Aula9 - Redes Na Automação Industrial Parte1 (1)

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Redes de Automação Industrial – Parte 1 1/16 Redes de Automação Industrial – Parte 1 Delcio Prizon [email protected] Unilins – Centro Universitário de Lins * outubro/2009 - curso completo sendo atualizado no blog http://redesindustriais.blogspot.com/ Objetivos Apresentar neste documento os tópicos principais ministrados no segundo bimestre da matéria de Redes de Comunicação para Automação, no curso de graduação de Engenharia de Automação Empresarial. Introdução • • • • Os primeiros sistemas de controle de processo foram criados totalmente analógicos. As redes de automação foram introduzidas em 1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e logo em seguida também em DCS (Distributed Control Systems) e PLCs (Programmable Logic Controller). Os equipamentos de campo (transmissores) digitais surgiram em 1980. Porém as redes fieldbus , que interligam os equipamentos de campo, só vieram a surgir em 1990. Antes da comunicação digital, os controladores eram instalados em painéis, e os sensores e atuadores eram ligados aos controladores via um par de fios. Os DCS e PLC possibilitaram que os controladores fossem instalados em racks auxiliares. Com isto as informações de supervisão puderam ser enviadas até o operador via rede. Através das conexões Multidrop (multi-ponto), a comunicação digital permitiu a interligação de vários equipamentos através de um único par de fios. Isto fez com que os custos de instalação fossem bastante reduzidos. Cada equipamento em uma rede multidrop possui um endereço único (cada equipamento é um nó na rede). Formas de comunicação Algumas formas de comunicação devem ser entendidas quando se fala de comunicação digital. • Mestre/Escravo ou Cliente/Servidor (Master/Slave or Client/Server) – Esta seria uma das mais simples formas de comunicação, onde o mestre faz a pergunta e o escravo destino responde. Exemplo 1: Configuradores HART ou Profibus escrevendo um parâmetro em um equipamento posicionador. Exemplo 2: PLC lê um valor de processo de um transmissor, executa o algoritimo de controle e escreve a saída em um posicionador. Redes de Automação Industrial – Parte 1 2/16 Publisher/Subscriber (Publicar/Subscrever) – Esta é a forma ideal para comunicação cíclica, onde o equipamento publisher envia a informação via broadcast, a qual é então utilizada por todos os equipamentos interessados (subscribers). Exemplo: Controle de malha fechada utilizado no padrão Foundation Fieldbus • Source/Sink (Origem/Canal) – Neste modo, a transmissão só será efetuada pela origem caso houver uma alteração na informação. Transmissão por exceção. Interoperabilidade Um problema potencial com comunicação digital reside no fato que há muitas maneiras de executar esta comunicação. Os métodos de representação, codificação e transmissão dos dados são definidos pelos protocólos. Cada fabricante tem a tendência de inventar o seu protocólo. Um dos objetivos dos comitês de padronização é definir um padrão que todos possam seguir. Áreas de aplicação das redes de automação As áreas que estaremos focando no nosso estudo, serão basicamente as áreas de Manufatura e Processo contínuo. Há também outras áreas (Predial, Residencial, Comercial) que vários dos conceitos aqui abordados, também se aplicam, porém não será objeto deste documento. As redes devem ser otimizadas para cada área de aplicação. Por exemplo, em Manufatura predomina o controle lógico e intertravamento. Em controle de processo contínuo, geralmente são utilizadas variáveis analógicas. Em ambos, as instalações estão localizadas em áreas inóspitas, sujeitas a interferências do chão de fábrica. Diferentes da automação predial. Manufatura Em Manufatura (ex. Indústria Automobilística), o tipo ideal de rede é aquela que tem alta velocidade de troca de dados utilizando de pequenos pacotes de informação. Os típicos padrões adotados nesta área são as redes Interbus e AS-i que são também denominadas redes de Sensores. Os padrões DeviceNet, ControlNet e Profibus-DP também são utilizados e são conhecidos como redes de Devices. Redes de Automação Industrial – Parte 1 3/16 Processo Contínuo Em Processo Contínuo (ex. Refinarias, Papel e Celulose, Energia, Química), as variáveis predominantes são analógicas e exigem controle de malha fechada através de algoritimos especialistas e/ou de controle PIDs (Proporcional, Integral e Derivativo). Os típicos padrões adotados nesta área são Foundation Fieldbus, Profibus-PA e HART. Também são conhecidos como redes de campo ou fieldbus. Estas redes foram projetadas para suprir energia aos equipamentos através do mesmo barramento, além do que, os parâmetros e comandos permitem diagnóstico, calibração, identificação, etc. Resumindo Normalmente, as redes de automação são redes locais (LAN) até 2 kilometros em diâmetro e se enquadram e um dos padrões típicos abaixo. Controle de Processo fieldbus FF ProfibusPA HART DeviceBus DeviceNet ProfibusDP SensorBus AS-i Interbus Controle Lógico Equipamentos Simples Equipamentos Complexos Redes de Automação Industrial – Parte 1 4/16 E o Modbus? O padrão Modbus é um protocólo proprietário, que foi desenvolvido em 1978 pela empresa Modicon, com a finalidade de interconectar seus produtos. Este protocólo acabou se tornando um padrão de fato no mundo dos PLCs, devido a sua. Utiliza o conceito de Mestre/Escravo e padrão físico RS-232 e/ou RS-485 para transferência de dados entre sistemas de supervisão e equipamentos PLCs. Recentemente, melhorias foram incorporadas ao protocólo, originando o Modbus/TCP. Este foi criado, encapsulando as mesmas mensagens do Modbus tradicional, na área de dados do comando TCP. Isto tem facilitado a interconexão e troca de dados entre sistemas de vários fabricantes, que também suportam Modbus, porém agora utilizando LAN. Redes de Automação Industrial – Parte 1 5/16 Visão geral do Controle Discreto utilizando tecnologia CLP O Controlador Lógico Programável ( C.L.P. ) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors , em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLPs , como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO - DIAGRAMA EM BLOCOS INICIALIZAÇÃO VERIFICAR ESTADO DAS ENTRADAS TRANSFERIR PARA A MEMÓRIA COMPARAR COM O PROGRAMA DO USUÁRIO ATUALIZAR AS SAÍDAS CICLO DE VARREDURA Redes de Automação Industrial – Parte 1 6/16 ESTRUTURA INTERNA DO C.L.P. O C.L.P. é um sistema microprocessado , ou seja, constituí - se de um microprocessador ( ou microcontrolador ), um Programa Monitor , uma Memória de Programa , uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares. REDE ELÉTRICA FONTE DE ALIMENTAÇÃO UNIDADE DE PROCESSAMENTO MEMÓRIA DO USUÁRIO MEMÓRIA DE DADOS MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR MEMÓRIA IMAGEM DAS E/S CIRCUITOS AUXILIARES BATERIA TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO MÓDULOS DE SAÍDAS MÓDULOS DE ENTRADAS Redes de Automação Industrial – Parte 1 7/16 NOÇÕES BÁSICAS DE REPRESENTAÇÃO Podemos representar, logicamente , um circuito série simples ,composto de dois interruptores e uma lâmpada, de diversas maneiras : X0 X1 Y0 X0 Y0 X1 DIL ou BLOCOS LÓGICOS DIC ou LADDER LD X0 AND X1 OUT Y0 LIS ou LISTA DE INSTRUÇÕES Y0 = X0 . X1 CIRCUITO ELÉTRICO EXPRESSÃO LÓGICA Todas as figuras acima, são representações possíveis de um mesmo circuito elétrico. Todas igualmente válidas para representar o circuito mencionado. Redes de Automação Industrial – Parte 1 8/16 INSTRUÇÕES E BLOCOS BÁSICOS Os blocos básicos ou fundamentais nas linguagens de programação são : bloco NA ( função SIM - NO ), bloco NF ( função NÃO - NOT ), bloco SÉRIE ( função E - AND ) e o bloco PARALELO ( função OU - OR ). Veremos em detalhe cada bloco, em várias representações. BLOCO N.A. ( NORMALMENTE ABERTO ) , que pode ser representado : Y0 = X0 LD X0 OUT Y0 X0 X0 Y0 X0 Y0 BLOCO N.F. ( NORMALMENTE FECHADO ), que pode ser representado : LDI X0 OUT Y0 Y0 = / X0 ou Y0 = X0 X0 Y0 X0 Y0 X0 Y0 Y0 Redes de Automação Industrial – Parte 1 9/16 BLOCO SÉRIE ( FUNÇÃO E ), que pode ser representado : Y= X0 . X1 X0 LD X0 AND X1 OUT Y0 X1 X0 Y0 X0 X1 Y0 X1 BLOCO PARALELO ( FUNÇÃO OU ) , que pode ser representado : Y0 = X0 + X1 LD X0 OR X1 OUT Y0 X0 X0 X0 X1 Y0 Y0 Y0 X1 X1 BLOCO SÉRIE NA - NF LD X0 ANI X1 OUT Y0 Y0 = X0 . X1 X0 X1 X0 Y0 BLOCO PARALELO NA - NF X1 Y0 X0 X1 Y0 Redes de Automação Industrial – Parte 1 10/16 LD X0 ORI X1 OUT Y0 Y0 = X0 + X1 X0 X0 X0 Y0 Y0 Y0 X1 X1 X1 BLOCO OU INSTRUÇÃO TIMER - T ( TEMPORIZADOR ): Esta instrução serve para ativar uma saída ou memória após um certo período de tempo. K5 X0 T0 T0 Y0 X0 T0 Y0 1 2 3 4 5 LD X0 K5 OUT T0 LD T0 OUT Y0 Redes de Automação Industrial – Parte 1 11/16 EXEMPLOS PARA EXERCÍCIOS : Exemplo - Tanque de Agitação de Produtos MOTOR DO AGITADOR VÁLVULA DE ENTRADA SENSOR DE NÍVEL MÁXIMO SENSOR DE NÍVEL MÍNIMO PAINEL SENSOR DE TANQUE VAZIO LIGA VÁLVULA DE SAÍDA Mapa das entradas / saídas : Entradas : Botoeira Liga Botoeira Desliga Sensor de Nível Máximo Sensor de Nível Mínimo : Sensor de Tanque Vazio: X 01 X 02 X 03 X 04 X 05 Saídas : Motor do Agitador: Válvula de Entrada : Válvula de Saída : Y 01 Y 02 Y 03 Funcionamento : DESL. Redes de Automação Industrial – Parte 1 12/16 1 - A botoeira liga inicia o processo e a Desliga interrompe o processo; 2- A Válvula de entrada é aberta até o Nível Máximo ser atingido; 3 - O Motor do Agitador é ligado por 10 segundos. 4 - A Válvula de Saída é aberta, até que o Nível Mínimo seja atingido; 5 - O Motor do Agitador é desligado; 6 - Ao ser detectado que o Tanque está vazio, a Válvula de Saída é fechada. 7 - Termina o ciclo. Diagrama Ladder para o exercício acima Tente desenhar o Ladder para praticar. Vale lembrar que variáveis auxiliares temporárias são aceitas com a notação Axx. Utilize os operandos NA, NF, SAIDA e TEMPORIZADOR, respectivamente conforme desenhos abaixo: T Mapeamento destas variáveis em registros Modbus Mapa hipotético Modbus de entradas / saídas : Entradas : Botoeira Liga Botoeira Desliga Sensor de Nível Máximo Sensor de Nível Mínimo : Sensor de Tanque Vazio: X 01 X 02 X 03 X 04 X 05 = Registro de Entrada Modbus = Registro de Entrada Modbus = Registro de Entrada Modbus = Registro de Entrada Modbus = Registro de Entrada Modbus Saídas : Motor do Agitador: Válvula de Entrada : Válvula de Saída : Y 01 Y 02 Y 03 = Registro de Saida Modbus 001 = Registro de Saida Modbus 002 = Registro de Saida Modbus 003 001 002 003 004 005 Uma vez mapeados os registros Modbus, os registros de entrada poderiam ser requisitados pelo Mestre, utilizando a formatação de pacotes conforme a seguir: Request PDU Function code 1 Byte 0x02 Starting Address 2 Bytes 0x0000 to 0xFFFF Quantity of Inputs 2 Bytes 1 to 2000 (0x7D0) Response PDU Function code 1 Byte 0x02 Byte count 1 Byte N* Input Status N* x 1 Byte *N = Quantity of Inputs / 8 if the remainder is different of 0 Þ N = N+1 Para os registros de saída: Request PDU Function code Starting Address Quantity of coils 1 Byte 2 Bytes 2 Bytes 0x01 0x0000 to 0xFFFF 1 to 2000 (0x7D0) 1 Byte 1 Byte n Byte 0x01 N* n = N or N+1 Response PDU Function code Byte count Coil Status Redes de Automação Industrial – Parte 1 *N = Quantity of Outputs / 8, if the remainder is different of 0 ⇒ N = N+1 13/16 Redes de Automação Industrial – Parte 1 14/16 Exemplo de Controle de Nível VÁLVULA DE ENTRADA SENSOR DE NÍVEL MÁXIMO PAINEL SENSOR DE NÍVEL MÍNIMO LIGA DESL. Mapa das entradas / saídas : Entradas : Botoeira Liga Botoeira Desliga Sensor de Nível Máximo : Sensor de Nível Mínimo : X__ X__ X__ X__ Saídas : Válvula de Entrada : Y__ Funcionamento : 1 - A Botoeira Liga inicia o processo e a Desliga encerra ; 2 - Quando o Nível de liquido cair abaixo do Mínimo a Válvula se abre; 3 - Quando o Nível de liquido passar do Nível Máximo a Válvula se fecha. Redes de Automação Industrial – Parte 1 15/16 Visão geral do Controle Contínuo No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência (chamado no jargão industrial de set-point) e o desvio (erro) entre estes dois sinais é utilizado para determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir este desvio entre a saída e o sinal de referência. O dispositivo que utiliza o sinal de erro para determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado à planta é chamado de controlador ou compensador. O diagrama básico de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado a seguir. Na figura acima, o sinal de realimentação é obtido através de um elemento Sensor que através de um Transmissor conduz o sinal até o elemento Controlador, onde o sinal é comparado com um sinal de referência, gerando por sua vez a saida para o elemento Atuador. Redes de Automação Industrial – Parte 1 16/16 Fieldbuses Focalizaremos nossos estudos a partir de agora (parte 2 deste documento), nas Redes Fieldbus (HART, FF e Profibus PA), dedicadas principalmente ao controle de Processo Contínuo. Abordamos uma pequena parte do conceito da lógica discreta através dos CLPs e do Protocólo Modbus. Não queremos com isto no entanto, diminuir a importância das redes DeviceNet, ProfibusDP e AS-i, muito utilizadas em chão de fábrica atualmente. Bibliografia • • Berge, Jonas. Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance. Apostila do curso ministrado no CEETPES - E.T.E Professor Armando Bayeux da Silva , no ano de 1998 no Curso CLP – Básico, por Pedro Luis Antonelli.