensorbus - são redes
apropriadas para interligar sensores e atuadores
discretos tais como chaves limites (limit switches),
contactores, desviadores, etc. São exemplos de rede
Sensorbus: ASI da Siemens, Seriplex, CAN e LonWorks.
Redes de Dispositivos ou Devicebus - são redes
capazes de interligar dispositivos mais genéricos como
CLPs, outras remotas de aquisição de dados e controle,
conversores AC/DC, relés de medição inteligentes, etc.
Exemplos: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, SDS,
LonWorks, CAN, ControlNet, ModbusPlus.
Redes de instrumentação ou fieldbus - São redes
concebidas para integrar instrumentos analógicos no
ambiente industrial, como transmissores de vazão,
pressão, temperatura, válvulas de controle, etc.
Exemplos: IECSP50-H1, HART, WorldFIP, Profibus-PA.
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NOVAS TENDÊNCIAS
Já faz algum tempo que a Internet faz parte do dia a dia
da indústria. Hoje, não mais como uma simples fonte de
pesquisa ou simplesmente uma ferramenta acadêmica, a
Internet tornou-se um instrumento de trabalho.
Sua utilização vai desde a simples correspondência
entre os usuários através do e-mail, até sofisticados sites
de comércio eletrônico, em que praticamente já se pode
comprar de tudo. Cada vez mais a Internet simplifica a
forma como nós agimos e como nos comunicamos,
trazendo também velocidade na troca de informações
que há algum tempo seria impossível imaginar.
Com a padronização do protocolo TCP/IP na Internet,
seu uso estendeu-se e passou a ser utilizado dentro da
rede interna das empresas - a Intranet - e recentemente
na Automação Industrial.
Este é um fato importante que está permitindo uma
interligação entre diversas áreas da empresa, e o que é
melhor, através de uma interface simples e já conhecida
pela maioria das pessoas: o browser.
O impacto da Internet se dará em todas as etapas do
processo de automação tais como: Compra de insumos
e matérias primas (e-procurement); venda e distribuição
de produtos e integração da cadeia de suprimentos.
Todos os processos internos de manufatura serão
acompanhados internamente pela Intranet. Ao invés de
relatórios extensos em papel, temos informações on-line.
Apenas a informação necessária, personalizada para
cada nível, para cada responsável por tomadas de
decisão. Esta função já está sendo propiciada pelos
sistemas MES atualmente em implantação.
Tudo isto irá requerer um trabalho imenso das empresas
de engenharia para alinhar os processos de seus
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clientes e torná-los Internet-Ready. Caso contrário, ao se
colocar uma empresa na internet sem que esteja
preparada estaremos apenas expondo suas fragilidades.
Devesse ter em mente que não se pode acompanhar on
line, a qualidade de um processo sem qualidade, e nem
acompanhar a cadeia de custos de um produto em um
processo, onde não existem métricas estabelecidas.
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CONCLUSÃO
Diante do exposto no artigo, podemos concluir que a
automação industrial vem evoluindo ao longo dos anos
possibilitando um aumento de qualidade no processo
produtivo.
O uso da microinformática e de computadores tem uma
grande parcela de contribuição nesta evolução,
diminuindo em grande parte os custos, complexidades e
riscos nas tarefas de um processo de produção.
Não poderíamos deixar de ressaltar a importância das
redes de comunicação, as quais integram os processos
produtivos desde o chão de fábrica até o mais alto nível
de gerência da informação.
Para finalizar podemos dizer que a Internet já faz parte
da realidade da automação industrial, desde a compra
de insumos, matéria-prima, vendas e distribuição de
produtos como até mesmo integrando os processos
internos-via intranet.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
[1] Engcomp Ltda - http://www.engecomp.com.br
[2] Curso de CLP – http://www.dca.ufrn.br/~maitelli
[3] NATALE, FERDINANDO, 2000, Automação Industrial, 2ª
edição, Editora Érica, São Paulo.
[4] Curso de Automação Industrial –
http://www.cpdee.ufmg.br/~seixas