Uma visão atual sobre os sistemas heterogêneos na Automaçao

24/08/2013 09:07
 


 

Para entender melhor o que são os sistemas heterogêneos, vamos dar uma rápida olhada na história dos Sistemas de Automação Industrial do ponto de vista das tecnologias empregadas e sua associações. Até praticamente o final da década de 50, a automação industrial, em sua grande parte, era implementada usando sistemas pneumáticos e eletromecânicos, que ofereciam baixa precisão e confiabilidade. A crescente competitividade na indústria já era naquela época a mola mestra para a busca de sistemas mais eficientes, mais confiáveis e mais baratos. Havia então uma enorme oportunidade para que os primeiros equipamentos eletrônicos pudessem revolucionar o cenário da automação industrial. E isso aconteceu rápido: ainda no início da década de 70 já surgiam os primeiros transmissores eletrônicos, muito mais compactos, rápidos e funcionais.

Através de sinalização analógica, por tensão ou corrente (0-10 V, 0-20 mA), os primeiros equipamentos de campo eletrônicos se interligavam a controladores analógicos que executavam os algoritmos necessários, do tipo P, PI ou mesmo PID. Esses controladores eram compostos basicamente de entradas e saídas analógicas cuja programação era feita por jumpers de fio. As características de controle eram modificadas através da alteração de componentes eletrônicos como resistores e capacitores. Lógica discreta era implementada basicamente pela combinação de chaves e relés em enormes gabinetes.

 

Breve histórico da automação industrial

1925: Controlador-registrador industrial.

1928: Amplificador operacional pneumático.

1930: Controlador pneumático com ação PI.

1933: Válvula de controle proporcional.

1940: Controlador PID analógico.

1943: Interface Homem-Máquina gráfica.

1945: Sensor de ponto de condensação.

1946: Instrumentação eletrônica.

1948: Transmissor pneumático de pressão diferencial.

1954: Medidor de vazão magnético.

1955: Cromatógrafo para gás.

1962: Sistema de aquisição computadorizado.

1964: Sistema de controle totalmente digital.

1965: Sistema de controle computadorizado para batelada.

1967: Software de configuração orientado a objetos (blocos).

1971: Sistema de controle com arquitetura híbrida (analógico e discreto).

1972: Comunicação digital serial.

1986: Sistema de controle aberto com gerenciamento de objetos.

1987: Comunicação baseada em objetos.

1988: Transmissor inteligente totalmente digital.

1994: Transmissores digitais Fieldbus.

1996: Integração de sistemas de automação com ERP.

1999: Sistemas de automação usando ETHERNET.

2000: Controlador multivariável baseado em blocos funcionais.

2001: Sistema unificado com tecnologias heterogêneas.

2002: Sistema de gerenciamento de equipamentos via Internet.

2003: Sistemas baseados na ISA S95.

 

A sofisticação dos processos demandava sistemas de controle cada vez mais rápidos e flexíveis. O primeiro Controlador Lógico Programável digital que se tem notícia surgiu em 1968. Possuía cerca de 4 kbytes de memória (isso mesmo, 4098 bytes apenas!) e executava apenas algumas operações lógicas numa velocidade bem baixa.

A partir da década de 80 o padrão de comunicação analógica 4-20 mA (ANSI/ISA-50.1-1982) se estabeleceu como principal forma de conectar equipamentos de campo, tanto transmissores como atuadores, a controladores centralizados. Cada controlador implementava uma ou mais malhas de controle locais, além de funções lógicas. Era bastante comum encontrarmos painéis com centenas de controladores empilhados. Praticamente, não havia forma de supervisionar todas as variáveis de processo de todos eles em um único local. Os operadores se perdiam em meio a pilhas de indicadores e documentos. A energia consumida também era enorme.

A revolução na Informática rapidamente alcançou a automação industrial. Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCDs) foram estrelas na década de 80. Através do uso de computadores pessoais com cartões de E/S dedicados, a automação experimentou uma evolução jamais vista. Sistemas escaláveis podiam atender desde pequenas usinas de açúcar até mesmo grandes petroquímicas. A supervisão das variáveis de processo era feita através de supervisórios dedicados, específicos de cada sistema. Interoperabilidade era uma palavra ainda por ser inventada.

Os sistemas eram pacotes fechados onde se celebrava um casamento entre o usuário e seu fornecedor. Não havia absolutamente opção de mesclar produtos equivalentes de diferentes fabricantes em uma mesma aplicação. Enquanto o mercado permitiu, esse tipo de sistema foi largamente utilizado, misturando diferentes tecnologias proprietárias, que foram as sementes para os primeiros protocolos digitais.

Novamente a pressão por eficiência, demanda e menor custo obrigou os fabricantes a buscarem novas soluções para os novos problemas de seus clientes. Além disso, a massificação dos equipamentos 4-20 mA provocou a primeira onda de demanda por sistemas interoperáveis. Qualquer transmissor de pressão, com uma saída de 4-20 mA, poderia ser usado na malha de qualquer controlador. O usuário não estava mais obrigado a comprar apenas equipamentos do fornecedor A ou B. Os transmissores eletrônicos usando microcontroladores levavam mais e mais funções (figura 1), tornando a concorrência cada vez mais acirrada.

 

Figura 1 - Primeiro transmissor inteligente de pressão diferencial fabricado no Brasil, em 1988.

 

O surgimento da comunicação HART em meados da década de 80 realmente marcou o início de um movimento sem volta em direção aos protocolos digitais de comunicação, dos quais se destaca atualmente o Foundation Fieldbus (FF). No início da década de 90 surgiu a norma IEC/ISA SP50. Alguns fabricantes, antecipando a demanda por interoperabilidade, formaram dois consórcios propondo soluções tecnicamente bem distintas para implementar essa norma: o WorldFIP e o ISP. Em 1994, os dois grupos somaram esforços e criaram a Fieldbus Foundation.

A partir de então novas tecnologias surgiram. Cada qual reclamava para si o título de Fieldbus, pretendendo resolver os problemas de automação em qualquer planta. Não foi bem assim. Cada tecnologia tem seu nicho de aplicação, e apenas algumas sobreviveram, dentre as quais podemos destacar as seguintes:

 

MAIS VOLTADAS PARA CONTROLE DE PROCESSO CONTÍNUO:

 

 

- Foundation Fieldbus: Seja em sua versão H1 (31,25 kbps) ou HSE (100 Mbps) é bem mais que um protocolo de comunicação digital. A tecnologia FF especifica uma arquitetura de controle distribuída em equipamentos conectados em rede local, com uma linguagem de descrição de aplicações baseada em blocos, além de outras características bem particulares. Os equipamentos de campo possuem capacidade de controle e dividem o processamento dos algoritmos entre si. A tecnologia FF está presente hoje em praticamente todos os segmentos, desde indústria alimentícia até plataformas de petróleo.

 


Profibus PA: Surgiu na Europa, onde ainda hoje é seu principal mercado. É baseada na comunicação digital H1 (31,25 kbps) entre equipamentos de campo e controladores programáveis centralizados. Os equipamentos de campo não possuem capacidade de controle. São, em geral, apenas sensores ou atuadores de variáveis analógicas como pressão ou densidade. Está em crescimento no Brasil, sendo bastante usada atualmente em mineradoras e indústrias químicas.

 


4-20 mA + HART: Ainda hoje é a tecnologia predominante quando se fala em instrumentação de campo para variáveis analógicas (pressão, temperatura, nível, vazão, etc.). Os equipamentos transmitem ou recebem uma variável principal através do sinal analógico de corrente. A comunicação digital HART (1200 bps) é usada basicamente para configuração, diagnóstico e manutenção. Podemos encontrar equipamentos HART em praticamente todas as indústrias onde há controle de processos.

 

ESPECIALIZADAS EM AUTOMAÇÃO DE MÁQUINAS




DeviceNet: Baseado na camada física CAN (500 kbps), é uma tecnologia voltada para sensores e atuadores discretos e analógicos. Possui um modelo de objetos bastante sofisticado. Em sua versão Ethernet, chamada Ethernet/IP, é uma das tecnologias que mais cresce atualmente. DeviceNet está presente hoje na maioria das indústrias onde há automação de E/S discreta.




Profibus DP: Rede de alta velocidade (12 Mbps) para sensores e atuadores discretos. Funciona como backbone para os equipamentos Profibus PA. Em conjunto com a rede Profibus PA, é bastante usada na indústria de papel e celulose e está em crescimento no Brasil.

 



AS-i: A sigla vem de Interface-Atuador-Sensor. É uma rede digital para sensores e atuadores discretos onde a regra é a simplicidade. A comunicação digital é bastante rápida (166,67 kbps), a interconexão dos equipamentos é fácil, praticamente não necessitando de configuração, visto que os equipamentos são plug’n’play. É uma das redes mais utilizadas para automação de máquinas na indústria de bebidas e embalagens.

 

REALIDADE DOS PROJETOS ATUAIS

A realidade dos projetos de automação hoje é bem diferente do que era há 10 anos: os processos são cada vez mais sofisticados, com centenas de variáveis analógicas e milhares de pontos discretos. Isso tudo dividido em áreas classificadas, áreas remotas, torres, fornos, interior de máquinas. Há plantas modernas que reúnem requisitos bastante variados no mesmo projeto. Para resolver todos os desafios desse tipo de projeto não há panacéia. A combinação de tecnologias é inevitável, seja por força de viabilidade econômica ou técnica.

 

INTEROPERABILIDADE E INTEGRAÇÃO

Um dos maiores problemas encontrados em um sistema de automação heterogêneo é fazer com que todos os equipamentos e softwares envolvidos troquem informações entre si de forma eficiente, sendo muitas vezes produzidos por diferentes fabricantes e baseados em tecnologias tão diferentes como 4-20 mA ou FF.

 

Figura 2 - Controle de processos contínuos ou em batelada.

 

Por exemplo, o controle de processos contínuos ou em batelada (figura 2) pode ser resolvido de forma bastante eficiente com as tecnologias Foundation Fieldbus H1 e HSE, enquanto que para intertravamento e automação de máquinas a melhor solução para uma dada planta pode ser DeviceNet. Uma característica muito importante requerida do sistema é que as duas redes possam trocar informações entre si de forma eficiente. Mais ainda, algumas vezes se torna necessário que equipamentos e sensores nas duas redes troquem informações entre si diretamente. Outras combinações de protocolos estão se tornando cada vez mais comuns, incluindo HART, DeviceNet, Profibus DP e PA, Modbus, AS-i etc.

 

CONVERGÊNCIA ENTRE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DISCRETA E PROCESSO

Automação discreta é um termo mais relacionado ao controle lógico com variáveis discretas (liga/desliga) executado em máquinas. Tipicamente, este tipo de controle demanda um grande número de pontos de entrada ou saída (E/S) e ciclos de execução bem curtos, da ordem de milissegundos. Tomemos como exemplo uma máquina de envasar refrigerante, que precisa mover a garrafa até a posição correta, prendê-la, enchê-la com o produto, colocar a tampa, imprimir o lote e validade, etc. Esse tipo de tarefa tradicionalmente envolve operações lógicas executadas em alta velocidade por um Controlador Lógico Programável (CLP).

O controle de processos está relacionado geralmente à transformação, contínua ou em lote, de matérias-primas em produtos, o que geralmente envolve reações químicas como, por exemplo, a fabricação de detergentes ou refino de petróleo. Esse tipo de controle remete ao uso de variáveis analógicas como temperatura, pressão, pH, nível, vazão, temperatura, etc. Em geral, o controlador mais usado é o PID (Proporcional Integral Derivativo), executado em CLP ou equipamentos dedicados. O número de variáveis não é tão grande quanto no controle discreto e os ciclos são em geral maiores, de centenas de milissegundos. A grande demanda por flexibilidade (comentada anteriormente) exige que os dois tipos de aplicação, controle discreto e contínuo, estejam integradas de forma transparente em um mesmo sistema.

 

E/S GLOBAL: ABSTRAINDO AS TECNOLOGIAS DE UM SISTEMA HETEROGÊNEO

Os sistemas mais modernos disponíveis atualmente utilizam o conceito de E/S global que permite ao usuário máxima flexibilidade na construção e manutenção de sua aplicação de controle e, ao mesmo tempo, mínimo esforço na configuração dos equipamentos. O conceito de E/S global lança mão da tecnologia de blocos funcionais para permitir que qualquer controlador acesse quaisquer pontos físicos de E/S disponíveis na planta. Não importa em que equipamento os pontos estão fisicamente implementados.

Tomemos como exemplo uma lógica que utiliza 8 sensores de proximidade e 4 válvulas ON-OFF. Temos no total 12 pontos de E/S discretos, 8 de entrada para os sensores e 4 de saída para os atuadores, que são mapeados respectivamente em 8 blocos funcionais do tipo DI e 4 do tipo DO. AO implementar essa automação, os equipamentos disponíveis eram apenas sensores discretos e optou-se por usar 1 cartão de 8 entradas e outro de 8 saídas, acessados através do barramento paralelo de um CLP.

Ao longo dos anos a planta teve necessidade de ser ampliada e os sensores discretos usados já não atendiam mais as especificações de instalação e performance. Foi necessário então trocar os sensores e atuadores por versões usando protocolos digitais, tais como DeviceNet, Profibus DP ou mesmo AS-i. Dessa forma, um único cabo poderia interligar todos os sensores e atuadores do campo até o CLP na sala de controle.

Através da tecnologia de E/S global, basta que o usuário configure os blocos funcionais e sua lógica para que acessem os pontos físicos agora presentes na rede digital. Não há necessidade de configurar uma nova lógica de controle. Da mesma forma, através de E/S global, diferentes CPUs conectadas através de uma rede local Ethernet podem trocar informações de E/S locais, como se a LAN fosse um grande e único backplane digital (figura 3). É claro que há limitações: a rede Ethernet como conhecemos não é determinística, embora possa apresentar tempos de resposta suficientes para aplicações de controle severas.

 

Figura 3 - E/S global: abstração do hardware facilita configuração, manutenção e evolução do sistema.

 

INTEGRAÇÃO ENTRE A REDE CORPORATIVA E A REDE INDUSTRIAL

A convergência entre as redes industriais e a rede corporativa é conhecida também como Enterprise Network. Entenda-se por rede corporativa a rede local que temos no escritório e suporta a parte “administrativa” da empresa. Na integração com a rede industrial que está no chão de fábrica, tecnologias como OPC UA, FDT e Web Services desempenham hoje papéis fundamentais, influenciando muitas vezes na escolha dos sistemas empregados.

O objetivo de todo fabricante ao desenvolver um sistema moderno baseado em normas abertas é permitir que seu produto seja interoperável com produtos de outros fabricantes. Isso é uma vantagem real para o usuário, que pode combinar produtos de diferentes fabricantes da forma que lhe for mais conveniente moldando a solução final de acordo com suas necessidades. A rede Ethernet desempenha um papel fundamental nessa integração. Entretanto, é necessário melhorar as características de determinismo da rede para que os requisitos de velocidade e operação em tempo real sejam atingidos. Uma das possíveis soluções é introduzir uma camada adicional entre a MAC/PHY Ethernet e a camada de aplicação. A tecnologia FF HSE tem exatamente esse propósito.

 

A TECNOLOGIA FOUNDATION FIELDBUS HIGH SPEED ETHERNET

Veja na figura 4 as abstrações da tecnologia FF comparando com as 7 camadas do modelo OSI.

 

Figura 4 - Camadas FF HSE x camadas modelo de referência OSI.

 

As principais características da rede FF HSE são:

Uso de produtos Ethernet 100 Mbps de prateleira;

Tempos de resposta previsíveis entre 1 e 5 ms;

Conectividade plug’n’play e interoperabilidade;

Suporte a arquitetura híbrida para batelada, controle contínuo e manufatura.

 

Exemplos de integração na rede HSE

Na figura 5 há um exemplo para o modelo de integração HSE apresentado: uma rede HART, uma rede FF H1, uma rede com atuadores Profibus DP, outra com equipamentos de campo Profibus PA, uma rede DeviceNet e uma rede Modbus RTU. Todas essas redes podem trocar dados entre si e são acessadas através das aplicações rodando de forma distribuída nos equipamentos da rede HSE.

Através de uma única plataforma de configuração, manutenção e supervisão o usuário tem acesso a todos os equipamentos de campo, não importa em qual tecnologia ou protocolo de comunicação o equipamento foi desenvolvido. Fica claro dessa forma que o investimento em treinamento dos operadores do sistema é significativamente reduzido. Os procedimentos de atualização de software também são facilitados.

A integração com outros sistemas é bastante simplificada, uma vez que a visibilidade dos equipamentos desde o chão de fábrica até a intranet é total. Prover esse acesso de forma segura e controlada é um requisito fundamental. A comunicação padronizada dos aplicativos com os equipamentos através de servidores OPC é uma peça fundamental no cenário proposto. A configuração unificada através de tecnologias como FDT também começa a ser mais explorada na prática.

 

Figura 5 – Sistema heterogêneo baseado em backbone 100 Mbps (FF HSE) com equipamentos Foundation Fieldbus HART, Profibus, DeviceNet e Modbusv

 

 

Matéria originalmente publicada na revista Mecatrônica Atual; ano 4; n° 21; Abril / Maio - 2005

 

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