2.3 - Sistema Supervisório e IHM

SISTEMA SUPERVISÓRIO

E IHM

ATUALIZAÇÃO TECNOLÓGICA EM MECATRÔNICA


E IHM


CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNIRobson Braga de AndradePresidente

DIRETORIA DE EDUCAÇÃO E TECNOLOGIARafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor de Educação e Tecnologia

SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

Conselho Nacional

Robson Braga de AndradePresidente

SENAI – DEPARTAMENTO NACIONALRafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor-Geral

Gustavo Leal Sales FilhoDiretor de Operações


E IHM


SENAIServiço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional

SedeSetor Bancário Norte . Quadra 1 . Bloco C . Edifício Roberto Simonsen . 70040-903 . Brasília – DF . Tel.: (0xx61)3317-9190 http://www.senai.br

© 2014. SENAI – Departamento Nacional

© 2014. SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul

A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul.

Esta publicação foi elaborada pela equipe da Gerência de Desenvolvimento Educacional – GDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD, do SENAI do Rio Grande do Sul, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância.

SENAI Departamento NacionalUnidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP

SENAI Departamento Regional do Rio Grande do SulGerência de Desenvolvimento Educacional – GDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD

S491 Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional Sistema supervisório e IHM / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional; Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. – Porto Alegre: SENAI-RS, 2014. 35 p.: il. (Atualização Tecnológica em Mecatrônica).

1. Mecatrônica. 2. Sistema supervisório. 3. Interação Homem-Máquina. 4.IHM. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - Departamento Regional do Rio Grande do Sul. II. Título. III. Série.

CDU – 681.51

Responsável pela Catalogação na Fonte: Lidiane Marques Gomes CRB-10/2257

1 Introdução ........................................................................................................................................................................6

2 Sistema Supervisório.....................................................................................................................................................72.1 Descrição ..........................................................................................................................................................72.2 Componentes de um Sistema Supervisório ........................................................................................9

2.2.1 Redes do sistema de supervisão .........................................................................................102.2.2 Estações de um sistema supervisório ................................................................................122.2.3 Módulos de um sistema supervisório ...............................................................................13

2.3 Funções dos Sistemas de Supervisão ..................................................................................................142.4 Linguagens de Aplicação .........................................................................................................................22

2.4.1 Variável simples (analógica) ..................................................................................................232.4.2 Variável simples discreta (digital) ........................................................................................232.4.3 Variáveis compostas .................................................................................................................242.4.4 Totalizador ...................................................................................................................................242.4.5 Controlador PID .........................................................................................................................242.4.6 Equipamentos do sistema .....................................................................................................252.4.7 Sequência ou grupo .................................................................................................................262.4.8 Cálculos ........................................................................................................................................26

3 IHM ....................................................................................................................................................................................283.1 Interfaces Alfanuméricas ..........................................................................................................................283.2 Interfaces Gráficas ......................................................................................................................................293.3 Comunicação do IHM com o Controlador ........................................................................................303.4 Comunicações em Rede – Fieldbus ......................................................................................................303.5 Comunicações em Nível Superior de uma Rede Fieldbus ...........................................................313.6 IHM com I/Os ou Redes Fieldbus Incorporadas ...............................................................................313.7 Especificando uma IHM ............................................................................................................................323.8 Comparativo entre IHM e Supervisório...............................................................................................33

Referências ...........................................................................................................................................................................35

Sumário

Introdução

1

Os sistemas supervisórios e as IHMs surgiram da necessidade de uma interface amigável (eficiente e ergonômica) que possibilitasse a supervisão e o controle centralizado de sistemas automatizados em plantas industriais.

Conheceremos, ao longo dos capítulos, um dos melhores sistemas industriais de gerenciamento, o sistema supervisório ou SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition), que propicia uma interface de alto nível do operador com o processo, informando-o, em tempo real, de todos os eventos de importância da planta.

Estudaremos, ainda, a Interface Homem-Máquina (IHM) que, com a grande difusão dos Controladores Programáveis (CPs), surgiu para atender as necessidades dos usuários e permitir interações sem a obrigatoriedade de conectar-se a um computador para a execução de determinadas tarefas.

Sistema Supervisório

2

Estudaremos, neste capítulo, um sistema de monitoramento e controle de plantas industriais, conhecido como sistema supervisório ou simplesmente SCADA. Vamos aprender a planejar um sistema eficiente. Conheceremos seus componentes, compostos por redes, estações e módulos. E, por fim, veremos as diversas funções e linguagens aplicadas a este excelente sistema de gerenciamento industrial.

2.1 DESCRIÇÃO

Os sistemas supervisórios fazem o monitoramento e operação de plantas industriais e sequencialmente gerenciam as variáveis de processo. Podem ser denominados SCADA e possuem diversas configurações de modo que possam atender a uma pequena unidade de produção ou a grandes áreas industriais. Esse sistema de controle integra os sistemas lógicos da automação.

Os primeiros supervisórios permitiam somente informar periodicamente o estado do processo industrial, por meio de painéis de lâmpadas e indicadores. Atualmente, os sistemas supervisórios de automação industrial utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar o monitoramento e controle dos processos industriais.

Esses sistemas industriais coletam dados do processo, muitas vezes em ambientes complexos, eventualmente afastados geograficamente. E, por meio de remotas industriais, principalmente CPs, formatam esses dados e os apresentam ao operador em uma multiplicidade de formas, com recursos gráficos elaborados e conteúdo multimídia.

O objetivo principal desses sistemas é propiciar uma interface de alto nível do operador com o processo, informando-o, em tempo real, de todos os eventos de importância da planta, conforme observamos na Figura 1, a seguir:

MECATRÔNICA INDUSTRIAL8

Figura 1 - Sala de controle com supervisório.Fonte: SENAI-RS.

Para realizar o planejamento de um sistema supervisório devemos conhecer as nove etapas desse processo, conforme descritas no Quadro 1.

ETAPA PROCESSO DESCRIÇÃO

Etapa 1 Entendimento do processo a ser

automatizado

O que deve ser feito? Detalhar as etapas e dar nomes precisos.

Etapa 2 Tomada de dados (variáveis) Dados essenciais, sistema conciso, limites de escala, etc.

Etapa 3 Planejamento do banco de dados Tamanho do banco, dados que devem ser armazenados. Fluxos

do processo ou diagramas de instrumentação da planta. Lista

de endereços dos dados ou endereços de registradores no CP.

Lista de alarmes.

Etapa 4 Planejamento dos alarmes Condições de acionamento dos alarmes. Escolha e notificação

dos operadores. Envio de mensagens. Providência de ações.

Etapa 5 Padronização de telas Telas que fornecem progressivamente detalhes das plantas

e seus constituintes à medida que se navega por meio do

aplicativo.

Etapa 6 Desenho de telas Ser consistente no uso de símbolos e cores. Ser consistente nos

nomes de botões. Clareza de entendimento. Padronização para

garantir a consistência.

Etapa 7 Gráficos dentro das telas Analisar tendências de processo. Monitorar a eficiência da

produção. Arquivar variáveis de processo para garantir a

conformidade com leis federais ou outras regulamentações.

Etapa 8 Planejamento de um sistema de segurança Restrição de acesso a pessoas.

Etapa 9 Padrões industriais de desenvolvimento Padrão Windows.

Quadro 1 - Planejamento de um sistema supervisório.Fonte: SENAI-RS.

2 SISTEMA SUPERVISÓRIO 9

2.2 COMPONENTES DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO

Os sistemas supervisórios apresentam vários elementos em sua estrutura, desde um simples sinal gerado por um equipamento em campo, até a fase final, quando os dados são disponibilizados ao operador em uma estação de trabalho (IHM). As informações, que são a troca de dados entre as estruturas físicas de comando em um ambiente de rede, possibilitam ao operador do sistema gerenciar ou manipular as variáveis do processo. Essas informações são guardadas e atualizadas continuamente em bancos de dados locais ou remotos, para fins de registro histórico.

Os componentes físicos de um sistema supervisório podem ser: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e estação de monitoração central, conforme veremos a seguir.

Sensores e atuadores

Sensores e atuadores são dispositivos acoplados aos componentes, controlados e monitorados pelos sistemas supervisórios. Esses componentes convertem parâmetros físicos (pressão, velocidade, nível ou temperatura) para sinais analógicos ou digitais, transmitidos à estação remota. Os atuadores são componentes utilizados para atuar sobre o sistema, acionando ou desacionando determinados equipamentos da planta industrial.

Rede de comunicação

Rede de comunicação é a plataforma por meio da qual as informações são transmitidas dos CPs e dos Remote Terminal Units (RTUs) para o sistema supervisório. Nessa rede são considerados os requisitos do sistema e a distância de transmissão de dados, pode ser implementada com cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio, modems, entre outros.

Estações remotas

O processo de controle e aquisição de dados tem seu início nas estações remotas, que são os CPs e as RTUs. Essas estações fazem a leitura dos valores atuais dos dispositivos que estão associados ao seu respectivo controle.

Os CPs e as RTUs são unidades computacionais específicas, utilizadas nas instalações industriais e comerciais. Sua principal funcionalidade é a leitura de dados de entradas e saídas, digitais ou analógicas e efetuar cálculos, controles e atualizações na planta.

A diferença entre os CPs e as RTUs é que os CPs possuem mais flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões de entradas e saídas, dando maior precisão e sequenciamento de eventos.

VOCÊ SABIA?


Estações de monitoramento central

Estações de monitoramento central são consideradas as unidades principais dos sistemas supervisórios. Essas estações são responsáveis por recolher as informações geradas pelas estações remotas e atuar em conformidade com os eventos detectados. Podem ser centralizadas em um único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, que compartilha as informações coletadas.

2.2.1 REDES DO SISTEMA DE SUPERVISÃO

Diversos equipamentos estão interligados por meio de uma ou mais redes de computadores. As redes utilizadas pelos sistemas de supervisão e controle, predominantemente, têm sua utilização com padrão Ethernet.

Em grandes empresas, as redes de informações costumam operar com o sistema operacional UNIX. Aprofunde seus conhecimentos sobre esse sistema acessando o website: http://www.unix.org/what_is_unix.html

SAIBA MAIS

No caso dos sistemas operacionais utilizados, pode-se afirmar que há uma tendência atual de utilização do sistema Windows NT, tanto para as redes de informação, como para as redes de supervisão. Nos sistemas supervisórios, as redes são divididas em camadas, sendo elas: a rede de informação gerencial, a rede de supervisão e controle e a rede de controle de campo, que são descritas a seguir.

Rede de informação gerencial

A rede de informações gerencial é considerada a rede geral de informações da empresa, pois interliga a rede de supervisão com a de controle, possibilitando ao supervisor da empresa a análise dos dados da sequência de desempenho de produção.

Rede de supervisão e controle

A rede de supervisão e controle faz a integração dos computadores e dos dispositivos, tais como: placas de aquisição de dados, CPs, interfaces de redes, entre outros. E, como o próprio nome diz, é responsável pelo funcionamento do sistema de supervisão e de controle.

Redes de controle de campo

A rede de controle de campo é responsável direta pelo processo de informações do controle em tempo real. Engloba todas as redes de controle, seja Fieldbus, Profibus, Modbus, Devicenet (FIGURA 2).


ESTAÇÃOSUPERVISORA

REDE DE GERÊNCIA

BARRAMENTO DE CAMPO

TERMINAL DEOPERAÇÃO

MÁQUINA CONTROLADAPOR CNC

TERMINAL DEOPERAÇÃO DO ROBÔ

RELÓGIO DEPONTO

INTELIGENTE

PC ESCRAVOS

PCMESTRE

DISPOSITIVOS SENSORES EATUADORES DA PLANTA

ROBÔ

Figura 2 - Exemplo de arquitetura de uma rede supervisória.Fonte: SENAI-RS.

Em geral, uma planta industrial poderá ter diversas sub-redes de controle que se interligam com o sistema supervisório por meio de interfaces apropriadas. As redes, geralmente, seguem o padrão internacional Fieldbus, mas, também, podem ser determinados esquemas próprios pelos fabricantes, como os sistemas Profibus e DeviceNet.

VOCÊ SABIA?

A principal funcionalidade de qualquer rede do sistema supervisório está ligada à troca de informações, que pode ser, basicamente:

• comunicação com os CPs/RTUs;

• comunicação com outras estações;

• comunicação com outros sistemas.

A comunicação com os equipamentos de campo é feita por meio de um protocolo em comum, que pode ser tanto de domínio público, quanto de acesso restrito. Geralmente pode ocorrer por polling ou por rede Ethernet TCP/IP.

Comunicação por polling (master/slave)

Neste tipo de comunicação, a estação central (mestre) tem o controle absoluto das comunicações. Efetua, de forma sequencial, o polling aos dados de cada estação remota (escravo), a qual responde somente após a recepção de um pedido: em half-duplex. Desse modo, a coleta de dados ocorre de forma simples, evitando colisões de tráfego na rede e facilitando a detecção de falhas de ligação e uso de estações remotas não inteligentes. Entretanto, impossibilita às estações remotas a comunicação de situações à estação central.


A comunicação por interrupção ocorre quando o controlador ou o RTU identifica alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos ao monitorar os seus valores de entrada e, após essa identificação, envia as informações para a estação central. Esse processo evita a transferência desnecessárias de informações, diminuindo o tráfego na rede, bem como permite a comunicação entre estações remotas (slave-to-slave) e detecta rapidamente as informações urgentes.

As desvantagens da comunicação por polling são:

• a estação central consegue detectar as falhas na ligação apenas depois de efetuado o polling ao sistema;

• o operador precisa efetuar algumas ações para obter os valores atualizados.

Comunicação por rede Ethernet (TCP/IP)

A comunicação pode ocorrer por meio de um protocolo desenvolvido pelo próprio fabricante do sistema de um protocolo conhecido via rede Ethernet TCP/IP, de linhas privativas ou ainda de linhas discadas.

Cada vez mais, a internet é utilizada nas comunicações entre sistemas. Com o uso de tecnologias relacionadas à internet e padrões como Ethernet, TCP/IP, HTTP e HTML, é possível acessar e compartilhar dados entre áreas de produção e áreas de supervisão e ter controle de várias estações industriais.

O controle de máquinas realizado por meio de browser de internet pode ser feito de qualquer lugar. O browser comunica-se com o servidor web utilizando o protocolo HTTP e recebe a resposta em formato HTML.

A utilização da internet e do browser, como interface de visualização, apresenta importantes vantagens, dentre as quais:

• o modo simples e bastante conhecido de interação;

• facilidade de manutenção do sistema.

A comunicação com outros sistemas pode ser realizada de forma corporativa, por coletores ou por fornecedores de dados. Essa comunicação somente é possível com a utilização de módulos específicos, via bancos de dados, ou por meio de outras tecnologias, como o XML e o OPC.

VOCÊ SABIA?

2.2.2 ESTAÇÕES DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO

No sistema de supervisão de redes industriais, há estações de trabalho que desempenham funções específicas, conforme vemos no Quadro 2.

(CONTINUA)

ESTAÇÃO DE TRABALHO FUNÇÕES

Estação (nó) É qualquer computador que esteja rodando um software supervisório. A estação local é

aquela em que se está operando ou configurando. Estação remota é aquela que é acessada

por meio de um link de comunicação.

Estação independente (stand

alone)

Desempenha todas as funções de um sistema de supervisão não conectada a uma rede de

comunicação.

Estação servidora de base de

dados (servidor SCADA)

É uma estação que executa a função de aquisição de dados.


ESTAÇÃO DE TRABALHO FUNÇÕES

Estação de monitoração e

operação

Permite que o operador monitore o processo, altere parâmetros, reconheça alarmes e mais

algumas tarefas de operação de processo. Não permite alterar a configuração de telas e base

de dados.

Estação de gerência Possibilita o acesso aos dados de processo em forma de relatórios, gráficos e telas. Não

poderão ser executadas nessa estação: reconhecimentos de alarme ou alteração de

parâmetros do processo, entre outras tarefas de operação.

Quadro 2 - Estações de um sistema supervisório.Fonte: SENAI-DN, 2013.

2.2.3 MÓDULOS DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO

A divisão interna das principais tarefas dos sistemas supervisórios é feita em blocos ou módulos (FIGURA 3), de modo que possibilite maior ou menor flexibilidade e robustez, conforme a solução desejada. De um modo geral, essas tarefas dividem-se em:

• núcleo de processamento;

• comunicação com CPs/RTUs (driver runtime);

• gerenciamento de alarmes (alarm);

• interface gráfica (viewer);

• relatórios (reports);

• banco de Dados (tags database);

• históricos (trend);

• lógicas de programação interna (scripts) ou controle (math);

• comunicação com outras estações (TCP/IP, DDE, ODBC);

• comunicação com sistemas externos/corporativos.

Driver Runtime

DDEClient DDE Server OPC Client OPC Server

Database Spy

ODBC Runtime

Viewer Background Task

TCP/IP Client

TCP/IP Server

LogWinTags Database

AlarmsTrends

ReportsMaths

Scheduler

Figura 3 - Tipos de comunicação.Fonte: ADAPTADO DE COELHO, 2009.

(CONCLUSÃO)


O procedimento para o funcionamento de um sistema supervisório se inicia com os processos de comunicação dos equipamentos de campo, que enviam informações para o núcleo principal do software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações para os demais módulos, até chegarem à forma esperada pelo operador do sistema. A interface gráfica (console de operação com o processo) exibe a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado, por meio de gráficos, animações, relatórios e outros. Desse modo, pode reagir automaticamente ou sugerir medidas a serem tomadas de acordo com as anomalias que são informadas.

Nos últimos anos, as tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas supervisórios têm evoluído bastante, ampliando a confiabilidade, flexibilidade e conectividade. Além disso, a inclusão de novas ferramentas diminui, cada vez mais, o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades de cada instalação.

VOCÊ SABIA?

2.3 FUNÇÕES DOS SISTEMAS DE SUPERVISÃO

A principal função de um sistema supervisório é o monitoramento e rastreamento de informações de uma instalação física, total ou parcial, ou de um processo produtivo. A partir desse monitoramento, as informações são coletadas por meio de equipamentos de aquisição de dados, em seguida, são manipulados, analisados e armazenados.

Após esse processo, o sistema identifica, por meio de tags, todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, e executa as funções computacionais, como: operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings. Essas variáveis no processo, que se comportam como a ligação entre o controlador e o sistema são, entre outras, temperatura, nível, vazão e pressão. Com base nos valores dessas tags, os dados coletados são apresentados ao usuário, conforme ilustra a Figura 4.

1 2 3 4

Alarmesdd/mm hh:nn:ss Tipo Comentário Valor

O°C

Panela 1

Nª

Nª 101

Nª

Motores Desligados

Produto: 0

F1Abertura

F2Alarmes

F9Trends

F4Receitas

F5Históricos

F6Batelada

F7Relatórios

F8Data/h/ms Auto

TelaCaptura

Agitação

O�

Tark01 - Maturador

93

O°C O°C

74

Panela 2

12: 0D AM

Tark 02 -Estocagem

Figura 4 - Exemplo de tela de um sistema de supervisão.Fonte: SENAI-RS.


Os sistemas de supervisão também fazem a verificação de condições de alarmes, que são identificadas quando o valor da tag ultrapassar uma faixa ou condição preestabelecida, sendo possível programar a gravação de registros em bancos de dados, como: ativação de som, mudança de cores e envio de mensagens.

O processamento das variáveis de campo torna-se mais rápido e eficiente com o auxílio do sistema de supervisão, o qual monitora e controla um processo.

Qualquer evento imprevisto no processo é eficientemente detectado e as alterações nos setpoints são imediatamente executadas por esse sistema, até que o processo seja normalizado. Cabe ao operador, após essa normalização, acompanhar o processo de controle da planta, com o mínimo de interferência possível. Porém, se for necessária alguma ação, essa medida ficará restrita a ele ou ao supervisor da planta. A seguir, estudaremos as várias funções de um sistema supervisório.

Históricos

Históricos são módulos responsáveis pelo armazenamento de dados do processo em banco de dados, permitindo uma análise futura desses dados. Podem ser desenvolvidos vários arquivos de históricos, com diversos tags ou expressões. Cada histórico armazenado é identificado por tempo ou evento. Pode ser utilizada uma tabela independente dentro do banco de dados. Também é possível determinar qual banco de dados, inserido no projeto, será utilizado para o armazenamento dos dados.

Base de dados

A base de dados ou database é um arquivo de dados na memória RAM do computador. Compreende todas as variáveis atualizadas em tempo real para alimentação de dados vindos de um controlador ou de uma estação de trabalho. Armazenados em uma variável da aplicação (tags), são controlados pelo software supervisório para automação industrial. Contudo, é necessário deixar esses dados disponíveis para que outros módulos possam utilizá-los.

A base de dados é uma conexão entre os módulos da aplicação. A comunicação de todos os módulos configurados se dá somente com a própria base de dados, de modo semelhante a um sistema multitarefa. Cada módulo tem a sua vez de ser executado e de se comunicar com a base de dados, seguindo sempre uma mesma sequência de execução dos módulos. No banco de dados, encontraremos, principalmente, as variáveis de processo que pretendemos supervisionar, referenciadas por mnemônicos, contendo informações adicionais do tipo range, alarmes, entre outros. A configuração da interface de operação definirá as telas do sistema e suas variáveis.

As tags não são somente pontos lidos de equipamentos de campo, mas, qualquer variável da aplicação, inclusive as pré-definidas do sistema supervisório. O conjunto de tags (internos ou da aplicação) fica disponível no database, no qual todos os módulos vão buscar ou alterar valores dos tags.

VOCÊ SABIA?


Aquisição de dados

Aquisição de dados é o processo que envolve a coleta e a transmissão de dados, desde a planta industrial (estações remotas) até as estações centrais de monitoramento. As estações remotas, por sua vez, captam os valores gerados pelos dispositivos e, após a leitura desses valores, transmitem, via rede de comunicações, por polling, ou por interrupção (report by exception) até a estação central. O processo é concluído com o armazenamento da informação no banco de dados.

Visualização de dados

A visualização de dados consiste nas informações, via IHM, que geralmente são apresentadas por meio de animações, simulando a evolução do estado dos dispositivos controlados na instalação industrial.

Gerenciamento de dados

Os sistemas supervisórios apresentam, como principais funções, a capacidade de armazenamento de dados e de elaboração de relatórios de produção. A produção de uma planta e o seu consumo de insumos e de energia são apresentados nesses relatórios, em conjunto com os de balanço de massa ou de energia, que são os principais relatórios gerenciais.

Outro recurso interessante, principalmente para os profissionais de manutenção, é o relatório de monitoramento de equipamentos. Havendo uma parada, esse relatório quantifica o que cada equipamento deixou de produzir, qual a causa da parada e por quanto tempo ficou em manutenção. O armazenamento de um dado pode estar vinculado não só a um horário, mas a um evento. Isso é muito comum em sistemas de batelada (descontinuado). Após esse processo, deverá ser definido o formato do relatório e o instante de sua impressão (final do turno, dia), conforme Figura 5.

Figura 5 - Exemplo de tela de configuração de relatórios.Fonte: COELHO, 2009.


Falhas

Quando acontecem as falhas no controlador, o controle das operações é transferido automaticamente para outro controlador, o qual possui todos os dados espelhados do equipamento que apresentou a falha. Para que não se tenha uma interrupção significativa no processo, essas informações redundantes na rede e nos backups, geralmente, atingem níveis aceitáveis de tolerância a falhas. O supervisório relata o diagnóstico de falhas do processo e das falhas na indústria, indicando, visualmente, a localização da saída que está em falha, facilitando o processo de manutenção da máquina.

FIQUE ALERTA

É importante manter backups atualizados dos programas dos CPs, pois, caso seja necessário, o CP pode ser reprogramado sem que ocorram falhas nos sistemas automatizados.

Histórico de falhas

Quando se deseja armazenar valores de variáveis por um maior período de tempo, utiliza-se o registro histórico. Esse registro possui um período de amostragem tipicamente maior que o da tendência instantânea. Os valores das verificações podem ser:

• valores instantâneos da variável no instante da amostragem histórica;

• valores resultantes da compactação de amostras de tendência instantânea coletados em períodos inferiores;

• maiores falhas que podem ocorrer durante certo período na linha industrial.

Os gráficos de tendência instantânea e histórica podem ser visualizados, nos sistemas mais recentes, de forma encadeada, em um único sistema de coordenadas.

O Process/Plant Information Management System (PIMS) é um software externo utilizado com preferência, nos dias de hoje, para executar todas as funções históricas de um sistema supervisório. Esse software possui melhores algoritmos de compressão de dados e armazenam informações de um período de cinco anos de operação, em um disco rígido específico, com backup.

Os sistemas PIMS possuem uma variedade de funções para a manipulação dos registros históricos, sendo elas:

• importação de variáveis de processo, de forma rápida, por meio do tag browser. Uma variável é escolhida do dicionário de dados e o tag é arrastado para o sinóptico;

• um gráfico de tendência, configurado dessa maneira, pode ser salvo e estabelecer uma vista personalizada do processo de um determinado operador;

• podem ser inseridos múltiplos cursores no gráfico, além das funções de panning e zoom, para a visualização dos valores das variáveis;

• se algum especialista que esteja em casa queira analisar os dados, pode-se incluir o sinóptico em uma mensagem e enviá-la por e-mail a ele;

• a impressão de qualquer das telas pode ser suspensa por tempo indeterminado.


Gerenciador de alarmes

O gerenciador de alarmes é um módulo que está presente em todos os sistemas. Ele recebe os eventos excepcionais do processo e os registra, identificando:

• data e hora do evento;

• variável do alarme;

• valor no momento do alarme;

• descrição do evento;

• data e hora de normalização do evento;

• status do evento: alarme, normalização, reconhecimento pelo operador.

Na Figura 6, observamos uma tela de configuração de alarmes.

Figura 6 - Exemplo de tela de configuração de alarmes.Fonte: COELHO, 2009.

Os últimos eventos, os quais correspondem, geralmente, a um turno de operações, são armazenados em um buffer em disco ou memória. Posteriormente, esse arquivo pode ser salvo em disco em outro computador de maior capacidade de armazenamento, para análise histórica. Geralmente, a interface com o operador ocorre de duas formas:

• os alarmes mais recentes são exibidos em uma janela de alarmes. O operador pode solicitar a exibição dessa janela contendo uma determinada quantidade de alarmes recentes e, depois, paginar para frente e para trás, até encontrar o evento de interesse, conforme demonstrado na Figura 7, a seguir;

Figura 7 - Exemplo de uma janela de alarmes.Fonte: COELHO, 2009.


• ao ocorrer um alarme, o operador é avisado sobre determinado problema por meio de um sinal sonoro, uma buzina ou música. O operador deve reconhecer o alarme mais recente ou todos os alarmes simultaneamente. O alarme é sucessivamente substituído na tela por outro alarme mais recente.

FIQUE ALERTA

Os alarmes são classificados por níveis de prioridade de acordo com a gravidade, sendo reservada uma maior prioridade aos alarmes relativos à segurança.

Processamento de alarmes

É possível efetuar o armazenamento das mensagens de alarme em buffer, nas situações de falha do servidor ou da rede de comunicações. Esse armazenamento, em conjunto com a capacidade dos alarmes de transmitir mensagens para vários servidores, possibilita atingir um maior grau de tolerância a falhas.

Informar a presença de anomalias, sugerir medidas e, em determinadas situações, reagir automaticamente mediante parâmetros previamente estabelecidos, são funções que tornam o processamento de alarmes de elevada importância. A seguir, temos um exemplo de tela de processamento de alarmes (FIGURA 8).

Figura 8 - Exemplo de tela de processamento de alarmes.Fonte: SENAI-RS.

Sistema de segurança

Um sistema supervisório possui uma lista de usuários (domínios), com login e senha, para controle de acesso a telas e alarmes. O sistema permitirá acesso ilimitado ou somente a determinadas telas do projeto, conforme opção configurada para cada usuário, como se observa no Quadro 3.

(CONTINUA)

TELAS DESCRIÇÃO

Usuários Na opção usuários é possível configurar as informações referentes aos usuários que terão ou não acesso ao

sistema. O usuário pode ter acesso completo ao supervisório, ou acesso limitado, de acordo com o que for

concedido a esse usuário por um usuário administrador.

Grupos A opção grupos permite que sejam formados grupos com características que serão comuns para todos os seus

membros (usuários). Um grupo também pode pertencer a outros grupos, desde que esse outro grupo não

pertença a ele, ou seja, uma referência circular.

Permissões Essa opção configura as permissões dos usuários e grupos para telas, alarmes, domínio, etc. Uma verificação de

permissão consiste em uma informação que o membro do grupo tem sobre um comando que atua sobre um

objeto específico.


TELAS DESCRIÇÃO

Proteção Por meio desse item, é possível proteger o conteúdo do arquivo contra a edição, a visualização ou a execução

não autorizada.

Quadro 3 - Controle de acesso a telas e alarmes.Fonte: SENAI-DN, 2013.

Apresentação gráfica

A apresentação gráfica fornece uma representação gráfica geral da planta em substituição aos painéis sinóticos tradicionais. Cada sinótico representa uma área detalhada do processo. Para visualizar de forma detalhada outra área, deve ser acessado outro sinótico, um sinótico de hierarquia inferior (subsinótico) ou uma visão de outra camada do mesmo sinótico (sistema multi layer). Na Figura 9, observamos um exemplo de uma apresentação gráfica do software Elipse E3.

PI - 201- 0,3 kgicm2

VAPOR 5Kg

AQUA 2°CXSV - 329

VT - 202

VAPOR 5Kg

0,0%

23,8 °C

0,0 %

0,0 %

TIC -309

20,4 °C

0,0%

0,0%

0,0%

13,0°C

TIC - 306

20,9 ºC

21,3ºC

AT-3018

AT-301A

AR PRINCIPAL

WALL SWEEP

TIC -337

TT -313

TT -312

TT -311

-6,0 °C

21,5°C

17,7 °CVR - 303

FLUD BED ESTÁTICO

TT-303

PT-302

TT - 302

-0,5 mmca

VP -311

VP - 308

VR -301 VR -302 CR-301

RETORNO DE FINOS

VT -303

VT-304

XSV -328

VT-305

TIC -338

AT - 3310,0%

0,0%

0,0 RPM

VP 310

VP 5

00

VP 307

VP 308 VP 305

VT 308

VP - 301

VP - 302

EXAUSTÃO

CRSTALIZAÇÃO

ÁGUA NCEINDO

CENTRAL CP

CHAMME

Vem do TQ de Água

0,0%

TIC - 302

VLM DE VÁRIOSPONTOS DE COLETA

BC-301

LBL-301

LBL-301 CENTRAL CIP

FLU

FLU

VT-301

0,0%

TIC -301

VAPOR 5Kg

VAPOR 5Kg

0,0 %

0,0 %

ÁQUA 2°c

Óleo

21,5°C

P&C-35

0,0

0,0

Motor olnversor

Em Automatico

IntertravameatoHabilitado

Status Normal

Rotação atual (%)

Habitação Manual (%)

Manual Desliga

x

VT306

P-307

100

75

50

25

0

200

150

100

10

0

PV

SP

CV

TIC - 302: Temperatura de saída do pó na camara de secagem

06:12: 06 08:13:10 03:13:20 03:13:30 00:13:40

21,54

55,50

0,00

MANUAL AUTO

X

21,5°C

Figura 9 - Exemplo de uma apresentação gráfica.Fonte: SENAI-RS.

No sistema gráfico ocorre o contrário, o desenho é formado pela combinação de entes geométricos fundamentais, como: retas, retângulos, elipses e círculos, texto bitmapeado e vetorados, arcos, splines, entre outros.

Uma biblioteca armazena os símbolos que foram definidos. Um sinóptico orientado para a geometria se dá quando a representação armazenada corresponde à descrição das entidades geométricas. Se o símbolo armazenado corresponder a uma configuração fixa de bits (mapa de bits), teremos um editor bitmapeado.

Para formar novos sinópticos, é utilizado o construtor de sinópticos, preferencialmente, com o sistema online. Alguns construtores são editores gráficos que definem duas estruturas de dados básicas: uma para a máscara e outra para os campos dinâmicos. Para outros construtores, no entanto, é necessário compilar a descrição de campos para obter um código executável para as animações.

(CONCLUSÃO)


Registrador de tendência

Este registrador desenha um gráfico de tendência de uma determinada variável, geralmente analógica, em razão do tempo. Um gráfico de tendência pode ter, normalmente, de uma até oito telas. O usuário deverá definir duas coisas:

• Quais variáveis o sistema deve mostrar, sincronicamente, com um relógio e com qual frequência?

• Quais das variáveis registradas devem ser exibidas, simultaneamente, em uma mesma tela para cada gráfico?

A Figura 10 apresenta uma tela de tendência de velocidade do vento, do software Windsoft.

Figura 10 - Exemplo de uma tela do software Windsoft.Fonte: SENAI-RS.

Os períodos de amostragem devem ser escolhidos de acordo com a velocidade real do processo, que pode variar, tipicamente, de 100 m/s até 1h. Normalmente, é escolhido um período para cada tipo de variável (temperatura, nível, pressão, etc). Nesse tipo de gráfico são possíveis as seguintes operações:

• movimentação de cursor: um cursor gráfico vertical (dial) é deslocado na figura, fazendo a leitura dos pontos em que o cursor intercepta as curvas. Examina os valores críticos da variável e verifica o momento em que ocorre um evento;

• paginação: faz paginação horizontal do gráfico para visualização dos pontos;

• zoom horizontal e vertical: amplia a parte do gráfico selecionada por uma janela de edição. O retorno à escala original é feito por meio da redução de escala, que também serve para atingir uma escala reduzida gerada pela compressão dos dados armazenados.


Construtor de estratégias de controle

Alguns sistemas supervisórios possuem uma linguagem gráfica para descrever procedimentos de controle a serem realizados em nível de supervisão. Essencialmente, as funções de um construtor de estratégias podem ser agrupadas em várias bibliotecas, como podemos observar no Quadro 4, a seguir.

BIBLIOTECA DESCRIÇÃO

Entrada e saída Escrita de variáveis na RTU e solicitação de dados ao operador.

Funções matemáticas Funções convencionais como max, min, média, soma.

Funções lógicas Funções and, or, xor, not, pulso.

Funções de controle Proporcional, integral e derivativa.

Funções de tratamento de sinais Lead_lag, atraso, interpolação linear em tabela, filtro, função log após ganho e offset,

função exp após ganho e offset, aplicação de ruído, totalização (integração), derivação.

Quadro 4 - Construtor de estratégias de controle.Fonte: SENAI-DN, 2013.

Log de eventos

O log de eventos registra os eventos relevantes de operação no arquivo do diário de bordo. Os eventos de interesse, geralmente, são:

• eventos de configuração da base de dados;

• eventos de operação críticos: ação sobre malhas de controle, partida e parada da planta ou de equipamentos críticos, etc.

O registro desses eventos está vinculado à identificação de cada operador que assume a operação, que é feita por meio de um sistema de senhas. O operador, ao deixar a operação, deverá efetuar o logoff da estação e o próximo operador deverá fazer o login para sua identificação.

Receitas

Receita é um conjunto de valores pré-definidos que podem ser carregados para um grupo de tags a fim de configurar um processo específico. Essa lista de tags também é chamada de modelo de receita.

Uma máquina que fabrica diferentes tipos de parafusos, por exemplo, mesmo que as variáveis do processo sejam as mesmas, seus valores provavelmente irão mudar, de acordo com o parafuso que se queira produzir. Caso se tenham diferentes configurações de máquina para cada tipo de parafuso, esses valores poderiam ser gravados em uma receita e serem posteriormente carregados em tags de controle, o que facilitaria a tarefa do operador e evitaria erros.

2.4 LINGUAGENS DE APLICAÇÃO

As linguagens de aplicação possibilitam ao usuário desenvolver seus próprios programas associados à ocorrência de algum tipo de evento, que pode ser de diversas naturezas. A compreensão da natureza dos eventos possíveis de ocorrer traz, atualmente, um alto grau de generalidade às ferramentas. Esses possíveis eventos podem ser: variação de um determinado processo, o atendimento de uma condição de processo ou o acionamento de uma tecla especial. Alguns supervisórios contemplam apenas parte desses eventos.


Cada sistema irá gerenciar certo número de objetos, que também denominados de entidades, que descrevem as variáveis de processo controladas e os elementos básicos de uma mesa de controle. Esse número pode variar conforme o sistema, por isso, há um consenso com relação as suas cararterísticas fundamentais.

A atividade de configuração de um supervisório geralmente é iniciada na definição de cada variável de processo na base de dados. Há, em todo o sistema, basicamente duas variáveis simples e algumas variáveis compostas, formadas a partir dessas.

2.4.1 VARIÁVEL SIMPLES (ANALÓGICA)

Descreve uma variável analógica de entrada. Podemos tomar, por exemplo, um CP que converte um valor digital quantificado em 12 bits (0 a 4095). No Quadro 5, a seguir, temos os principais atributos de uma variável simples.

ATRIBUTO DESCRIÇÃO

Tag Conjunto de até 12 caracteres descrevendo o nome da variável.

Texto Descrição sucinta da variável.

Unidade de engenharia UEng Unidade de medida, por exemplo: ton./h, °C, metros.

Valor Último valor lido da variável.

Limite inferior Valor em UEng a ser atribuído ao valor 0% da variável.

Limite superior Valor em UEng a ser atribuído ao valor 100% da variável.

Limite HH Valor em UEng para alarme muito alto.

Limite H Valor em UEng para alarme alto.

Limite L Valor em UEng para alarme baixo.

Limite LL Valor em UEng para alarme muito baixo.

Histerese Valor percentual de histerese para geração de alarmes. Serve para evitar múltiplos

alarmes quando o valor da variável cruza uma das faixas definidas para os valores limites.

Filtro Somente quando o valor da variável variar mais que o limite especificado (filtro) é que o

valor em tela será atualizado.

Endereço Corresponde ao endereço da variável no CP.

Quadro 5 - Principais atributos de uma variável simples analógica. Fonte: SENAI-DN, 2013.

Os valores limites para a variável são definidos em cinco faixas de operação. Um alarme é dado ao operador toda a vez que a variável cruza uma dessas fronteiras. Geralmente, para cada faixa de valor das variáveis é atribuída uma cor na tela que, em geral, é a mesma para todas as variáveis.

2.4.2 VARIÁVEL SIMPLES DISCRETA (DIGITAL)

A variável simples discreta corresponde a 1 bit de informação, o qual pode assumir os valores 0 ou 1. Apresentamos os principais atributos dessa variável no Quadro 6, a seguir.

(CONTINUA)


Tag Nome da variável.

Texto Descrição sucinta da variável.

Descrição do estado Texto a ser atribuído aos estados 0 e 1 da variável. Pode corresponder a dois strings ou a um índice

para uma tabela que contém os textos a serem associados a cada tipo de variável, por exemplo:

aberto/fechado para válvulas, ligado/desligado para motores.



Endereço Endereço da variável na memória do CP.

Tipo Indica se a variável desempenha alguma função importante como, por exemplo: bit de

funcionamento, pronto para partir ou defeito de algum equipamento.

Alarme Determina a classificação do alarme associado ao ponto: crítico, urgente, alarme, evento, sem alarme.

O sistema também define que tipo de ação será feita para cada classe de alarme.

Quadro 6 - Principais atributos de uma variável simples digital.Fonte: SENAI-DN, 2013.

Para facilitar a interpretação por parte do operador e dos responsáveis pela manutenção, é convencionado um mesmo valor, tanto para a variável discreta como para todas as variáveis. É possível, em alguns sistemas, definir agregados de variáveis discretas (bit strings), definir cores e textos para cada estado (2n), etc.

2.4.3 VARIÁVEIS COMPOSTAS

Alguns sistemas possuem apenas um número pequeno de variáveis primitivas, enquanto outros sistemas possuem tipos mais complexos, formados pelo agregado de diversas variáveis primitivas fundamentais. Cada sistema possui uma forma de representar todas as entidades controladas no processo ou os instrumentos da mesa de comando convencional.

2.4.4 TOTALIZADOR

O controlador totaliza uma variável analógica ou reproduz o valor da totalização de forma direta. O input da totalização pode ser um valor analógico, fluxo ou vazão, ou, ainda, pulsos associados a uma variável discreta, como um totalizador de pulsos que, a cada pulso, um incremento predeterminado é aplicado ao valor totalizado. O operador pode, a qualquer momento, zerar o valor totalizado. Assim é conveniente definir três atributos básicos, conforme estabelece o Quadro 7.


Valor totalizado sem reset Não pode ser zerado pelo operador.

Valor totalizado com reset Pode ser zerado pelo operador ao final de um turno, dia, mês.

Data de reset Armazena a data e hora da última ação de reset.

Quadro 7 - Atributos básicos de um totalizador. Fonte: SENAI-DN, 2013.

2.4.5 CONTROLADOR PID

Um sistema supervisório moderno é capaz de comandar dezenas de malhas de controle. Essas malhas são implementadas no nível inferior de controle representado pelos CPs: single loops e multi loops.

Os parâmetros de configuração são enviados para a memória do controlador após serem definidos. Durante o start-up do sistema, o operador pode efetuar a sintonia da malha, orientado por uma tela de tendência que plota os valores de variável medida, set-point, e variável manipulada em razão do tempo, tuning, ou uma ferramenta qualquer de sintonia.

(CONCLUSÃO)


Em uma malha PID, mudar o modo de operação da malha ou o seu set-point são as únicas operações possíveis, como se observa na Figura 11.

SP + εKp

KI

MVT(t)

PV+

++

Kiddt

Figura 11 - Malha PID.Fonte: SENAI-RS.

No Quadro 8, temos os principais atributos de um controlador PID.


Tag Identificação da malha de controle.

Texto Descrição da malha.

Variável de entrada Identificação da variável de entrada (medida) da malha.

Constantes Kc, Ti, Td para sintonia da malha.

Modo Modo de operação da malha PID.

Modo manual O operador age diretamente sobre a variável de saída do bloco PID (variável

manipulada).

Modo automático A ação se dá sobre o set-point da malha.

Modo automático local O próprio operador define o valor do set-point.

Modo automático remoto O set-point é definido externamente: pela variável de saída de outra malha em cascata

(malha mestre) ou por um valor decorrente de algoritmo de otimização executado pelo

supervisório.

Endereço Endereço base do bloco de parâmetros PID na memória do CP.

Identificação Identificação da malha mestre (quando aplicar). Identificação do operador que definiu

ou sintonizou a malha. Identificação do limite máximo e mínimo da variável de saída.

Quadro 8 - Principais atributos do PID. Fonte: SENAI-DN, 2013.

2.4.6 EQUIPAMENTOS DO SISTEMA

Corresponde a um equipamento de processo como, por exemplo, motor, classificador, bomba, válvula, atuador, reator, etc. No Quadro 9, temos seus principais atributos.

(CONTINUA)


Tag Identificação do equipamento.

Texto Descrição do equipamento.

Bits de status Cada equipamento possui uma série de bits típicos de entrada para o supervisório:

• Fun: bit que avisa ao supervisório que o equipamento está funcionando;

• PPP: bit que sinaliza que o equipamento está pronto para partir (pronto para operar);

• DEF: bit que diz que o equipamento está com defeito (lógica de todos os bits de defeito

do equipamento).



Bits de defeito Discriminam qual o problema ocorrido. Esses bits são utilizados para alarme, diagnóstico

e para guias de operação no caso dos sistemas inteligentes.

Bits de comando São bits de saída do supervisório para o equipamento, permitindo executar ações de

comando:

• liga: comando de liga para o equipamento;

• desliga: comando de desliga;

• modo: definição de um novo modo para o equipamento.

Modo Um, dois ou três bits que discriminam o modo de operação do equipamento:

• local/remoto diz se o comando está sendo dado pela central de controle ou pelo painel

de comando local do equipamento;

• operação/manutenção: diz se o equipamento está sendo comandado pela sequência à

qual pertence ou isoladamente para manutenção.

Horímetro Fornece o total de horas de operação do equipamento.

Quadro 9 - Principais atributos dos equipamentos do sistema. Fonte: SENAI-DN, 2013.

2.4.7 SEQUÊNCIA OU GRUPO

Sequência é um grupo de equipamentos intertravados que, do ponto de vista lógico, pode ser tratado como uma única entidade. Cada sequência é composta tipicamente por oito ou mais equipamentos.

O conjunto de motores e outros subsistemas que compõem uma refinaria é um exemplo de sequência, pois podem ser tratados de forma unificada pelo sistema, já que todos esses equipamentos partem e operam em conjunto, de forma intertravada (QUADRO 10).


Tag Identificação da sequência.

Texto Descrição da sequência.

Equipamentos Relação dos equipamentos que compõem a sequência.

BITS de status Semelhantes aos bits de status de um equipamento:

• funcionando;

• pronto para partir;

• com defeito.

Modos de operação Basicamente, a sequência pode operar em remoto, em que todos os equipamentos estão intertravados e

são operados pelo supervisório, ou em local, quando cada equipamento é operado independentemente. A

partida se inicia pelo equipamento cabeça da sequência.

Bits de comando Servem para ligar, desligar ou mudar o modo de operação de todos os equipamentos de uma sequência.

Quadro 10 - Descrição dos atributos de um grupo de equipamentos.Fonte: SENAI-DN, 2013.

2.4.8 CÁLCULOS

Nem todas as variáveis de interesse podem ser mostradas diretamente no processo. Em alguns casos, estamos interessados no comportamento de uma variável que não é medida, mas que pode ser deduzida a partir de diversas outras variáveis. Por exemplo, pode se calcular a potência ativa a partir dos valores de tensão, corrente e fator de potência.

(CONCLUSÃO)


Esses tipos de cálculos geralmente são definidos a partir de uma linguagem procedimental que deve conter, no mínimo, algumas funções como:

• funções de acesso a valores de variáveis do processo;

• funções aritméticas fundamentais: soma, subtração, multiplicação e divisão;

• funções booleanas: and, or, xor e not;

• funções transcendentais: trigonométricas, exponenciais, logarítmicas, radiciação;

• instruções condicionais: if, then, else;

• lógica de parênteses;

• funções de manipulação de texto.

CASOS E RELATOS

A detecção de falhas e o tempo de manutenção

Uma grande indústria alimentícia enfrentava um sério problema de detecção de falhas em seus processos. Os técnicos tinham dificuldade de identificar a origem das falhas por não haver telas de manutenção apropriadas, com visualização das condições de intertravamento da linha. O alarme que aparecia para o operador era muito genérico, sendo necessário investigar os dados dentro do programa do controlador, o que demandava tempo e, consequentemente, parada de produção.

Além disso, o fato de não haver telas auxiliares de manutenção, contendo estados dos sensores e dos equipamentos, acabava prejudicando o trabalho de manutenção. Ao verificar as tasks e as linhas dos programas no controlador programável, perdia-se muito tempo até localizar a causa da ocorrência, pois dependia de diversas condições humanas e do próprio equipamento como: conhecimento do técnico que efetuava o atendimento; as informações prestadas pelo operador; a identificação correta do alarme no supervisório; falha na comunicação da estação de manutenção com o controlador; falha na abertura do programa de monitoração causado por defeitos no software ou no hardware. Tudo isso, demandava um longo tempo de parada de máquina.

Depois de uma análise do tempo gasto nessas máquinas para a manutenção, um dos técnicos dessa empresa desenvolveu telas de manutenção diretamente no supervisório. Dessa forma, a ocorrência de uma falha de posicionamento de um equipamento ou uma indicação indevida causada por um sensor danificado ou desajustado ficaram visíveis ao operador e ao técnico. Para melhorar a identificação dos alarmes, foram desenvolvidas telas de intertravamento (interlock) para monitoração das condições necessárias à lógica de funcionamento dos equipamentos.

Como resultado, esta empresa alimentícia conseguiu reduzir bastante a quantidade de paradas da linha de produção por manutenção. Em vários casos, o próprio sistema efetuava a correção automática ou indicava ao técnico a localização da falha, para que fosse realizada a devida manutenção. A empresa passou a ganhar mais tempo de produção e, consequentemente, aumentou seu faturamento.

IHM

3

Neste capítulo, estudaremos os equipamentos eletroeletrônicos que surgiram para atender às necessidades dos usuários, devido à grande difusão dos CPs: as IHM. A IHM é um equipamento eletroeletrônico que recebe sinais vindos do CP e do operador, e envia sinais para esse controlador atuar nos equipamentos instalados na planta. Dentre as várias funções do IHM, citamos:

• a possibilidade de verificar e/ou modificar certos parâmetros dentro de um programa, tais como: preset de um temporizador ou contador;

• o preset de uma temperatura desejada;

• a indicação de uma nova velocidade para um servo-motor.

Para realizar essas funções, não há necessidade de haver uma conexão entre o sistema automatizado e um computador, pois o próprio IHM desempenha essas atividades. Em arquiteturas mais modernas, O IHM pode ter um CP incorporado, caracterizando uma IHM inteligente. A IHM traduz sinais vindos do CP em sinais gráficos de fácil entendimento. Como veremos a seguir, há dois tipos de IHM, a de interface gráfica e a de interface alfanumérica.

3.1 INTERFACES ALFANUMÉRICAS

Essas IHMs executam as funções de visualização e, dessa forma, auxiliam o sistema supervisório nas funções de supervisão, alarme, tendências, controle estatístico de processo, entre outras. Em uma interface alfanumérica, a IHM é ligada ao CP por meio de sua porta de comunicação. Além dos parâmetros normais, quando se está programando uma IHM, indica-se qual será a marca e o modelo do controlador com o qual será feita a comunicação. A Figura 12 apresenta uma IHM simples com interface alfanumérica muito utilizada na indústria.

Figura 12 - Aspecto físico de uma IHM.Fonte: SENAI-RS.

3 IHM 29

O princípio de funcionamento da IHM consiste em pré-programar as mensagens para que cada uma possua um número distinto. Para acessar uma mensagem específica, o CP deverá colocar o número dela no registrador designado, indicando a mensagem que deverá ser mostrada naquele momento. Nessa interface, as teclas de função podem funcionar como botões de comando para acionar qualquer elemento no CP. A cada tecla é atribuído um endereço de memória do controlador. Ao acionar a tecla na IHM, esse bit é “setado”, permitindo, assim, que o programa possa utilizá-lo para o acionamento de uma saída, por exemplo, que, por sua vez, liga um motor de uma bomba.

Como a IHM se comunica com o controlador pela porta serial de comunicação, ela se torna uma possibilidade muito útil, pois, além de não precisar ter um painel convencional de grandes dimensões, com botões e lâmpadas de controle, é possível enviar mensagens pelo display, ou acionar leds frontais, economizando-se, assim, entradas e saídas que seriam destinadas a esses elementos. Caso o usuário queira alterar um parâmetro qualquer, como por exemplo, o preset de um temporizador, ele pode utilizar o teclado numérico frontal e a tecla enter para confirmar a inclusão.

As IHMs apresentam muitos benefícios para a indústria, dentre eles, citamos:

• visores alfanuméricos, teclados de funções e comunicação via serial com o dispositivo de controle, que muitas vezes pode ser um computador pessoal;

• redução de vários pontos de entrada e saída do controlador e sua respectiva fiação, simplificando, assim, a interligação entre os vários componentes elétricos (sensores, botões, sinaleiros, etc.);

• redução da mão de obra para montagem, pois, em vez de vários dispositivos, seria montado somente a IHM;

• diminuição das dimensões físicas do painel;

• aumento da capacidade de comando e controle, pois a IHM pode auxiliar algumas funções do controlador;

• maior flexibilidade nas alterações no campo;

• programação e manutenção fáceis;

• operação amigável.

Apesar de a IHM ser um componente fundamental, ela torna-se limitada quando comparada com o software supervisório, pois alguns recursos, como os matemáticos, por exemplo, só podem ser executados por meio da normalização de variáveis.

VOCÊ SABIA?

3.2 INTERFACES GRÁFICAS

As interfaces gráficas, em casos mais simples, substituem os sistemas supervisórios ou podem ser utilizadas em sistemas de controle, integradas a sistemas supervisórios. O usuário pode desenhar comandos em diversos formatos nas IHMs gráficas. Por meio de um programa específico, podem ser definidos botões e lâmpadas para avisos e alarmes. Também podem ser escolhidas cores, formatos, tamanhos e endereços do controlador para cada elemento.

O usuário, após carregar o programa na IHM, deve programar o CP de modo que ele interprete a função de cada endereço da IHM. Esse procedimento é simples e rápido. O usuário pode modificar a interface, acrescentando ou retirando funções, a qualquer momento, conforme suas necessidades.


As IHMs podem, além das funções básicas citadas, mostrar valores das variáveis, tanto em formato numérico simples, como em formato de gráfico de barras. Há várias utilizações para uma IHM. Como exemplo, podemos observar, na Figura 13, dois operadores empregando IHMs para interagir com uma linha de fabricação de motores.

Figura 13 - Exemplo de utilização de IHM.Fonte: SENAI-RS.

3.3 COMUNICAÇÃO DO IHM COM O CONTROLADOR

Esse tipo de comunicação depende exclusivamente do protocolo de comunicação e do protocolo elétrico utilizado pelo CP. Deve-se observar a compatibilidade entre o protocolo do controlador e a porta de comunicação da IHM.

Os protocolos elétricos mais utilizados são RS-232, RS-485 e TTY. Normalmente, as IHMs têm uma biblioteca de protocolos de comunicação disponível no seu software de programação. É necessário, no desenvolvimento do programa da IHM, escolher o protocolo de comunicação adequado para o CP, como no seguinte exemplo. O CP da Rockwell SLC 500 tem em sua porta de comunicação o protocolo elétrico RS-232 e o protocolo de comunicação DF1. Nesse caso, a IHM tem que ter uma porta RS-232 e possuir, em sua biblioteca de protocolos de comunicação, o protocolo DF1 da Rockwell.

3.4 COMUNICAÇÕES EM REDE – FIELDBUS

Para uma IHM efetuar a comunicação com a maioria dessas redes de campo, é necessário um hardware adicional para prover o meio elétrico para tal comunicação. Nesse caso, temos duas opções: a IHM pode vir com esse hardware incorporado na sua própria placa eletrônica (onboard), ou instala-se uma placa adicional em um slot da IHM. A escolha entre uma opção e outra depende muito do fabricante da IHM e da rede que estiver sendo utilizada. As IHMs da empresa Siemens, por exemplo, já vêm com a placa Profibus-DP incorporada, pois a Siemens é a empresa que mais divulga e também a que mais fabrica equipamentos para rede Profibus. O mesmo ocorre com a empresa Phoenix Contact, maior divulgadora da tecnologia Interbus, pois suas IHMs já vêm com a placa para a rede Interbus.

Em máquinas automatizadas à CNC, é imprescindível o uso de IHMs, pois há a necessidade de interação do operador com a máquina em situações de parametrização e ajustes.

VOCÊ SABIA?

3 IHM 31

3.5 COMUNICAÇÕES EM NÍVEL SUPERIOR DE UMA REDE FIELDBUS

Em sistemas automatizados, temos a possibilidade de comunicação de uma IHM no nível chamado CellLevel. Para esse tipo de comunicação, utilizam-se redes com características de grande capacidade de troca de dados. Entre elas, citamos:

• Control-Net;

• Profibus-DP;

• Ethernet.

Além de conseguir programá-las diretamente pela rede, nesse modo de aplicação, a IHM entra como um dos mestres da rede Fieldbus, efetuando uma maior troca de dados em um tempo satisfatório para esse nível de rede. Para realizar a comunicação, precisamos de um hardware adicional para a comunicação com a rede Fieldbus.

3.6 IHM COM I/OS OU REDES FIELDBUS INCORPORADAS

Para aplicação em um sistema automatizado simples, em uma máquina de embalagens, por exemplo, há IHMs que possuem também a função de um controlador, ou seja, esse CP é incorporado na IHM. As principais vantagens desse recurso são:

• redução de espaço no painel;

• diminuição do número de fios e cabos na instalação;

• comunicação entre o CP e a IHM bem mais rápidos do que no modelo tradicional;

• redução de custos.

Há dois modelos de IHM com CP incorporado: IHM e CP; IHM, CP e Fieldbus. Quando utilizamos o CP e a IHM temos um sistema centralizado em que os I/Os estão no corpo do equipamento. Já ao utilizarmos o IHM, CP e Fieldbus, podemos ter, além dos I/Os incorporados, I/Os remotos, obtendo, com isso, um sistema totalmente distribuído, conforme ilustra a Figura 14.

HMI1

4

4

3

2

7

6

3CANopen

CANopen

CANopen

slice I/O

slice I/O

5

Fieldbus A

Fieldbus B

Ethernet Powerlink

PLC ououtrodispositivo

Figura 14 - IHM com rede Fieldbus. Fonte: SENAI-RS.


1. Controlador de máquina de eixos;

2. IHM ligado em CANopen;

3. CANopen remoto de expansão;

4. Linha de eixo-codificador por meio de plug-in da placa ou entrada de encoder;

5. Unidades de conexão;

6. Controladores externos com CPs, ligado ao sistema por meio de uma ligação Fieldbus;

7. Interface de Fieldbus instalado no slot superior de uma unidade adicional atua como um gateway para todo o sistema, para qualquer grande rede/CP.

3.7 ESPECIFICANDO UMA IHM

Geralmente, a especificação de uma IHM baseia-se em 60% quanto ao custo e 40% quanto à necessidade. Em uma aplicação na qual há a necessidade de uma IHM, deve-se verificar o grau de recursos que estaremos fornecendo ao operador.

As descrições das IHMs, quanto a sua aplicação, podem ser observadas no Quadro 11, a seguir:

APLICAÇÃO DESCRIÇÃO

Visualização IHMs que apresentam somente textos costumam ser bem mais baratas que as gráficas. Pondere,

portanto, se realmente o recurso gráfico é necessário.

Resolução A resolução é um fator importante a ser considerado, quando pensamos no gráfico que iremos

reproduzir ou até para os desenhos que faremos.

Tamanho Quem irá determinar o tamanho é o display. Se esse for grande (normalmente telas gráficas) ou se

for pequeno (normalmente textos).

Cores Esse recurso é útil nos casos em que tivermos gráficos com mais de uma variável e desejamos

distinguí-las utilizando cores diferentes. Essa utilidade deve ser avaliada, visto que uma IHM colorida

é bem mais cara que uma IHM monocromática.

Touch-screen É um recurso que algumas IHMs possuem e que consiste no fato do operador interagir com a IHM

tocando diretamente na tela, dispensando o teclado convencional de uma IHM. Essa função é a

mesma que as utilizadas em caixas.

Teclas de funções As teclas de funções são destinadas para navegar, alterar valores de variáveis e algumas funções

específicas de cada IHM. Normalmente, o número de teclas de funções é definido de acordo com o

tamanho do display.

Comunicação Esse é um ponto importante, pois nem todas as IHM trocam dados com todos os CPs e com as redes

Fieldbus. É fundamental observar também o protocolo elétrico do CP, se é RS-232, RS-485 ou TTY.

CP incorporado Esse é o tipo de IHM ideal, quando se tem máquinas e se deseja reduzir os custos da aplicação, além

de contribuir para a redução do espaço do painel.

Teclado alfa numérico Muitas vezes, em uma aplicação, o operador precisa inserir dados ao processo. Em uma IHM isso

só é possível se houver um teclado (se a IHM não for touch-screen). Há vários modelos de IHM sem

teclado e, normalmente, eles têm o custo menor do que as outras.

Quadro 11 - Descrições das IHM.Fonte: ADAPTADO DE INTERFACE..., 2002.

3 IHM 33

Em algumas aplicações, há impressoras ligadas na IHM, para impressão do relatório de alarmes e dos relatórios do processo. As impressoras a serem ligadas na IHM devem ter uma porta de comunicação serial RS-232 para esse fim, além de admitir uma programação em código ASCII dos seus parâmetros.

SAIBA MAIS

3.8 COMPARATIVO ENTRE IHM E SUPERVISÓRIO

No projeto e desenvolvimento de sistemas automatizados, a escolha entre a utilização de um supervisório ou de uma IHM dependerá da complexidade de sua aplicação e desempenho do processo. No Quadro 12, descreveremos a função de cada um desses componentes.

IHM SUPERVISÓRIO

A visualização de alarmes é gerada por alguma condição

anormal do sistema, em relação aos dados dos motores da

linha e dos dados de processo da máquina. A movimentação de

componentes ocorre na máquina somente no modo manual.

A alteração de parâmetros do processo (torque de aperto de

parafusos, quantidade de lubrificação, número de cilindros) e

de caminhos nas rotas dos motores na linha são configurados

pela IHM. Devido ao seu baixo custo de instalação, a IHM é mais

utilizada na maioria das aplicações, em comparação com o

sistema supervisório.

A comunicação com o sistema exterior é facilitada com o uso

desse software, pois utiliza a plataforma Windows. Entretanto, um

software supervisório é um programa de alto custo, precisando de

uma base operacional (Windows ou Linux) e um computador, de

preferência, padrão industrial.

Nos casos em que for necessária a comunicação com algum banco

de dados ou com sistemas ERP, não é possível a utilização de IHMs,

devendo ser usado, então, o link supervisório.

Quadro 12 - Comparação entre IHM e Supervisório.Fonte: SENAI-DN, 2013.

Todas as IHMs possuem suas funções básicas, porém algumas possuem ainda funções mais específicas, por exemplo, geração de receitas e gerenciamento de alarmes.

SAIBA MAIS

CASOS E RELATOS

A análise do ambiente de instalação de um sistema automatizado

Devido às condições severas de temperatura e umidade que afetavam uma estação de esqui, houve a necessidade de se automatizar o sistema de controle dos teleféricos, pois esse controle era feito de forma semiautomática, o que não garantia totalmente a segurança dos usuários.

No novo projeto, foram montados os controladores programáveis com a central de supervisão, em uma sala de controle acondicionada. Porém, era necessário que as IHMs estivessem em campo, com condições reais e extremas de intempéries. Ao projetar esse sistema automatizado, em função do custo, os técnicos e engenheiros utilizaram IHMs de mercado. O start-up do sistema projetado ocorreu em condições favoráveis, devido à instalação e aos testes terem ocorrido na baixa temporada e sem usuários. Desse modo, a empresa não constatou nenhuma anomalia e todo o sistema funcionou perfeitamente.


No entanto, quando chegou a alta temporada, com temperaturas baixíssimas em um dos invernos mais rigorosos dos últimos anos, e com vários usuários utilizando esse sistema, os IHMs de campo começaram a apresentar vários problemas. Para resolver o problema, foi necessário fechar a estação em plena alta temporada até que fossem desenvolvidos IHMs específicos para aquelas condições extremas, o que acarretou grandes prejuízos aos proprietários.

Concluímos, com isso, que o mais importante a fazer, ao se escolher uma IHM para um projeto, é ter certeza que a IHM está adequada à aplicação. Ao se especificar a IHM, deve-se procurar a que oferece o melhor custo/benefício nas piores condições de trabalho e projetar o funcionamento futuro do sistema automatizado.

RECAPITULANDO

Neste livro, vimos que os sistemas supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação de plantas industriais, que gerenciam variáveis de processo e permitem a configuração de telas que facilitam a operação de máquinas e processos.

Estudamos os principais sistemas de redes utilizados com o supervisório e suas funções básicas. Descrevemos suas características de funcionalidade, como: históricos, banco de dados, aquisição e visualização de dados, backup, falhas, hierarquia dos sistemas de automação (com funções de supervisão, operação e controle), sistemas de segurança (usuários, grupos, permissões e proteção).

Estudamos, também, as IHMs, que surgiram para atender às necessidades dos usuários, como a possibilidade de verificar ou modificar certos parâmetros dentro de um programa, sem a necessidade de conectar-se a um computador para a execução dessas tarefas: preset de um temporizador ou contador; preset de uma temperatura desejada; a indicação de uma nova velocidade para um servo-motor, entre várias outras interações.

Concluímos nosso estudo, conhecendo como deve ser feita a escolha do equipamento, principalmente em função do custo/benefício, sem esquecer as condições rígidas de trabalho e de planejamento, com o objetivo de se evitar problemas futuros. Foi possível perceber a importância desses conhecimentos nas atividades dos operadores e dos profissionais de mecatrônica, visto que esses sistemas são essenciais para a área da automação industrial.

REFERÊNCIAS

COELHO, Marcelo Saraiva. Apostila de sistemas supervisórios: curso superior de tecnologia em automação e controle de processos industriais contínuos. Cubatão: Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo, 2009.

INTERFACE Homem - Máquina (IHM). Mecatrônica Atual, São Paulo, ano 1, n. 5, ago./set. 2002. Disponível em: <http://www.mecatronicaatual.com.br/artigos/1501-interface-homem-mquina-ihm>. Acesso em: 28 out. 2014.

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL. Departamento Nacional. Sistemas lógicos programáveis. Brasília: SENAI-DN, 2013. (Série Automação Industrial).

SENAI – DEPARTAMENTO NACIONALUNIDADE DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA – UNIEP

Felipe Esteves Pinto MorgadoGerente Executivo

Nathália Falcão MendesGestora do Programa SENAI de Capacitação Docente

SENAI – DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL

Claiton Oliveira da CostaCoordenação da Gerência de Desenvolvimento Educacional no Departamento Regional

Fernando R. G. Schirmbeck Coordenação Técnica

João Charles dos SantosMarcelo Luiz de QuadrosElaboração

Marcelo de QuadrosRevisão Técnica

Enrique S. BlancoPatricia C. da S. RodriguesDesign Educacional

Aurélio RauberDireção de Arte

Bárbara Polidori BackesEditoração

Camila J. S. MachadoIlustrações

Roberta TriacaApoio à Normatização

Lidiane Marques GomesNormatização

DuploklickRevisão Ortográfica e Gramatical

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2.3 - Sistema Supervisório e IHM