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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Curso de Especialização em Automação Industrial
Controle inteligente de motores utilizando plataformas de
controle digital distribuído
Gracielle Maria de Moura
Orientador: Marcelo Cabral Cavalcanti
Monografia apresentada ao Centro de
Tecnologia e Geociências da Universidade
Federal de Pernambuco como parte dos
requisitos para obtenção do Certificado de
Especialista em Automação Industrial
Recife, 2016
Resumo
Controle inteligente de motores utilizando plataformas de
controle digital distribuído
Gracielle Maria de Moura
Março/2016
Orientador: Marcelo Cabral Cavalcanti
Área de concentração: Automação Industrial
Palavras-chaves: automação, SDCD, redes industriais, Profibus, CCMi, motores, Simocode
A constante evolução dos sistemas de automação industrial possibilitou mais dinamicidade
aos processos. A possibilidade de obter grande quantidade de informação dos processos em
tempo real, combinada com a versatilidade e facilidade de manutenção, tornou imprescindível
o emprego das redes industriais nos mais diversos setores. Neste trabalho é apresentado o
monitoramento de variáveis do CCM (Centro de Controle de Motores) tais como: corrente,
sobrecarga do motor, rotor bloqueado, temperatura, resumo de falhas, TRIP no disjuntor entre
outros, essas variáveis serão enviadas através de um relé inteligente via rede de comunicação
para plataforma SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído).
O controle dos comandos e monitoramento dos status de 120 motores elétricos de uma
indústria ganhará uma rapidez na detecção de falhas, maior facilidade operacional,
aumentando o nível de confiabilidade, tendo informações em tempo real, facilitando a
manutenção aumentando a produtividade e diminuindo perdas. Essa automação será de
grande benefício para o setor de operação aumentando o tempo de produção e facilitando a
manutenção corretiva, onde o mesmo terá em tempo real os defeitos ocorridos no motor.
A escolha da automatização dos motores garantirá:
Maior confiabilidade no sistema; Informações em tempo real; Facilidade no modo de
operação; Aumento da produtividade; Rapidez na manutenção; Diminuição das perdas.
CONTEÚDO
Capítulo 1 .................................................................................................................................. 8 1.1 CCM (Cenário atual) ...................................................................................................... 11 1.1.1 CCM vs CCMi ............................................................................................................. 13
1.1.2 Vantagens do CCM / CCMi ........................................................................................ 15
1.2 Objetivo do trabalho ................................................................................................. 16 1.3 Metodologia .................................................................................................................... 17 1.4 Rede Profibus ................................................................................................................. 19 1.4.1 Um breve Histórico da tecnologia Profibus ................................................................ 19
1.4.2 Perfil de Comunicação ................................................................................................ 20
1.4.3 Perfil Físico ................................................................................................................. 22
1.5.4 Repetidores .................................................................................................................. 23
1.5 Organização da Monografia ........................................................................................... 25 Capítulo 2 ................................................................................................................................ 26 Tecnologias Disponíveis ......................................................................................................... 26
2.1 Relé Inteligente ............................................................................................................... 26
2.1.1 Funções do SIMOCODE pro V ................................................................................... 28
2.1.2 Parametrização do relé eletrônico inteligente .............................................................. 30
2.2 Plataforma SDCD ........................................................................................................... 40 2.2.1 Definição ..................................................................................................................... 40
2.2.2 Salas de Controle ......................................................................................................... 41
2.2.3 Elementos de Hardware de um Sistema de Controle .................................................. 41
2.2.4 Painel Elétrico ............................................................................................................. 41
2.2.5 Controlador .................................................................................................................. 42
2.2.6 Cartões de I/O .............................................................................................................. 42 2.2.7 Cartões de Comunicação ............................................................................................. 43
2.2.8 Estações de Controle ................................................................................................... 43 2.2.9 Remota ......................................................................................................................... 44 2.2.10 Elementos de Software de um Sistema de Controle .................................................. 44
2.2.11 Base de Dados ........................................................................................................... 44 2.2.12 Lógicas e Intertravamentos ........................................................................................ 44 2.2.13 Telas Operacionais .................................................................................................... 45
2.2.14 Tendências ................................................................................................................. 45 2.2.15 Alarmes ...................................................................................................................... 46
2.2.16 Histórico de Alarmes, Eventos e Tendência .............................................................. 46 2.2.17 Comunicação Entre Elementos:................................................................................. 47
2.2.18 Foxboro/IACC (Invensys) ......................................................................................... 47
2.2.19 DeltaV (Emerson) ...................................................................................................... 54
Capítulo 3 ................................................................................................................................ 62
Aplicação ................................................................................................................................. 62 3.1 DeltaV: ........................................................................................................................... 62
3.2 Foxboro: ......................................................................................................................... 67 Capítulo 4 ................................................................................................................................ 77 Conclusão ................................................................................................................................ 77
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 80
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Comparação entre uma gaveta CCM e uma CCMi.
Figura 1.2 – Gaveta de comando de motor.
Figura 1.3 – CCMi - Centro de Comando de Motores intiligente.
Figura 1.4 – Estrutura de tecnologia PROFIBBUS
Figura 1.5 – Aplicação do Profibus
Figura 1.6 – Regra geral de segmentação, repetidor e bus terminador
Figura 2.1 – Módulo de expansão Simocode Pro V.
Figura 2.2 – Configuração da estrutura de rede de comunicação.
Figura 2.3 – Simocode Pro V.
Figura 2.4 – Acesso ao software.
Figura 2.5 – Tela inicial do software.
Figura 2.6 – Conectando Online.
Figura 2.7 – Tipo de acesso ao dispositivo
Figura 2.8 – Dispositivo online.
Figura 2.9 – Árvore de configuração.
Figura 2.10 – Configuração do Dispositivo
Figura 2.11 – Parâmetro de Barramento
Figura 2.12 – Proteções do Motor
Figura 2.13 – Funções de monitoramento.
Figura 2.14 – Menu de navegação
Figura 2.15 – Controle/ Informação de Status
Figura 2.16 – Falhas/Alarmes/Informação de Status
Figura 2.17 – Valores medidos
Figura 2.18 – Gráfico de tendências
Figura 2.19 – Sala de controle operacional.
Figura 2.20 – Controlador FoxBoro.
Figura 2.21 – Cartões de I/O FoxBoro.
Figura 2.22 – Cartões de I/O FoxBoro (Profibus).
Figura 2.23 – Estações operacionais e de engenharia, foxboro.
Figura 2.24 – Configurador FoxBoro, IACC.
Figura 2.25 – Tela operacional FoxBoro.
Figura 2.26 – Configurador de lógicas FoxBoro.
Figura 2.27 – Alarm Manager do FoxBoro.
Figura 2.28 – Painel DeltaV.
Figura 2.29 – Controlador DeltaV, área de estocagem e reação.
Figura 2.30 – Cartões de I/O.
Figura 2.31 – Conceito de Remota no DeltaV para controladores MD.
Figura 2.32 – Cartões de comunicação, SERIAL, PROFIBUS e FIELDBUS
Figura 2.33 – Switches redundantes e conexões de rede.
Figura 2.34 – DeltaV Explorer.
Figura 2.35 – DeltaV Operate.
Figura 2.36 – Control Studio.
Figura 2.37 – Process History View – Eventos.
Figura 2.38 – Alarmes do processo.
Figura 2.39 – DeltaV Diagnostics.
Figura 3.1 – Árvore de Configuração dos barramentos Profibus.
Figura 3.2 – Informações DeltaV
Figura 3.3 – Informações do Simocode
Figura 3.4 – Tela de operação DeltaV
Figura 3.5 – Faceplate
Figura 3.6 – Detalhes de informações
Figura 3.7 – Configuração dos barramentos das gavetas no Foxboro
Figura 3.8 – Configuração da Lógica Motor Foxboro
Figura 3.9 – Blocos de monitoramento com o relé
Figura 3.10 – Monitoramento do motor através do Foxview
Figura 3.11 – Curva de tendência do motor no Foxview
Figura 3.12 – Tela operacional Foxboro
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – IEC 61158-2 3 o modelo
Tabela 2 – Dados Profibus – SIMOCODE (Típico 1 e 2)
Tabela 3 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o
SIMOCODE(IN) do agitador GD2002
Tabela 4 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o
SIMOCODE(IN) do motor GA2430
Tabela 5 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o
SIMOCODE(IN) do agitador GD2013
Tabela 6 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o
SIMOCODE(IN) do motor GA2113
LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS
SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído.
CLP Controlador Lógico Programável.
CCM Centro de Controle de Motores.
CCMi Centro de Controle de Motores inteligente.
IHM Interface Homem Máquina.
I/O Input/Output (Entrada e Saídas).
E/S Entradas e Saídas
CTRL Controller (Controlador).
SIMOCODE SIRIUS Motor Management and Control Devices
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
IEC International Electrotechnical Commission
DP Decentralized Periphery
PA Process Automation
FMS Fieldbus Message Specification
P&ID Diagrama de Processo e Instrumentação
EEMUA Engineering Equipment and Materials Users Association
KPI Key Perfomance Indicator
8
Capítulo 1
Introdução
Hoje a automação industrial vem trazendo cada vez mais qualidade e dinamicidade ao
controle de processo produtivo, possibilitando maior quantidade de informação dos processos
em tempo real, agrupada com a variabilidade e facilidade de manutenção. É imprescindível o
emprego das redes industriais, para uma maior interação entre os diferentes níveis de controle
de automação industrial, desde os equipamentos e dispositivos de campo até o gerenciamento
corporativo da empresa, a interação entre diferentes níveis permite uma visão geral de todo o
processo gerando intervenções mais rápidas e cirúrgicas nas operações.
Não é mais concebível exercer uma atividade no âmbito da Engenharia e da
Tecnologia, numa empresa industrial de médio ou de grande porte, sem ter o domínio dos
conhecimentos básicos de automação dos processos de produção industrial (SHIMIZU, 1998).
A necessidade de automação na Indústria e nos mais diversos segmentos está
associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de
processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e
varáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para
permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do
processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional.
A automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, um
9
melhor controle de qualidade do produto, aumento de produção, produtividade e uma maior
segurança operacional. Em essência, a automação nas indústrias permite elevar os níveis de
continuidade e de controle global do processo com maior eficiência, aproximar ao máximo a
produção real à capacidade nominal da planta, ao reduzir ao mínimo possível as horas
paradas, sejam por erros operacionais, manutenção corretiva ou por falhas nos gerenciamentos
de matéria-prima.
Um setor importante para o desenvolvimento da automação é a tecnologia da
informação, sendo determinante alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos
ambientes industriais, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas
logísticos. Componentes indispensáveis para automação é a capacidade de comunicação entre
dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes. A comunicação
vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim
como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as
características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de
diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, Profibus e AS-Interface, oferecem as
condições ideais de redes abertas em processos industriais.
No setor industrial os elementos com parcela significativa são os motores elétricos,
sendo que os mesmos necessitam de um sistema de acionamento com alta confiabilidade de
fácil operação e manutenção, reduzindo o tempo de reparo em eventuais paradas. Os CCM
(Centro de Controle de Motores) são responsáveis pelo comando e manobra dos motores
elétricos.
Neste trabalho é abordada a necessidade da utilização de equipamentos inteligentes,
capazes de fornecer informações a sistemas especialistas, amplamente difundidos no setor
industrial focados sempre na diminuição de perdas e aumento de produtividade. É apresentado
a utilização do relé eletrônico inteligente Simocode pro V (SIRIUS Motor Management and
Control Devices) instalado numa gaveta para CCMi (Centro de Controle de Motores
inteligente) que proporciona a proteção e o monitoramento de variáveis tais como: corrente,
sobrecarga do motor, rotor bloqueado, temperatura, resumo de falhas, TRIP no disjuntor entre
outros, essas variáveis serão enviadas via rede PROFIBUS-DP para duas plataformas SDCD
(Sistema Digital de Controle Distribuído) onde o controlador é conectado a um sistema
supervisório via rede ETHERNET, este permite uma intervenção de forma remota e registro
das variáveis pertinentes. A programação foi realizada em “Function Block Diagram”.
O sistema de controle da planta no qual o projeto foi implementado o projeto 95% é
10
plataforma SDCD, a qual atende o processo. Existe alguns PLC’s (Controlador Lógico
programável) para atender partes isoladas do processo, como robôs.
Comparação entre SDCD e PLC em termos de configuração
Os sistemas SDCD eram inicialmente configurados como blocos de funções
representados por vários instrumentos e controladores feitos pelo mesmo fabricante. Esses
blocos representavam muitas vezes as mesmas vantagens e desvantagens desse mesmo
vendedor.
Era difícil encontrar uma configuração padrão nesta área, mas muitos desses sistemas
eram facilmente configuráveis. Em parte, devido ao fato de ser também o vendedor a
desenhar a consola de trabalho e a respectiva instrumentação. Isto garantia ao operador o
funcionamento em tempo real e uma baixa probabilidade de alterar inadvertidamente as
configurações do sistema.
O PLC, por outro lado, substitui regularmente os relés e são programados por lógica
de relé. Quando a estratégia de controle assim o exige, podem ser programados em linguagens
de alto nível, tais como Pascal, Basic, ou outras semelhantes, e possuem uma interface de
comunicação simples, mas eficiente.
Cada PLC deve ser configurado em separado; é necessário ter um cuidado especial
para evitar a duplicação de tarefas; uma tarefa complexa em regra geral é confinada a um PLC
individual. Um PC deve poder ser configurado para comunicar com cada PLC em particular
afim de aceder a entradas especiais, efetuar visualizações, realizar históricos, etc.
Esta situação obriga à existência de múltiplas bases de dados que devem ser
configuradas e mantidas atualizadas. A configuração é feita, em regra geral, por uma estação
de trabalho desenhada especialmente para o efeito.
Comparação entre os tipos de controle
SDCD
Vantagens:
Risco distribuído; Resposta em tempo real; Suporta estratégias de controle complexos;
Interface de alto nível; Baixo custo de integração;
Desvantagens:
Custo inicial elevado; Rede proprietária; Sistema operativo proprietário; Interligação
complexa;
11
PLC
Vantagens:
Suporta ambientes agressivos; Sistema atual; Programado com base na lógica binária;
Funcionamento sequencial;
Desvantagens:
Interface com o operador; Custo de integração; Software de aplicação
1.1 CCM (Cenário atual)
O cenário anterior da Indústria onde foi implementado o projeto para comando e
manobra de motores era composto por um Centro de Controle de Motores convencional –
CCM, com motores de baixa tensão (até 1000V) e média tensão (acima 1000V) acionados
apenas em campo. Com a operação dos motores apenas via campo, o operador não possuía
seu status e nem seu monitoramento no supervisório, seu monitoramento e preditiva eram
bem limitados, onde toda a ação era através de check-list manual e a preditiva que existia era
apenas a de análise de vibração, o motor possuia apenas o liga/desliga e botoeira de
emergência, dificultando a operação e a manutenção além de tornar a resolução de problemas
mais lenta.
Hoje o cenário do Centro de Comando de Motores é bem mais flexível, com diversas
funcionalidades e com maior confiabilidade no sistema como um todo, aumentando o sistema
de monitoramento, supervisão e controle através de IHM, PLC e/ou SDCD via redes
industriais, através do CCMi (Centro de Controle de Motores inteligente).
Com a implementação do CCMi na planta obteve-se o controle dos comandos e
monitoramento dos status dos 120 motores via plataformas SDCD, obtendo uma rapidez na
detecção de falhas, aumentando a facilidade operacional e o nível de confiabilidade. Passou-
se a ter informações em tempo real, auxiliando a manutenção na detecção de falhas e
determinação de suas causas de uma maneira rápida assertiva. O monitoramento da corrente
elétrica em tempo real através do supervisório e também registro do tempo de execução dos
motores são um exemplo claro de novas variáveis medidas que podem gerar manutenções
preventivas/preditivas, diminuindo perdas de produção.
Os CCM’s são os painéis onde estão conectados os cabos provenientes das cargas, os
painéis são compostos por equipamentos para proteção, seccionamento e manobras de cargas,
12
que se compõe por colunas compartimentadas com gavetas fixas ou extraíveis. A norma que
regulamenta os CCM é a NBR IEC 60439-1 da ABNT (Associação Brasileira de Normas
Técnicas) para Conjuntos de Controle e Manobra de Baixa Tensão com Ensaio de Tipo
Totalmente Testados.
As gavetas são projetadas de acordo com o motor a ser acionado, para realizar o
projeto alguns parâmetros devem ser previamente conhecidos, tais como: tensão de operação,
quantidade de fases, corrente nominal, corrente máxima, parâmetros a serem monitorados,
determinar se o acionamento será feito através de relés ou soft-starter, ou ainda se o motor
terá a velocidade controlada através de um inversor de frequência, por exemplo.
Um CCM convencional utiliza apenas relés e contatores acionados através de
comandos elétricos digitais, ou então acionados através de redes industriais. Já o CCMi é
composto de chaves soft-starter, inversores de frequência, ou relés inteligentes instalados nas
gavetas com interface de redes industriais de diferentes protocolos, como Ethernet, Profibus,
DeviceNet ou Modbus.
As gavetas têm 3 posições físicas que regem seu funcionamento e se respeitadas
garantem a segurança do equipamento, pessoa e processo:
1. Gaveta Inserida: quando a entrada de força da gaveta está energizada e
pronta para funcionamento;
2. Gaveta em posição Teste: quando a entrada de força da gaveta está
desenergizada possibilitando somente testes do circuito de comando;
3. Gaveta extraída: Quando circuito de força e comando estão
desenergizados e possibilitando a retirada da carreta.
O objetivo do CCM é concentrar grande número de cargas a serem comandadas,
assegurando ao máximo a continuidade operacional, facilitando a restrição a seu acesso
apenas as pessoas qualificadas e autorizadas, alto nível de segurança para os operadores e
pessoas de manutenção além de tornar mais fácil os procedimentos de manutenção nas
mesmas.
Para aumentar a confiabilidade, concentrando o maior número de cargas, aumentando
a flexibilidade no aparecimento de alterações no processo a indústria de borracha que foi
implementado o projeto optou para a implementação do Centro de Controle de Motores
inteligentes, garantindo que as alterações e adaptações possam ser feitas de modos mais fácil e
rápido proporcionando um ganho na produtividade e manutenção, onde o CCMi garante um
ganho de velocidade nos procedimentos e redução de custos.
13
A fábrica utilizou em seu projeto o relé inteligente em sua gaveta para o
gerenciamento dos motores, a rede Profibus DP para transferência de dados entre o CCMi e as
plataformas SDCD.
1.1.1 CCM vs CCMi
O CCMi possuí uma quantidade significativamente menor de cabos de comando,
quando comparado com um CCM convencional. Na figura 1.1 é uma demonstração do
cabeamento para o acionamento de um motor em gaveta de um CCM Convencional,
comparado com o cabeamento necessário para uma gaveta semelhante em um CCMi.
Figura 1.1 – Comparação entre uma gaveta CCM e uma CCMi[2]
Uma gaveta de CCM Convencional utiliza no mínimo 4 pares de cabos para cada
gaveta, para fazer o acionamento de um motor trifásico instalado no campo são dois pares
(um para o liga e outro para o desliga), um par representando o retorno de ligado do motor e
mais um par para o status de falha, caso seja realizada leitura de corrente em cada uma das
fase seriam necessários mais 3 pares de cabos adicionais, cada informação a mais que seja
pertinente ao processo seria necessário sempre a adição de um par de cabos. Enquanto isso a
gaveta para o CCMi utiliza apenas 1 cabo Profibus, por este cabo podemos enviar todas as
informações citadas acima e quantas mais acharmos necessárias. Cada cabo Profibus pode ser
utilizado para se conectar com dois nós, cada nó pode conectar até 63 dispositivos, ou seja,
com um único cabo Profibus-DP é possível a ligação de até 126 gavetas de um CCMi.
Fazendo uma simples comparação, considere um armário com 63 gavetas. Se cada gaveta
utilizar 4 pares de cabos, seriam necessários um total de 252 pares de cabos para ligação desse
armário, destacando que também seria gastado 252 pontos de entradas e saídas, seria uma
quantidade considerável de E/S (Entradas/Saídas) do SDCD, responsável pelo controle dos
14
motores. Por outro lado, o armário de 63 gavetas com controle inteligente, gastaria apenas um
cabo Profibus-DP, protocolo utilizado no projeto, gastaria também um módulo de
comunicação Profibus-DP no painel SDCD. Na figura 1.2 é mostrado a gaveta de comando de
motores com seus dispositivos eletro-eletrônico instalados, esta gaveta é um tipo de comando
de motores inteligente pois possui na sua estrutura um relé inteligente da Siemens instalado
(SIMOCODE Pro V).
Figura 1.2 - Gaveta de comando de motor
Existem outras grandes vantagens no CCMi a versatilidade na configuração deste é
gigantesca. A parametrização das variáveis pertinentes ao processo pode ser feita via software
configurador (SIRIUS Motor Management and Control Devices), como:
Corrente média;
Média de corrente entre as fases;
Falta de Fase;
TRIP no disjuntor;
Gaveta em posição teste;
Local/Remoto;
Resumo de falhas (falha geral);
Resumo de Alarmes (alarme geral);
BUS OK (Comunicação SIMOCODE com SDCD);
15
Rotor bloqueado;
Desbalanceamento de fases;
Sobrecarga no motor;
Fuga à terra;
Corrente máxima;
Partida de emergência;
Reconhecimento de falhas, etc…
1.1.2 Vantagens do CCM / CCMi
Vantagens do CCM convencional:
Segurança da operação, supervisão e manutenção;
Encontra-se em locais centralizados para facilidade de operação e manutenção;
Confiabilidade para a continuidade do processo;
Aproveitamento de espaço;
Manutenção fácil e rápida, principalmente pela extração de gavetas e sua
intercambialidade;
Versatilidade para comando e proteção de grandes números de motores;
Modularidade do sistema, permitindo fácil ampliação;
Permite a execução de manutenção e outros serviços em determinado equipamento
sem desenergizar os demais;
Vantagens do CCMi:
Além de todas as vantagens descritas no CCM convencional, salienta-se:
Redução de fiação de comando;
Eliminação de vários componentes da gaveta como, por exemplo, contadores de horas
e de manobra, relés térmicos de sobrecarga convencional, transformadores de corrente,
etc.;
Maior confiabilidade do sistema de proteção;
Montagem de relé inteligente em trilho DIN ou placa de montagem;
Redução na cablagem de monitoração, supervisão e controle, pois utiliza par trançado;
Monitoração, supervisão e controle remotamente via IHM, CLP, SDCD ou PC;
Rearme do relé a distância reduzindo tempo de manutenção;
16
Rapidez e precisão na identificação de defeitos;
Automação dos registros e estatísticas de defeito por gaveta;
Rede ProfiBus-DP normalizado mundialmente (não é rede proprietária) ou DeviceNet;
Comunicação com outros CLP’s e/ou SDCD em rede de protocolo aberto.
Com todas as informações citadas acima, fica claro que os CCMi’s são mais eficazes
que os CCM’s convencionais, seja na quantidade de informações possíveis de ser adquiridas
do processo, ou na economia de construção e manutenção do sistema. Na figura 1.3 toda
estrutura do CCMi instalado na planta que foi implementado durante o projeto.
Figura 1.3 - CCMi - Centro de Comando de Motores intiligente
1.2 Objetivo do trabalho
O objetivo deste projeto é a automatização de motores em dois setores da indústria de
fabricação de borracha, onde foi montado uma subestação que tem o centro de controle de
motores inteligente, os quais estão alocados nas áreas de purificação e reação.
Essa automatização foi de grande benefício para o setor de operação aumentando o
tempo de produção e facilitando a manutenção corretiva, onde o mesmo terá em tempo real os
defeitos ocorridos no motor. A produção tem agora uma maior quantidade de informações dos
17
processos em tempo real, agrupada com a variabilidade e facilidade de manutenção
diminuição de perdas e aumento de produtividade.
Os usuários que são os operadores e os mantenedores terão uso da ferramenta
diariamente, permitindo uma intervenção de forma remota e registro das variáveis pertinentes
e significativas ao processo.
O objetivo é criar a configuração dos relés inteligentes (SIMOCODE – Siemens) para
uma comunicação via rede Profibus-DP com duas plataformas SDCD (DeltaV – Emerson e
Foxboro – Invensys).
A escolha da automatização dos motores de duas áreas da fábrica garantiu:
Maior confiabilidade no sistema;
Informações em tempo real;
Facilidade no modo de operação;
Aumento da produtividade;
Rapidez na manutenção;
Diminuição das perdas;
Um dos pontos principais foi a diminuição de um dos indicadores do KPI (Key
Perfomance Indicator) de total importância para fábrica o número downtime por parada do
processo por falha nos motores. Downtime significa tempo em que o processo da fábrica ficou
inativo por problemas inesperados.
1.3 Metodologia
Inicialmente, foi feito um levantamento bibliográfico a respeito das Redes Industriais,
principalmente sobre a rede Profibus-DP, escolhida como sendo a rede industrial utilizada no
projeto, feitos estudos sobre CCM e SDCD.
No estudo realizado sobre CCM foram levantados, através do fabricante Siemens, os
tipos de CCM convencional e o CCMi (Centro de Comando de Motores inteligente), o nome
inteligente se refere aos dispositivos eletrônicos instalados nas gavetas responsáveis pelo
gerenciamento dos motores, através de relé inteligente, soft-start ou inversores.
Na gaveta de um CCMi foi proposta a programação de um relé inteligente
SIMOCODE pro V instalado na gaveta, o relé comunica-se pela rede Profibus-DP com o
SDCD. O programa consiste no que seria o acionamento de um motor de corrente alternada,
na coleta de dados, seu status e históricos oriundos do relé e status da rede Profibus-DP.
18
Neste trabalho foi abordado a parametrizar o relé inteligente com o software
SIMOCODE ES Professional, parte das informações de parametrização do software foram
pegas no site da Siemens no Curso Completo de Simocode 3UF70 Revisão 1, e outros
detalhes como o monitoramento do motor através do software foi retirado na prática, na
própria indústria em que foi implementado o projeto.
A comunicação das gavetas com o SDCD foi através da tecnologia Profibus DP, é
apresentado neste trabalho a topologia de rede, seu perfil físico e o uso de repetidores de
sinais.
Como o projeto é direcionado a duas plataformas, foi apresentado de uma maneira
geral a definição dos componentes do SDCD DeltaV e Foxboro, feito um resumo breve dos
controladores, cartão de rede Profibus, cartões I/O, salas de controle da operação, a parte de
hardware e seus modos de configuração. Serão apresentados os softwares onde são realizadas
as lógicas de controle dos motores, apresentando a referência de barramento do relé Simocode
das gavetas com o supervisório. As lógicas dos motores serão apresentadas de forma
simplificada, de modo que possam ser compreendidas facilmente, serão mostradas as
informações enviadas do relé inteligente para o SDCD e as informações do SDCD para o relé,
toda comunicação é feita pelo protocolo Profibus.
Será mostrado uma das telas operacionais da Planta onde estão alocados alguns dos
motores ligados ao CCMi, serão mostrados os faceplates dos motores nada mais são que uma
forma de comandar e monitorar os motores configurados no supervisório que é uma interface
homem máquina.
Na conclusão mostraremos os benefícios operacionais e de manutenção deste projeto
na fábrica, serão levantados os pontos de melhorias que se pode adquirir no curto e longo
prazo.
19
1.4 Rede Profibus
Um dos motivos para a escolha da tecnologia Profibus é que ela é rica no
fornecimento de informação, não somente pertinente ao processo, mas em especial dos
equipamentos de campo. Desta forma, condições de auto diagnóstico podem poupar custos
operacionais e de manutenção, principalmente em áreas classificadas ou mesmo em áreas de
difícil acesso. Da própria sala de controle pode-se ter uma visão geral do sistema e ainda com
ferramentas baseadas em internet, a qualquer hora em qualquer lugar. Através de um
gerenciamento destas informações vindas do campo, pode-se selecionar convenientemente os
dados para se atingir os objetivos de produção, direcionando as informações às pessoas e/ou
departamentos corretos e agindo de maneira a melhorar os processos.
1.4.1 Um breve Histórico da tecnologia Profibus
A história Profibus iniciou em 1987 na Alemanha, começou com uma aventura de um
projeto da associação apoiado por autoridades públicas. Dentro do contexto desta aventura, 21
companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em Fieldbus. O
objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bit serial, sendo o
requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os
membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica)
concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de
processos (PIBRASIL 2013).
O Profibus é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores,
onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e
automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde
janeiro de 2000, o Profibus foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais
sete outros Fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em seis partes, nomeadas 61158-1 a 61158-
6, ver tabela 1, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve
a expansão que inclui o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um
padrão internacional de protocolo aberto, cujo o desenvolvimento visa a redução de custos,
flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas
aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores (PIBRASIL 2013).
Mais de 1400 associados ao redor do mundo;
Próximo de 36 milhões de nós instalados com sucesso;
20
Mais de 3000 produtos e mais de 2000 fornecedores, atendendo às mais diversas
necessidades de aplicações;
Um extensivo catálogo de produtos pode ser obtido no www.profibus.com;
Para referência e suporte na América Latina acesse www.profibus.org.br;
Tabela 1 – IEC 61158-2 3 o modelo[11]
A rede Profibus pode ser utilizada como meio transmissão pelos padrões RS485, IEC
61158-2 ou Fibra ótica, com transmissão de dados em alta velocidade, tarefas complexas e
extensas de comunicação. É uma rede independente de fornecedor e aberto, aplicável a uma
grande gama de aplicações, incluindo Manufatura, Processo e Automação Predial.
Com a rede Profibus, dispositivos de diferentes fabricantes podem se comunicar entre
si, sem modificações nas interfaces.
1.4.2 Perfil de Comunicação
Protocolo Profibus tem um perfil de comunicação que define como os dados serão
transmitidos serialmente através do meio de comunicação.
O Profibus tem três versões para atender diferentes requisitos de um sistema de
controle:
Profibus-DP – Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery)
O DP é otimizado para conexão rápida e barata, esta versão é destinada especialmente
para comunicação entre sistemas de controle de automação e E/S distribuídos em nível de
dispositivo. Profibus-DP pode ser usado para substituir transmissão de sinais como 24Vdc
ou 4 a 20mA. Este protocolo foi escolhido para implementação deste projeto, onde foi
utilizado para a comunicação entre os Sitemas SDCD da Emerson e o da Invesys.
Profibus-PA – Automação Processo (Process Automation)
O PA foi projetado especialmente para aplicações em processos contínuos. Possiblita a
conexão de sensores e atuadores em barramento único comum, em áreas intrinsecamente
21
segura. Profibus-PA possibilita comunicação de dados e alimentação no mesmo
barramento, usando tecnologia a dois fios, de acordo com o padrão internacional IEC
1158-2.
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)
O FMS é uma solução de comunicação genérica. Os serviços FMS abrange uma larga
faixa de aplicações e proporcionam grande flexibilidade, geralmente é utilizado em nível
de controle.
Na figura 1.4 observa-se a estrutura da tecnologia Profibus que já foi mencionada, e na
figura 1.5 a aplicação de sua tecnologia.
Figura 1.4 - Estrutura de tecnologia PROFIBBUS[11]
Figura 1.5 - Aplicação do Profibus[11]
22
1.4.3 Perfil Físico
O meio físico influencia na aplicação do sistema de comunicação. Não é possível
atender a dados e alimentação no mesmo meio físico. A alta confiabilidade de transmissão,
grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, soma-se as exigências
específicas da área de automação de processo, como operação em área classificada, isso exige
tipo básico de meio físico de comunicação disponíveis, tais como:
RS485: uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;
IEC 61158-2: aplicações em sistemas de automação em controle de processo;
Fibra Ótica: aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a
interferências e grandes distâncias. Tecnologia em infravermelho e wireless já estão
disponíveis no mercado.
Com Profibus dispositivos digitais podem se interconectar, desde do nível de campo
até o nível de células e tem características técnicas e funcionais de um sistema de
comunicação industrial. O Profibus é um sistema multi-mestre e permite a ação conjunta de
diversos sistemas de automação, engenharia ou visualização, seus dispositivos são
diferenciados entre mestres e escravos.
Mestres: Determinam a comunicação de dados no barramento.
Escravos: Dispositivos remotos (de periferia), não tem direito de acesso ao barramento e só
podem enviar mensagem ao mestre ou reconhecer mensagens recebidas quando solicitados.
Dispositivos Mestres
Um mestre é capaz de enviar mensagens independentemente de solicitações externas
quando estiver a posse do token (token é uma autorização especial para passagem de direito
de acesso aos dispositivos de um mestre para outro), são também chamados de estações
ativas. Em um sistema Profibus-DP existem dois tipos de mestre DPM1 e DPM2. O mestre
DPM1 é o controlador central que troca informações com as estações descentralizadas dentro
de um ciclo de mensagens especificado. São exemplos típicos de dispositivos mestres DPM1
os CLP’s, SDCD’s e sistema de PC. O mestre DPM2 são os programadores dispositivos de
configuração ou sistema de supervisão. Os mestres DPM2 são utilizados para configuração do
sistema DP, ou para os propósitos de operação ou monitoramento.
23
Dispositivos Escravos
Não possui direito de acesso ao barramento e pode apenas confirma o recebimento de
mensagens ou responder a uma mensagem enviada por um mestre. São também chamados de
estação passiva. Sua implementação é mais simples e barata que a dos mestres.
Em uma rede Profibus-DP possibilita a existência de sistema de mestre único ou de
múltiplos mestres. Essa arquitetura proporciona um alto grau de flexibilidade na configuração
do sistema. Como já foi citado até 126 dispositivos podem ser conectados a um barramento. A
descrição da configuração do sistema consiste no número de estações, na atribuição de
endereços às estações, no formato dos dados de E/S, no formato das mensagens de
diagnóstico e dos parâmetros de barramento utilizados.
Nas configurações de múltiplos mestres, vários deles estão conectados no barramento.
Esses mestres são subsistemas independentes, cada um contém um mestre DPM1 com seus
escravos DP, ou uma configuração de dispositivos de diagnósticos.
Velocidade
O Profibus-DP requer aproximadamente 1ms a 12Mbits/sec para a transmissão de 512
bits de dados de entrada e 512bits de dados de saídas distribuídos em 32 estações.
1.5.4 Repetidores
Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados
repetidores. Segundo a EN50170, um máximo de quatro repetidores são permitidos entre duas
estações quaisquer. Dependendo do fabricante e das características do repetidor, é permitido
instalar até nove repetidores em cascata. Recomenda-se não utilizar uma quantidade maior
que a permitida, devido aos atrasos embutidos na rede e ao comprometimento com o slot time
(tempo máximo que o mestre irá esperar por uma resposta do escravo) (PIBRASIL 2013).
24
Mostra-se na figura 1.6 a estrutura necessária à alimentação dos nós (Escravos).
Lembrando que neste projeto foram configurados 120 motores com relés inteligentes, onde a
comunicação dos 31 motores está configurada para o SDCD DeltaV, e a comunicação dos
restantes 89 motores estão configurados para o SDCD Invesys foram utilizados um total de 4
repetidores.
Figura 1.6 - Regra geral de segmentação, repetidor e bus terminador[11]
25
1.5 Organização da Monografia
Capítulo 1 – Neste capítulo é mostrado o objetivo do projeto, uma descrição rápida da
importância da Automação Industrial, a metodologia utilizada, e o cenário o qual a empresa se
encontrava. Neste mesmo capítulo podemos acompanhar as tecnologias utilizadas para
implementação do projeto, as vantagens de utilizar o CCMi e uma descrição breve do
protocolo de rede utilizado.
Capítulo 2 – Neste capítulo é apresentado as tecnologias disponíveis para
implementação do projeto, como o tipo de relé utilizado para o gerenciamento dos motores
elétricos instalados no CCM, a parametrização do mesmo através do software onde é
configurado os dados dos motores para monitoração de suas variáveis. É apresentado também
as plataformas SDCD utilizadas para gerenciamento dos motores através de supervisório
monitorados por operadores e mantenedores.
Capítulo 3 – Neste capítulo é detalhado a configuração do sistema SDCD para
monitoração e configuração dos motores de acordo com o processo, é configurado os
intertravamentos dos motores, seus alarmes e as telas de sinópticos do processo. São
detalhados os dois tipos de SDCD utilizados no projeto que tem a função primordial sobre
controle de processos de forma a permitir uma otimização da produtividade, estruturada na
diminuição de custos de produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das
operações e segurança operacional.
Capítulo 4 – É abordado neste capítulo a conclusão final de todo o projeto, os
objetivos atingidos, as melhorias adquiridas pela implementação e seu ponto negativo.
Também são mostradas as melhorias futuras a serem implementadas.
26
Capítulo 2
Tecnologias Disponíveis
Neste capítulo é realizada a parametrização do relé eletrônico inteligente de apenas um
dos motores do CCM, tomado como exemplo para entendimento do processo de
parametrização. E será também apresentado os sistemas SDCD’s que são usados no controle
do processo.
2.1 Relé Inteligente
Relé inteligente é um dispositivo de sistema de gerenciamento de motores elétricos,
com tecnologia de última geração e capacidade de comunicação via rede, responsável pela
proteção, medição, monitoramento e controle de motores elétricos, com parametrização que
garante uma inteligência ao CCM. O chaveamento e mecanismos de proteção do circuito
principal (contatores, disjuntores e fusíveis) são adicionalmente necessários.
Neste trabalho foi utilizado o relé inteligente da Siemens 'Simocode Pro V', este
dispositivo trouxe diversos benefícios para o projeto como a economia de tempo na
montagem, espaço interno nas gavetas e, o principal, o custo total. Oferece um escopo
funcional ainda maior, além disso, pode ser expandido por exatamente as funções que você
precisa em sua partida de motor. Na figura 2.1, pode-se verificar o módulo de expansão
digital, este módulo aumenta o tipo e número de entradas digitais e de saídas a relé do
SIMOCODE pro V. Esse dispositivo agrega não somente todas as funções habituais que uma
27
combinação de partida necessita, mas também recursos práticos e avançados, indo além do
que se poderia implementar convencionalmente.
Esse relé consegue trabalhar sem estar interligado a uma rede de comunicação e
mesmo assim garante a execução de suas funções, para isso as intervenções serão apenas
locais. Neste projeto os dados de campo são enviados ao SDCD via uma rede industrial, a
rede industrial utilizada foi a Profibus-DP e em seguida a um sistema de supervisório
instalado em um centro de controle, na sala central de automação, via ETHERNET, na figura
2.2 é apresentada a configuração da estrutura de rede de comunicação e na figura 2.3, pode-se
observar o relé eletrônico inteligente utilizado neste projeto e instalado na gaveta com o cabo
de comunicação.
Figura 2.2 - Configuração da estrutura de rede de comunicação[1]
Figura 2.1 - Módulo de expansão Simocode
Pro V[1]
SDCD
28
Figura 2.3 - Simocode Pro V
2.1.1 Funções do SIMOCODE pro V
Funções de Proteção:
Proteção contra sobrecarga (Classe 5 até 40);
Monitoração de falta de fase;
Proteção contra assimetria;
Proteção contra bloqueio de rotor;
Monitoração de falha à terra;
Monitoração de tensão;
Monitoração do número de partidas do motor;
Monitoração de potência;
Monitoração de cosφ;
Detecção da sequência de fases;
Monitoração do tempo de operação (horas);
Monitoração do tempo de parada do motor;
Proteção de motores por Termistor;
Monitoramento de temperatura Pt100/Pt1000;
Monitoramento de entrada analógica com sinal de 0/4 – 20mA;
Armazenamento das curvas de medição;
Etc...
Utilizados no Projeto
29
Funções de Controle:
Partida direta;
Partida reversora;
Partida estrela-triângulo;
Partida estrela-triângulo reversa;
Duas velocidades (para motores com enrolamentos separados), também com reversão;
Duas velocidades (para motores com enrolamentos Dahlander separados), com
reversão;
Atuação de válvula solenoide;
Comando de deslocamento;
Soft-starter;
Soft-starter com reversão;
Etc...
Dados de operação:
Estado do motor (ligado, desligado, esquerda,
direita, lento, rápido entre outros);
Corrente nas fases 1, 2, 3 e corrente máxima;
Tensão nas fases 1, 2 e 3;
Potência ativa;
Potência aparente;
Fator de potência;
Assimetria de fase;
Sequência de fase;
Tempo para o trip;
Tempo de resfriamento restante do motor;
Temperatura do motor;
Valores analógicos;
Etc...
Utilizado no Projeto
Utilizados no Projeto
30
Dados de Serviço:
Tempo de operação do motor (horas);
Tempo de parada do motor;
Número de partidas;
Número de sobrecargas;
Comentários internos armazenados no aparelho;
Tempo de operação do aparelho (horas);
Etc...
2.1.2 Parametrização do relé eletrônico inteligente
Nesta seção será mostrado a parametrização básica do relé eletrônico inteligente
utilizado no projeto (SIMOCODE pro V), será apresentado um pequeno exemplo do
monitoramento de um motor interligado na gaveta do CCMi através do software
‘SIMOCODE ES’.
Existem duas versões: Smart e Professional.
Smart: para conexão direta com a porta serial via PC cabo (ponto a ponto);
Professional: para conexão com um ou mais equipamentos via rede Profibus –DP e/ou
com o PC cabo via serial.
Explorando o Software ‘SIMOCODE ES Professional’
Nesta próxima etapa serão explanados alguns parâmetros de configuração básica e
dados de monitoramento do software SIMOCODE ES Professional. É um software de fácil
manuseio, na figura 2.4, mostra-se como acessar o software depois de instalado em um
PC/Notebook convencional.
Utilizados no Projeto
31
Abrindo o Software
Figura 2.4 - Acesso ao software
Na figura 2.5 mostra-se a tela inicial do software Simocode ES 2004. Basta clicar em
OK, conforme indicado na figura 2.5, para um posterior acesso online à gaveta em questão do
motor que se deseja
Figura 2.5 - Tela inicial do software
32
Para monitorar a gaveta online, primeiramente conecte na interface do sistema, inicie o
SIMOCODE E/S, abra o menu Switching Device > basta clicar em Open Online ou
pressionar tecla de atalho Ctrl+F3 como mostra a Figura 2.6.
Figura 2.6 -Conectando Online
Na figura 2.7 deve-se escolher o tipo de acesso (conexão) ao dispositivo e a interface
(porta) de comunicação e em seguida clicar em OK. Existem três tipos de acesso, como segue
na foto, através do software, via rede Profibus DP e dispositivo local, no dispositivo local
selecione a interface COM correspondente à sua porta serial.
Figura 2.7 - Tipo de acesso ao dispositivo
33
Caso todos os passos acima tenham sido seguidos corretamente, a partir deste
momento estará conectado online ao dispositivo, onde será mostrado na barra inferior a
direita, como mostra na figura 2.8.
Figura 2.8 - Dispositivo online
Na figura 2.9 é mostrado a árvore de configuração que está submetida em vários
tópicos relacionados as configurações do dispositivo, proteções e controle do motor, funções
de monitoramento, entradas, saídas e etc. A seguir serão abordados alguns itens básicos de
configuração.
Figura 2.9 - Árvore de configuração
Online
Online
34
Na figura 2.10 mostra-se os módulos configuráveis:
Figura 2.10 - Configuração do Dispositivo
Current Measurement: Escolhe a faixa de corrente do relé.
Digital Module 1 e 2 (Refere-se ao tipo do relé de saída empregado, podendo ser):
Monoestável – Se desligam, quando desligado o aparelho.
Biestável – Mantêm-se atuados, mesmo com o aparelho Desligado.
Operator Panel;
Voltage Measurement;
Temperature Module;
Analog Module;
Earth Fault Module;
Application(Control Function);
35
Lembrando como mostra na figura 2.11 uma rede Profibus DP possui 126 endereços
do módulo como escravo, ou seja, possui 126 nós para configuração, a partir de 32 nós
configurados será necessário a instalação de um repetidor de sinal da rede. Para configurar o
endereço Profibus abra o menu Device parameters > Bus parameters, selecione o endereço
DP, grave os dados na BU com Target system > Load to switchgear. O endereço é
configurado. Então confirme a mudança de endereço[3].
Figura 2.11 - Parâmetro de Barramento
Parametrizando a proteção do motor
O Simocode Pro protege os motores trifásicos e AC de acordo com a norma IEC
60947-4-1. A classe de tripping pode ser configurada de 8 maneiras, que inicia na classe de
motor 5 e vai até 40[9]. O tempo de desativação pode ser ajustado com precisão para que o
tempo de ativação do motor seja ajustado para melhor uso de sua capacidade. Os valores
“Heating up the motor model” e o intervalo de tripping de sobrecarga são calculados e podem
ser postos à disposição do sistema de controle. Depois do tripping por sobrecarga, é preciso
esperar o tempo de resfriamento do motor para ativá-lo novamente.
36
A corrente nominal do motor é usualmente parametrizada no campo Is1. Este valor é
encontrado na placa do motor. Essa é a base para calcular a corrente de sobrecarga do motor.
A classe do motor (tripping class) indica o máximo de tempo de tripping o qual o
Simocode Pro suporta uma corrente de 7.2 vezes a corrente Is[3].
Na figura 2.12 é mostrado a configuração da proteção do motor que será monitorado
pelo relé.
Figura 2.12 - Proteções do Motor
Set currents: Ajustar na corrente nominal do motor Is1.
Class: Ajustar a classe de disparo conforme a classe térmica do motor (5 a 40) – tempo que o
relé suportará para a partida de motores pesados.
Response at Trip Level: Determina como o Simocode atuará em resposta ao nível de trip
(disabled, signalling, warning e tripping).
Cooling Down Period: Tempo em que o Simocode aguardará para resfriamento do Motor.
Type of Load: Tipo de motor acoplado ao Simocode (trifásico/monofásico) a carga não
precisa ser necessariamente um motor (ex. resistências).
Response at Pre-Warning: Determina como o Simocode atuará ao nível de alarme (disabled,
signalling, warning).
Pre-Alarm Delay: Intervalo durante qual o nível de pre-warning deve ser excedido
constantemente antes de executar a resposta desejada.
37
Reset: Optar por manual ou automático.
Unbalance Protection: Limite % do desequilíbrio de fase que o Simocode atuará.
Stalled Rotor: Limite % de corrente que o Simocode atuará se ocorrer rotor travado.
Na figura 2.13 é mostrado a árvore da função de monitoramento. Monitoramento
externo de falha à terra habilitado para trip após 0,5s da detecção.
Figura 2.13 - Funções de monitoramento
Até o momento foi mostrado a parametrização de algumas funções básicas do
Simocode. A partir de agora será mostrado o monitoramento de alguns valores online,
navegando ao menu correspondentes a cada informação, na figura 2.14 é mostrado o menu de
navegação do monitoramento online.
Figura 2.14 – Menu de navegação
38
Na figura 2.15 é mostrado o monitoramento do controle do motor e a informação de
status.
Figura 2.15 - Controle/ Informação de Status
Na figura 2.16 logo abaixo é observado o monitoramento de falhas e avisos:
Figura 2.16 - Falhas/Alarmes/Informação de Status
39
Na figura 2.17 é mostrado o monitoramento dos valores medidos pelo Simocode pro
V:
Figura 2.17 - Valores medidos
Na figura 2.18 pode-se observa o gráfico de tendência de corrente das três fases do
motor:
Figura 2.18 - Gráfico de tendências
40
2.2 Plataforma SDCD
Foram escolhidas as duas plataformas já existentes na planta para o gerenciamento dos
120 motores, dos fornecedores da Emerson (DeltaV) e da Invensys (Foxboro), os motores
poderiam estar apenas em uma das plataformas, mas por estratégia técnica, comercial e de
infraestrutura os motores já existentes, os mesmos ficaram, alocados na plataforma a qual suas
malhas estão configuradas, por isso foram alocados 31 motores para plataforma DeltaV e 89
para plataforma Foxboro.
2.2.1 Definição
O SDCD é o sistema digital de controle distribuído, é um sistema de controle
desenvolvido para controlar de uma maneira geral todos os processos de uma planta
industrial. Por ele passam todas as variáveis medidas pelo processo, dele parte os comandos
para ligar e desligar motores, abrir e fechar válvulas.
Em uma analogia bem simples podemos dizer que o SDCD é a visão, olfato, tato,
paladar e membros de uma planta industrial, por ele podemos ver o que está acontecendo na
planta, e tomar decisões sobre o que fazer, podemos dizer que as vezes ele até funciona como
cérebro pois alguns automatismos e intertravamentos podem ser implementados, mas por
mais independente e inteligente que um destes sistemas seja nunca a figura do operador deve
ser eliminada, pois o sentimento humano, a intuição por assim dizer, ainda não pode ser
substituído pela lógica da máquina.
A diferença entre um SDCD e um CLP é bem tênue, na realidade podemos dizer que
um CLP olha para o micro, é um controlador voltado para um sistema único, uma máquina ou
um processo, enquanto que o SDCD se volta para o macro, para uma planta inteira.
O SDCD surgiu na década de 70, seu desenvolvimento partiu de duas empresas
independentemente a Honeywell e a Yokogawa. Ambas tinham o mesmo ideal de construir
um sistema que condensasse de maneira amigável ao operador todo o processo de uma planta,
os primeiros sistemas foram o TDC2000 e o CENTUM.
41
2.2.2 Salas de Controle
A sala de controle é um local físico dentro de uma planta industrial destinado a
aglomerar as funções de controle da planta, antes do advento do SDCD e do PC convencional
existiam limitações físicas, com painéis pneumáticos antigos e computadores do tamanho de
uma sala, ocupando espaços gigantescos.
Após o conceito de SDCD as salas de controle foram miniaturizadas, grandes painéis
pneumáticos ou de comandos elétricos de liga/desliga foram condensados em uma estação de
trabalho computadorizada, com telas gráficas representando o processo industrial (PFD /
P&IDs).
2.2.3 Elementos de Hardware de um Sistema de Controle
O sistema tipicamente é dotado de processadores personalizados, desenvolvidos para a
finalidade de controle de processo industrial, chamados de controladores, usa redes
redundantes com protocolos de comunicação que podem ser tanto proprietárias quanto
obedecer modelos padronizados.
Estes controladores recebem informação dos módulos de entrada via instrumentos /
elementos de campo e enviam comandos para os módulos de saída, tanto entradas como
saídas são os chamados elementos de campo, compostos por instrumentos industriais,
válvulas, motores, etc. Estes elementos enviam informações e recebem comandos de um
operador, que as processa via uma IHM que neste caso é normalmente representada por um
computador personificando o processo de manufatura via telas amigáveis que permitem
visualizar os dados e informações do processo além de dar comandos, tudo em tempo real.
2.2.4 Painel Elétrico
A maioria dos elementos de Hardware descritos nesta seção são acomodados em um
painel elétrico comum, nele temos os controladores, cartões de I/O, redes de comunicação,
fontes de alimentação, disjuntores, bornes, fusíveis, entre diversos outros elementos.
42
2.2.5 Controlador
Os controladores são os chamados “cérebros” de um SDCD. É nele que as lógicas,
automatismos, intertravamentos, operações e comandos são processados. Geralmente nesse
tipo de sistema aparecem na forma redundante, onde ambos possuem as mesmas lógicas
sendo processadas simultaneamente, porém um deles está ‘rodando’ efetivamente enquanto o
outro está em standby para o caso de falha do primeiro.
Em uma planta produtiva podemos ter um controlador para cada parte do processo
(maneira mais conservadora e segura) ou apena um para a planta inteira, dependendo do
tamanho da planta. Em média cada controlador trabalha com 1000 informações de I/O,
variando muito, dependendo do fabricante e modelo utilizado.
Se comunica com outros controladores e as estações de operação normalmente via
redes com protocolos de comunicação proprietários. Os chamados elementos digitais usam
contatos ‘secos’ ou ‘molhados’ dependendo do tipo de cartão, podendo ainda utilizar redes
inteligentes como a ASi. Já os elementos analógicos de campo utilizam protocolos de
comunicação digitais como Fieldbus, Profibus ou HART (Highway Addressable Remote
Transducer) porém a maneira mais utilizada nas plantas brasileiras ainda é o chamado 4-
20mA (ou ainda 0-20mA / 0-10V / 1-5V).
2.2.6 Cartões de I/O
Os chamados cartões de I/O de um SDCD são elementos que servem para fazer o
controlador receber e enviar informações do campo. O termo I-Input significa entradas,
enquanto o O-Output faz referência a saídas.
Informações de entrada podem ser uma temperatura, pressão, nível, posição de
aberta/fechada, status de motor ligado/desligado, etc. Já as chamadas informações de saída
podem ser um comando para abrir/fechar uma válvula, um comando para ligar/desligar um
motor, um sinal analógico de controle para velocidade de um motor, ou o 0-100% da abertura
de uma válvula de controle, etc.
Dentro da classificação de Entradas/Saídas são basicamente divididos em cartões
digitais e analógicos, onde os digitais enviam/recebem comandos em nível lógico 0 ou 1,
enquanto os analógicos enviam/recebem informações que podem variar de 0-100% de
determinada informação de campo, que pode ser ajustada para um range de processo como 0
43
a 10kgf/cm² ou 0 a 1750rpm por exemplo, desde que o instrumento de campo esteja
configurado com a mesma informação de range.
2.2.7 Cartões de Comunicação
Em algumas aplicações dentro de uma mesma planta fabril podemos ter mais de um
SDCD, ou ainda alguns CLP’s utilizados para controle de maquinário com aplicações
especificas já vendido em conjunto com o equipamento, um sistema de prensas ou um robô
por exemplo. As vezes precisamos trocar informações entre estes sistemas, a comunicação
ocorre via os chamados cartões de comunicação, e podem ser com diferentes protocolos,
como o profibus, modbus, etc.
Uma outra maneira de utilizarmos os cartões de comunicação seria via as chamadas
redes de instrumentos de campo, em vez de conectarmos os instrumentos com o SDCD com
um par de cabos por instrumento criamos uma rede única, onde vários instrumentos de
comunicam com um mesmo ponto de entrada no SDCD. Profibus e Fieldbus são exemplos
destes tipos de rede, na implementação deste projeto foi utilizado a rede Profibus DP, como
citado no capítulo 3.
2.2.8 Estações de Controle
O SDCD precisa de uma estação na qual o operador possa visualizar as informações
de uma maneira macro e tomar decisões, operar a planta. Uma IHM pequena, dedicada seria
suficiente se estivéssemos falando de uma máquina ou de um pequeno sistema, porém quando
estamos falando de uma planta precisamos de algo mais potente, com diversas
funcionalidades e uma interface amigável para facilitar a visualização das informações, daí a
utilização de um computador para esta finalidade. Também chamado de estação de controle,
este PC não deixa de ser uma IHM só que com uma tela maior, ferramentas de interação como
mouse e teclado, além de uma capacidade de processamento de informações e imagem mais
apurada. Normalmente esta estação fica em um centro integrado de controle ou a chamada
sala de controle. Nesta sala podemos ter mais de uma dessas máquinas, com 1, 2 ou 4 telas de
visualização por PC.
44
2.2.9 Remota
Um outro elemento que merece menção seriam as chamadas remotas de campo, elas
são pequenos painéis que podem ficar localizadas diretamente no campo, próxima ao
processo. Ela acumula diversos pontos de campo, 100~200 pontos e se comunica com os
controladores via cartões/protocolos de comunicação. Funcionam como uma extensão do
controlador, porém não rodam lógicas, o controlador continua sendo o cérebro do sistema.
2.2.10 Elementos de Software de um Sistema de Controle
Um sistema de controle possui uma grande variedade de softwares utilizados seja para
configurar um I/O, montar uma lógica automática, desenvolver uma tela operacional ou
montar um trend de acompanhamento operacional.
Repassaremos de maneira geral como cada um destes itens aparece em um SDCD para
a configuração do monitoramento dos motores em cada plataforma, revisitaremos estes pontos
mais a frente, em maiores detalhes, quando checarmos o funcionamento especifico de cada
um dos SDCD’s utilizados para monitorar os motores da planta onde foi implementado o
processo.
2.2.11 Base de Dados
O que fica armazenado na base de dados de um SDCD varia de fabricante para
fabricante, mas, em geral, é o elemento de software mais importante de um SDCD, nela
normalmente temos armazenadas as lógicas, intertravamentos, telas, configurações de malhas
e de I/Os, enfim, se o controlador é o cérebro do sistema a base de dados seria toda a
informação armazenada no sistema, sua parametrização.
2.2.12 Lógicas e Intertravamentos
Cada uma das malhas de controle possui sua lógica associada, essa lógica pode ser da,
mas simples, como um bloco de entrada analógica criado para exibir na tela operacional uma
única variável de processo a lógicas mais complexas, como um automatismo baseado em 4 ou
5 variáveis de processo que atuam em motores de bombas ou válvulas ON/OFF.
45
Existem diversos tipos de lógicas que podem ser criadas, mas algo comum aos SDCDs
é que geralmente é utilizado um software especifico para desenvolvimento destas. Neste
software configuramos as entradas e saídas do sistema, bem como os blocos lógicos
associados a cada um destes I/Os, passando por lógicas automáticas, ou automatismos e
sequencias, que são lógicas desenvolvidas para desempenhar um passo-a-passo de ações caso
alguma condição do processo seja atingida, chegando até as chamadas lógicas de
intertravamentos, que são lógicas desenvolvidas para proteger equipamentos e pessoas
também independente da ação de operadores.
2.2.13 Telas Operacionais
Os sistemas de controle possuem um software especifico para desenvolvimento das
telas operacionais.
Nestas telas sinótipos dos processos são desenvolvidos, similares aos chamados
P&IDs e PFDs visando facilitar a operação de uma maneira geral, ajudando o operador que já
está familiarizado com a planta através destes documentos de processo. As imagens utilizadas
nestes softwares são o mais amigáveis possível, tanques, motores, válvulas, são representados
conforme normatização especifica facilitando a visualização de informações e a tomada de
decisão do operador.
Normalmente o desenvolvimento destas telas é normatizado pela EEMUA 192,
existem IEC e NAMUR correspondentes embora cada fabricante disponibilize as mais
diversas ferramentas dentro deste software, possibilitando ao cliente desenvolver suas telas
operacionais da maneira que mais achar adequada.
2.2.14 Tendências
As chamadas telas de tendência são gráficos cartesianos que representam os valores
das variáveis de processo versus o tempo, dessa maneira o operador consegue acompanhar
caso uma determinada variável esteja com “tendência” de subida ou descida, muito
importante para a tomada de decisão, neste trabalho as telas de tendência são de grande
importância para acompanhamento das variações da corrente dos motores.
46
2.2.15 Alarmes
Cada vez mais automação possibilita o downsize dentro das indústrias, os SDCDs em
conjunto com os elementos de campo e as lógicas e sequências diminuem a necessidade de
uma pessoa visualizando e controlando todas as variáveis do processo, facilmente uma planta
industrial possui mais de 5000 variáveis. Por outro lado, nenhuma máquina consegue
extrapolar um cenário tão eficientemente quanto o homem, então o ideal é chegar em um
meio termo onde temos um operador do lado do computador, observando o processo com
cuidado, sempre tomando o cuidado de filtrar as informações mais relevantes, mantendo boa
parte deste processo (variáveis não críticas a segurança e qualidade por exemplo)
automatizado.
Daí a necessidade de termos os alarmes, que tem por função chamar a atenção do
operador para algo que não deveria ocorrer no processo, como um nível de um tanque muito
cheio, uma pressão muito alta ou ainda um motor que deveria ter ligado e não ligou.
Eles vêm configurados em diversos tipos, os mais comuns são os de baixa (L), baixa-
baixa (LL), alta (H), alta-alta (HH), desvios de setpoint e falhas de acionamento.
Podem ter as funções de segurança, qualidade ou apenas informativa para o operador,
o sistema pode ter lógicas automáticas caso um valor de nível alto-alto de um tanque seja
atingido, como desligar o motor da bomba que o está enchendo. As possibilidades são
infinitas.
2.2.16 Histórico de Alarmes, Eventos e Tendência
Cada um dos elementos citados acima precisa ter seu histórico armazenados, para que
possamos rastrear o que ocorreu em determinado ponto do processo. Estamos falando de
processos que podem ir dos mais simples, como um processo de fabricação de uma linha de
produção de água gaseificada até uma refinaria de petróleo ou uma usina nuclear.
Logo é de praxe que cada um dos sistemas de controle, independente do fabricante
tenha um local de armazenamento de dados de cada variável mensurada, de cada ação
tomada, seja pelo sistema em um dos automatismos, ou pelo operador da sala de controle,
uma variável que atingiu valores inaceitáveis que podem pôr em risco a segurança do
47
operador, da planta inteira e, às vezes, até da comunidade local, é de extrema importância
saber o que aconteceu para se corrigir e evitar que ocorra novamente.
2.2.17 Comunicação Entre Elementos:
- Controladores
Varia de fabricante a fabricante mas existe uma limitação no número de pontos
que cada controlador pode comandar no processo, então normalmente se divide o
processo em partes afins menores, deste modo se faz necessários que estes
controladores troquem informações entre si, para parar o processo em diferentes
pontos da planta no advento de um intertravamento de segurança, por exemplo. Para
que isto ocorra cada fabricante criou sua própria maneira, alguns utilizando um
protocolo próprio de comunicação outras utilizando protocolos comerciais
consolidados no mercado.
- Estações Operacionais
De modo análogo aos controladores as estações operacionais também precisam
trocar informações, até para evitar um comando duplo em um mesmo elemento de
campo de duas estações operacionais distintas. A lógica de funcionamento e tipos de
protocolos de comunicação seguem o mesmo princípio dos controladores.
- Outros Sistemas
A comunicação entre diferentes sistemas de controle, ou entre CLPs e SDCDs,
se faz através de comunicações digitais, com protocolos como Modbus e Profibus.
2.2.18 Foxboro/IACC (Invensys)
O SDCD Foxboro engloba cerca de 22% de toda no qual o projeto está sendo
implementado, nele opera o sistema IACC da Invensys, uma média de 800 pontos distintos
entre instrumentos, elementos de controle, motores e comunicação digital. O foco é mostrar
um pouco da configuração e seu monitoramento. Na figura 2.19 é mostrado a sala de controle
operacional de toda a planta.
48
Figura 2.19 – Sala de controle operacional
FoxBoro – Hardware
O sistema trabalha com uma estrutura de hardware do tipo controlador, cartões de I/O,
remotas, cartões de comunicação, conforme figuras abaixo.
Controlador
O Controlador é o cérebro do sistema, nele rodam todas as lógicas e cálculos, dele
partem os comandos, as ações e ele quem processa todas as informações, cada controlador
possui um reserva trabalhando em modo standby, como mostrado na figura 2.20, caso o que
esteja em operação falhe o outro assume, fazendo o hot swap sem afetar o processo.
Figura 2.20 – Controlador FoxBoro
49
Cartões de I/O
Os cartões de I/O mostrado na figura 2.21 são responsáveis por receber/enviar os
sinais de campo, sinais analógicos e digitais descritos em tópicos anteriores.
Figura 2.21 – Cartões de I/O FoxBoro
Cartões de Comunicação Digital
O único cartão de comunicação digital utilizado na planta é o profibus, utilizado para
se comunicar com 89 motores, utilizando cabo profibus convencional em uma rede padrão de
gavetas SIMOCODE da Siemens. Na figura 2.22 mostra um exemplo de um cartão de I/O
Foxboro.
Figura 2.22 – Cartões de I/O FoxBoro (Profibus)[4]
50
Rede de Comunicação
Possuí rede redundante do tipo estrela, do tipo proprietária, onde cada controlador,
estação operacional e remotas se comunicam através de uma rede mesh, algumas das vezes
devido as distâncias se comunicam via fibra óptica.
Estações Operacionais
O sistema possui 4 estações na rede, onde 3 são estações operacionais, e 1 tem por
função armazenar os dados além de acumular a função de ser a estação de engenharia.
Mostra-se na figura 2.23 um modelo de uma estação operacional.
Figura 2.23 – Estações operacionais e de engenharia, foxboro.
FoxBoro – Software
O Sistema FoxBoro, assim como os demais na planta, possui uma série de softwares
necessários para seu funcionamento, software de configuração de lógicas, tendência, telas
operacionais, comunicação, configuração de servidores, entre diversos outros. Abaixo segue
uma breve descrição dos mais comumente utilizados no meio industrial.
A versão utilizada é a 6.9, rodando em Windows XP, o sistema supervisório é
chamado de “FoxView”, um outro software chamado de “IACC” serve para a configuração e
elaboração de lógicas além de realizar downloads para o controlador.
51
Configuração do Sistema (Base de Dados)
O software utilizado para a configuração da base de dados do FoxBoro é o IACC
versão 2.3.1, como mostrado na figura 2.24. Neste software podemos configurar todos os I/Os
utilizados no sistema, as lógicas internas, a rede entre controladores, os controladores, entre
outras funções, através deste software que iremos configurar todos os dados de informações
dos motores desta plataforma enviadas do SIMOCODE através da rede.
Figura 2.24 – Configurador FoxBoro, IACC.
Operação / Telas Operacionais
O Software utilizado para operação é o chamado FoxView, nele é realizado todos os
procedimentos de operação, para isso telas de sinópticos do processo são criadas, para facilitar
o entendimento do operador.
A edição e criação destas telas também é realizada no FoxView, neste software existe
um modo de edição que permite alterações de telas operacionais.
As telas ficam armazenadas em cada um dos PC’s operacionais, porém não podem ser
editadas neles, o programa FoxView de edição fica instalado apenas na estação de engenharia,
desta forma quando uma das telas é alterada nesta estação é necessário fazer um download
52
para as demais estações operacionais, para que a base de dados de telas se mantenha. Na
Figura 2.25 pode-se observar uma tela operacional da linha de Reação da planta.
Figura 2.25 – Tela operacional FoxBoro.
Lógicas e Intertravamentos
As lógicas, sequenciais e intertravamentos do sistema são todas escritas no IACC,
mesmo programa utilizado para configurar a base de dados. Mostra-se na Figura 2.26 uma
estrutura geral da árvore de configuração e de seus blocos lógicos.
Figura 2.26 – Configurador de lógicas FoxBoro.
53
Alarmes
O software visualizador de alarmes do FoxBoro é o Alarm Manager, nele os
operadores conseguem visualizar de uma maneira clara quais os alarmes estão atuados, quais
normalizaram. Os alarmes são listados por criticidade e cronologicamente. A figura 2.27
mostra a tela da lista de gerenciamento de alarmes.
Figura 2.27 – Alarm Manager do FoxBoro.
Tendências
O FoxBoro também possui um software de visualização de tendências, não é tão
sofisticado quanto o do sistema DeltaV, porém é bem eficiente, na realidade se trata de uma
tela operacional rodando no FoxView onde é possível visualizar uma determinada variável
operacional versus o tempo.
54
2.2.19 DeltaV (Emerson)
Na planta da implementação do projeto, 40% de todo o processo roda no sistema
DeltaV, uma média de 1600 pontos distintos entre instrumentos, elementos de controle,
motores e comunicação digital.
O sistema trabalha com a mesma estrutura que foi apresentada para hardware
(controlador, cartões de I/O, remotas, cartões de comunicação, etc) e software (configurador
de lógicas, telas, histórico, tendências, etc). A figura 2.28 mostra o exemplo de um dos painéis
DeltaV, onde estão alocados os controladores, cartões I/O e cartões de comunicação.
Figura 2.28 – Painel DeltaV.
DeltaV – Hardware
Conforme foi descrito o sistema de controle possuí seu conjunto de elementos de
hardware. Salvo um ou outro elemento a maioria destes sãos comuns em vários dos sistemas
dos sistemas, pois os elementos básicos são os mesmos.
Controlador
O Controlador mostrado na figura 2.29 é o cérebro do sistema, nele rodam todas as
lógicas e cálculos, dele partem os comandos, as ações e ele quem processa todas as
informações, cada controlador possui um reserva trabalhando em modo standby, caso o que
55
esteja em operação falhe o outro assume, fazendo o hot swap sem afetar o processo, no
sistema inteiro temos 3 controladores do tipo MD, onde cada um destes é redundante, ou seja,
6 controladores.
Figura 2.29 – Controlador DeltaV, área de estocagem e reação.
Cartões de I/O
Os cartões de I/O mostrados na figura 2.30 são responsáveis por receber/enviar os
sinais de campo, sinais analógicos e digitais descritos em tópicos anteriores.
Figura 2.30 – Cartões de I/O.
56
Remotas
O conceito de remota é o de que temos um nó que centraliza todos os cabos dos
elementos de campo, fisicamente próximos aos instrumentos, e deste, parte um único para que
comunicará com o controlador.
Figura 2.31 – Conceito de Remota no DeltaV para controladores MD.
Cartões de Comunicação Digital
Os cartões de comunicação mostrado na figura 2.32 servem geralmente para
comunicar os sistemas com outros sistemas, ou ainda uma rede de instrumentos inteligentes
com o sistema de controle, as possibilidades são as mais variadas, temos rodando cartões
fieldbus, profibus, modbus e alguns instrumentos HART.
Figura 2.32 – Cartões de comunicação, SERIAL, PROFIBUS e FIELDBUS
57
Rede de Comunicação
Possuí rede redundante do tipo estrela, ethernet, onde cada controlador, estação
operacional e remotas possuem seu próprio endereço IP, algumas das vezes devido as
distâncias se comunicam via fibra óptica. Para a comunicação é utilizada um Switch mostrado
na figura 2.33.
Figura 2.33 – Switches redundantes e conexões de rede.
Estações Operacionais
O sistema possui 11 estações na rede, onde 9 são estações operacionais, 1 tem por
função armazenar os dados (application) e mais uma que tem por função ser a estação de
engenharia. As estações operacionais podem ser observadas na figura 2.19.
58
DeltaV – Software
A versão do DeltaV utilizada é a 7.4.3, rodando no sistema operacional windows XP,
com máquinas DELL optiplex e poweredge, dependendo da função da estação.
Configuração do Sistema (Base de Dados)
A configuração estrutural do sistema de controle, com topologia de rede, elementos
principais de hardware (controlador, cartões de I/O, etc) é feito através do DeltaV Explorer.
Na figura 2.34 é mostrada a estrutura do software de connfiguração DeltaV Explorer.
Figura 2.34 – DeltaV Explorer.
Operação
O sistema supervisório é chamado de “DeltaV Operate” mostrado na figura 2.35,
neste software o operador visualiza e opera a planta fabril. Este mesmo software possui um
59
modo de edição onde podemos modificar as telas operacionais, este modo de edição fica
disponível apenas para o login do administrador.
Figura 2.35 – DeltaV Operate.
Lógicas e Intertravamentos
Todos os desenvolvimentos de lógica, intertravamentos e sequenciais, além da
configuração básica de malhas de I/O, como ranges, alarmes, etc, é realizada no software
control studio mostrado na figura 2.36. Neste software, após realização das modificações, é
feito o download para o controlador.
Figura 2.36 – Control Studio.
60
Eventos
O software de visualização de eventos do sistema é o ‘Process History View’ que é
mostrado na figura 2.37.
Figura 2.37 – Process History View – Eventos.
Alarmes
Figura 2.38 – Alarmes do processo.
Tendências
O software de visualização de tendências é utilizado para acompanhamentos de
variáveis de processo, é o mesmo utilizado para a visualização de eventos, process history
view, porém em um outro modo de operação.
61
Módulo de Diagnóstico de Sistema
Um dos softwares mais utilizados é para o diagnóstico de hardware e rede, o
Diagnostics mostrado na figura 2.39 onde é possível verificar quais controladores estão fora, e
quais estações de operação estão fora ou em falha.
Figura 2.39 – DeltaV Diagnostics.
Considerações finais
Com o problema identificado no capítulo anterior o tópico que se seguiu teve o
objetivo de dar um melhor entendimento dos conceitos básicos relacionados aos elementos
abordados ou utilizados nesta monografia, as tecnologias da área de automação industrial que
se correlacionam com o trabalho. Foi nele que as premissas foram determinadas de modo
a nivelar o leitor tecnicamente, capacitando-o para um melhor entendimento da solução que
será dada no próximo capítulo.
Um dos pontos importantes a ser comentados é que o relé inteligente substituiu o relé
de sobrecarga, bimetálico, com muito mais funções incorporadas, com a substituição de
contatos físicos por lógicos, além da possibilidade de integração com a rede industrial. No
próximo capítulo é abordado o sistema de supervisório, a configuração dos motores realizadas
nos SDCD’s, que apesar de ser uma demonstração de funcionamento, evidencia a necessidade
de equipes de operação e salas de controle para registro das variáveis de todo o processo.
62
Capítulo 3
Aplicação
Neste capítulo é realizada uma demonstração de funcionamento do sistema de
supervisão. Principalmente quando houver uma sobrecarga ou alguma outra falha onde
através do supervisório poderemos gerenciar as falhas, além de evidenciar as variáveis
definidas como entrada e saída do SDCD. Utilizaram-se funções do próprio supervisório para
demonstrar sinais de campo e ações nas telas diante das mudanças dos valores das variáveis.
Configuração das lógicas dos motores nas Plataformas SDCD (DeltaV/ Foxboro)
3.1 DeltaV:
Para configurar os 31 motores no SDCD DeltaV será preciso selecionar o controlador
e o cartão Profibus que está interligado ao controlador. Neste projeto foi configurado todos os
dados de informações dos motores no controlador CTRL-04, cartão Profibus C02 e nó da rede
P01 como mostra na figura 3.1, nesta mesma figura você observa que tem 31 TAG’s de
motores configurados, cada motor tem seu barramento relacionado com o configurado no relé
Simocode Pro V, por exemplo, o motor GA2113_17, o TAG GA2113 significa dizer que é
um motor da área 2100 da planta, o número 13 é o sequencial numérico de equipamentos
desta área enquanto que o 17 significa que é o barramento que se comunicará através da rede
63
com a gaveta que esteja configurada com o mesmo nó, a configuração deste parâmetro no relé
é mostrado na figura 2.11. Através da rede Profibus a gaveta do motor GA2113 mandará
todas as informações do motor para o SDCD, se no IACC tiver o nó 17 configurado, então
todos os 31 motores terão seu barramento relacionado com o Simocode Pro V que se
comunicam através do protocolo Profibus.
Figura 3.1 - Árvore de Configuração dos barramentos Profibus
Na configuração dos motores teremos todas as informações, a configuração foi de uma
forma que não gastasse licença de DST (I/O's), diminuindo assim o custo do projeto, por isso
foram utilizados blocos BFO- Boolean Fan Output e BFI - Boolean Fan Input, para receber as
palavras de 16 bits até 32 bits enviadas via rede PROFIBUS-DP, assim não se gasta licença
de I/O.
A configuração da lógica é através de Function Block, na figura 3.2 é apresentado
todos os blocos de configuração dos motores, os motores seguem o mesmo padrão de
configuração, BFI1 é o bloco dos intertravamentos, DC1 é o bloco de comando para
ligar/desligar BLOCK1 é um bloco customizado com todas as informações da gaveta do
motor que é enviado através do relé. Informações de:
Barramento;
Rotor bloqueado;
Desbalanceamento de fase;
Sobrecarga;
Fuga à terra;
64
Perda de fase.
Motor desligado;
Motor ligado;
Corrente do motor;
Trip do disjuntor;
Gaveta em posição de teste;
Comando local/remoto
Resumo de falhas;
Resumo de alarmes;
Corrente máxima (medição real).
Na figura 3.2 e 3.3 pode-se observar a lógica do BLOCK1, a figura 3.2 mostra como o
supervisório manda a informação para o Simocode, todas as ações realizados pelo
supervisório (liga, desliga, local/remoto, reconhecimento de falhas e partida de emergência)
são enviadas para uma saída digital e enviadas para o Simocode.
Figura 3.2 - Informações DeltaV
65
A figura 3.3 mostra as informações que o Simocode envia para o supervisório SDCD:
Figura 3.3 - Informações do Simocode
Na figura 3.4 pode-se observar a tela de operação de uma área de tanque de mistura da
planta nesta mesma figura mostra-se o faceplate de uma das bombas de cemento GA2752,
onde está com seu status de “PARADA”.
Figura 3.4 - Tela de operação DeltaV
O faceplate na figura 3.5 mostra todas as informações de operação do motor, o Status
do motor, se ele está intertravado, quais são os alarmes e mostra também as falhas de
66
hardware, como falha de comunicação de I/O.
Figura 3.5 – Faceplate
Ao selecionar o botão de Detalhes no faceplate podemos identificar qual foi a falha de
intertravamento, e a falha de hardware, este representa também o módulo de simulação, onde
podemos simular as ações, estas informações podem ser observadas na figura 3.6.
Figura 3.6 - Detalhes de informações
Detalhamento do
motor
Ir para tela de
operação
Gráfico de
acompanhamento
Ir para tela de
configuração “control Studio”
Gráfico de tendência
das varáreis
Alarmes do mortor
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
67
3.2 Foxboro:
Para configurar os 89 motores para comunicação com as gavetas se faz necessária a
configuração de todos os barramentos dos motores Foxboro no cartão Profibus, no IACC é o
cartão 120065 mostrado na figura 3.7 na aba de Network.
Figura 3.7 - Configuração dos barramentos das gavetas no Foxboro
A configuração dos motores no Foxboro também é feita em Function Block como
mostra na figura 3.8, na figura é mostrado o bloco GA2447DEF – Defeito do motor,
SOBGA2447 – Sobrecarga do motor, STARTGA2447 – Status do motor, STOPGA2447 –
Comando do motor, GA2447INTK – Bloco de intertravamento do motor, GA2447LOG –
Lógica do intertravamento e GA2447CMD – Lógica de comando do motor.
Figura 3.8 - Configuração da Lógica Motor Foxboro
68
Na figura 3.9 mostra os blocos que enviam e recebem informações do relé Simocode,
o bloco PAKIN recebe as informações do Simocode, já citadas na figura 3.2 do DeltaV, e o
bloco PAKOUT envia as informações do supervisório para o Simocode.
Figura 3.9 - Blocos de monitoramento com o relé
Na figura 3.10 pode-se observar o monitoramento do status do motor no software
Foxview.
Figura 3.10 - Monitoramento do motor através do Foxview
69
Na figura 3.11 acompanhamos o gráfico de tendência, podemos ver o dia os horários
que o motor foi acionado, com isso pode-se monitorar a quantidade de partida do motor e a
máxima corrente que ele atingiu em um regime de trabalho. Nesta figura é observado a
corrente de 2 motores.
Figura 3.11 - Curva de tendência do motor no Foxview
70
Na figura 3.12 pode-se observar a tela de operação de uma das linhas de mistura da
planta nesta mesma figura mostra-se o faceplate de uma das bombas de Flash B0415,
podemos observar também a lista de intertravamento do motor em questão, o qual possui
intertravamento por pressão e temperatura elevada (PSH e TSHH).
Figura 3.12 - Tela operacional Foxboro
Uma das grandes dificuldades que as pessoas tem é saber como enviar as informações
de maneira correta para o relé inteligente utilizado no projeto, a comunicação é através de
palavras que compões um 1 Byte ou mais, para que as palavras se comuniquem corretamente
precisa configurar cada informação a um tipo de palavra, como por exemplo, para o SDCD
enviar o comando de liga envia a palavra com o valor de 1 bit, e para enviar desliga o
Simocode enxerga a palavra que seja igual a 2 bits e assim por diante, o mesmo raciocínio
serve para os comandos que são enviados do Simocode para o SDCD.
71
Na tabela 2 é apresentado a lista de dados Profibus – SIMOCODE (Típico 1 e 2).
Tabela 2 - Dados Profibus – SIMOCODE (Típico 1 e 2)
LISTA DE DADOS PROFIBUS - SIMOCODE (Típico 1 e 2)
Byte Bit Comando via Profibus
0
0
1 COMANDO DESLIGA VIA REDE
2 COMANDO LIGA VIA REDE
4 PARTIDA DE EMERGÊNCIA
5 COMANDO LOCAL/REMOTO
6 RECONHECIMENTO DE FALHAS
Byte Bit Status via Profibus
0
0 COMANDO DESLIGADO
1 COMANDO LIGADO
2 CORRENTE CIRCULANDO PELO MOTOR (MOTOR LIGADO)
3 TRIP NO DISJUNTOR
4 GAVETA EM POSIÇÃO TESTE
5 LOCAL/REMOTO
6 RESUMO DE FALHAS (FALHA GERAL)
7 RESUMO DE ALARMES (ALARME GERAL)
1
0 BUS O.K (SIMOCODE COMUNICANDO COM SDCD)
1 ROTOR BLOQUEADO
2 DESBALANCEAMENTO DE FASES
3 SOBRECARGA NO MOTOR
4 FUGA A TERRA
5 PERDA DE FASES
6
BYTE 2/3 CORRENTE MÁXIMA (EM PORCENTAGEM)
BYTE 4/5 TEMPERATURA DO CANAL 1
BYTE 6/7 TEMPERATURA DO CANAL 2
BYTE 8/9 TEMPERATURA DO CANAL 3
72
A seguir podemos observar os detalhes da configuração de alguns motores. A tabela 3
a 6 mostra a descrição de intertravamentos e operações, atendendo o número de rede, número
do participante de rede e Byte/Bit, conforme suas funções. Na tabela 3 e 4 a rede de
comunicação Profibus está associada a plataforma SDCD – Foxboro(Invensys) e na tabela 5 e
6 a rede de comunicação está associada a plataforma SDCD – DeltaV (Emerson).
GD2002 AGITADOR – Misturador do FA2002 tanque de Dibah.
Ação de ligar/ desligar; pelo operador,
Intertravamento:
Nível Muito baixo LT2008 < 10%
Alarme sobre carga no motor
Corrente do motor 5,5 A (escala 0 a 100%)
Tabela 3 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o SIMOCODE(IN) do
agitador GD2002
Rede Nó Byte Bit Função
FB01
61
In 0
1 COMANDO DESLIGA VIA REDE
2 COMANDO LIGA VIA REDE
4 PARTIDA DE EMERGÊNCIA
5 COMANDO LOCAL/REMOTO
6 RECONHECIMENTO DE FALHAS
61
out
0
0 COMANDO DESLIGADO
1 COMANDO LIGADO
2 CORRENTE CIRCULANDO PELO MOTOR (MOTOR
LIGADO)
3 TRIP NO DISJUNTOR
4 GAVETA EM POSIÇÃO TESTE
5 LOCAL/REMOTO
6 RESUMO DE FALHAS (FALHA GERAL)
7 RESUMO DE ALARMES (ALARME GERAL)
1
0 BUS O.K (SIMOCODE COMUNICANDO COM SDCD)
1 ROTOR BLOQUEADO
3 SOBRECARGA NO MOTOR
BYTE
2/3 CORRENTE MÁXIMA (EM PORCENTAGEM)
73
GA2430 Transferência de antioxidante
Ação de ligar/ desligar; pelo operador,
Intertravamento:
Nível do tanque de oxidante 1%
Alarme sobre carga no motor
Tabela 4 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o SIMOCODE(IN) do
motor GA2430
Rede Nó BYTE Bit Função
FB01
20
In 0
1 COMANDO DESLIGA VIA REDE
2 COMANDO LIGA VIA REDE
4 PARTIDA DE EMERGÊNCIA
5 COMANDO LOCAL/REMOTO
6 RECONHECIMENTO DE FALHAS
20
out
0
0 COMANDO DESLIGADO
1 COMANDO LIGADO
2 CORRENTE CIRCULANDO PELO MOTOR (MOTOR
LIGADO)
3 TRIP NO DISJUNTOR
4 GAVETA EM POSIÇÃO TESTE
5 LOCAL/REMOTO
6 RESUMO DE FALHAS (FALHA GERAL)
7 RESUMO DE ALARMES (ALARME GERAL)
1
0 BUS O.K (SIMOCODE COMUNICANDO COM SDCD)
1 ROTOR BLOQUEADO
3 SOBRECARGA NO MOTOR
BYTE
2/3 CORRENTE MÁXIMA (EM PORCENTAGEM)
74
GD2013 Misturador do FA2013 preparação do EASC.
Ação de ligar/ desligar; pelo operador,
Intertravamento:
Nível Muito baixo LT2003 < 10%
Alarme sobre carga no motor
Corrente do motor 13,2 A (escala 0 a 100%)
Tabela 5 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o SIMOCODE(IN) do
agitador GD2013
Rede Nó BYTE Bit Função
DV03
63
In 0
1 COMANDO DESLIGA VIA REDE
2 COMANDO LIGA VIA REDE
4 PARTIDA DE EMERGÊNCIA
5 COMANDO LOCAL/REMOTO
6 RECONHECIMENTO DE FALHAS
63
out
0
0 COMANDO DESLIGADO
1 COMANDO LIGADO
2 CORRENTE CIRCULANDO PELO MOTOR (MOTOR
LIGADO)
3 TRIP NO DISJUNTOR
4 GAVETA EM POSIÇÃO TESTE
5 LOCAL/REMOTO
6 RESUMO DE FALHAS (FALHA GERAL)
7 RESUMO DE ALARMES (ALARME GERAL)
1
0 BUS O.K (SIMOCODE COMUNICANDO COM SDCD)
1 ROTOR BLOQUEADO
2 DESBALANCEAMENTO DE FASES
3 SOBRECARGA NO MOTOR
4 FUGA A TERRA
5 PERDA DE FASES
BYTE
2/3 X CORRENTE MÁXIMA (EM PORCENTAGEM)
75
GA2113 Bomba de transferência DB do FA2114
Ação de ligar/ desligar; pelo operador,
Intertravamento:
Alarme sobre carga no motor
Corrente do motor 1,5 A (escala 0 a 100%)
Tabela 6 - Dados ciclicamente enviados do SIMOCODE para o DP(OUT) e do DP para o SIMOCODE(IN) do
motor GA2113
Rede Nó BYTE Bit Função
DV04
71
In 0
1 COMANDO DESLIGA VIA REDE
2 COMANDO LIGA VIA REDE
4 PARTIDA DE EMERGÊNCIA
5 COMANDO LOCAL/REMOTO
6 RECONHECIMENTO DE FALHAS
71
out
0
0 COMANDO DESLIGADO
1 COMANDO LIGADO
2 CORRENTE CIRCULANDO PELO MOTOR
(MOTOR LIGADO)
3 TRIP NO DISJUNTOR
4 GAVETA EM POSIÇÃO TESTE
5 LOCAL/REMOTO
6 RESUMO DE FALHAS (FALHA GERAL)
7 RESUMO DE ALARMES (ALARME GERAL)
1
0 BUS O.K (SIMOCODE COMUNICANDO COM
SDCD)
1 ROTOR BLOQUEADO
2 DESBALANCEAMENTO DE FASES
3 SOBRECARGA NO MOTOR
4 FUGA A TERRA
5 PERDA DE FASES
BYTE
2/3 X CORRENTE MÁXIMA (EM PORCENTAGEM)
76
Considerações finais
Neste capítulo é possível entender detalhadamente o trabalho que foi feito e como este
foi executado. Todo um detalhamento técnico foi apresentado de modo a guiar o leitor
pela posta em marcha da resolução escolhida dentro dos sistemas de controle e
equipamentos adquiridos e disponibilizados pelo projeto. É ainda neste capítulo que podemos
ver a verdadeira contribuição dada ao projeto, a derradeira solução do problema apresentado.
O supervisório é um ambiente de aquisição de dados importante no ambiente
industrial, por facilitar a operação e fortalecer as equipes de manutenção e inspeção na
solução de problemas na área.
Não se tem um jeito melhor de confecção das telas, mas uma regra deve ser seguida:
quanto mais fiel ao que realmente acontece no campo for a tela, mais informações poderão
facilmente ser extraídas dela. Isto é, a criatividade ajuda na construção das telas, tal como o
conhecimento do ferramental de demonstração existente no ambiente de supervisão. Apesar
de que quanto mais detalhada for a tela, maior é o seu custo. Então devemos trabalhar em uma
margem cuja relação custo/benefício é satisfatória.
77
Capítulo 4
Conclusão
Um dos objetivos principais foi atingido, o de facilitar os procedimentos operacionais,
jogando um maior número de informações relativo a vários motores do processo para o
operador da sala de controle.
Um dos pontos principais deste projeto foi garantir a automatização dos 120 motores
das áreas de purificação e reação da fábrica de borracha aumentando a confiabilidade do
sistema, reduzindo o tempo de máquina parada por problemas inesperados que ocorria por
causa de falhas nos motores elétricos. Com o gerenciamento das variáveis dos motores através
dos supervisórios trabalhados neste projeto foi garantido um melhor monitoramento para
operação e uma maior rapidez na detecção de falhas assegurando melhorias nas preventivas
dos motores e melhorando a atuação dos mantenedores.
O operador da sala de controle tem novas funcionalidades associadas aos motores e
pertinentes ao processo como correntes, diversas falhas, entre outros. Já o técnico de
manutenção terá a sua disposição um modo de diagnóstico do comportamento da alimentação
e do próprio motor. Informações de falta de fase, desbalanceamento de fases, corrente elétrica,
rotor bloqueado, entre diversos outros, tornando o trabalho da manutenção mais eficiente
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diminuindo bastante paradas de máquina da planta. Desta forma os números de manutenções
corretivas acabam sendo reduzidos/otimizadas aumentando a confiabilidade do sistema.
A modificação das gavetas elétricas realizada, com novos equipamentos de
acionamento para mais de 120 motores a planta ganhou em confiabilidade.
E uma das grandes vantagens que aumenta a confiabilidade do projeto é que o
Simocode pro V protege e controla o motor independente do sistema de automação. Assim, se
o sistema de automação SDCD falhar ou se a comunicação é interrompida o motor ainda pode
ser operado, aumentando assim a confiabilidade do sistema, e evitando tempo de parada.
Uma maior qualificação profissional se faz necessária, tanto dos operadores da sala de
controle que terão uma gama de informações adicionais, bem como o técnico de manutenção,
acostumado com gavetas com conexões do tipo ‘hardwired’ precisarão aprender a configurar
o relé inteligente, bem como entender conceitos de rede industrial, e um novo repertório de
troubleshooting associado aos novos equipamentos.
4.1 Melhorias futuras
O projeto implementado se restringiu a um universo de 120 motores, representando
uma faixa de 20% do total de motores da planta. Sendo assim ainda temos uma margem
gigantesca para melhorias.
Um dos pontos adicionais de melhoria seria a criação de telas de diagnóstico
específicas para o setor de manutenção, fazendo um refinamento de fácil acesso do
troubleshooting, diminuindo o tempo de resposta nas falhas bem como aumentando o leque
dos índices de performance de manutenção referentes ao CCMi.
Com o sucesso técnico e econômico do projeto inicial um investimento futuro nos
80% restantes dos motores da planta ganhou justificativas suficientes para uma nova
implementação de Centro de Comando de Motores inteligente.
Para facilitar ainda mais a operação em ambientes perigosos e/ou explosivos, onde
pose-se encontrar em indústria química, pode-se ser instalado sistemas de Circuito Fechado de
TV (CFTV), na qual o operador pode verificar a partida e o funcionamento do motor
selecionado, por exemplo. Esse é um dos pontos onde podemos melhorar a segurança dos
operadores.
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Implementar um grande projeto relacionado de preditivas de motores elétricos,
adquirindo um analisador de assinatura elétrica, lembrando que a manutenção preditiva
compreende as técnicas que visam a reconhecer o desenvolvimento de falhas ainda em um
estado inicial e, portanto, reduzir perdas com reparos e paradas não programadas.
A implementação do monitoramento da condição de motores elétricos através da
Análise da Assinatura Elétrica (ESA), com a leitura de sinais de corrente e tensão, processará
e disponibilizará informações do estado e condição de operação do motor, permitindo o
diagnóstico precoce de falhas, oferecendo análises de causa-raiz, através da separação dos
problemas mecânicos e elétricos, e integrar o software do analisador no supervisório do Delta
V / Foxboro.
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Referências Bibliográficas
[1]Curso Completo de Simocode 3UF70 – Siemens
[2]Catálogo de CCM do fabricante WEG.
[3]Manual do Relé Eletrônico Inteligente – SIMOCODE pro da Siemens.
[4]http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20DeltaV%20Documents/
Brochures/DeltaV%20System%20Overview_v12.pdf
[5]http://www2.emersonprocess.com
[6]Manual DeltaV
[7]Manual Foxboro
[8]Seixas, C. F. Arquitetura de Sistemas de Automação – Uma Introdução.
Departamento de Engenharia Eletrônica – UFMG. 2007
[9]Norma IEC 60947-4-1
[10]pessoal.utfpr.edu.br/betini/arquivos/RI-S9.ppt
[11]http://www.profibus.com
[12]http://www.profibus.org.br/
[13]http://resource.invensys.com/iaseries/pss/21s2/21s2b5b4.pdf
[14]http://w3.siemens.com.br/automation/br/pt/dispositivos-baixa-tensao/reles/reles-
de-sobrecarga/simocode-pro/documents/01.pdf
[15] (Site Classic Automation)
