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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
WARLEY HENRIQUE PEREIRA
SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2009
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WARLEY HENRIQUE PEREIRA
SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro Preto
como parte dos requisitos para a
obtenção do Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientadora:
Prof.ª Drª. Karla Boaventura Pimenta
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Dezembro/2009
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P436s
Pereira, Warley Henrique Pereira.
Sistemas digitais de controle distribuído [manuscrito] / Warley
Henrique Pereira. – 2009.
44 f. : il., color. ; graf.
Orientador: Prof. Karla Boaventura Pimenta.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro
Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia Controle
e Automação.
Área de concentração: Sistemas de controle.
1. Sistema de controle distribuído. 2. Controle de processos.
I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 681.5
Fonte de catalogação: [email protected]
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AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, minha razão de vida, que tem me sustentado e direcionado.
Agradeço aos meus pais, Valter Pereira e Maria Andrade, pelo amor, carinho, dedicação e
confiança. Agradeço ao meu irmão Thiago, aos amigos da República DusMininu pelo
companheirismo e paciência, aos amigos da Igreja Presbiteriana de Ouro Preto pela atenção e
cuidado. Agradeço a minha orientadora Karla, pela ajuda e disponibilidade. E finalmente,
agradeço também aos guerreiros de graduação pela amizade e bons momentos.
6
“Todos neste mundo devem ser sábios. Ter sabedoria
é tão bom como receber uma herança.”
Ec. 7:11.
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RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo apresentar o estudo da arte sobre Sistemas Digitais de
Controle Distribuído, SDCD. Este sistema foi originado no inicio da década de 1970, e é
composto de uma arquitetura mista, ou seja, dividido em outros subsistemas que integrados se
completam no cumprimento de suas principais funções: o controle e a supervisão do processo
produtivo da unidade. Estes processos podem ser contínuos, discretos ou em bateladas.
Fundamentado em conceitos como: IHM (Interface Homem-Máquina), redes de comunicação,
unidades remotas microprocessadas, toda uma visão técnica e estrutural do sistema de
controle distribuído foi apresentada. Os conceitos em que se baseiam toda teoria relacionada à
filosofia de funcionamento e estrutura de um SDCD, permite em plantas de menor porte, uma
simulação do mesmo. Ao final deste estudo, essa proposta para trabalhos futuros é levantada,
ou seja, uma simulação de um sistema de controle que possuem as mesmas características
funcionais de um SDCD em laboratório.
Palavras-chave: SDCD, subsistemas, controle distribuído, controle de processos, IHM.
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ABSTRACT
The following job presents a study about Distributed Control Systems – DCS. This system
originated in the early 1970s, and is composed of a mixed architecture, which is divided into
other subsystems integrated complement to fulfill its main functions: the control and
supervision of the unit's production process. These processes can be continuous, discrete or in
batches. Based on concepts such as HMI (Human Machine Interface), networking, remote
units microprocessor, a whole vision of the technical and organizational distributed control
system was presented. The concepts on which to base any theory related to the gear
philosophy and structure of a DCS allows for smaller plants, a simulation of it. On completion
of this study, this proposal for future work is raised, in other words, a simulation of a control
system that have the same functionality of a DCS in the laboratory.
Key-words: DCS, subsystems, distributed control, process control, HMI.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Antiga sala de controle de uma subestação energética (Canastra, RS). ............... 13
Figura 1.2 - Control room inside the Joint Institute (Rússia 1959).......................................... 12
Figura 1.3 - Imagem ilustrativa de um COI (Centro de Operações Integradas). ...................... 13
Figura 3.1 - Controle Digital Direto – DDC. ............................................................................ 23
Figura 3.2 - Ciclo de vida das tecnologias de controle de processo. ........................................ 24
Figura 3.3 - SDCD – Visão Geral............................................................................................. 26
Figura 4.1 - Modelo de referência de um SDCD. ..................................................................... 27
Figura 4.2 - Estação de Operação Típica do SDCD. ................................................................ 30
Figura 4.3 - Tela Geral. ............................................................................................................ 31
Figura 4.4 - Malha de instrumentação de um poço. ................................................................. 32
Figura 4.5 - Tela de Registro. ................................................................................................... 33
Figura 4.6 - Tela de Alarme...................................................................................................... 34
Figura 4.7 - Evolução da sigla CIM. ........................................................................................ 35
Figura 4.8 - Esquema básico de comunicação em um SDCD. ................................................. 36
Figura 5.1 - Planta do controle de nível e temperatura - Laboratório de Tecnologias
Industriais. ................................................................................................................................ 39
Figura 5.2 - Supervisório do controle de nível e temperatura. ................................................. 39
Figura 5.3 - Circuito de aquisição de dados do sistema de correção do fator de potência. ...... 40
Figura 5.4 - Tela principal do supervisório do sistema de correção do fator de potência. ....... 40
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LISTA DE ABREVIAÇÕES
AD – Analógico-Digital.
CLP – Controlador Lógico Programável.
CIM – Computer Integrated Manufacturing.
DA – Digital-Analógico.
DCS – Distributed Control System.
DDC – Direct Digital Control.
IHM – Interface Homem-Máquina.
LAN – Local Area Network.
PID – Proporcional Integral Derivativo.
SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído.
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition.
UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto.
WAN – Wide Area Network.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13
1.1. Contexto ........................................................................................................................................ 13
1.2. Motivação...................................................................................................................................... 16
1.3. Objetivos ....................................................................................................................................... 16
1.4. Metodologia .................................................................................................................................. 16
1.5. Estrutura do Trabalho .................................................................................................................... 17
2 TIPOS DE PROCESSO ...................................................................................................... 18
2.1. Introdução ..................................................................................................................................... 18
2.2. Processo Contínuo ......................................................................................................................... 19
2.3. Processo Discreto .......................................................................................................................... 19
2.4. Processo em Batelada .................................................................................................................... 20
3 SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO ............................................. 22
3.1. Histórico e Evolução ..................................................................................................................... 22
3.2. Origem .......................................................................................................................................... 24
3.3. Definição e Funcionalidade ........................................................................................................... 25
4 ESTRUTURA DE UM SDCD ............................................................................................ 27
4.1. Subsistema de Aquisição de Dados e Controle .............................................................................. 28
4.2 Subsistema de Monitoração e Operação ......................................................................................... 29
4.2.1 Telas de Visão Geral ................................................................................................................... 30
4.2.2 Telas de Grupo ............................................................................................................................ 31
4.2.3 Telas de Malhas Individuais ........................................................................................................ 31
4.2.4 Telas de Registros ou Históricos ................................................................................................. 32
4.2.5 Telas de Alarmes ......................................................................................................................... 33
4.3 Subsistema de Supervisão e Otimização ........................................................................................ 34
4.4 Subsistemas de Comunicação ......................................................................................................... 35
5 SIMULAÇÃO DE UM SDCD EM LABORATÓRIO ..................................................... 38
5.1 Proposta.......................................................................................................................................... 38
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 41
12
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 42
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1 INTRODUÇÃO
1.1. Contexto
Com o passar do tempo via-se a necessidade de melhora de controle nos processos industriais.
Velocidade de processamento, qualidade e segurança encabeçaram e impulsionaram essa
melhoria. Muitos sistemas de automação só se tornaram possíveis por causa dos recentes e
grandes avanços na eletrônica. Sistemas de controle que antes eram inviáveis devido ao
elevado custo hoje se tornam obsoletos diante do rápido avanço da tecnologia.
Até a década de 1940, as plantas de controle eram operadas manualmente, com poucos
instrumentos para realizar o controle local, como ilustrado nas figuras 1.1 e 1.2. A introdução
da eletrônica durante as décadas de 1950 e 1960, paralelamente com os avanços de
dispositivos de processamento, permitiram o desenvolvimento de processos mais elaborados
que pudessem utilizar formas de controle mais precisas. Com isso, percebeu-se a necessidade
de criar sistemas aplicáveis e eficientes que pudessem receber informações da planta,
processá-las e atuar sobre esse mesmo processo, tudo isso sob uma supervisão visual do
operador (GUTIERREZ, 2008).
Figura 1.1 - Antiga sala de controle de uma subestação energética (Canastra, RS).
Fonte: DACIOLE, 2009.
14
Figura 1.2 - Control room inside the Joint Institute (Russia 1959).
Fonte: SOCHUREK, 1959.
Com a eletrônica digital e a informática aplicada ao controle, ganhos jamais imaginados no
passado, foram conseguidos em pouco tempo. Dentre tantos se salienta a integração de muitas
funções de processamento do sinal, a flexibilidade para a reconfiguração de malhas de
controle assim como a maior disponibilidade de dados informativos sobre o processo. A
implantação de sistemas digitais de controle ocorrem de maneira crescente tal que inúmeras
arquiteturas de sistemas vêem sendo implementadas no decorrer dos vinte últimos anos,
(SOUZA, 1999). Todo esse avanço deve-se também à crescente evolução dos protocolos e
estruturas das redes industriais, colaborando diretamente com a modernização de sistemas de
15
controle. A figura 1.3 ilustra um centro de operação baseado em uma arquitetura de controle
moderno. Pode-se facilmente perceber a evolução dos sistemas de controle com o passar dos
anos.
Figura 1.3 - Imagem ilustrativa de um COI (Centro de Operações Integradas).
Fonte: SMAR, 2008.
Com o avanço tecnológico da eletrônica microprocessada fornecendo sistemas programáveis,
transformações significativas no custo e qualidade dos equipamentos destinados ao controle
industrial foram obtidas. Entre inúmeras arquiteturas de sistemas digitais aplicadas na
aquisição e monitoração de variáveis analógicas e digitais, assim como na supervisão e
controle de processos industriais, tem-se o Sistema Digital de Controle Distribuído, SDCD ou
DCS, (“Distributed Control System”). O SDCD é um elemento da área de Automação
Industrial que tem como função o controle de processos de forma a permitir uma otimização
da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custo de produção, viabilizando
melhoria na qualidade de produtos, precisão das operações e garantia de segurança
operacional, (GUTIERREZ, 2008).
Segundo Finkel, (2006) o SDCD ou DCS, se baseia em um sistema de controle industrial
microprocessado, criado inicialmente para efetuar especificamente o controle das
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variáveis analógicas, e foi sendo expandido em suas aplicações até abranger praticamente
todas as aplicações de controle usuais, incluindo-se aí as variáveis discretas, o controle de
bateladas, controle estatístico de processo, geração de relatórios, etc..
Originado na década de 1970 para automatizar plantas em indústrias de processo em batelada
ou contínuo, o SDCD foi desenvolvido na forma de um pacote (hardware + software + rede
de comunicação) com recursos adaptados às peculiaridades de cada um dos segmentos da
indústria – siderúrgica, metalúrgica, refinamento de petróleo, alimentícia, farmacêutica, etc..
1.2. Motivação
A maior motivação deste trabalho é adquirir conhecimentos teóricos sobre SDCD, identificar
os subsistemas e dispositivos que o compõem e poder fornecer informações necessárias para
simulação de sistemas com características semelhantes ao SDCD. Estas simulações poderão
ser realizadas no Laboratório de Tecnologias Industriais do Departamento de Engenharia de
Controle e Automação da Escola de Minas na Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP.
Esta implementação fornecerá soluções para plantas de menor porte que futuramente teriam
fins didáticos para os alunos de Engenharia de Controle e Automação que se interessem em
estudar e até mesmo aprofundar sobre o assunto.
1.3. Objetivos
Os objetivos deste trabalho são adquirir conhecimentos teóricos e práticos sobre os SDCD.
Identificar e conhecer as funcionalidades e aplicabilidades dos dispositivos que compõem o
sistema; unidades remotas microprocessadas, IHM (Interface Homem-Máquina) e redes de
comunicação. Mostrar de forma clara uma abordagem atual do controle industrial, bem como
suas necessidades e novidades tecnológicas.
1.4. Metodologia
17
Para o desenvolvimento teórico deste trabalho foi realizada revisão bibliográfica abrangendo
diversos artigos, monografias, tutoriais e literaturas sobre o assunto. Temas como: automação
do controle industrial, sistemas e subsistemas de controle, sistemas supervisórios, sistemas
SCADA do inglês “Supervisory Control and Data Aquisition”, redes industriais de
comunicação, interface homem-máquina, CLP (Controlador Lógico Programável), etc., foram
exaustivamente pesquisados e estudados.
1.5. Estrutura do Trabalho
No capítulo 1 é explanada uma introdução sobre o assunto. É apresentado um pequeno
histórico da evolução tecnológica dos sistemas de controles de automação, a definição de um
SDCD, a citação dos principais dispositivos que o compõem juntamente com a importância
do desenvolvimento desta tecnologia.
No capítulo 2 é apresentado o conceito de processos industriais, bem com seus principais
tipos e características, pois, para aplicações de sistemas de controle, é necessária uma boa
compreensão do processo.
No capítulo 3 é pretendido um aprofundamento sobre Sistemas Digitais de Controle
Distribuído, com um estudo da arte sobre o assunto.
No capítulo 4 é abordada a filosofia de funcionamento e estrutura de um SDCD, devidamente
agrupado em subsistemas independentes que interligados compõem um sistema distribuído.
No capítulo 5 é proposta futura simulação de um Sistema Digital de Controle Distribuído
realizada no Laboratório de Tecnologias Industriais.
No capítulo 6 têm-se as considerações finais.
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2 TIPOS DE PROCESSO
2.1. Introdução
Segundo Naveiro e Pará (2000), um processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho
e do capital para transformar a matéria-prima em bens de produção e consumo, por meio de
técnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo de negócio.
Do ponto de vista de produção, o processo é geralmente tomado como lugar onde os
materiais e a energia se juntam para fazer um produto desejado. Do ponto de vista de
controle, associa-se ao processo uma ou mais variáveis importantes o suficiente para que seus
valores sejam conhecidos e controlados. Este mesmo processo pode envolver uma operação
mecânica, um circuito elétrico, uma reação química ou uma combinação desses eventos,
(RIBEIRO, 2001).
Qualquer operação ou série de operações que produza o resultado final desejado é
considerada um processo. Geralmente, consiste na modificação das matérias primas,
colocadas na sua entrada, através do suprimento de energia durante um determinado período
de tempo, obtendo os produtos finais em sua saída. A necessidade de automação em
processos industriais é sempre crescente. Ela permite ganhos de produtividade uma vez que
as informações são processadas com mais velocidade. Os processos produtivos nessas
indústrias geralmente são complexos e requerem um eficiente sistema de controle. Para
aplicações de sistemas de controle eficientes, é necessário um bom entendimento de processo.
Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, o processo pode ser
classificado em:
a) Contínuo;
b) Discreto;
c) Batelada.
19
2.2. Processo Contínuo
De acordo com Gutierrez (2008), processos contínuos são referentes a sistemas em que as
variáveis precisam ser monitoradas e controladas ininterruptamente. É o caso per exemplo, de
siderúrgicas, da produção de combustíveis, gás natural, produtos químicos, plásticos, papel e
celulose, cimento, etc..
Em um sistema de produção do tipo contínuo existe uma padronização tanto dos insumos
quanto dos equipamentos. Nos processos contínuos percebe-se uma padronização dos inputs
(variáveis de entrada), de modo a facilitar que o equipamento também seja padronizado,
gerando uma inflexibilidade dos mesmos. Devido a essa padronização, tanto de insumos
como de maquinário, características como: alta velocidade de produção, pouco trabalho
humano, baixa complexidade do produto, baixo valor agregado, pequeno número de etapas de
produção e número limitado de produtos, estão presentes em processos contínuos.
Levando em consideração o tempo de processamento, uma boa explanação sobre processos
contínuos é abaixo descrito:
Em processo contínuo o tempo de processamento por unidade é muito
pequeno, porém a alta velocidade de produção, e o grande tempo gasto com
mudanças de set up (preparação do equipamento), impõem que os pedidos
ou ordens de serviço sejam grandes. A baixa complexidade e variedade dos
produtos, aliados ao baixo número de etapas de produção e a grande
demanda por estes poucos produtos, tornam justificáveis altos investimentos
em equipamentos que operem em regime permanente de 24 horas.
(FRANSOO; RUTTEN, 1993).
2.3. Processo Discreto
Os processos discretos são referentes à fabricação de produtos ou peças que podem ser
contados como unidades individuais e na qual predominam as atividades discretas.
Para Ribeiro (2001), o processo discreto envolve muitas operações de liga-desliga. O seu
controle se baseia no mundo binário (digital), onde os estados de um equipamento ou
instrumento só podem assumir as condições de ligado ou desligado, energizado ou
20
desenergizado, aceso ou apagado, alto ou baixo, 1 (um) ou 0 (zero). O processo discreto
requer controle lógico. Aplicações de controle lógico incluem o alarme e intertravamento do
controle contínuo de processos industriais.
As indústrias que se caracterizam pelo controle de processo do tipo discreto são as indústrias
manufatureiras, de fabricação por lote, cujo maior expoente é a indústria automobilística.
Também são exemplos desse tipo de processo a produção de placas de metal estampadas,
indústria aeronáutica, bens de capital, brinquedos, eletroeletrônicos, computadores, vestuário,
tijolos, pneus, calçados, etc.. Nesse tipo de indústria, atualmente, usam-se sistemas de
controle baseados em robôs para executar estas séries de operações repetitivas.
2.4. Processo em Batelada
Para Gutierrez (2008), os processos em bateladas são relativos a bens cuja produção requer
que determinadas quantidades de matérias-primas sejam combinadas de forma apropriada
durante um dado período de tempo. Apesar de intermitentes (descontínuos), tais processos
têm natureza contínua durante o período de atividade.
No processo em batelada, uma dada quantidade de material é processada através de passos
unitários, cada passo sendo completado antes de passar ao passo seguinte. A alimentação do
processo batelada é feita por quantidades discretas, de modo descontínuo. O processo é
alimentado, a operação é executada, o produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo.
Segundo Ribeiro (2001), cada operação do processo de batelada pode ser considerada um
processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente pequeno, medido em minutos
ou horas.
Este processo é aquele em que as funções de transferência de material ou processamento de
material são cíclicas com resultados repetitíveis. O processo batelada faz um produto em
quantidades finitas. Em uma situação ideal, este produto é determinado por:
a)
Uma receita que tem um nome;
21
b)
Informações dos ingredientes ou as matérias primas usadas;
c)
A ordem dos passos;
d)
As condições do processo;
e)
Equipamentos usados no processo.
No processo em batelada, ao contrário dos demais processos, o número de etapas de produção
é maior e o nível de complexidade do produto é alto. Em indústrias de química fina, por
exemplo, muito comumente pode se distinguir mais de dez etapas de produção diferentes para
um mesmo produto. O fato de se produzir uma maior variedade de produtos que requeiram
para sua produção a utilização de um mesmo equipamento, torna o controle da produção
muito complexo. Frequentemente faz-se necessário uma ampla reconfiguração: instalações
são refeitas e reconectadas para proporcionar novas configurações de processo. Para situações
de produção por bateladas, é recomendo implantações de sistemas de controle onde os
equipamentos devem ser flexíveis o suficiente para manipular o processamento de uma larga
variedade de produtos, tamanhos e mudanças de projetos de cada produto.
São exemplos desse tipo de processamento indústrias de fabricação de colas ou alimentos, em
que a mistura de insumos, em proporções calculadas, precisa ser mantida aquecida durante um
tempo preestabelecido. Também podem ser classificadas nessa categoria as indústrias
farmacêuticas, de bebidas, de produtos de limpeza, de alimentos, cerâmica, fundição,
embalagens, etc..
22
3 SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
3.1. Histórico e Evolução
Até a década de 1930, todos os instrumentos mecânicos eram conectados diretamente ao
processo, servindo apenas para fornecer indicações e registros para que os operadores,
espalhados por toda área da planta, monitorassem o processo.
Na década seguinte, 1940, a instrumentação analógica pneumática foi uma evolução da
instrumentação mecânica com a invenção do transmissor pneumático. Com ele foi possível
retirar os controladores e registradores, transferindo-os para um local abrigado, dando inicio
ao conceito da “sala de controle”. Ali, os operadores podiam acompanhar as variáveis do
processo, registrar leitura e alterar setpoints, além de optar entre trabalhar no modo manual
ou automático.
Ao final da década de 1950 quando o uso da instrumentação pneumática já estava
consolidado, apareceram os transmissores e controladores eletrônicos analógicos, com padrão
4-20 mA. Inicia-se uma transição, uma nova mudança de paradigma tecnológico. O novo
padrão possibilitou a transmissão de sinais a distâncias relativamente consideráveis,
permitindo o aumento na quantidade de informações vindas do processo para as salas de
controle das unidades.
Nos anos 60, inicia-se o uso de computadores para o controle de processos, aparecendo o
conceito do Direct Digital Control (DDC), figura 3.1. Nesta época, a capacidade e o custo
deste computador digital eram relativamente altos e pareceu prudente e econômico usá-lo de
modo compartilhado (time sharing): um único computador digital era usado para diferentes
tarefas envolvidas com a operação das centenas ou milhares de variáveis do processo. O uso
do DDC trouxe o benefício de se eliminarem os indicadores, registradores e controladores de
painel, tornando o controle de processo mais eficiente. Entretanto, o uso de computadores
exigia a utilização de profissionais mais especializados, com conhecimento de linguagens de
23
programação. Ou seja, teriam que possuir uma formação bem mais complexa que a dos
operadores e instrumentistas daquela época. Outro inconveniente estava na centralização de
todo cabeamento entre o campo e a sala de controle, pois cada instrumento, ou equipamento
precisava de um par de condutores (SILVA, 2004).
Figura 3.1 - Controle Digital Direto – DDC.
Fonte: RIBEIRO, 2001.
Ao início da década de 1970, já estava em curso à utilização de redes de comunicação e
apareciam os minicomputadores. Essas tecnologias possibilitaram o aparecimento de uma
nova arquitetura para controle de processo, denominado de Distributed Control System –
DCS, em português, Sistema Digital de Controle Distribuído – SDCD. O processamento que
até então era realizado em um só computador passou a ser distribuído por computadores
menores denominados “Controladores”, que dividiam entre si as malhas de controle das
plantas. Essas estações de controle se comunicavam com uma sala de controle central, onde
através de consoles os operadores acompanhavam e interagiam com o processo. No caso de
uma perda de comunicação entra a sala de controle e os controladores, diferentemente do
24
DDC, as plantas continuariam a operar. O processamento e confiabilidade melhoraram, mas a
via de dados do campo aos controladores continuava sendo unidirecional e analógica,
limitando a utilização do potencial dessa nova tecnologia.
A figura 3.2, ilustra um gráfico evolutivo das tecnologias e sistemas de controle em processos
industriais ao longo do tempo.
Figura 3.2 - Ciclo de vida das tecnologias de controle de processo.
Fonte: SILVA, 2004.
Durante os anos 1980, vários projetistas adotaram este sistema como solução para sistemas de
automação e, durante os anos 1990, ocorreu um grande desenvolvimento na eficiência dos
computadores, CLP, sensores, atuadores e sistemas de comunicação, tornando os SDCD uma
realidade.
3.2. Origem
O SDCD é um equipamento desenvolvido para a área de automação industrial com principal
objetivo de controle de processos. Tal sistema foi implementado para permitir uma
otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de produção,
melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações e principalmente segurança
25
operacional. Também teve como objetivo substituir os controladores analógicos dedicados
ao controle de processos industriais e, ao mesmo tempo, permitir aos operadores uma
melhor visualização da operação da unidade, podendo controlá-la melhor.
Ao final da década de 1970, foram analisados os resultados de um estudo sobre as rotinas de
uso das salas de controle centralizado. Este estudo ocorreu na Divisão de Sistemas de
Gerenciamento da Honeywell, e avaliou o tempo de resposta do operador ao observar
continuamente o número de variáveis, detectando qualquer anomalia no comportamento das
mesmas, e tomando medidas corretivas. A rapidez de resposta do operador é essencial,
principalmente em situações de emergência.
Toda a pesquisa e analise fundamentada neste estudo, influenciou diretamente na elaboração
de sistemas de controle e supervisão mais eficiente que suprissem as necessidades industriais
da época. Surgem nesse contexto, os Sistemas Digitais de Controle Distribuído, SDCD,
desenvolvidos por vários fabricantes.
3.3. Definição e Funcionalidade
O SDCD é composto basicamente por um pacote integrado de dispositivos que se
completam no cumprimento de suas principais funções, o controle e a supervisão do
processo produtivo da unidade.
Para Finkel (2006), algumas das definições mais usuais de SDCD exprimem o fato de que
uma “máquina” é responsável pela ação de controle, enquanto outra é responsável pela
interface com o operador humano. O elemento de ligação entre os dois dispositivos
microprocessados é a via de dados (data highway) do sistema. Por essa definição, basta que
os dois processadores sejam distintos para se ter um SDCD.
O sistema é caracterizado como distribuído por ser dotado de redes redundantes (via de
dados) que permitem a descentralização do processamento de dados e decisões, através do
uso de unidades remotas na planta. É através destas unidades remotas de processamento
26
(controladores), distribuídas nas áreas do processo, que os sinais dos equipamentos de campo
(elementos sensores) são processados conforme pré-programado. No controle digital
distribuído, as funções de monitorização e controle são distribuídas em vários painéis locais,
cada um com seu próprio sistema digital, todos ligados por um circuito que se comunica com
uma estação central. As operações são distribuídas funcional e fisicamente entre os vários
processos da planta. Além disso, o sistema oferece uma interface homem-máquina (IHM),
permitindo que as informações de processo sejam atualizadas em tempo real nas telas de
operação do supervisório, através dos equipamentos remotos de comunicação digital
(controladores, elementos sensores, transmissores, registradores, etc.) conectados em rede.
Nas arquiteturas SDCD, conforme ilustrado na figura 3.3, 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 com o operador.
Figura 3.3 - SDCD – Visão Geral.
Fonte: RIBEIRO, 2001.
27
4 ESTRUTURA DE UM SDCD
Segundo Ribeiro (2001), a filosofia de controle digital é a de dividir os equipamentos em
vários módulos funcionalmente distintos: controle, operação, gerenciamento e comunicação.
Um módulo de controle pode controlar várias malhas do processo, outro módulo, pode gerar
as telas necessárias para a operação da planta (interface Homem-Máquina), outros ainda,
regulam o fluxo de informação através de todo o sistema.
Uma coisa que é comum a todos os módulos, é que todos eles podem operar
independentemente, por que a potência de processamento necessária para fazer suas funções
está embutida em cada um deles. Isto é o que o microprocessador tornou possível.
Tem-se então, um sistema com arquitetura mista. De uma forma geral, as funções exercidas
por um SDCD podem ser estruturadas de maneira hierárquica, sendo definidos diversos níveis
de atividades. Para Souza (SOUZA, 1999), um SDCD pode ser dividido em subsistemas de
acordo com suas características funcionais, segundo sua filosofia de funcionamento:
subsistema de aquisição de dados, subsistema de monitoração e operação, subsistema de
supervisão e otimização e subsistema de comunicação. A figura 4.1 ilustra muito bem a
distribuição destes subsistemas.
Figura 4.1 - Modelo de referência de um SDCD.
Fonte: SOUZA, 1999
28
4.1. Subsistema de Aquisição de Dados e Controle
Este subsistema tem como principal finalidade a realização das funções de controle, que são
exercidas pelas estações remotas locais. Este está diretamente ligado ao processo.
É formado por um conjunto de unidades remotas, unidades de processamento (controladores
microprocessados) capazes de executar rotinas pré-determinadas, elementos sensores,
registradores, transmissores, etc.. Estes equipamentos foram desenvolvidos para manipular
diretamente os sinais provenientes do processo, entradas digitais e/ou analógicas, inclusive
com habilidade de gerar sinais de saída para os equipamentos atuadores. As principais
características destes equipamentos se baseiam na padronização, flexibilidade e altíssima
densidade dos sinais manipulados simultaneamente. Os sinais típicos são: fechamento e
abertura de contatos secos, sinais analógicos de corrente (4 a 20 mA), tensão (1 a 5 V),
militensão de termopares, pulsos de freqüência variável e até o prosaico sinal pneumático de
20 a 100 kPa.
Este subsistema apresenta uma variada gama de funções que inclui, por exemplo:
Controle multivariável;
Algoritmos de nível superior;
Controle de seqüência;
Controle lógico;
Intertravamento;
Soma, subtração, multiplicação e divisão;
Raiz quadrada, compensadores de pressão e temperatura;
Polinômios e logaritmos;
Alarmes de nível, desvio e velocidade;
Linearizações, etc..
Dele também fazem parte os cartões de interface de entrada e saída com o processo, tais
como: entradas e saídas analógicas, entradas e saídas digitais, entradas de pulso,
multiplexadores, conversores AD (analógico-digital) e DA (digital-analógico).
29
Neste subsistema, os controladores podem desempenhar o controle da planta por dois modos
distintos: o controle convencional e controle microprocessado. O primeiro se dá por meios
analógicos, incorporando estações de controle e painéis clássicos. O segundo envolve
computação matemática, intertravamentos e lógica seqüencial.
O subsistema de aquisição de dados e controle é interfaciado com os subsistemas de
comunicação e com um eventual subsistema simplificado de monitoração local, entretanto
vale ressaltar sua característica de autonomia, pois mesmo na ausência das funções de níveis
superiores (demais subsistemas), ele deve continuar operando as funções de controle.
Para Ribeiro (2001), nas aplicações industriais, a aquisição de dados deve ser em tempo real,
ou seja, o sistema deve ter a habilidade de coletar os dados ou fazer uma tarefa de controle
dentro de uma janela aceitável de tempo. A duração da janela de tempo depende de quão
rapidamente o sistema deve responder, que é uma função da velocidade e exatidão requeridas
para uma dada aplicação.
4.2 Subsistema de Monitoração e Operação
Neste subsistema se concentra a maior parte das funções de interface homem-máquina (IHM).
Por IHM, entendem-se os dispositivos de software que fornecem ao operador um maior
controle e um melhor nível de informações sobre as condições de operação da planta,
reduzindo o seu esforço através da simplificação dos procedimentos operacionais.
As informações são apresentadas sob forma de telas gráficas. As telas são claras e sucintas,
onde o operador pode ter acesso ao processo em vários níveis: planta inteira, unidade parcial,
grupo de malhas de controle e malha individual. Um cuidado bastante tomado na concepção
dessas telas gráficas é em relação ao acúmulo de informações que pode prejudicar a
visualização das condições excepcionais.
É ilustrado na figura 4.2, uma típica estação de trabalho (monitoração e operação) de um
antigo SDCD.
30
Figura 4.2 - Estação de Operação Típica do SDCD.
Fonte: RIBEIRO, 2001.
Segundo Finkel (2006), uma boa interface com o operador, sistema supervisório, é constituído
das seguintes telas de operação:
Telas de Visão Geral;
Telas de Grupo;
Telas de Malhas Individuais;
Telas Registros ou Históricos;
Telas de Alarmes.
4.2.1 Telas de Visão Geral
Essas telas disponibilizam um grande número de malhas de controle, porém, com informações
mínimas de cada uma. Existem SDCD em que se tenha em uma única tela até mil malhas,
sendo representadas por pontos de cores diferenciadas que indicam a situação real da malha,
ou seja, se a mesma opera normalmente, em alarme, em controle manual ou em manutenção.
31
Figura 4.3 - Tela Geral.
Fonte: BOFF et al, 2005.
4.2.2 Telas de Grupo
Nas telas de grupo, as informações fornecidas ao operador são aquelas semelhantes às
obtidas frente a um grupo de instrumentos de um painel. São telas que apresentam grupos
de instrumentos (controladores indicadores, botoeiras, totalizadores, etc.), fornecendo a
situação real dos mesmos, parados ou em funcionamento. Através destas telas, que podem
abranger instrumentos de diferentes malhas, o operador poderá monitorar e manipular
alguns parâmetros dos controles tais como: setpoint, transferência automático manual, saída
para válvula, etc..
4.2.3 Telas de Malhas Individuais
Nestas telas têm-se, praticamente, todas as informações relativas a uma malha e,
freqüentemente, um trecho curto de tela de registro, para auxiliar na sintonia da malha.
A figura 4.4 ilustra um exemplo típico dessas telas.
32
Figura 4.4 - Malha de instrumentação de um poço.
Fonte: SOUZA, 2005.
4.2.4 Telas de Registros ou Históricos
São telas que registram precisamente em gráficos os valores das variáveis e seu
comportamento, fornecendo data, hora e minuto em que foi lido aquele valor.
Há dois tipos básicos de telas de registros: registro em tempo real e registro histórico. O
primeiro geralmente abrange períodos curtos, variando de segundos a horas, com tempo
de amostragem relativamente curto. O segundo costuma abranger períodos maiores de
até semanas, com intervalos maiores de amostragens.
33
Figura 4.5 - Tela de Registro.
Fonte: ELIPSE, 2009.
4.2.5 Telas de Alarmes
São através destas telas que os operadores tomam conhecimento das informações de
alarme de vários locais remotos. O alarme ao surgir, geralmente dispara um texto,
informando a data, hora, evento, serviço, tag, grupo de alarmes e o valor dos
mesmos. Para diferenciar os estados dos alarmes são usadas cores diferentes,
normalmente adota-se o seguinte padrão: alarme ativo (vermelho), alarme reconhecido
(amarelo) e retorno ao normal (verde).
Os alarmes podem ser visualizados ou listados hierarquicamente, caso ocorram de
maneira simultânea, normalmente por ordem de importância, ou cronologicamente,
conforme configurado no sistema. As funções de alarme aparecem, também, nas
34
outras telas de operação. Não é necessário que um operador acione uma tela de
alarme para tomar conhecimento do alarme de um evento novo.
Figura 4.6 - Tela de Alarme.
Fonte: ELIPSE, 2009.
4.3 Subsistema de Supervisão e Otimização
Acima do controle convencional do processo, que cuida de manter as variáveis iguais ou
próximas de pontos de ajuste (setpoints), o processo pode e deve ser gerenciado e otimizado.
Por essa razão, na estrutura de um SDCD, encontra-se o subsistema de supervisão e
otimização. Este, tem como finalidade executar as funções de supervisão total do sistema,
otimização do processo e geração de relatórios gerenciais periódicos.
Para todo esse gerenciamento, são necessários softwares específicos, fornecendo informações
de alto nível ao gerente da planta. Estes programas específicos são executados por um
computador digital, não necessariamente responsável pelo controle do processo. Através
dessas informações, geradas em relatórios, é possível elaborar estratégias que visam aumentar
a eficiência do controle e melhorar o gerenciamento do processo, sejam modificando os
parâmetros de controle, pontos de ajuste, exercendo economia no uso da energia, definindo
valores e quantidades da produção, tipos de produtos, especificações, etc..
Através deste subsistema é possível ter um domínio amplo do negócio, desde o
desenvolvimento de produtos, até a sua comercialização e produção. Entretanto, essa
concepção de integração se deu graças à evolução dos sistemas de Manufatura Integrada por
35
Computador (CIM), que possibilitaram a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e
supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica, usando de complexos algoritmos,
distribuição do controle e centralização de macro-decisões, viabilizando uma gestão do
processo tanto técnica quanto administrativa.
Figura 4.7 - Evolução da sigla CIM.
Fonte: ROZENFELD, 1996.
4.4 Subsistemas de Comunicação
Segundo Silva (2004), redes de campo, designadas na literatura anglo-saxônica por
"fieldbuses", são redes locais de comunicação, bidirecionais, projetadas e utilizadas para
interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controle e sistemas de
operação industriais.
Devido a uma antiga necessidade na área de processos industriais, a integração de dados vem
sido incorporadas em sistemas de automação e controle. Conceitos de “ilhas de controle”
estão sendo substituídos pela integração de diversos núcleos de um mesmo sistema e
utilização de controle distribuído. Para que seja possível a realização de um controle
integrado, é necessário que exista uma infra-estrutura de comunicação entre os diversos
36
subsistemas. Esta infra-estrutura é denominada de subsistema de comunicação, necessária
para a integração dos diversos módulos autônomos do sistema.
Na arquitetura de um SDCD, o subsistema de comunicação, conhecido também como via
de dados, estabelece e arbitra as prioridades de comunicação e de comando em todas as áreas
da empresa. Através das vias de dados, é possível toda integração hierárquica de informações
industriais e empresariais, ou seja, dados oriundos do campo, a partir deste subsistema,
passam a ser integrados a outros nos bancos de dados de gestão. A figura 4.8 ilustra bem essa
integração.
Figura 4.8 - Esquema básico de comunicação em um SDCD.
Fonte: GUTIERREZ, 2008.
Em uma arquitetura SDCD, encontram-se as redes distribuídas e configuradas de acordo
com seus níveis funcionais. O primeiro e mais alto nível é o de administração. Este é
responsável pela integração dos níveis mais baixos, e até de várias fábricas. Nessas redes as
estações de trabalho fazem a ponte entre o processo produtivo e a administração, que
inclui a supervisão de vendas, o controle de estoques, etc.. Normalmente empregam -se
as Redes de Área Local (LAN - Local Area Network) e a Redes de Área Ampliada (WAN
- Wide Area Network). No segundo nível, o de controle, ficam as estações de projeto,
controle de qualidade, programação, etc.. Nestes, usam-se redes do tipo LAN. Em
37
seguida, o nível de campo, que são sub-redes que integram pequenas automações,
modernos
instrumentos
digitais
de
campo
como:
controladores
PID,
CLP,
multiplexadores, etc.. E por fim, o nível de entradas/saídas, configuradas na própria
planta. Neste, são integrados atuadores, elementos sensores, transmissores, entre outros
dispositivos, responsáveis por interfacear processo de produção. (FINKEL, 2006).
Se tratando dos processos da informática industrial (chão de fábrica), as vantagens são
evidentes com o surgimento das redes industriais, dentre as principais tem-se:
a) Visualização e supervisão do processo de produção;
b) Programação remota, sem necessidade de acesso físico aos dispositivos de
chão de fábrica;
c) Configurações de controle redundantes, isto é, se uma falhar, o processo
continua a operar pela outra, sem descontinuidade ou redução de
desempenho notável;
d) Os dados do processo são capturados de maneira mais eficiente e rápida;
e) Aumento
do
intercâmbio
de
dados
de
processo
entre
setores
e
departamentos distintos;
f) Melhora do rendimento do processo.
Inicialmente, os SDCD eram sistemas proprietários, protocolos fechados, ou seja, não era
possível qualquer intercambiabilidade com os dispositivos dos demais fornecedores.
Certamente eram no sistema de comunicação que existiam as maiores diferenças e falta de
padronização dos sistemas SDCD dos vários fabricantes. Entretanto, devido às exigências
dos usuários e aos avanços tecnológicos na área de comunicação, sistemas com
protocolos de comunicação e hardware abertos tornaram-se tendência no mercado.
38
5 Simulação de um SDCD em Laboratório
5.1 Proposta
Os SDCD’s são equipamentos de altíssimo custo, recomendados apenas para aplicações em
grandes complexos industriais. Entretanto, estes são fundamentados nos conceitos até agora
discutidos, permitindo assim, a simulação de sistemas de controle que possuem as mesmas
características funcionais de um SDCD. A proposta é usar destes conceitos para controlar
remotamente plantas de menor porte, monitorá-las individualmente (supervisórios próprios), e
através de uma rede de comunicação ethernet, interligá-las em um sistema “supervisório
mãe“, este, centralizado, terá acesso aos supervisórios individuais, simulando um sistema de
controle distribuído.
Para execução destas montagens são necessários uso de recursos específicos, como CLP,
software para desenvolvimento de supervisórios, neste caso, ELIPSE SCADA ou o ELIPSE
E3, disponíveis em Laboratório, e estruturação de redes de comunicação ethernet.
A proposta baseia-se na integração de trabalhos realizados no Laboratório de Tecnologias
Industriais do Departamento de Engenharia de Controle e Automação da Escola de Minas na
Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP, e realizar o controle distribuído
individualmente. Estes trabalhos abrangem diferentes sistemas de controle que foram
desenvolvidos pelos próprios alunos de engenharia de controle e automação. Atualmente temse implementado dois sistemas: controle de nível e temperatura e controle da correção do
fator de potência de transformadores. Nas figuras 5.1 a 5.4 são mostrados as fotos dos
sistemas já implementados com seus respectivos supervisórios.
Cada sistema a ser controlado possui o seu subsistema de monitoração, controle e
gerenciamento próprio. Através de um supervisório principal, pode-se ter acesso aos demais
supervisórios dedicados e efetuar o controle individual de cada sistema integrado. Através da
implementação de uma rede ethernet, a intercomunicação dos sistemas seria realizada.
39
Figura 5.1 - Planta do controle de nível e temperatura - Laboratório de Tecnologias
Industriais.
Figura 5.2 - Supervisório do controle de nível e temperatura.
40
Figura 5.3 - Circuito de aquisição de dados do sistema de correção do fator de potência.
Figura 5.4 - Tela principal do supervisório do sistema de correção do fator de potência.
41
6 Considerações Finais
A intenção deste trabalho foi apresentar de maneira clara não só o equipamento SDCD, mas
principalmente os conceitos nos quais ele se fundamenta, e a partir desse contexto, poder
avaliar a eficiência destes sistemas diante das necessidades de controle de processos
industriais.
O estudo e desenvolvimento de sistemas de controle é de extrema importância para uma boa
otimização de processos industriais, tendo em vista que, para um eficiente controle, é
necessário um bom domínio de todo o processo a ser automatizado. Os Sistemas Digitais de
Controle Distribuído são equipamentos de bastante eficiência em controles de processos,
embora tenham custos relativamente elevados. Porém, se tratando de complexos industriais de
grande porte, sua aplicação torna-se viável devido às inúmeras ferramentas fornecidas, estas,
fundamentais para uma boa otimização do processo.
42
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