universidade estadual do oeste do paraná – unioeste centro de

Transcrição

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SISTEMA DE SUPERVISÃO DE PROCESSO DE CONTROLE
DE TEMPERATURA PARA USO DIDÁTICO
EMANUELLA LEITE
FOZ DO IGUAÇU
2013
EMANUELLA LEITE
SISTEMA DE SUPERVISÃO DE PROCESSO DE CONTROLE
DE TEMPERATURA PARA USO DIDÁTICO
Relatório de trabalho de conclusão de
curso apresentado ao Curso de Engenharia
Elétrica da Universidade Estadual do Oeste do
Paraná, como parte dos requisitos para
obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. M.Sc. Sandro Battistella
Co-Orientador: Prof. Dr. Romeu Reginatto
FOZ DO IGUAÇU
2013
Dedico este trabalho à minha família.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus pela presença, auxílio e conforto.
Aos meus pais por todo o suporte, aos quais devo tudo que sou e tenho. A minha irmã
pelo simples fato de existir. Aos meus familiares que me inspiram, alegram e nunca me
deixam perder as esperanças.
Aos meus orientadores, pelos quais tenho profunda admiração, pelo tempo e
conhecimento dedicados, pela paciência, ajuda e exemplo.
Ao Diego, pela presença, auxílio e conforto nas horas difíceis.
Aos meus poucos e bons amigos, que sempre estiveram lá por mim e tenho certeza
que sempre estarão, muito obrigada por toda a motivação para que esse trabalho pudesse ser
desenvolvido.
EPÍGRAFE
“O tabuleiro é o mundo, as peças são
os fenômenos do universo, as regras do jogo
são o que chamamos leis da Natureza. O
jogador do outro lado está escondido de nós.
Sabemos que seu jogo é sempre honesto,
justo e paciente. Mas também sabemos, por
experiência própria, que ele nunca desculpa
um
erro
e
que
não
tem
complacência com a ignorância."
Thomas Henry Huxley
nenhuma
RESUMO
LEITE, E. (2013). Sistema de supervisão de processo de controle de temperatura para
uso didático. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Curso de Engenharia Elétrica,
Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2013.
A automação atualmente é requisito básico para a indústria que quer ser competitiva
no mercado, pois otimiza a produção e traz retornos financeiros, ambientais e sociais. Plantas
industriais automatizadas empregam sistemas de supervisão para o monitoramento das
diversas malhas de controle, contribuindo com o aumento da produtividade e redução de
custos. O objetivo desse trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema supervisório
para fins didáticos aplicado a um sistema de controle de temperatura utilizando o software
Elipse Scada. Para que esse sistema fosse desenvolvido, estão abordados ao longo dos
capítulos, assuntos como sistemas SCADA, redes de comunicação, protocolo Modbus e os
padrões RS232 e RS485. Ao final do trabalho são apresentados sistemas SCADA
desenvolvidos com função de operação, sintonia e ensaio de resposta ao degrau. Na função
operação é possível visualizar e interagir com as variáveis do sistema. A segunda função é a
sintonia, onde é possível ajustar os ganhos do controlador automaticamente. E o ensaio de
resposta ao degrau permite levantar os parâmetros do sistema.
Palavras-chave: SCADA, Modbus, RS232, RS485, Elipse Scada, controlador PID.
ABSTRACT
LEITE, E. (2013). Sistema de supervisão de processo de controle de temperatura para
uso didático. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Curso de Engenharia Elétrica,
Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE, Foz do Iguaçu, 2013.
Nowadays, automation is basic requirement for the industry that wants to be
competitive in the market, since it optimizes production and brings financial, environmental
and social returns. Automated industrial plants employ supervision systems for monitoring the
various control loops, contributing to increased productivity and reduced costs. The aim of
this work is the development of a supervisory system for teaching purposes of a system
temperature using Elipse Scada. To develop this system, are addressed throughout the chapter
topics such as SCADA systems, communication networks, Modbus and RS232 and RS485
standards. At the end of the paper the SCADA systems developed are presented with
operation, tuning and testing of the step response functions. In operation function is possible
to view and interact with the system variables. The second function is the tuning process
where user can adjust the gains of the controller automatically. And the test step response
allows obtaining the system parameters.
Keywords: SCADA, Modbus, RS232, RS485, Elipse Scada, PID controller.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADU
Application Data Unit
ASCII
American Standard Code for Information Interchange
CLP
Controladores Lógico Programáveis
CRC
Cyclical Redundancy Check
DDC
Digital Direct Control
DLL
Dynamic-Link Library
EIA
Electrical Industries Association
HDLC
High Level Data Link Control
IED
Intelligent Electronic Devices
IHM
Interface Homem-máquina
ISO
International Organization for Standardization
LRC
Longitudinal Redundancy Check
MTU
Master Terminal Unit
MV
Manipulated Variable
OSI
Open Systems Interconnection
PDU
Protocol Data Unit
PID
Proporcional Integral Derivativo
PV
Process Variable
RTU
Remote Terminal Unit
SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
SP
SetPoint
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Arquitetura típica de um sistema SCADA. Fonte: Constain (2011).......................... 4
Figura 2 – Layout geral de um sistema SCADA. Fonte: Constain (2011) ................................. 7
Figura 3 - Níveis da pirâmide de automação. Fonte: Santos (2012) ........................................ 14
Figura 4 - Destino e origem do modelo OSI. Fonte: Lopez (2000) ......................................... 15
Figura 5 – Topologias físicas, da esquerda para a direita: barramento, anel, estrela e árvore.
Fonte: Thomas, 2001. ............................................................................................................... 17
Figura 6 – Pilha de comunicação Modbus. Fonte: Modbus-IDA, 2006. .................................. 18
Figura 7 – Frame geral do protocolo Modbus. Fonte: Modbus-IDA, 2012. ............................ 22
Figura 8 – Velocidade de comunicação x comprimento do cabo RS485. Fonte: Novus, 2007.
.................................................................................................................................................. 26
Figura 9 – Transmissão do conteúdo binário no barramento RS-485. Fonte: Ribeiro, 2010. .. 27
Figura 10 – Nível de tensão no padrão RS232. Fonte: Mitsuka, 2004. .................................... 27
Figura 11 – Esquema do processo de controle de temperatura. ............................................... 29
Figura 12 – Aplicação física. Esta caixa contem todos os dispositivos necessários para o
controle de temperatura. ........................................................................................................... 30
Figura 13 – Conexões do painel traseiro do controlador. Fonte: Novus Produtos Eletrônicos.
.................................................................................................................................................. 32
Figura 14 – Ambiente de desenvolvimento de aplicações o Elipse Scada. Fonte: Elipse
Software, 2010. ......................................................................................................................... 34
Figura 15 – Árvore de classes de objetos no Organizer. Fonte: Elipse Software, 2010. ......... 35
Figura 16 – Inclusão do driver Modbus no Elipse Scada. ........................................................ 38
Figura 17 – Criação de uma tag no Elipse Scada. .................................................................... 39
Figura 18 – Gráfico do sinal de controle. ................................................................................. 40
Figura 19 – Tela principal da operação. ................................................................................... 41
Figura 20 – Malha do controlador PID. .................................................................................... 42
Figura 21 – Tela da sintonia automática do controlador PID. .................................................. 44
Figura 22 – Resposta típica de um processo a um degrau na entrada. ..................................... 45
Figura 23 – Característica da resposta ao degrau. .................................................................... 46
Figura 24 – Passo 1 do ensaio em malha aberta. ...................................................................... 47
Figura 28 – Resposta ao degrau da planta. ............................................................................... 48
Figura 29 – Tela do Ensaio em Malha Aberta. ......................................................................... 49
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ..............................................................................................................iii
EPÍGRAFE ................................................................................................................................ iv
RESUMO ................................................................................................................................... v
ABSTRACT .............................................................................................................................. vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ..............................................................................vii
SUMÁRIO ................................................................................................................................. x
1.INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 1
1.1.Descrição do Problema ......................................................................................................... 1
1.2.Justificativas ......................................................................................................................... 1
1.3.Objetivos............................................................................................................................... 1
2.SISTEMA SCADA ................................................................................................................. 3
2.1.Arquitetura de um sistema SCADA ..................................................................................... 4
2.1.1.Operador ............................................................................................................................ 5
2.1.2.Interface Homem-Máquina................................................................................................ 5
2.1.3.Estação Central ou Unidade Terminal Mestre ................................................................... 5
2.1.4.Redes de Comunicação ...................................................................................................... 6
2.1.5.Estação Remota ................................................................................................................. 6
2.1.6.Dispositivos de Campo ...................................................................................................... 7
2.1.7.Processo Físico .................................................................................................................. 7
2.2.Software de Supervisão ........................................................................................................ 8
2.2.1.Funcionalidades dos Softwares de Supervisão .................................................................. 8
2.3.Metodologias de Desenvolvimento de Sistemas SCADA.................................................. 11
2.4.Conclusão do Capítulo ....................................................................................................... 12
3.REDES INDUSTRIAIS ........................................................................................................ 13
3.1.Automação Industrial ......................................................................................................... 13
3.2.Classificação Geral das Redes Industriais .......................................................................... 15
3.3.O Protocolo Modbus........................................................................................................... 18
3.3.1.Comunicação Serial ......................................................................................................... 19
3.3.2.Descrição Geral ............................................................................................................... 22
3.3.3.Os Principais Comandos Modbus ................................................................................... 24
3.4.Hardware de Comunicação Digital..................................................................................... 25
3.4.1.RS485........ ...................................................................................................................... 26
x
3.4.2.RS232...............................................................................................................................27
4.APLICAÇÃO FÍSICA E ELIPSE SCADA .......................................................................... 29
4.1.Aplicacão Física ................................................................................................................. 29
4.1.1.CONTROLADOR PID N1200 ........................................................................................ 30
4.2.Conversor RS232 - RS485 ................................................................................................. 32
4.3.Elipse Scada........................................................................................................................ 33
4.3.1.Organizer ......................................................................................................................... 35
4.3.2.Tags..................................................................................................................................35
4.3.3.Alarmes ............................................................................................................................ 36
4.3.4.Receitas ............................................................................................................................ 36
4.3.5.Históricos ......................................................................................................................... 36
4.3.6.Relatórios ......................................................................................................................... 36
4.3.7.Drivers .............................................................................................................................36
4.3.8.Databases ........................................................................................................................ 36
4.3.9.Usuários ........................................................................................................................... 36
4.3.10.Aplicações Remotas ...................................................................................................... 37
4.3.11.Elipse Web..................................................................................................................... 37
4.3.12.Watcher .........................................................................................................................37
4.3.13.Scripts.............................................................................................................................37
5.APLICAÇÕES NO ELIPSE SCADA ................................................................................... 38
5.1.Operação ............................................................................................................................. 39
5.2.Sintonia Automática ........................................................................................................... 43
5.3.Ensaio de Resposta ao Degrau............................................................................................ 43
6.CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 51
7.REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 53
xi
1. INTRODUÇÃO
1.1.
Descrição do Problema
Atualmente há uma grande necessidade na indústria de qualidade, redução de custos,
melhor aproveitamento de mão de obra e matérias-primas. O mercado está cada vez mais
competitivo e necessita de auxilio tecnológico para suprir as carências das empresas, que
também são cobradas por mais segurança para os operários. Para isso, desenvolve-se sistemas
de controle e supervisão, os chamados sistemas SCADA, que serão abordados neste trabalho.
A proposta de realização deste trabalho veio do Professor Romeu Reginatto, que
percebeu a necessidade e importância de ferramentas educacionais de apoio pedagógico para
reforçar o aparendizagem da teoria apresentada, através do desenvolvimento deste projeto,
pois este permite a visualização de uma planta física auxiliando os alunos a compreenderem
melhor os conteúdos do curso de Engenharia Elétrica, em particular na área de sistemas de
controle.
1.2.
Justificativas
A supervisão de processos industriais possibilita a operação remota de malhas de
controle através de interfaces amigáveis. Para isto é necessário o desenvolvimento de
aplicações, através de softwares específicos, que forneçam ao operador a interface adequada
ao processo em questão.
A indústria hoje tem a necessidade de automação, pois as operações estão cada vez
mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de
regulação para permitir decisões mais ágeis, aumentar a produtividade e a eficiência do
processo produtivo. A viabilidade econômica e ambiental também é melhorada já que a
automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, além de um
melhor controle de qualidade do produto, maior utilização da planta, aumento da segurança no
ambiente de trabalho e redução no tempo e custo de manutenção (CASSIOLATO, 2012).
Este trabalho foi desenvolvido visando permitir o uso didático de um processo de
controle de temperatura com controlador PID digital.
1.3.
Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de supervisão
de processo de controle de temperatura para uso didático. Uma lâmpada ligada a um
controlador industrial PID da marca Novus, e de modelo N1200, é monitorada e ações de
controle são tomadas remotamente pelo sistema SCADA, desenvolvido usando o Elipse
Scada, da Elipse Software.
Os alunos terão este trabalho à disposição no Laboratório de Controle da UNIOESTE
para poder auxiliar no processo de aprendizagem dos diversos conceitos das áreas da teoria de
controle e sistemas de supervisão, empregando-o como base para futuros projetos.
2
2. SISTEMA SCADA
O sistema SCADA utiliza tecnologias de computação e comunicação para automatizar
o monitoramento e o controle de processos industriais (CONSTAIN, 2011). Este sistema é
parte integrante dos ambientes industriais e pode colher dados de muitas fontes com rapidez,
melhorando consideravelmente o processo industrial, pois fornece informações, monitora e
controla as variáveis do sistema, tornando mais rápida e eficiente a tomada de decisão pelos
operadores.
O termo SCADA vem do inglês “Supervisory Control And Data Acquisition”, ou
Controle Supervisório e Aquisição de Dados, e define-se como um sistema onde há
supervisão e controle de um processo produtivo ou instalação física pela troca de informações
entre uma estação central, chamada também de Unidade Terminal Mestre (em inglês, Master
Terminal Unit ou MTU) e uma ou mais unidades remotas, que são equipamentos como
controladores lógico programáveis (CLP), sensores, atuadores, etc. A aquisição de dados é
feita por esses dispositivos de campo, tornando necessária a utilização de redes de
comunicação. Os dados coletados são manipulados, analisados, armazenados e então
apresentados ao operador em multiplicidade de formas, através de uma interface amigável
(MORAES; CASTRUCCI, 2001)..
Basicamente, os sistemas de supervisão atuais oferecem três funções (VIANNA,
2008):
1. Funções de supervisão: Inclui todas as funções de monitoramento do processo tais
como: sinóticos animados, gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, relatórios
em vídeo e impressos, etc.
2. Funções de operação: Inclui a ação direta sobre os atuadores permitindo enviar
comandos como ligar e desligar equipamentos e sequência de equipamentos, operação de
malhas com controle PID, mudança de modo de operação de equipamentos, etc.
3. Funções de controle: Há dois tipos e são o Controle DDC (Digital Direct Control)
e o Controle Supervisório. O primeiro permite definir ações de controle, sem depender de um
nível intermediário de controle. Por exemplo, um algoritmo de controle, como um controlador
PID, age sobre os dados amostrados e a saída é aplicada ao processo, sem que seja necessária
a intervenção de um operador. Em casos com requisito de confiabilidade essa solução é
desaconselhável, pois depende da velocidade do processo. No controle supervisório, os
algoritmos de controle são executados pela unidade terminal remota (que está descrita logo
3
mais adiante neste capítulo), mas os set-points para as malhas de controle são calculados
dinamicamente pelo sistema de supervisão de acordo com o comportamento global do
processo. Possui maior confiabilidade que os sistemas DDC e tem a vantagem de atuar sobre
um grande número de malhas de controle simultaneamente.
Neste trabalho, as duas formas de controle podem ser aplicadas, já que o controlador
pode trabalhar em modo manual (supervisório) ou automático (DDC).
Este capítulo mostra as principais características, funções, requisitos e metodologias
para desenvolvimento e implementação dos sistemas SCADA.
2.1.
Arquitetura de um sistema SCADA
Na figura 1 está apresentado esquema da arquitetura típica de um sistema SCADA,
que está relacionada com seus componentes, e estão descritos a seguir, na Figura 1.
Figura 1 - Arquitetura típica de um sistema SCADA. Fonte: Constain (2011).
4
2.1.1. Operador
O operador humano acompanha e interage com o sistema SCADA e comanda a
execução remotamente as funções do controle supervisório. Ele deve interpretar os dados e
transformar em ações corretas.
2.1.2. Interface Homem-Máquina
A interface homem-máquina é constituída por software e hardware e seu principal
objetivo é auxiliar o operador a ter uma imagem mental fiel e operacional do processo e seus
componentes, que deve basear suas ações em uma abstração da planta real, pois ele monitora
o estado de um processo, modifica os valores de referência, e pode suspender manualmente as
operações de controle automático em casos de emergência.
A IHM é ligada com o banco de dados do sistema SCADA, assim promove registros,
visualização de diagnóstico de dados e informação de administração.
Ao projetar uma IHM deve-se ter em mente a importância de diminuir a chance de
erro do operador, principalmente nos momentos de maior demanda operacional, representar
cada parte do processo de forma única e consistente, evitar excesso de informações na tela, e
dar prioridade aos alarmes. A Interface Homem-Máquina (IHM) de um sistema SCADA deve
ser baseada em critérios ergonômicos, tendo como base os problemas de operação que já
ocorreram (MORAES; CASTRUCCI, 2001).
2.1.3. Estação Central ou Unidade Terminal Mestre
A estação central, ou MTU, é a unidade principal do sistema SCADA, e tem a
finalidade de coletar, guardar e processar os dados vindos das estações remotas para que
clientes e operadores possam requisitá-los através da IHM. É equivalente a uma unidade
mestre numa arquitetura mestre-escravo. A MTU agrupa o conjunto de dados, como entrada e
saída (I/O), históricos, alarmes, entre outros, em um Banco de Dados que normalmente está
contido no servidor. Na maioria das aplicações, é requerido que a MTU envie informações de
contabilidade ou de gestão para outros computadores ou sistemas financeiros dentro da
empresa (CONSTAIN, 2011).
A MTU pode estar centralizada em um único computador ou distribuída em uma rede
de computadores ou clientes, permitindo a partilha de informações do servidor SCADA. A
MTU também pode conter dispositivos auxiliares como impressoras e registradores.
5
2.1.4. Redes de Comunicação
A rede de comunicação é a plataforma por onde as informações fluem das estações
remotas para o sistema supervisório e vice-versa, ou ainda, entre computadores e sistemas que
estão localizados dentro da rede corporativa e, levando em consideração os requisitos do
sistema e a distância a cobrir. Esta rede pode ser implementada através de cabos Ethernet,
fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio modems, etc.
Em geral, a troca de dados é estabelecida através de protocolos de comunicação
padrão como o MODBUS nas versões RTU (Padrão serial RS232/RS485) e TCP (Padrão
Ethernet), HDLC (High level Data Link Control), e outros (BOARETTO, 2008). O tipo de
esquema de comunicação irá determinar a confiabilidade e desempenho do sistema SCADA.
2.1.5. Estação Remota
O processo de controle e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas, com a
leitura dos valores atuais dos dispositivos a que estão associados e o respectivo controle
(BOARETTO, 2008). As estações remotas podem ser classificadas em RTU, CLP e IED.
A unidade terminal remota, RTU, é um dispositivo eletrônico, frequentemente
equipado com interface de rádio sem fio, que coleta dados de campo através de suas portas de
entrada e saída analógica e digital, que são conectadas aos sensores e atuadores. A RTU
também pode controlar equipamentos, como abrir ou fechar uma válvula, ou definir a
velocidade de uma bomba. Os dados obtidos pela RTU serão enviados para a MTU utilizando
o sistema de comunicação. A RTU é especialmente indicada para situações adversas onde a
comunicação é difícil (CONSTAIN, 2011).
Os CLPs são dispositivos digitais que controlam o processo industrial e possuem uma
memória programável onde há instruções que são repassadas para as máquinas e os
equipamentos da produção industrial. São utilizados em tarefas simples e podem ser
facilmente configurados para executar várias funções, além de serem compactos.
Os dispositivos eletrônicos inteligentes, em inglês Intelligent Electronic Device (IED),
são especializados em tarefas específicas de controle, e possuem algum tipo de inteligência
local, como é o caso do controlador PID, utilizado neste trabalho. No entanto, especificamente
sobre a indústria de automação de sistemas de potência e proteção, o termo realmente veio a
existir para descrever um dispositivo versátil que tem funções de proteção elétrica, controle
avançado de inteligência local, habilidades de monitoramento e capacidade de comunicação
extensiva diretamente com um sistema SCADA (HIGGS, 1998).
6
Atualmente, nota-se uma concentração das melhores características desses
equipamentos, como a facilidade de programação e controle dos CLPs e as capacidades de
comunicação dos RTUs (BOARETTO, 2008).
2.1.6. Dispositivos de Campo
Os dispositivos de campo resumem-se basicamente em sensores e atuadores.
Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados
pelos sistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, nível de
água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os
atuadores são utilizados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados
equipamentos (SILVA, 2005).
2.1.7. Processo Físico
O processo físico é tanto o elemento que se deseja monitorar e/ou controlar quanto o
objeto da automação, onde informações deste são capturadas através de instrumentos, tanto
para o controle do processo quanto para a gerência de dados (CONSTAIN, 2011).
A Figura 2 mostra a estrutura tipica de um sistema SCADA. Esse sistema está
constituído de uma estação central, vários tipos de rede de comunicação e várias estações
remotas que são explicados subsequentemente.
Figura 2 – Layout geral de um sistema SCADA. Fonte: Constain (2011)
7
2.2.
Software de Supervisão
Um software de supervisão é constituído de um ambiente de desenvolvimento e um
programa de execução. O primeiro inclui utilidades relacionadas com a criação e edição de
janelas de aplicativos diversos e suas características (textos, desenhos, cores, propriedades de
objetos, programas, etc). O programa de execução, ou run-time, permite executar a aplicação
criada com o programa de desenvolvimento (na indústria é entregue como produto final o
run-time e a aplicação). Esse pacote também inclui os controladores ou drivers que permitem
a comunicação do software do sistema supervisório com os dispositivos de controle da planta
e com a rede de gestão da empresa (CONSTAIN, 2011).
As variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação são chamadas de
tags nos softwares SCADA, e executam funções computacionais (operações matemáticas ou
lógicas com vetores ou strings, etc) ou representam pontos de entrada/saída de dados do
processo que está sendo controlado. As tags correspondem às variáveis do processo real (ex:
temperatura, nível, vazão etc), comportando-se como a ligação entre a aplicação e o sistema.
É com a associação das variáveis do processo com as tags que os dados coletados são
apresentados ao usuário.
Os softwares de supervisão podem ser livres ou não. Há os de código aberto que
utilizam os protocolos padrões de comunicação com as RTUs e ou CLPs, possibilitando a
utilização de RTUs fornecidas por diferentes fabricantes, proporcionando uma liberdade de
escolha dos consumidores. Os que não são livres, chamados de proprietários, geralmente são
desenvolvidos para se comunicar com seus próprios equipamentos, sendo necessário adquirir
hardware e software de um só fornecedor. Isso não é uma regra, pois existam proprietários,
como o Elipse, que permitem desenvolver aplicações compatíveis com equipamentos de
vários fabricantes (HAYASHI, 2002).
2.2.1. Funcionalidades dos Softwares de Supervisão
Os sistemas SCADA dispõe de um ambiente integrado de desenvolvimento onde há
editor de gráficos, editor para banco de dados, relatórios, receitas e editor de scripts. As
principais funcionalidades estão descritas a seguir.
2.2.1.1 Configuração
São configurados protocolo de comunicação, pontos de I/O, tags, usuários, telas, etc.,
e que devem atender às necessidades da aplicação. A estrutura de telas é organizada da forma
8
mais conveniente e os usuários são classificados de acordo com sua importância, com
privilégios que definem a sua influência sobre o sistema.
2.2.1.2 Sinótico ou Interface Gráfica
Fornecem uma representação gráfica geral da planta. Permitem a elaboração de telas
de usuário com múltiplas combinações de imagens e/ou textos. Inclui o valor em tempo real
das variáveis presentes na planta e cada interface gráfica representa uma área do processo
com os principais detalhes. Para se obter uma visão mais detalhada de uma determinada área
pode-se recorrer a uma nova tela, a um sinótico de hierarquia inferior, ou a uma visão de uma
outra camada do mesmo sinótico.
2.2.1.3 Gráficos de Tendências
São gráficos X-Y dos valores das tags armazenadas que representam, de forma
simples, a evolução das mesmas, e que podem ser contínuas ou discretas em função do tempo.
Um gráfico pode conter valores de diferentes tags de forma simultânea. O período de
amostragem deverá ser escolhido de acordo com a velocidade real do processo. Nos sistemas
mais recentes, pode-se visualizar os gráficos de tendência instantânea e histórica de forma
concatenada em um único sistema de coordenadas.
2.2.1.4 Alarmes
Alarmes são usados para sinalizar algum problema e então tomar as ações apropriadas
usando scripts, ou por intervenção do operador. Este módulo está presente em todos os
sistemas SCADA. Ele recebe os eventos do processo e os registra, identificando data e hora
do evento, variável com problema, valor no momento do alarme, descrição do evento, data e
hora de normalização do evento, status do evento: normalizado ou reconhecido pelo operador.
Os eventos são armazenados podendo ser salvos em disco para análise histórica, transferido
para outro computador de maior capacidade de armazenamento ou simplesmente descartado
(MORAES; CASTRUCCI, 2001).
Uma janela de alarmes exibe os alarmes mais recentes que o operador pode solicitar
para encontrar o evento de interesse. O operador é avisado dos alarmes através de uma buzina,
música ou por um speech maker e então deve declarar que está ciente do problema.
9
2.2.1.5 Históricos
Quando se deseja armazenar valores de variáveis em disco por longos períodos de
tempo, até anos, se recorre ao registro histórico. Eles registram em arquivos todos os eventos
relevantes de operação, com data, hora, usuário e descrição do evento, além de ocorrências de
alarmes, gráficos de tendências, etc.
2.2.1.6 Relatórios
É evidente que uma das principais funções dos sistemas SCADA é a capacidade de
armazenar dados e produzir relatórios de produção ao final de um turno, dia ou mês, e são
gerados com as informações guardadas nos históricos. Os relatórios de produção demonstram
quanto uma determinada planta produziu e quanto consumiu de insumos, energia, etc. e
constituem o principal relatório de interesse gerencial. Para a área de manutenção são os
relatórios de interesse são os de monitoramento de equipamentos que informam quando cada
equipamento parou, por que e por quanto tempo. A armazenagem de um dado pode estar
vinculada a um evento e não apenas a um horário.
O usuário deve definir as variáveis que farão parte do relatório e o seu período de
amostragem, o formato e o instante de impressão.
2.2.1.7 Controle de Processo através de Scripts
Os scripts são trechos de código (programação) com os quais se podem criar
procedimentos associados a eventos específicos, permitindo grande flexibilidade no
desenvolvimento e no uso de aplicações.
Linguagens de programação de alto nível permitem programar tarefas que respondam
a eventos do sistema nos softwares de supervisão, como enviar comandos ao sistema de
controle para ligar ou desligar equipamentos em função dos valores das variáveis, e até
mesmo enviar um e-mail quando um alarme concreto for ativado.
2.2.1.8 Receitas
É possível salvar valores configurados em tempo de execução para carregá-los ao
executar a aplicação novamente, fazendo com que não seja necessário defini-los outra vez, e
isto é feito através do recurso chamado de receitas. Dessa forma, o procedimento de mudar a
configuração de trabalho de toda uma planta ficará reduzido ao simples fato de clicar um
10
botão, após confirmar os dados de acesso. O sistema SCADA envia os dados aos
correspondentes equipamentos ficando a planta pronta para as novas condições de trabalho
(RAYSARO, 2012).
2.2.1.9 Geração de Informação para Níveis Gerenciais
Esta funcionalidade permite gerar informações relacionadas a custos e produção que
auxiliem na tomada de decisões em níveis mais altos da pirâmide de automação que será
abordada no Capítulo 3. Como por exemplo, número de produtos com defeito, volumes e
taxas de produção, entre outras.
2.3.
Metodologias de Desenvolvimento de Sistemas SCADA
Para desenvolver e implementar um sistema de supervisão é necessário usar uma
metodologia onde haja integração de todas as áreas envolvidas no processo produtivo, da
melhor maneira possível. Não existe apenas uma metodologia, pois há várias propostas
diferentes. Há metodologias onde somente é considerada a IHM e outras que abrangem desde
o planejamento da arquitetura do SCADA até a realização de testes finais de funcionamento.
Constain (2011) cita alguns autores e seus métodos, que estão apresentados nos próximos
parágrafos.
Algumas metodologias, como a de Moraes e Castrucci (2001), não enfatizam o
planejamento de hardware e software, assim como os testes operacionais do sistema. Para eles
deve-se seguir as seguintes etapas: entendimento do processo a ser automatizado; tomada de
dados (variáveis); planejamento do banco de dados; planejamento dos alarmes; planejamento
da hierarquia de navegação entre telas da IHM; desenho de telas; gráfico de tendências dentro
das telas; planejamento de um sistema de segurança e escolha de uma plataforma como
Windows ou Linux.
Cábus, et al. (2004) define cinco fases de implementação: design da arquitetura do
sistema; definição dos elementos necessários que são apropriado à arquitetura dos sistemas da
planta; instalação do equipamento de comunicação e MTU; programação dos equipamentos
de comunicações, equipamentos IHM e software SCADA e por último teste do sistema como
um todo.
Segundo Reyes (2007), é necessário apenas três fases: definição, especificação e
implementação do sistema.
11
Para Constain (2011), a metodologia melhor estruturada é a proposta pela IEEE
(2008), cujo desenvolvimento do sistema requer várias etapas e provavelmente irá exigir
várias iterações por parte do projetista, onde inicialmente, deve definir-se os requerimentos
funcionais do sistema a curto e longo prazo. Posteriormente, deve realizar-se a seleção de
dispositivos de controle, a seleção da IHM (software e hardware), o desenvolvimento de telas,
a definição de requerimentos de segurança, a seleção da arquitetura e protocolos de
comunicação (interna e externa ao processo) e definição de disponibilidade de requerimentos
para funções do sistema.
Portanto, o projetista deve avaliar o sistema que irá desenvolver e escolher a melhor
maneira de fazê-lo. Isso resultará em um processo iterativo, porém será a melhor maneira de
chegar a um compromisso satisfatório.
Para o desenvolvimento desse trabalho baseou-se na proposta de Cábus, et al. (2004),
e após várias tentativas, chegou-se ao modelo julgado mais adequado.
2.4.
Conclusão do Capítulo
Neste capítulo foi apresentada a definição e funções dos sistemas SCADA, assim
como a sua arquitetura e metodologias para desenvolvê-lo. Os sistemas SCADA são
importantes para o desenvolvimento das empresas que buscam competitividade otimizando os
processos e diminuindo custos. Em particular neste trabalho, é de suma importante, pois foi
desenvolvido um sistema de supervisão de processos industriais, apresentado em mais
detalhes no capítulo 5. Também foi visto que as unidades que compõem o sistema SCADA,
notadamente a MTU e RTU necessitam de um protocolo de comunicação para que interajam
com os dispositivos do processo. As redes de comunicação é o tema do próximo capítulo.
12
3. REDES INDUSTRIAIS
3.1.
Automação Industrial
As operações industriais estão cada vez mais complexas e mutáveis, requerendo assim,
controles e mecanismos de regulação onde haja velocidade de processamento de informações,
decisões ágeis, altos níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo. Uma solução
encontrada para tal problema é a automação industrial, que consiste na aplicação de
técnicas, softwares e/ou equipamentos específicos em uma determinada máquina ou processo
industrial sem depender da intervenção humana (MARTINS; BREMER, 2002).
Algumas vantagens da automação, segundo Cassiolato (2012), são a economia de
energia, força de trabalho e matérias-primas; melhor controle de qualidade do produto; maior
utilização da planta, aumento da produtividade e a segurança operacional. A automação
permite uma otimização dos processos industriais, pois aproxima a produção real à
capacidade nominal da planta, reduzindo as horas paradas de manutenção e por falta de
matéria-prima.
As inovações tecnológicas empregadas na automação industrial permitem o controle
contínuo e discreto, alta velocidade de informações, geração de relatórios, etc. com altos
níveis de segurança das operações. Para Moraes e Castrucci (2001), sem essa informatização
as plantas industriais podem apresentar vários problemas como o número elevado de alarmes
simultâneos, vindo a dificultar a atuação do operador.
A pirâmide de automação representam os vários níveis de arquitetura da automação
industrial, e podem ser observados na Figura 3. São eles:

Nível 1: Nível de chão de fábrica, máquinas e componentes da planta, onde a
automação é realizada pelos controladores programáveis do próximo nível.

Nível 2: Neste nível se encontram os equipamentos que executam o controle
automático local das funções da planta.

Nível 3: Supervisão e otimização de processos, comumente com banco de dados que
contem informações relativas à produção.

Nível 4: Responsável pela programação e planejamento de produção, efetua controle,
agendamento e logística de suprimentos.

Nível 5: Administração de recursos da empresa. Softwares para gestão de vendas e
financeira.
13
Figura 3 - Níveis da pirâmide de automação. Fonte: Santos (2012)
A automação é dependente da tecnologia da informação e da comunicação entre
dispositivos. Esta vem integrando todos os níveis hierárquicos e podem ser combinados em
diferentes tipos, dependendo das características da aplicação.
No nível de dispositivos de campo há algumas redes industriais, como Modbus,
Profibus, Ethernet ou serial, onde os dados são transmitidos ciclicamente, sem complexidade,
com baixo custo e de forma rápida e eficaz. No segundo nível, os controladores programáveis
podem comunicar-se, e geram um grande pacote de dados e funções de comunicação. A
integração entre computadores dos diversos níveis superiores e controladores programáveis é
feita, principalmente, através de Intranet, Internet e Ethernet (IDC Technologies, 2012).
O mercado de instrumentação e automação, e que corresponde aos dois primeiros
níveis, demanda equipamentos de campo (atuadores, conversores, etc.) confiáveis, com alto
desempenho e uma grande gama de recursos para reduzir custos, variabilidade dos processos,
consumos,
além
de
melhorar
e
otimizar
os
processos.
Microcontroladores
e
microprocessadores se tornam cada vez mais uma alternativa poderosa e barata.
Autodiagnoses economizam tempo e custos de manutenção principalmente em áreas
perigosas e de difícil acesso. Assim pode-se ter uma visão geral do sistema e tomar decisões
da sala de controle a qualquer hora. Com as informações vindas do campo, pode-se gerenciar
e traçar metas de produção (CASSIOLATO, 2012).
14
3.2.
Classificação Geral das Redes Industriais
Para interligar os equipamentos de um processo com um aumento da operacionalidade
(qualidade, simplicidade e agilidade nas rotinas de operação) e redução de custos, criou-se o
conceito de rede industrial, que prevê o desenvolvimento dos processos industriais em
manutenção, expansões, precisão, rapidez de ciclos, custos na instalação, operação e
manutenção, etc.
Uma rede faz a comunicação entre estações de forma que possam trocar informações
entre si. A rede industrial, entre outras coisas, transmite informação para o controle de um
processo (LOPEZ, 2000). Deve haver um acordo mútuo sobre como os dados trocados, isto é,
o receptor deve ser capaz de entender o que o transmissor está enviando. A estrutura em que
os dispositivos comunicam é conhecida como um protocolo (IDC Technologies, 2012).
A International Standards Organization (ISO) desenvolveu o modelo de referência
OSI (Open Systems Interconnection) para padronizar os modelos adotados pelos protocolos de
rede, formado por sete camadas: aplicação, apresentação, sessão, transporte, rede, enlace de
dados e física (THOMAS, 2001). A Figura 4 a seguir ilustra a comunicação entre dois
sistemas abertos baseado no modelo OSI.
Figura 4 - Destino e origem do modelo OSI. Fonte: Lopez (2000)
A camada de aplicação é responsável diretamente pela interface entre o usuário do
computador e a rede. A camada de apresentação este encarregada de codificar e decodificar os
dados, de maneira que se tornem legíveis na camada de aplicação. Por sua vez, a camada de
sessão gerencia o estabelecimento e finalização de uma conexão entre dois computadores. Na
camada de transporte os dados são agrupados em seguimentos e fragmentados para que se
encaixem na tecnologia física da rede utilizada, além de detectar erro na transmissão e
15
retransmitir o dado perdido. Na camada de rede os dados são encaminhados na rede,
verificando a melhor rota a ser seguida. A camada de enlace traduz os dados vindos da
camada anterior em bits e prover a transferência dos dados no meio. Por fim, a camada física
é o meio em si (FILIPPETTI, 2002).
Na camada física deve-se tomar a decisão de qual será a interface entre o terminal e o
dispositivo de rede. Na Tabela 1, estão classificadas as redes industriais quanto a estas
decisões.
Tabela 1 – Classificação geral das redes industriais. Fonte: Cassiolato, 2012.
Classificação Geral
Topologia física
Barramento
Anel
Estrela
Árvore
Tipo de conexão
Ponto a ponto
Múltiplos pontos
Modo de transmissão
Transmissão serial
Transmissão paralela
Sincronização de bits
Transmissão síncrona
Transmissão assíncrona
Modo de operação
Modo Simplex
Modo Half Duplex
Modo Full Duplex
A topologia física é a estrutura física do meio de transmissão e pode ser classificada
em: barramento, onde todos os dispositivos são ligados em um mesmo barramento físico de
dados; em anel, os dispositivos são conectados em série, formando um circuito fechado; em
estrela, um concentrador se encarrega de retransmitir todos os dados para todas as estações; e
em árvore é essencialmente uma série de barras interconectadas, onde geralmente existe uma
barra central onde outros ramos menores se conectam. Estas topologias são ilustradas na
Figura 5.
16
Figura 5 – Topologias físicas, da esquerda para a direita: barramento, anel, estrela e árvore. Fonte: Thomas,
2001.
As redes são estruturadas que utilizam conexões ponto a ponto ou múltiplos pontos,
onde uma conexão do tipo ponto a ponto é uma ligação direta e exclusiva entre dois únicos
dispositivos, enquanto que a conexão de múltiplos pontos, a comunicação ocorre entre três ou
mais dispositivos (LOPEZ, 2000).
Quanto ao modo de transmissão, a comunicação serial tem transmissão de dados mais
simples, utilizando apenas um canal de comunicação com menor velocidade de transmissão,
realizando a transmissão de um único bit por vez. A comunicação paralela tem transmissão de
dados mais custosa e complexa, requerendo mais de um canal de comunicação e,
consequentemente, possui maior velocidade de transmissão, pois a troca de dados ocorre pelo
envio/recepção de vários bits a cada instante (IDC Technologies, 2012).
Quando a transmissão é do tipo síncrona, os bits de dados são enviados a uma taxa
fixa, com o transmissor e o receptor trabalhando na mesma frequência, eliminando assim a
necessidade de bits de início e parada. A transmissão assíncrona, por sua vez, utiliza bits de
início e fim e não requer um sinal de sincronização de clock separado para a recepção de
dados (LOPEZ, 2000).
Os modos de operação definem a direção dos dados. O modo simplex possibilita que a
comunicação no canal de transmissão ocorra em apenas uma direção, ou seja, só um
dispositivo transmite enquanto os outros recebem. No modo half-duplex cada dispositivo pode
enviar e receber, mas apenas um pode transmitir por vez, e o full-duplex permite que todos os
dispositivos transmitam e recebam simultaneamente (THOMAS, 2001).
Para o usuário escolher qual tipo de rede tem as maiores vantagens para a sua
aplicação deve buscar uma plataforma compatível com o maior número de equipamentos
possível. Também se deve levar em conta a interferência do ambiente industrial, as distâncias
envolvidas, função, domínio aplicável, hierarquia, confiabilidade, etc (GALLOWAY;
HANCKE, 2012).
17
3.3.
O Protocolo Modbus
Um protocolo de comunicação é um conjunto de regras, procedimentos e leis que
governam a troca de informação entre dois ou mais processos, ou seja, é a metodologia usada
para inicializar, manter ou terminar uma mensagem digital de um dispositivo sobre uma via
de dados. Tem como funções principais assegurar que as mensagens serão recebidas livres de
erros, e transmitidas para o dispositivo desejado (LOPEZ, 2000).
No meio industrial, um dos primeiros protocolos desenvolvidos para comunicação
entre dispositivos foi o protocolo Modbus, criado nos anos 70 pela empresa MODICON que
atualmente pertence ao grupo Schneider Electric. Continua sendo muito utilizado, pois é um
padrão simples e fácil de implementar e utilizado por muitos fabricantes.
As especificações e normas que definem o Modbus são de domínio público. Assim ele
é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas
a serem utilizadas na automação industrial. A Schneider Eletric ajudou no desenvolvimento
de uma organização sem fins lucrativos de usuários e desenvolvedores independentes
chamada Modbus–IDA (MODICON, 1996).
Modbus é um protocolo da camada de aplicação, nível sete do sistema OSI e pode ser
executado sobre diversos meios físicos (camada física), sendo o mais comum a interface
serial, mas existem extensões para redes Ethernet. A Figura 6 apresenta a pilha de
comunicação do protocolo Modbus, mostrando as várias opções possíveis para os níveis
inferiores da arquitetura de rede.
Figura 6 – Pilha de comunicação Modbus. Fonte: Modbus-IDA, 2006.
18
O protocolo Modbus utiliza a técnica mestre-escravo, onde um dispositivo é eleito
mestre e os demais são os escravos. O mestre sempre tomará a iniciativa na comunicação e
será programado para ler e escrever informações em todos os escravos da rede. Os escravos
ficam aguardando alguma requisição de dados e apenas respondem. Nessa resposta estão
informações requisitadas pelo mestre, confirmações de que os dados recebidos foram escritos
ou um código de erro, caso a solicitação de leitura/escrita não aconteçer. O mestre pode
acessar um dispositivo escravo de forma individual por meio de endereçamento ou enviar uma
mensagem para todos os dispositivos escravos (broadcast). O protocolo Modbus possibilita a
utilização de um mestre e até 247 escravos e a identificação destes acontece por meio de
endereçamento.
Geralmente o mestre é um sistema supervisório e os escravos são dispositivos como os
controladores lógicos programáveis (CLPs). Os papéis de mestre e escravo são fixos, quando
se utiliza comunicação serial, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir
ambos os papéis, embora não simultaneamente (SOUZA, 1999).
O Modbus não define o meio físico, e sim a estrutura dos quadros, que são dois: o
quadro de consulta e o quadro de resposta. Há um ciclo de pergunta e resposta entre mestre e
escravos que possui:

Endereço do dispositivo (1 byte): 1 a 247 ou 0 usado para broadcast;

Código da função (1 byte): Estabelece a ação a ser efetuada. 0 a 127 para
funções e 128 a 255 para informar erro na transmissão;

Bytes de dados: Informações adicionais necessárias, como endereços de memória,
quantidade de itens transmitidos ou quantidade de bytes do campo;

Verificação de erros (2 bytes): O dispositivo mestre espera uma resposta por um
determinado tempo antes de abortar uma transação (timeout) que deve durar o
suficiente para permitir a resposta de qualquer escravo. Se houver erro de
transmissão, o escravo não construirá a resposta para o mestre e este detectará um
timeout e tomará as providências programadas. É feita opcionalmente pela
paridade de cada byte transmitido e obrigatoriamente pelo método LRC
(Longitudinal Redundancy Check) ou CRC (Cyclical Redundancy Check) sobre
toda a mensagem. Esses métodos serão descritos ainda nesse capítulo.
3.3.1. Comunicação Serial
A transmissão serial é o método onde os bits são transmitidos de forma sequencial por
19
uma única linha física. Para isso, o Modbus oferece dois modos de comunicação entre os
dispositivos: ASCII (em inglês American Standard Code for Information Interchange) ou
RTU (em inglês Remote Terminal Unit). O modo de transmissão define basicamente como os
dados serão “empacotados” na mensagem. Após definir o modo de transmissão, deve-se
especificar os parâmetros de comunicação da porta serial: baud rate, paridade e stop bits. O
modo e os parâmetros de comunicação devem ser os mesmos para todos os dispositivos da
rede (Modicon, 1996).
3.3.1.1 Modo ASCII
ASCII é um código padrão americano para troca de informações. Quando os
controladores são configurados para se comunicar em uma rede Modbus utilizando este modo,
cada byte de uma mensagem é enviado como dois caracteres no padrão ASCII. Os formatos
de cada byte estão apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 – Os formatos de cada byte em modo ASCII.
Sistema de codificação
Hexadecimal, caracteres ASCII 0-9, A-F
Um caractere hexadecimal em cada caractere ASCII da
mensagem
Bits por byte
Um bit de início (start bit)
7 bits de dados, o bit menos significativo é enviado primeiro
1 bit de paridade par/ímpar ou nenhum, se não há paridade
1 bit de finalização (stop bit) se usa controle de paridade ou
2 bits se não usa
Campo de controle de
Controle de redundância longitudinal (LRC)
erro
A Tabela 3 mostra a sequência de bits no formato ASCII.
A principal vantagem desse método é permitir intervalos de até um segundo entre os
caracteres sem provocar erros, mas sua mensagem típica tem tamanho duas vezes maior que a
mensagem equivalente usando o modo RTU (COELHO, 2009).
20
Tabela 3 – Seqüência de bits no formato ASCII.
Com checagem de paridade
Start
1
2
3
4
5
6
7
Par
Stop
7
Stop
Stop
Sem checagem de paridade
Start
1
2
3
4
5
6
3.3.1.2 Modo RTU
O modo RTU, sendo binário, é mais compacto. Quando os controladores são
configurados para se comunicar utilizando o modo RTU - Unidade de Terminal Remota, cada
byte de uma mensagem contém dois caracteres hexadecimais de 8 bits. Este é protocolo usado
neste trabalho, pois não especifica a camada física e desta forma podem ser utilizados
diversos meios e velocidades, como por exemplo, RS232/RS422 (ponto a ponto) e RS485
(rede multiponto).
Para cada palavra de dados da mensagem é enviado apenas um caractere no padrão
hexadecimal. A principal vantagem do modo RTU em relação ao modo anterior é a maior
densidade de caracteres que pode ser enviada em uma mensagem, aumentando o desempenho
da comunicação. Cada mensagem é transmitida conjuntamente sem interrupção (ModbusIDA, 2012).
Os formatos de cada byte em modo RTU estão mostrados na Tabela 4. A tabela 5
mostra a sequencia de bits no formato RTU.
Tabela 4 – Os formatos de cada byte em modo RTU.
Sistema de codificação
8 bits, hexadecimal, 0-9, A-F
Dois caracteres hexadecimais em cada campo de 8 bits da
mensagem (4 para cada caractere)
Bits por byte
Um bit de início (start bit)
8 bits de dados, o bit menos significativo é enviado primeiro
1 bit de paridade par/ímpar ou nenhum, se não há paridade
21
1 bit de finalização (stop bit) se usa controle de paridade ou 2
bits se não usa
Campo de controle de erro
Controle de redundância longitudinal (LRC)
Tabela 5 – Sequencia de bits no formato RTU.
Com checagem de paridade
Start
1
2
3
4
5
6
7
8
Par
Stop
8
Stop
Stop
Sem checagem de paridade
Start
1
2
3
4
5
6
7
3.3.2. Descrição Geral
O protocolo Modbus define uma unidade simples de protocolo de dados (em inglês
PDU ou protocol data unit). O mapeamento deste protocolo em uma determinada rede pode
inserir alguns campos adicionais na unidade de aplicação de dados (em inglês ADU ou
application data unit), conforme a Figura 4 abaixo:
Figura 7 – Frame geral do protocolo Modbus. Fonte: Modbus-IDA, 2012.
A unidade de aplicação de dados é concebida pelo cliente que inicia uma transação
Modbus. O protocolo de aplicação estabelece o formato de um pedido iniciado.
O campo do código de função de uma unidade de dados Modbus, na figura acima
representada pelo quadro Function code é codificado em um byte. Os códigos válidos são de
1 a 255, ou 128 a 255 para respostas de exceção (a seção 3.3.3 apresenta alguns exemplos
válidos para códigos de função). O código de função diz ao servidor que tipo de ação deve ser
executada quando uma mensagem é enviada do cliente para o servidor. Alguns códigos de
função tem códigos de sub-função, onde se pode designar múltiplas ações a serem
acrescentadas.
No campo de dados, na figura anterior representado pelo quadro Data, as mensagens
enviadas de um cliente para os dispositivos servidores contêm informações adicionais usadas
22
para a execução da ação definida pelo código da função, como por exemplo, endereços de
pontos discretos e registradores, quantidade de itens a serem manipulados e o tamanho em
bytes do campo de dados. Este campo pode ser inexistente em alguns pedidos, onde o
servidor não precisa de informações adicionais, pois o próprio código da função especifica a
ação.
Se não houver erro relacionado ao código da função em uma ADU, o campo de
resposta do servidor para o cliente contêm os dados requeridos. Caso contrário, o campo
contém um código de exceção, onde a partir deste o servidor poderá determinar a próxima
ação a ser tomada (IDC Technologies, 2012).
3.3.2.1 Controle de Paridade
Os controladores são configurados para operar com controle de paridade par, ímpar ou
sem controle de paridade.
Caso seja especificada paridade par ou ímpar, serão contados os bits com nível 1 no
caractere. O bit de paridade será 0 ou 1 para que o caractere tenha um total par ou ímpar. Na
transmissão da mensagem, é calculado o bit de paridade de cada caractere. Se a quantidade de
bits não coincide com a configuração o dispositivo receptor provoca uma mensagem de erro.
Quando não se usa controle de paridade, é transmitido um stop bit adicional para
completar o formato de caractere 0.
3.3.2.2 Campo de Comprovação de Erro
Como visto anteriormente, as redes Modbus utilizam dois métodos de comprovação de
erro. O conteúdo do campo de comprovação de erro depende do método usado. São eles:

Controle LRC
No modo ASCII, as mensagens incluem um campo de comprovação de erro baseado
em um método de Redundância Longitudinal (em inglês LRC). O campo exclui os caracteres
de início e de finalização da mensagem.
Este campo é um byte que contém um valor binário de 8 bits. O valor de LRC é
calculado, somando os sucessivos bytes da mensagem, descartando os bits de início e é
comparado com o valor real recebido. Se os dois valores não são iguais, é produzida a
mensagem de erro.

Controle CRC
Em modo RTU as mensagens incluem um campo de comprovação de erro baseada em
23
um método de Controle de Redundância Cíclica (CRC). O campo de erro tem dois bytes,
contendo um valor binário de 16 bits. O valor de CRC é calculado no dispositivo transmissor,
e é acrescido à mensagem. O dispositivo receptor volta a calcular durante a recepção da
mensagem e compara o valor calculado com o valor real que foi recebido no campo de CRC.
Se os valores não são iguais, é gerado um erro.
3.3.3. Os Principais Comandos Modbus
Existe três categorias de códigos de função Modbus. Há os códigos de função públicos
que tem funções exclusivas e são validados pela comunidade modbus.org. Eles são
documentados de forma pública e são disponibilizados para testes de conformidade.
Também existem os códigos de função definidos pelo fabricante, onde há duas faixas
definidas: de 65 a 72 e 100 a 110 em decimal. O fabricante pode selecionar e implementar o
código de função sem qualquer aprovação da modbus.org, porém, não são totalmente
exclusivos. Caso o fabricante quiser tornar uma de suas funções pública, ele deve submetê-la
à modbus.org para registrá-la.
As principais funções estão descritas na Tabela 6.
Tabela 6 – Principais funções Modbus. Fonte: Modicon, 1996.
Código do
Descrição
comando
01
Lê um número variável de saídas digitais (bobinas)
02
Lê um número variável de entradas digitais
03
Lê um número variável de registros retentivos (saídas analógicas ou
memórias)
04
Lê um número variável de registros de entrada (entradas analógicas)
05
Força uma única bobina (altera o estado de uma saída digital)
06
Preset de um único registro (altera o estado de uma saída analógica)
07
Lê exceções (registros de erro)
08
Várias funções de diagnóstico
15
Força uma quantidade variável de bobinas (saídas digitais)
16
Preset de uma quantidade variável de registros (saídas analógicas)
24
3.4.
Hardware de Comunicação Digital
Neste tópico serão descritas as diferenças entre a comunicação serial, RS232 e o
RS485, descrita anteriormente. Também alguns detalhes de configuração, cabeamento e
terminação para estabelecer comunicações básicas.
A Electrical Industries Association (EIA) introduziu os Recommended Standards
(padrões recomendados) RS232, RS422 e RS485, que são normas que definem o desempenho
das redes de comunicações. O padrão serial RS422 não é de interesse deste trabalho e não será
discutida. A Tabela 7 abaixo é um resumo das diferenças entre os padrões RS232 e RS485.
Tabela 7 – Diferenças entre os padrões RS232 e RS285
Padrão EIA
RS232
RS485
Modo de transmissão
Simples
Diferencial
Conexões elétricas
3 fios
3 fios
Número
de
transmissor
e 1
receptor por linha
transmissor
receptor
e
1 32 transmissores e 32
receptores
Taxa máxima de dados
20 Kbits/s
10 Mbits/s
Comprimento máximo do cabo
15 m
1200 m
O padrão RS232 permite apenas um único instrumento conectado a um controlador
lógico programável usando um cabo de menos de 15m de comprimento. Já o padrão RS485
permite que um ou mais instrumentos possam ser conectados usando uma conexão de dois
fios, com cabo de até 1200m. Assim, um mestre e trinta e um instrumentos podem ser
conectados. Embora o RS485 seja comumente referido como uma conexão de dois fios, um
retorno de terra/blindagem de conexão é fornecido como uma conexão comum e, em geral,
deve ser usado para fornecer proteção adicional contra ruído. O sinal diferencial equilibra a
transmissão e é menos propenso a interferências e deve ser usado preferencialmente em
ambientes ruidosos em vez do RS232.
A maioria dos computadores pessoais fornece uma porta RS232 para comunicação
digital, então um conversor 232/ 485 é recomendado, também para quando for necessária a
comunicação com mais de 32 instrumentos no mesmo barramento (NOVUS, 2007).
Uma melhor descrição de cada padrão EIA está apresentado no próximo tópico. E é
importante lembrar que há três parâmetros que devem ser definidos para a comunicação:
25
baud-rate, que é a velocidade de transmissão; paridade, ímpar par ou sem paridade e o
endereço do escravo.
3.4.1. RS485
Este tipo de comunicação funciona em modo diferencial. Isso quer dizer que a
diferença entre as tensões na linha dirão se o mestre está transmitindo 1 ou 0. A RS485 aceita
a comunicação half-duplex e full-duplex. O modo half-duplex emprega um cabo do tipo partrançado (cabo que possui um par de fios entrelaçados um ao redor do outro para cancelar
as interferências eletromagnéticas externas e mútua) e o segundo modo, emprega dois pares
de fios (IDC Technologies, 2012).
Como discutido anteriormente, este modo de comunicação alcança grandes distâncias
de cabo. Conforme o baud-rate aumenta, o tamanho do cabo diminui, como pode-se observar
na Figura 8 a seguir:
Figura 8 – Velocidade de comunicação x comprimento do cabo RS485. Fonte: Novus, 2007.
O cabo de comunicação 485 é composto de dois fios: A e B. Quando o transmissor
fica com nível lógico alto, a linha A fica mais positiva que a B e o inverso ocorre quando o
estado inverte. Para que o receptor identifique um sinal válido, a diferença entre os terminais
A e B deve ser maior que 200 mV. Entre 200mV e –200mV o sinal não é definido. O gráfico
a seguir, Figura 9, mostra a transmissão do conteúdo binário 01001 a uma taxa de 9600 bps
no barramento RS485.
26
Figura 9 – Transmissão do conteúdo binário no barramento RS-485. Fonte: Ribeiro, 2010.
3.4.2. RS232
O padrão RS232 também especifica o uso de nível de tensão para representar os níveis
lógicos 0 e 1. Sinais com tensão entre –3 volts e –25 volts em relação ao terra são
considerados nível lógico 1, e tensões entre +3 volts e +25 volts são considerados nível lógico
0. Entre –3 volts e +3 volts o sinal é considerado indefinido (região de transição), como
visualizado na Figura10 (Novus, 2007).
Figura 10 – Nível de tensão no padrão RS232. Fonte: Mitsuka, 2004.
3.5.
O emprego de redes industriais possibilita a implementação eficiente da automação
que traz como vantagem economia, qualidade, otimização, melhor produtividade e a
27
segurança operacional na industria.
Em particular, o protocolo Modbus é um protocolo que rege a comunicação ditando
regras para que ela aconteça, pode ser empregado em vários meios e como foi feito no
trabalho, permitiu a comunicação entre o sistema de supervisão e o controlador PID.
28
4. APLICAÇÃO FÍSICA E ELIPSE SCADA
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de supervisão para
um processo de controle de temperatura. Esse processo é composto por determinados
dispositivos que serão descritos a seguir.
Nesse capítulo será apresentada a aplicação física, com os seus componentes e o
software usado para o desenvolvimento do sistema supervisório.
4.1.
Aplicacão Física
O objetivo desta aplicação é o controle de temperatura, que como em um forno, nesse
caso, a lâmpada representaria as resistências de aquecimento fazendo, portanto, o papel de
atuador do sistema físico.
O esquema do processo de controle de temperatura pode ser visto na Figura 11.
Figura 11 – Esquema do processo de controle de temperatura.
Os termopares são sensores que cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura
com uma boa precisão e baixo custo. O termopar consiste em dois condutores metálicos
diferentes e puros (ou com ligas homogêneas), unidos em uma extremidade, que quando
submetido a um diferencial de temperatura entre as suas junções, gera um sinal elétrico da
ordem de milivolts, que é proporcional à diferença de temperatura em suas extremidades. Um
termopar está junto a uma lâmpada, manda o sinal para o controlador PID, que o reenvia
através de um conversor RS232/RS485 e um cabo com dois fios para o computador (IOPE,
2013).
O controle de temperatura é realizado por um controlador PID, da marca Novus,
ligado a uma lâmpada incandescente de 100W, que através de uma saída PWM, controla a
potência fornecida à lâmpada.
O sistema supervisório, em execução no computador, recebe via comunicação serial, o
estado da planta e envia os comandos apropriados. O conversor RS232/485 permite a conexão
entre o controlador Novus, que possui uma porta padrão RS485 e o computador com uma
porta serial RS232 padrão.
29
A Figura 12 a seguir apresenta uma foto da aplicação física.
Figura 12 – Caixa da aplicação físicacontendo todos os dispositivos necessários para o controle de temperatura.
4.1.1. CONTROLADOR PID N1200
O N1200 é um controlador de processos da Novus Produtos Eletrônicos (NOVUS,
2013). Seu algoritmo de controle PID auto-adaptativo monitora constantemente o
desempenho do processo e ajusta os parâmetros PID de forma a obter sempre a melhor
resposta possível para o controle. Aceita a maioria dos sensores e sinais utilizados na indústria
e proporciona todos os tipos de saída necessários à atuação nos diversos processos.
Toda a configuração do controlador é feita através do teclado, ou pelo sistema de
supervisão, sem qualquer alteração no circuito (NOVUS, 2013).
Segundo seu manual de instruções as suas principais características são:
• Entrada universal multi-sensor, sem alteração de hardware;
• Proteção para sensor aberto em qualquer condição;
• Saídas de controle do tipo relé, 4-20 mA e pulso, todas disponíveis;
• Auto-sintonia dos parâmetros PID;
• Função Automático/Manual com transferência “bumpless”;
30
• Quatro alarmes independentes, com funções de mínimo, máximo, diferencial
(desvio), sensor aberto e evento;
• Temporização para todos os alarmes;
• Retransmissão da variável de processo ou setpoint em 0-20 mA ou 4-20 mA;
• Entrada para setpoint remoto;
• Entrada digital com 5 funções;
• Soft-start programável;
• Rampas e patamares com 20 programas de 9 segmentos, concatenáveis num total de
180 segmentos;
• Senha para proteção do teclado;
• Função LBD (loop break detector);
• Alimentação bivolt;
• Comunicação RS485.
4.1.1.1 Recursos

Seleção de entrada: O tipo de entrada a ser utilizado pelo controlador é
definido na configuração do equipamento.

Seleção de saídas e entradas digitais: O controlador possui canais de entrada
e saída (I/O) que podem assumir múltiplas funções: saída de controle, entrada
digital, saída digital, saída de alarme, retransmissão de PV (variável de
processo, que é a variável controlada) e SP (setpoint, que é a referência).

Configuração
de
alarmes:
O
controlador
possui
quatro
alarmes
independentes. Estes alarmes podem ser configurados para operar com oito
diferentes funções e é permitido três variações no modo de acionamento dos
alarmes: acionamento por tempo definido, atraso no acionamento e
acionamento intermitente.

Modo de controle: O controlador pode atuar em dois modos diferentes:
Automático ou Manual. Em modo automático, o controlador define o valor da
variável manipulada (MV) a ser aplicado ao processo, baseado nos parâmetros
definidos e com opção de duas estratégias de controle distintas, controle PID e
controle ON/OFF. No modo manual, é o próprio usuário que define este valor.
31
4.1.1.2 Conexões Elétricas
A disposição dos recursos no painel traseiro do controlador é mostrada na Figura 13:
Figura 13 – Conexões do painel traseiro do controlador. Fonte: Novus Produtos Eletrônicos.
Os recursos do painel traseiro são: saídas analógicas, entrada para o termopar, saídas a
relê, conexão RS485 e entradas e saídas digitais.
4.1.1.3 Determinação dos Parâmetros do PID
A determinação, ou sintonia dos parâmetros de controle PID no controlador pode ser
realizada de forma automática e auto-adaptativa. A sintonia automática é iniciada sempre por
requisição do operador, enquanto que a sintonia auto-adaptativa é iniciada pelo próprio
controlador, sempre que o desempenho de controle piora.
4.1.1.4 Comunicação Serial
O controlador pode ser fornecido opcionalmente com interface de comunicação serial
assíncrona RS-485 para comunicação com um computador supervisor (mestre). O controlador
atua sempre como escravo. A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, que transmite um
comando para o endereço do escravo com o qual deseja se comunicar. O escravo endereçado
assume o comando e envia a resposta ao mestre. O controlador aceita também comandos tipo
broadcast.
4.2.
Conversor RS232 - RS485
O conversor se faz necessário nesta aplicação pois o controlador PID faz a
32
comunicação no padrão RS485, que é mais usado na indústria, e o computador usa o padrão
RS232, mais usada em computadores pessoais.
O conversor tem os seguintes parâmetros de desempenho:

Características da porta serial: produtos de acesso compatíveis com
EIA/TIA RS-232, padrão RS-485.

Interface elétrica: conector do terminal fêmea RS-232, pinos com terminais
RS-485.

Modo de operação: assíncrona half-duplex.

Modo de transmissão: linha geral, par trançado ou cabo blindado.

Taxa de transferência: 300 – 115200 bps

Distância de transmissão: 5m para o terminal RS-232 e 1200m para o
terminal RS-485.
4.3.

Protocolo de Comunicação: Transparente.

Ambiente de trabalho: -10 °C a 85 °C.

Humidade relativa: 5% a 95%.
Elipse Scada
O Elipse SCADA é uma ferramenta para o desenvolvimento de sistemas de supervisão
e controle de processos da Elipse Software que alia alto desempenho e grande versatilidade,
representados em diversos recursos que facilitam e agilizam a tarefa de desenvolvimento de
diferentes aplicações. É totalmente configurável pelo usuário, permite a monitoração de
variáveis em tempo real através de gráficos e objetos que estão relacionados com as variáveis
físicas de campo. Também é possível fazer acionamentos e enviar ou receber informações
para equipamentos de aquisição de dados. Possui uma exclusiva linguagem de programação, o
Elipse Basic, sendo possível automatizar diversas tarefas a fim de atender as necessidades
específicas das empresas (Elipse Software, 2010).
A compreensão do funcionamento do Elipse SCADA é facilitada através de suas
ferramentas e sua apresentação em tela. A Figura 14 apresenta a tela principal do Elipse
SCADA quando uma aplicação está aberta, no módulo Configurador e seus elementos estão
identificados (BOARETTO, 2008).
33
Figura 14 – Ambiente de desenvolvimento de aplicações do Elipse Scada. Fonte: Elipse Software, 2010.
Os elementos identificados na figura acima são:

Barra de Título: mostra o caminho e o nome da aplicação; também o título da
tela atual mostrada na área de trabalho.

Área de trabalho: espaço onde se desenvolve a aplicação. Nessa área são
feitas edições de telas e de relatórios.

Barra de Telas: mostra o título da tela atual e permite alternar entre uma tela e
outra.

Barra de Menus: possibilita a escolha das diversas opções para a
configuração da aplicação. É através das opções de menu que podemos acessar
os recursos e funções do software.

Barra de Ferramentas: estes botões permitem a execução de determinadas
tarefas rapidamente sem usar os menus.

Barra de Status: mostra várias informações auxiliares quando se está editando
uma aplicação, como por exemplo, indicadores da ativação do teclado
numérico (NUM), letras maiúsculas (CTRL) e rolagem de tela (SCRL) e
coordenadas do ponteiro do mouse. Também mostra uma pequena descrição de
um determinado objeto, como um botão da barra de ferramentas ou um item de
menu.
34
As principais funções do Elipse SCADA estão brevemente descritas a seguir, segundo
o Manual do usuário do software, versão 2.29 de 2010.
4.3.1. Organizer
O organizer é uma ferramenta para o desenvolvimento de uma aplicação no Elipse
SCADA que permite uma visão simples e organizada de toda a aplicação, ajudando na edição
e configuração de todos os objetos envolvidos no sistema através de uma árvore hierárquica.
Os objetos da aplicação são agrupados de acordo com seu tipo: tags, telas, alarmes, receitas,
históricos, relatórios, drivers, databases, que são os principais elementos de uma aplicação.
Para expandir um ramo da árvore da aplicação, basta selecioná-lo e aparecerá seu conteúdo,
podendo assim ter disponível todas as opções de configuração desde a criação de tags até o
redimensionamento de objetos em uma tela específica.
A estrutura do organizer está apresentada na Figura 15.
Figura 15 – Árvore de classes de objetos no Organizer. Fonte: Elipse Software, 2010.
4.3.2. Tags
Os tags são todas as variáveis envolvidas numa aplicação. A supervisão de um
processo com o Elipse SCADA acontece através da leitura de variáveis de processos no
campo, chamadas tags. Deve-se associar pelo menos um tag ou atributo para cada objeto
inserido na tela. Os atributos do processo são dados fornecidos pelo Elipse SCADA sobre
parâmetros de sistema e componentes da aplicação.
35
4.3.3. Alarmes
O Elipse SCADA permite gerenciar alarmes do sistema podendo configurar sons e
mensagens de alerta e gravá-los em um arquivo.
4.3.4. Receitas
Uma receita é um conjunto de valores pré-definidos que podem ser carregados para
um grupo de tags a fim de configurar um processo específico.
4.3.5. Históricos
Permitem o armazenamento da variação dos dados de um processo ao longo do tempo,
possibilitando análises futuras. Eles podem ser gerados de forma contínua ou em bateladas
(em batch).
4.3.6. Relatórios
Relatórios permitem imprimir os dados de arquivos de históricos, alarmes ou valores
de tags em tempo real. Há quatro tipos de relatórios disponíveis: texto, gráfico, formatado e
análise histórica.
4.3.7. Drivers
O Elipse SCADA permite a comunicação com equipamentos de aquisição de dados e
com outros computadores através de drivers de E/S ou drivers de rede fornecidos pela Elipse
Software. Um documento é fornecido com cada driver contendo informações importantes a
respeito de sua configuração.
4.3.8. Databases
A opção databases possibilita criar e manipular bancos de dados dentro do Elipse
SCADA. Este objeto utiliza o padrão ODBC do Windows que efetua a manipulação do banco
de dados enviando e recebendo dados.
4.3.9. Usuários
O Elipse SCADA permite controlar o acesso a uma aplicação através de uma lista de
nomes, podendo atribuir uma senha a cada usuário e configurar níveis de segurança no
36
sistema. O usuário “Administrador” possui acesso ilimitado, enquanto os demais usuários
possuem um nível de segurança associado que permite a eles acessarem apenas as
características atribuídas ao seu nível de acesso.
4.3.10. Aplicações Remotas
As aplicações remotas são usadas quando se deseja conectar aplicações do Elipse
SCADA em computadores diferentes que estejam ligados via rede, modem ou cabo serial.
Para usar esta característica, deve-se definir uma estação servidora e outra cliente e adicionar
o driver de rede que se deseja usar em ambas.
4.3.11. Elipse Web
O módulo adicional Elipse Web permite disponibilizar as telas da aplicação na web
através de um servidor web qualquer que precisa estar instalado na máquina onde está
rodando a aplicação Elipse e esta deve ter um IP fixo caso se queira acessar a aplicação pela
Internet.
4.3.12. Watcher
O Elipse Watcher é um plug-in do Elipse SCADA que oferece captura, armazenamento
e transmissão digital de imagens, permitindo visualizar e manipular imagens dentro de uma
aplicação.
4.3.13. Scripts
Os scripts são pequenos procedimentos escritos em linguagem de programação
própria, Elipse Basic, que permitem uma maior flexibilidade nas aplicações. São sempre
associados a eventos.
4.4.
A aplicação física, apesar de simples à primeira vista, exige a integração de vários
conceitos das áreas de automação e sistemas de controle, envolvendo desde a parte física, a
comunicação até as aplicações do sistema de supervisão.
37
5. APLICAÇÕES NO ELIPSE SCADA
Neste capítulo estão apresentadas as aplicações realizadas para o processo físico. Um
sistema de supervisão, baseado em Elipse SCADA, foi desenvolvido para um processo de
controle de temperatura. O sistema de supervisão construído possui as seguintes funções:

Visualização e controle das variáveis do processo fisico;

Possui a malha de controle do sistema, onde pode-se interagir com o
controlador;

Sintonia automática do controlador PID;

Ensaio de resposta ao degrau, onde é possível determinar os parâmetros da
planta para a função de transferência e para a sintonia manual do controlador
PID, através do primeiro método de Ziegler-Nichols.
O primeiro passo que deve ser feito é incluir o driver de comunicação do protocolo
Modbus, no Elipse Scada, um arquivo de formato .dll do Modbus disponível no site da Elipse,
com mostrado na Figura 16.
Figura 16 – Inclusão do driver Modbus no Elipse Scada.
Então é necessário criar as tags. A Figura 17 a seguir mostra um exemplo para a sua
38
configuração, a tag em questão é a variável controlada (PV), que é a temperatura de saída. A
tag é criada empregando o driver como fonte de dados e no Elipse Scada ela é do tipo PLC.
Figura 17 – Criação de uma tag no Elipse Scada.
É necessário dar nome a tag e configurá-la conforme os dados do controlador PID. A
tabela de registradores do controlador está disponível para download no site do fabricante. Os
campos da tag que devem ser preenchidos são:

N1: Endereço do equipamento escravo na rede.

N2: Código da operação. Referencia uma operação de leitura ou escrita adicionada na
janela de configurações do driver.

N3: Parâmetro adicional, não usado nesse caso.

N4: Endereço do registrador ou da variável no equipamento escravo que se deseja ler
ou escrever.
Após a criação das tags, desenvolvem-se as telas. Nos próximos tópicos estão
mostradas as telas de cada experimento implementado, a saber: operação, sintonia automática
e ensaio de resposta ao degrau.
5.1.
Operação
Na tela principal desta aplicação, que pode ser vista na Figura 19, é possível ligar e
39
desligar o controle (Run), escolher o modo de operação (ModoOP), interagir com o período
de ciclo (Ct) que é o tempo de ciclo da lâmpada, temperatura desejada (SP), e sinal de
controle no modo manual (MV); visualizar a temperatura atual (PV) e observar a malha de
controle do sistema. Também há dois gráficos de tendência, o de sinal de controle e o de
temperatura (desejado e atual), e mostram a evolução destes valores em tempo real.
Ao fazer clique no bloco “CONTROLADOR PID” uma nova tela com a malha do
controlador é aberta, permitindo a interação dos seguintes parâmetros: ganho proporcional,
taxa integral e tempo derivativo. Este sinótico pode ser visto na Figura 20.
Ao fazer clique no bloco “SINAL DE CONTROLE” aparece o gráfico do respectivo
sinal de controle, que é o sinal enviado pelo controlador Novus N1200 à lâmpada. Esta tela
pode ser visualizada na Figura 18.
Figura 18 – Gráfico do sinal de controle.
40
Figura 19 – Tela principal da operação.
Figura 20 – Malha do controlador PID.
5.2.
Sintonia Automática
Esta aplicação é semelhante a anterior. Porém o objetivo aqui é usar os recursos de
sintonia do controlador PID, além das outras descritas anteriormente.
A sintonia dos parâmetros de controle PID no controlador pode ser realizada de forma
automática e auto-adaptativa. A sintonia automática é iniciada sempre por requisição do
operador, enquanto que a sintonia auto-adaptativa é iniciada pelo próprio controlador sempre
que o desempenho de controle piora.
A tela permite acompanhar a visualização dos sinais do processo e pode ser observada
na Figura 21. Estes sinais são a temperatura atual, sinal de controle e temperatura desejada.
As opções de sintonia que o controlador oferece, e seus respectivos números para sua escolha
são: 0 para desligado, 1 para sintonia automática rápida, 2 para sintonia automática precisa, 3
para sintonia precisa mais auto-adaptativa, 4 para forçar uma nova sintonia automática precisa
mais auto-adaptativa e 5 para forçar uma nova sintonia automática precisa mais autoadaptativa quando o controlador é executado ou ligado.
5.3.
Ensaio de Resposta ao Degrau
Com este experimento é possível determinar a função de transferência da planta e
levantar os parâmetros para a sintonia manual do controlador PID. Também é chamado de
ensaio em malha aberta.
Quando um processo é submetido a um degrau em sua entrada (na variável
manipulada) a resposta típica de um processo industrial a esta excitação é a da forma
apresentada na Figura 22 (BAZANELLA; REGINATTO, 2007).
Figura 21 – Tela da sintonia automática do controlador PID.
Figura 22 – Resposta típica de um processo a um degrau na entrada.
Os parâmetros característicos dessa resposta que representam o modelo do processo
são: o atraso aparente L, o ganho integral equivalente a e a constante de tempo dominante T.
Para determinar a e L é traçada uma reta tangente à curva da resposta no seu ponto de
inflexão (taxa máxima de variação da resposta). A ilustração deste procedimento está
mostrado na figura X. A constante T é definida como o tempo que a variável controlada leva
para atingir 63% de sua variação total, passado o tempo de atraso aparente (BAZANELLA;
REGINATTO, 2007).
Utilizando a e L, podemos determinar os parâmetros do controlador pelo método de
Ziegler-Nichols, conforme a tabela abaixo. K é o ganho proporcional, Ti é o tempo integral e
Td é o tempo derivativo.
Tabela 7 – Tabela de Ziegler-Nichols para o método da resposta ao degrau. Fonte: Bazanella;
Reginatto, 2007.
Tipo de
K
Ti
Td
P
1/a
-
-
PI
0,9/a
3L
-
PID
1,2/a
2L
L/2
controlador
Figura 23 – Característica da resposta ao degrau. Fonte: Bazanella; Reginatto, 2007.
Pode-se então determinar a função de transferência de ordem 1 com um atraso de
transporte para o processo:
A tela desse ensaio no Elipse Scada está ilustrada na Figura 29. Para realizá-lo é
necessário entrar com o valor do degrau de MV, que é a porcentagem de potência de saída,
como indicado na Figura 23. Então fazer clique em “INICIAR ENSAIO”. Esta opção inicia o
ensaio, o tempo de mesmo começa a ser contado e sendo necessário esperar a acomodação da
temperatura como indicado na Figura 24. É necessário esperar a acomodação da temperatura
como indicado na Figura 25. O quarto passo, após esperar a temperatura acomodar, consiste
em fazer clique em “PARAR ENSAIO”, assim o tempo de ensaio pára e a planta é desligada.
Por fim, basta fazer um duplo clique no gráfico de temperatura, onde será aberto o histórico
de MV e PV e graficamente levantar os parâmetros L, a e T. A tela deste ensaio é a da Figura
28.
Nos ensaios realizados chegou-se ao resultado mostrado na Figura 28, aplicando um
degrau de 20%.
46
Figura 24 – Passo 1 do ensaio em malha aberta.
47
Figura 28 – Resposta ao degrau da planta.
A pena vermelha é PV e a azul pontilhada é MV. A temperatura estabilizou por volta
dos 67°C. Os valores aproximados dos parâmetros segundo a análise do gráfico foram: L= 2s,
T= 540s e a= 0,55°C/%. Logo, temos: K= 2,2°C, Ti= 4s e Td= 1s.
Assim, a função de transferência de malha aberta da planta é:
5.4.
Pode-se perceber através destes experimentos o quão útil é um sistema de supervisão.
Um operador pode ficar ciente dos problemas de uma indústria com uma extensão
relativamente grande sem precisar estar no local em que este problema ocorre. Além de tomar
48
Figura 29 – Tela do Ensaio em Malha Aberta.
conhecimento, ele ainda pode tomar uma decisão para solucionar o problema. Os recursos do
Elipse SCADA e do controlador facilitam muito a operação da planta.
Os experimentos foram desenvolvidos para que fossem os mais didáticos possíveis
para alunos que não têm experiência com sistemas de supervisão. A aplicação de operação foi
feita utilizando os recursos oferecidos pelo controlador Novus. As informações foram
coletadas através da rede de comunicação e apresentadas na tela do Elipse SCADA. A
aplicação de sintonia automática foi desenvolvida a partir da aplicação em malha aberta de
modo a permitir obter automaticamente melhores parâmetros para o controlador. O modo
manual possibilita realizar o ensaio de resposta ao degrau e levantar a função de transferência
da planta.
Com esses experimentos é possível propiciar ao aluno de engenharia elétrica recursos
didáticos para reforçar os conhecimentos teóricos obtidos nas aulas de disciplinas das áreas de
controle e automação, em particular, os métodos de levantamento dos parâmetros de planta de
temperatura, sintonia de controladores PID e interação com sistemas de supervisão.
6. CONCLUSÃO
A competitividade do mercado atualmente traz o benefício da busca constante por
melhoras nos sistemas industriais. A automação otimiza o processo de produção durante todas
as suas etapas. Os sistemas SCADA tornam a supervisão dos sistemas automatizados possível
e permitem uma programação mais simplificada e de fácil manutenção e correção. Além
disso, outra parte fundamental para a automação industrial são as redes de comunicação, onde
a troca de dados através de um meio físico e um protocolo para ditar as regras da
comunicação são necessários a fim de que todos os dispositivos se entendam, permite a
integração de diversos componentes e dispositivos de campo de fabricantes diferentes. A
informação de tais dispositivos pode então ser enviada aos elementos inteligentes de mais alto
nível em um sistema automatizando. Há várias maneiras de realizar a transmissão de dados,
sendo necessário a escolha daquela que melhor parece para cada aplicação, de acordo com
requisitos como velocidades de transmissão, distâncias entre emissores/receptores ou custos
associdados à implantação e manutenção de tais sistemas.
A planta também necessita de dispositivos secundários para funcionar adequadamente,
como conversores de padrões EIA, o que se faz necessário neste trabalho, já que a troca de
dados entre computador e controlador são diferentes.
Também no contexto desse trabalho, o Elipse Scada foi uma ferramenta
computacional adequada, pois, além dos vários recursos disponíveis, mesmo na versão demo,
disponível gratuitamente no site da empresa, foi possível a realização deste trabalho.
Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios. A função de tranferência da planta
pode ser obtida através do ensaio em malha aberta e também os parâmetros para sintonia do
controlador PID através do método de Ziegler-Nichols. Pode-se modificar a vontade os
ganhos do controlador, como comumemente empregada em aulas de laboratório, pois é
possível voltar a sintonizar o controlador automaticamente bastando escolher a opção do
método desejado. Além, é claro, de interagir com a planta mudando as variáveis e
visualizando a evolução delas em tempo real.
As aplicações desenvolvidas no Elipse SCADA foram feitas de modo que seja
possível que um aluno que esteja cursando disciplinas na área de sistemas de controle possa
interagir com o sistema de supervisão sem grandes dificuldades. Além disso, o fácil
entendimento das telas também é outra importante contribuição dos sistemas de supervisão
desenvolvidos a serem deixados para a universidade, onde professores podem utilizar o
sistema físico e de supervisão para auxílio na didática dos conteúdos ministrados.
51
A partir daqui, fica a sugestão de trabalhos futuros para que este trabalho continue e
seja melhorado, como aumentar os recursos do sistema supervisório e a inclusão de mais uma
planta.
52
7. REFERÊNCIAS
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BAZANELLA, A. S. ; REGINATTO, R. Controlador PID: estruturas e métodos de sintonia.
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