SENAI - CETIND

SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE

SENAI - CETIND

SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE

Lauro de Freitas 2007

Copyright 2007 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados TECNOLOGIA DE PROCESSOS (TEP) Elaborao: Ildefonso Martins dos Santos Engenheiro Eletricista Reviso Tcnica: Lus Cludio da Silva e Silva Jadson Arago Rezende Filho Reviso Pedaggica: Janaildes Maria dos Santos Normalizao: Talita Batista de Brito

Catalogao na Fonte (NIT Ncleo de Informao Tecnolgica) ______________________________________________________________ SENAI- DR BA. Sistemas digitais de controle. Lauro de Freitas: CETIND, 2007. 68 p., il. (Rev.00)

1. Sistemas Digitais de Controle I. Ttulo

2. Controladores

3. Transmissores

CDD 621.398 1 ______________________________________________________________

SENAI - SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CETIND - CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PEDRO RIBEIRO Av. Luis Tarqunio Pontes, 938 - Aracu - Lauro de Freitas - Bahia Tel: (71) 3379-8200 Fax: (71) 3379-8299/ 49 www.cetind.fieb.org.br

SUMRIO

APRESENTAO 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 EVOLUO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE......................................... 5 ERA PNEUMTICA................................................................................................... 5 ERA ELETRNICA.................................................................................................... 6 ERA FIELDBUS.......................................................................................................... 9 TRANSMISSORES INTELIGENTES .................................................................... 11 INTRODUO ........................................................................................................... 11 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR .......................................................... 11 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES.................................................................. 12 FUNCIONAMENTO ................................................................................................... 13 OPERAO ................................................................................................................ 14 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO .................................................. 16 DESCRIO FUNCIONAL DO SOFTWARE.......................................................... 19 CONTROLADORES DIGITAIS ............................................................................. 33 HISTRICO................................................................................................................. 33 CONCEITO.................................................................................................................. 34 CONTROLADORES ................................................................................................... 35 CONTROLADOR DIGITAL CD 600......................................................................... 36

3.4.1 Introduo..................................................................................................................... 36 3.4.2 Operao do CD600 ..................................................................................................... 37 4 4.1 5 5.1 5.2 6 6.1 SISTEMA SUPERVISRIO .................................................................................... 40 SISTEMA SUPERVISRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS................... 41 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD)......................... 45 CONCEITOS DE REDUNDNCIA NOS DIVERSOS NVEIS ............................... 55 PROTOCOLO HART .................................................................................................. 56 PARTE EXPERIMENTAL....................................................................................... 63 EXPERINCIA N0 1 ................................................................................................... 63 REFERNCIAS ......................................................................................................... 65 GLOSSRIO .............................................................................................................. 67

APRESENTAO

Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contnua do padro de qualidade e produtividade da indstria, o SENAI BA desenvolve programas de educao profissional e superior, alm de prestar servios tcnicos e tecnolgicos. Essas atividades, com contedos tecnolgicos, so direcionadas para indstrias nos diversos segmentos, atravs de programas de educao profissional, consultorias e informao tecnolgica, para profissionais da rea industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho.

Este material didtico foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informaes que so aplicveis de forma prtica no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma linguagem simples e de fcil assimilao. um meio que possibilita, de forma eficiente, o aperfeioamento do aluno atravs do estudo do contedo apresentado no mdulo.

1 EVOLUO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE1.1 ERA PNEUMTICA Como podemos observar na figura 1, os instrumentos pneumticos depois que foram normalizados (definio da faixa de alimentao e de transmisso de sinal tiveram um grande desenvolvimento no tocante a realizao de funes como a extrao de raiz quadrada, multiplicadores, somadores, rels, etc., entretanto (geralmente) cada instrumento realizava apenas uma funo).

Figura 1 - Era pneumtica

Devemos destacar que estes instrumentos so de grande durabilidade (muitos funcionam e controlam plantas at hoje), so verdadeiros retratos de engenhosidade da engenharia mecnica com seus foles, rels piloto, engrenagens..., porm seu tempo de resposta, sua preciso, seu tamanho fsico e principalmente a falta de um preo competitivo em relao s novas tecnologias (inicialmente eletrnica analgica e a seguir eletrnica digital), fizeram5

com que viessem a perder espao rapidamente nos novos projetos. importante destacar neste esquemtico, a caracterstica de leitura simplificada e tambm a facilidade de diagnosticar eventuais problemas do sistema. Certamente para os saudosistas so caractersticas que os sistemas modernos precisam cada vez mais se espelhar.

1.2 ERA ELETRNICA Com o desenvolvimento dos semicondutores, inicialmente o transistor e depois os circuitos integrados, a eletrnica comeou a oferecer para os projetistas de equipamentos o seu baixo consumo e suas condies de custo/tamanho fsico cada vez mais competitivos em relao aos instrumentos pneumticos. Para o usurio, o aumento de confiabilidade em relao eletrnica com vlvulas e as caractersticas j descritas de custo/tamanho fsico tornaram a opo pela era eletrnica inquestionvel. Com o advento dos microprocessadores ganhou-se a possibilidade de se ter equipamentos programveis, na realidade, verdadeiros computadores levados miniaturizao extrema, e assim, a possibilidade de se ter vrias funes realizadas por um mesmo instrumento. A relao custo/benefcio tambm caiu e com o desenvolvimento desta tecnologia aumentou a facilidade de configurao/programao que, no incio, era um ponto crtico. Podemos, entretanto, verificar que na figura 2 temos um controlador, que por ser microprocessado (tem CPU, memrias, programvel) um computador, ao lado do transmissor, que sendo inteligente, tambm um computador (possui CPU, memria programvel), portanto temos dois computadores, um no campo em contato com o processo, enviando a informao de uma varivel j devidamente tratada, e numa Sala de Controle o outro computador recebendo a informao do processo, realizando uma funo de controle e depois enviando para o campo uma varivel manipulada num range de 4-20 mA para, por exemplo, posicionar uma vlvula de controle.

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Figura 2 - Controlador

lgico que esta explicao anterior no tem nenhuma novidade para quem do ramo de instrumentao e controle de processos, mas talvez um detalhe tenha passado desapercebido: os dois computadores, o controlador de processo e o transmissor inteligente, conversam atravs de um protocolo analgico (os 4 a 20 mA) que sabemos no a maneira mais eficaz de dois computadores conversarem, alm de que s podemos enviar uma nica informao do transmissor para o controlador e tambm um nico sentido de direo. Com o surgimento dos Sistemas Supervisrios passamos ento a conviver com dois patamares distintos de tecnologia. Na figura 3 observamos na parte de baixo os Transmissores Inteligentes enviando sua informao para os Controladores Microprocessados atravs do protocolo 4-20 mA. Na parte superior da figura, o nvel moderno da informtica com uma rede de comunicao interligando distintos computadores, tais como os controladores, os controladores lgicos programveis (PLC's) e os computadores clssicos (aqueles que tem telas, teclados convencionais, sadas para impressoras). Nesta rede de computadores estamos no mundo atual, em se tratando de comunicao digital entre computadores (bi-direcional, com conversao tipo pergunta-resposta). Na parte inferior ainda o protocolo da era da eletrnica analgica com as deficincias j citadas anteriormente.

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Figura 3 - Transmissores Inteligentes enviando sua informao para os Controladores Microprocessados

Mesmo nos Sistemas Digitais de Controle Distribudos (SDCD's) figura 4 ainda temos esta convivncia. O Sistema tem seus cartes de controle interligados por uma rede de comunicao digital (neste caso um protocolo proprietrio), mas a comunicao entre os transmissores e os cartes controladores do SDCD feito com o protocolo analgico 4 a 20mA. Outro detalhe muito importante deve ser destacado nos Sistemas Digitais de Controle Distribudo, que a palavra, distribudo, se refere aos diversos cartes de controle que compem o Sistema (praticamente um carto de controle por malha de controle), mas na realidade apesar da existncia dos transmissores inteligentes, alguns deles com capacidade de controle, esta caracterstica no explorada e, portanto temos um sistema centralizado na disposio dos cartes de controle e no se utiliza a distribuio do controle no campo.

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Figura 4 - Sistemas Digitais de Controle Distribudos (SDCD)

1.3 ERA FIELDBUS A definio mais conhecida do FIELDBUS a substituio do protocolo de comunicao analgico (4 a 20 mA) por um protocolo digital de comunicao entre os instrumentos do campo e os da sala de controle. Entretanto, esta parte conceitual muito mais abrangente. Podemos comear destacando e pegando as partes boas das diversas tecnologias de controle, desde a pneumtica, onde tnhamos o controle realizado no campo, sem que o sinal tivesse que ir at a Sala de Controle e depois retornar para o elemento final de controle no campo. Da era da eletrnica microprocessada, podemos utilizar os instrumentos inteligentes, sua capacidade de controle e a tecnologia de rede de comunicao digital entre computadores. Na figura 5, vamos iniciar destacando uma vantagem do FIELDBUS ainda no citada at aqui. Neste exemplo, com o uso da comunicao somente digital e da tecnologia de rede de computadores, s precisamos de um par de fios para interligar os transmissores/controladores FT-103, FT-102, o Transdutor de FB/P (Fieldbus/Presso) da Vlvula FCV-102 e o computador tambm chamado IHM (lnterface Homem-mquina) ou Workstation ou simplesmente PC. Portanto podemos notar j neste instante a grande economia de custos de fiao, bandejas, e mo-de-obra de instalao dos Sistemas de Controle Fieldbus para os sistemas mais antigos (aqueles que usam protocolo analgico 4 a 20 mA, e um par de fios para cada instrumento). Sob o ponto de vista da instrumentao clssica, seria levado a pensar que o transmissor/controlador FT-102 est fazendo o controle atuando na vlvula FCV-102. Agora na era Fieldbus, j no mais possvel pensar somente desta maneira, pois podemos ter outras possibilidades de controle:

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Figura 5 - FIELDBUS

O Transmissor/controlador FT-103 fazendo o controle atuando na vlvula FCV-102; O Transmissor/controlador FT-102 adquirindo a informao de fluxo da tubulao A atravs do transmissor FT-103 e fazendo um controle de "Ratio" e atuando na vlvula; O Transdutor de FB/presso que pode ter tambm a capacidade de controle adquirindo as informaes de fluxo dos transmissores FT-102 e FT-103 e ele realizando o controle tipo "Ratio" e atuando na vlvula.

Estas so algumas das possibilidades, pois ainda poderamos explorar a capacidade de controle da placa controladora instalada no PC, e neste caso, estar realizando um algoritmo de controle mais complexo ou at alguma otimizao num outro computador num nvel mais acima; ou somente utilizar o PC para visualizarmos o que est acontecendo no processo atravs de sua tela. Veremos mais informaes sobre Fieldbus em material complementar.

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2 TRANSMISSORES INTELIGENTES2.1 INTRODUO O engenheiro de instrumentao e controle de processos encontra, hoje, disponvel no mercado uma enorme variedade de sistemas de controle. Os fabricantes de equipamentos procuram superar seus concorrentes com lanamentos que oferecem maior flexibilidade para modificaes, maior facilidade para implantao de sistemas de controle avanado, melhor interface homem-mquina, menor custo e maior preciso no tratamento das informaes. Estas caractersticas fizeram com que as variveis de controle oscilassem em torno do valor desejado dentro de margens muito mais estreitas, permitindo a otimizao destes valores, com conseqente economia de matria-prima e de energia. Porm, o enorme avano alcanado pelos sistemas de controle nos ltimos quinze anos no foi devidamente acompanhado pela instrumentao de campo. Os sensores e transmissores no sofreram modificaes to significativas como a instrumentao de painel. A preciso e os recursos que os instrumentos de campo ofereciam eram bastante limitados, se comparados flexibilidade e preciso dos sistemas aos quais estavam ligados. Recentemente uma nova gerao de instrumentos de campo surgiu para suprir esta falta: os transmissores inteligentes. Este artigo abordar o conceito e as principais caractersticas destes instrumentos.

2.2 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR O instrumento que transforma a varivel medida (presso, nvel, temperatura) em um sinal padronizado para transmisso (4-20 mA, 3-15 psi) chamado de transmissor. O transmissor, em geral, consiste de duas partes principais - o transdutor ou sensor que, no caso dos transmissores eletrnicos, transforma a varivel medida em um sinal eltrico mensurvel, e o transmissor propriamente dito, que transforma este sinal em um sinal padronizado de 4 a 20 mA. O transdutor ou sensor deveria apresentar uma correspondncia linear entre a varivel medida e o sinal de sada, conforme indicado na Figura 6 como "curva ideal". Para a maioria dos sensores esta correspondncia linear s existe, nos limites aceitveis pela eletrnica convencional, dentro de uma certa faixa de medio (a faixa til do transmissor). Nesta faixa, a diferena entre o valor lido na curva ideal e o valor real pode ser superada ou conduzida a nveis tolerveis de erros pela eletrnica. O sensor mede fora da faixa, mas a no linearidade do sinal provoca um erro inadmissvel. Ao valor da varivel V, por exemplo, corresponder o valor de sinal S, que seria lido no transmissor como V. A faixa do transmissor escolhida de tal modo que a no linearidade possa ser compensada pelo circuito eletrnico e caia dentro dos limites de preciso do instrumento.

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Figura 6 - curva ideal

2.3 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES Com a popularizao do uso dos microprocessadores, era inevitvel a sua utilizao nos instrumentos de campo. A capacidade de armazenar centenas de dados e realizar clculos complicados eram qualidades importantes demais para serem ignoradas por quem estivesse buscando para os transmissores uma preciso maior, facilidade de operao e utilizao mais ampla. Ento, h cerca de nove anos, surgiu nos EUA o primeiro transmissor "inteligente". As vantagens alegadas pelo fabricante eram considerveis: maior preciso, maior rangeabilidade, maior facilidade de manuteno e melhor desempenho operacional. Em contrapartida apresentava um preo que era quase o dobro do transmissor convencional. As vantagens alegadas eram considerveis, mas no chegaram a justificar a diferena de preo para a maioria dos usurios americanos. Mas a situao foi se modificando. Os transmissores inteligentes passaram por uma fase de apresentao ao mercado para realmente ir para competio. O ano de 1986 foi marcado pelo lanamento, por vrios fabricantes, de transmissores inteligentes para quase todos os tipos de medio. A diferena de preo em relao aos transmissores convencionais diminuiu. O prprio fabricante pioneiro lanou um novo modelo muito parecido com o primeiro, porm com um preo bem mais baixo. As dificuldades tcnicas iniciais foram superadas e algumas12

vantagens adicionais foram incorporadas, fazendo com que houvesse uma maior aceitao destes transmissores. Convm ressaltar que a fatia do mercado ocupada por estes instrumentos ainda insignificante se comparada com a dos instrumentos convencionais. Mas, do mesmo modo que aconteceu com instrumentos digitais em outras reas, a situao deve se reverter nos prximos anos. Assim sendo, importante para o tcnico brasileiro acompanhar a implantao desta tecnologia e por esta razo sero apresentadas, a seguir, as noes bsicas de funcionamento dos transmissores inteligentes, suas caractersticas gerais e os recursos oferecidos.

2.4 FUNCIONAMENTO Na sua verso mais simples, o transmissor inteligente funciona como um transmissor convencional: a medio transformada em um sinal analgico de 4 a 20 mA. Nos transmissores eletrnicos convencionais o sinal passa por um tratamento totalmente analgico, i.e. as funes de linearizao, extrao de raiz quadrada, limitao de sada, burnout etc, so implementadas por meio de amplificadores operacionais e componentes associados. As caractersticas destes componentes limitam a utilizao do circuito aos trechos mais lineares da curva do sensor e, dentro deste trecho, o instrumento ainda apresenta limitaes de ganho que determinam a sua rangeabilidade (alcance mximo / alcance mnimo). A Figura 7a mostra esquematicamente o que ocorre.

Figura 7a - Transmissor eletrnico analgico

Figura 7b - Transmissor inteligente

Nos transmissores inteligentes, o tratamento do sinal totalmente digital, pois o microprocessador apresenta uma enorme flexibilidade para a implementao de funes matemticas, armazenamento de dados etc. A Figura 7b mostra que o sinal do sensor transformado, em um dado instante, em um nmero binrio. Este nmero binrio a "leitura" de sinal do sensor. Como foi mostrado na Figura 6, a curva do sinal do sensor em funo do valor da varivel de processo, em geral, no13

linear. Esta curva pode ser dividida em uma poro de segmentos lineares e as coordenadas destes segmentos podem ser armazenadas em uma memria programvel s de leitura (PROM). Agindo desta forma possvel fazer corresponder ao nmero binrio, que representa o sinal do sensor, um nmero binrio correspondente ao valor da medio. Este pequeno artifcio aumenta consideravelmente a preciso da medida, assim como amplia a faixa til do sensor. Utilizando os mesmos recursos, a compensao de temperatura ambiente pode ser feita de maneira muito mais efetiva nos transmissores inteligentes, aumentando ainda mais a preciso. O transmissor tem agora um nmero binrio que corresponde medida, e este nmero pode ser transformado em um sinal analgico atravs de um conversar D/A. A calibrao realizada fazendo corresponder respectivamente aos nmeros que representam o incio e o fim da escala, os sinais de 4 a 20mA. Esta caracterstica, associada ampliao da faixa til do sensor, confere ao transmissor inteligente uma rangeabilidade maior do que a dos transmissores analgicos.

2.5 OPERAO At aqui o transmissor inteligente se parece com um transmissor analgico de alto desempenho, mas ele pode ainda oferecer uma srie de recursos atravs de uma caracterstica importantssima dos instrumentos digitais: a comunicao digital de dados. Atravs da comunicao digital possvel, entre outras coisas, ler diretamente a varivel, sem necessidade de passar pelo conversor D/A, e o eventual A/D do instrumento receptor. Isto aumenta ainda mais a preciso e a confiabilidade da leitura. Atravs da comunicao, e usando os recursos do microprocessador, possvel configurar uma srie de funes no transmissor: Tipo de sensor (no caso de transmissor de temperatura, termopar tipo J, K, S etc); Extrao de raiz quadrada com cutoff varivel; Amortecimento varivel; Tipo de burnout; Sinal fixo; Calibrao de zero e span; Ao direto/reverso para o sinal analgico.

Da mesma forma possvel obter informaes como: Tag do instrumento; Nmero de srie; Faixa til; Faixa calibrada; Leitura da varivel em unidades de engenharia ( escolha do usurio) leitura da temperatura ambiente;14

Data da ltima calibrao; Diagnstico de defeitos.

Estes dados podem ser lidos e configurados atravs de um computador pessoal, de um sistema digital de controle ou de terminais de programao. Estes ltimos receberam o apelido de chave de fenda eletrnica". Nos transmissores inteligentes disponveis no mercado internacional existem trs tipos bsicos de acesso comunicao digital: Atravs de um conector especial - O instrumento tem um par de terminais para a alimentao e sinal, como nos transmissores convencionais, e um conector para programao. Como o instrumento e o programador so intrinsecamente seguros, a calibrao pode ser feita no campo. (Figura 8).

Figura 8 - Comunicao digital atravs de um conector especial

Atravs da simultaneidade do sinal digital com o analgico - A mesma linha que alimenta e transmite o sinal analgico serve tambm para a comunicao digital (Figura 9). Normalmente, uma no interfere com a outra. Alguns fabricantes, porm, atestam que em seus instrumentos, quando a comunicao digital est sendo usada, o sinal analgico sofre um desvio de, aproximadamente, +/ - 1 %.

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Figura 9 - Comunicao digital atravs da simultaneidade do sinal digital com o analgico

A comunicao exclusivamente digital - Um fabricante est ofertando instrumentos com duas possibilidades de comunicao: como descrito no item anterior ou com comunicao exclusivamente digital. Neste ltimo caso o instrumento "fala" digitalmente com unidades de campo digitais, que recebem informaes e alimentam eletricamente um certo nmero de transmissores. As informaes destes transmissores so "empacotadas" pela unidade de campo e colocadas disposio do sistema de controle em linhas de comunicao de alta velocidade, inclusive com fibra tica.

2.6 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO Transmissor de Presso Diferencial LD 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda) O Diagrama de blocos do transmissor LD 301, como mostra a Figura 10 ilustra esquematicamente o funcionamento do circuito. Oscilador

Este oscilador gera uma freqncia, que funo da capacitncia do sensor. Isolador de Sinais

Os sinais de controle da CPU so transferidos atravs do acoplador ptico, e os sinais do oscilador atravs de um transformador.

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Unidade Central de Processamento (CPU) e PROM

A unidade central de processamento (CPU) a parte inteligente do transmissor responsvel pelo gerenciamento e operao dos outros blocos, linearizao e comunicao. O programa armazenado em uma memria PROM. Para armazenamento temporrio dos dados, a CPU tem uma memria RAM interna. Caso falte energia, estes dados armazenados na RAM so perdidos. A CPU possui uma memria interna no voltil (EEPROM) onde dados que devem ser retidos so armazenados. Exemplos de tais dados: calibrao, configurao e identificao de dados. A EEPROM permite 10.000 gravaes na mesma posio de memria. EEPROM

A outra EEPROM est localizada na placa do sensor. Ela contm dados pertencentes s caractersticas do sensor para diferentes presses e temperaturas. Como cada sensor caracterizado na fbrica, os dados gravados so especficos de cada sensor. Conversor D/A

Converte os dados digitais da CPU para sinais analgicos com 14 bits de resoluo.

Figura 10 - Sensor X Placa principal

Sada

Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Funciona como uma carga resistiva varivel, cujo valor depende da tenso proveniente do conversor D/A.17

Modem

A funo deste sistema tornar possvel a troca de informaes entre o configurador e o transmissor, atravs de comunicao digital do tipo Mestre-Escravo. Sendo assim, o transmissor demodula da linha de corrente a informao transmitida serialmente pelo configurador e, aps trat-la adequadamente, modula na linha a resposta a ser enviada. O 1 representa 1200Hz e 0 representa 2200Hz. O sinal de freqncia simtrico e no afeta o nvel DC na sada de 4-20mA. Fonte de Alimentao

Para alimentar o circuito do transmissor, utilize a linha de transmisso do sinal (sistema a 2 fios). O consumo quiescente do transmissor de 3,6 mA e durante a operao o consumo poder alcanar at 21 mA, dependendo do estado da medida e do sensor. O LD-301, em modo transmissor, apresenta indicao de falha em 3,6 mA quando configurado para falha baixa; 21 mA, quando configurado para falha alta; 3,8 mA quando ocorrer saturao baixa; 20.5 mA quando ocorrer saturao alta e medies proporcionais presso aplicada na faixa de 3,8 mA a 20,5 mA. O 4 mA corresponde a 0% da faixa de trabalho e o 20 mA a 100 % da faixa de trabalho. Isolao da Fonte

O circuito de alimentao do sensor isolado do circuito principal por este mdulo. Controlador de Display

Recebe os dados da CPU ligando os segmentos do Display de cristal lquido. O controlador ativa o backplane e os sinais de controle de cada segmento. Ajuste Local

So duas chaves magnticas da placa principal que so ativadas magneticamente pela insero do cabo magntico, em um dos furos no topo da carcaa, sem nenhum contato externo com elas.

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2.7 DESCRIO FUNCIONAL DO SOFTWARE A figura 11, diagrama de blocos do software mostra o fluxo da informao pelo software e temos abaixo a descrio dos blocos. Caracterizao de Fbrica

Calcula a presso real atravs das leituras de capacitncia e temperatura obtidas do sensor, considerando os dados de caracterizao de fbrica armazenados na EEPROM do sensor. Filtro Digital

O filtro digital do tipo passa baixa com constante de tempo ajustvel. Ele usado para suavizar sinais ruidosos. O valor do amortecimento o tempo necessrio para a sada atingir 63,2% para uma entrada em degrau de 100%. Este valor em segundos pode ser livremente configurado pelo usurio. Linearizao do Usurio

Este bloco contm cinco pontos (P1 a P5) que so usados para uma eventual linearizao. Trim de Presso

Os valores de presso obtidos no TRIM de valor inferior e de valor superior so usados para corrigir desvio de presso do transmissor que pode ser por deslocamento de zero ou span causado por sobrepresso, sobre-temperatura ou posio de montagem. Calibrao

usado para fixar os valores de presso correspondentes sada de 4-20 mA. No modo transmissor, o VALOR INFERIOR o ponto correspondente a 4 mA e o VALOR SUPERIOR o ponto correspondente a 20 mA. No modo controlador, o VALOR INFERIOR corresponde a MV=0% e o VALOR SUPERIOR corresponde a MV=100%. Funo

Dependendo da aplicao e conforme a presso aplicada, a sada do transmissor ou a PV do controlador podem ter as seguintes caractersticas: Linear (para a medio de presso, presso diferencial e nvel), Quadrtico (para a medio de vazo), Quadrtico de Terceira ou Quinta Potncia (para medio de vazo em canais abertos). A funo selecionada em FUNO.

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Tabela de Pontos

Este bloco relaciona a sada (4-20 mA) com a entrada (presso aplicada) de acordo com uma tabela de 16 pontos. A sada calculada atravs da interpolao destes pontos. Os pontos so determinados na funo TABELA, em porcentagem de faixa (Xi) e em porcentagem de sada (Yi). Ela pode ser usada para converter, por exemplo, uma medio de nvel em volume ou massa. Na medio de vazo ela pode ser usada para corrigir a variao do Nmero de Reynolds. Set-point

o valor desejado da varivel de processo quando o controlador est ativado. ajustado pelo operador, na opo \CONTR\INDIC. PID

Primeiro calculado o erro: PV-SP (AO DIRETA) ou SP-PV (AO REVERSA), em seguida feito o clculo da MV (varivel manipulada) de acordo com o algoritmo do tipo de PID. O sinal de sada do PID pode seguir uma curva determinada pelo usurio em at 16 pontos, livremente configurveis. Se a tabela estiver habilitada haver uma indicao no display com o seguinte caractere F(X). Auto/Manual

O modo Auto/Manual configurado no item \CONTR\ INDIC. Com o PID no modo manual, a MV pode ser ajustada pelo operador. A faixa de ajuste limitada pelo valor INFERIOR e valor SUPERIOR (definidos pelo usurio na opo \CONTR\LIM.-SEG). A opo POWER-ON usada para configurar o modo de operao (AUTO ou MANUAL) em que retornar o controlador, aps uma falha na alimentao. Limites

Este bloco assegura que a MV no ultrapasse os limites mximo e mnimo estabelecidos atravs do LIMITE SUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Tambm assegura que a velocidade no exceda o valor ajustado em SADA/SEG. Sada

Calcula a corrente proporcional varivel de processo ou varivel manipulada, para ser transmitida na sada de 4-20 mA, dependendo da configurao no MODO-OPER. Este bloco contm tambm a funo corrente constante configurada em SADA. A sada fisicamente limitada de 3,6 a 21 mA.

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Trim de Corrente

O ajuste (TRIM) de 4 mA e de 20 mA usado para aferir o circuito de sada do transmissor quando necessrio. Unidade do Usurio

Converte o 0 a 100% da varivel de processo para uma leitura de sada em unidade de engenharia disponvel para o display e a comunicao. usado, por exemplo, para obter uma indicao de vazo e ou volume de uma medida de presso diferencial ou nvel, respectivamente. Uma unidade para a varivel pode tambm ser selecionada. Totalizador

Usado em aplicaes de vazo para totalizar a vazo acumulada desde o ltimo reset, obtendo assim o volume ou a massa transferida. O valor totalizado mantido, podendo continuar a totalizao mesmo aps uma queda de energia. Apenas o valor residual da totalizao desprezado. Display

Pode alternar at duas indicaes de variveis, como configurado em DISPLAY.

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Figura 11 - Diagrama de blocos do software: fluxo da informao pelo software

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Transmissor de Temperatura TT 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda) O TT-301 aceita sinais de geradores de mV, tal como termopares ou sensores resistivos, tais como RTD's. Para isso necessrio que o sinal esteja dentro da faixa de entrada. Para mV, a faixa de -50 a 500 mV e para a resistncia, 0 a 2000 Ohms. Descrio Funcional - Circuito Refira-se ao diagrama de bloco (Fig.12).

Figura 12 - Diagrama de bloco: Descrio Funcional - Circuito

Multiplexador MUX

O MUX multiplexa o sinal dos terminais do sensor para a seo condicionadora de forma a otimizar o circuito eletrnico. Condicionador do Sinal

Sua funo aplicar o ganho correto aos sinais de entrada para faz-los adaptarem ao conversor A/D. Conversor A/D

O conversor A/D transforma o sinal de entrada analgico em um formato digital para a CPU.

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Isolador

Sua funo isolar o sinal de dados e de controle entre a entrada e a CPU. CPU - Unidade Central de Processamento e PROM

A CPU a parte inteligente do transmissor, sendo responsvel pelo gerenciamento e operao de todos os outros blocos: linearizao, compensao de junta fria e comunicao. O programa armazenado na PROM assim como os dados de linearizao para os sensores de temperatura. Para armazenagem temporria de dados, a CPU tem uma RAM interna. Os dados na RAM so perdidos se a alimentao for desligada. Entretanto, a CPU, tambm, tem uma EEPROM interna no voltil onde os dados que devem ser mantidos so armazenados. Exemplos de cada dados so: dados de calibrao, configurao e identificao. Conversor D/A

Converte o dado de sada digital da CPU para um sinal analgico. Sada

Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Ela funciona como uma carga resistiva varivel, cujo valor controlado pelo conversor D/A. Modem

Modula um sinal de comunicao na linha de corrente. O "1" representado por 1200 Hz e o "0" por 2200 Hz. Estes sinais so simtricos e no afetam o nvel continuo do sinal de 4-20 mA. Fonte de Alimentao

Utilize a linha de transmisso do sinal (sistema a 2 fios) para alimentar o circuito do transmissor. Este necessita de no mnimo 3,9 mA para funcionar corretamente. Isolao da Fonte

Sua funo isolar a fonte de alimentao entre a entrada e a CPU. Controlador do Display

Recebe os dados da CPU informando que segmentos do Display de Cristal lquido devem ser ligados.

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Ajuste Local

So duas chaves que so ativadas magneticamente. Elas podem ser ativadas pela chave de fenda magntica sem contatos mecnicos ou eltricos. Descrio Funcional - Software A funo de cada bloco descrita abaixo e demonstrado na figura 13. Entrada

Calcula o valor real em Ohm ou mV proporcional ao valor, medido pelo circuito de entrada.

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Figura 13 - Descrio Funcional - Software

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Filtro Digital

O filtro digital um filtro passa baixa com uma constante de tempo ajustvel. usado para atenuar os sinais de rudo. O valor do Amortecimento o tempo necessrio para a sada atingir 63,2% para um degrau de entrada de 100%. Trim de Entrada

utilizado para corrigir o valor da leitura de entrada do transmissor devido a um desvio ao longo do tempo. Compensao e Linearizao Padro do Sensor

A medida de mV ou Ohm linearizada e compensada (junta fria) de acordo com as caractersticas armazenadas na CPU. A CPU contm dados a respeito da maioria dos sensores padres disponveis. Sensor Especial

A medida de mV ou Ohm pode ser linearizada de acordo com uma tabela especificada pelo cliente, onde especificado o tipo de sensor, conexo, valor superior e inferior de calibrao, span mnimo e unidade do sensor. Calibrao

usado para ajustar os valores de processo correspondente sada de 4 a 20 mA no modo transmissor ou a varivel de processo de 0 e 100% no modo PID. No modo transmissor o VALORINFERIOR o ponto correspondente a 4 mA, e o VALOR-SUPERIOR o ponto correspondente a 20mA. No modo PID, o VALOR INFERIOR corresponde a PV = 0% e o VALOR SUPERIOR corresponde a PV = 100%. Gerador de Tempo

Gera o tempo a ser usado pela funo geradora de set-point. Pode ser interrompido usando PAUSE e reinicializado usando RESET. Set-point

O set-point pode ser ajustado ou ser gerado automaticamente atravs do gerador de SP. Ao funcionar, o gerador de set-point faz com que o SP siga valores de acordo com uma tabela pr-configurada. PID Primeiro calculado o erro PV-SP ou SP-PV, dependendo de qual ao (direta ou reversa) est configurado o item AO.1 dPV MV = KP e + edt + Td . Tr dt 27

Tabela de Pontos

Este bloco relaciona a sada (%) com a entrada (%) de acordo com uma tabela de 16 pontos. A sada calculada atravs da interpolao destes pontos.

Auto/Manual

No modo Manual a MV pode ser ajustada pelo operador. A opo POWER-ON usada para configurar o modo de operao (AUTO/MANUAL) em que retornar o controlador, aps uma falha na alimentao.

Limites

Este bloco assegura que a MV no ultrapasse os limites mnimo e mximo estabelecidos pelo LIMITESUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Tambm certifica se a variao de sada no exceda o valor ajustado em taxa de sada. Estes valores so ajustados na opo LIMITES DE SEGURANA.

Sada

Calcula a corrente proporcional varivel de processo ou varivel manipulada para ser transmitida na sada de 4-20 mA, dependendo da configurao no MODO_OPER. Este bloco, tambm, contm a funo corrente constante configurada em OUTPUT.

Trim de Corrente

O ajuste de corrente (TRIM) de 4 mA e de 20 mA usado para aferir o circuito de sada do transmissor quando necessrio.

Display

Alterna entre as duas indicaes, configuradas no item DISPLAY. A unidade de engenharia para a varivel de processo pode ser selecionada em UNID.

Sensores de Temperatura

O TT-301, como explicado anteriormente, aceita vrios tipos de sensores. O TT-301 especialmente projetado para medir temperatura usando termopares ou termo-resistncias (RTD's). Alguns conceitos bsicos a respeito desses sensores so apresentados abaixo.

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Termopares

Os termopares so os sensores mais largamente usados na medida de temperatura nas indstrias. Os termopares consistem de dois fios de metais ou ligas diferentes unidas em um extremo, chamado de juno de medida. A juno de medida deve ser colocada no ponto de medio. O outro extremo do termopar aberto e conectado ao transmissor de temperatura. Este ponto chamado juno de referncia ou junta fria. Para a maioria das aplicaes, o efeito Seebeck suficiente para explicar o funcionamento do termopar.

Como o Termopar Trabalha

Quando h uma diferena de temperatura ao longo de um fio de metal, surgir um pequeno potencial eltrico, peculiar a cada liga. Este fenmeno chamado efeito Seebeck. Quando dois metais de materiais diferentes so unidos em uma extremidade, deixando aberto a outra, uma diferena de temperatura entre as duas extremidades resultar numa tenso desde que os potenciais gerados em cada um dos materiais sejam desiguais e no se cancelem reciprocamente. Assim sendo, duas coisas importantes podem ser observadas. Primeiro: a tenso gerada pelo termopar proporcional diferena de temperatura entre a juno de medio e juno de junta fria. Portanto, a temperatura na juno de referncia deve ser adicionada temperatura da junta fria, para encontrar a temperatura medida. Isto chamado de compensao de junta fria, e realizado automaticamente pelo TT-301, que tem um sensor de temperatura no terminal do sensor para este propsito. Segundo: fios de compensao ou extenso do termopar devem ser usados at os terminais do transmissor, onde medida a temperatura da junta de referncia. A milivoltagem gerada com relao temperatura medida na juno est relacionada em tabelas padres de calibrao para cada tipo de termopar, com a temperatura de referncia 0C. Os termopares padres que so comercialmente usados, cujas tabelas esto armazenadas na memria do TT-301, so os seguintes: NBS (B, E, J, K, N, R, S e T) DIN (L, U)

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Termoresistncias (RTDS)

Os sensores de temperatura resistivos, mais comumente conhecidos como RTDs so baseados no princpio que a resistncia do metal aumenta com o aumento de sua temperatura. Os RTDs padronizados, cujas tabelas esto armazenados na memria do TT-301, so os seguintes: JIS [1604-81] (Pt50 e Pt100) IEC, DIN, JIS [1604-89] (Pt50, Pt100, Pt500 e Pt1000) GE (Cu 10) DIN (Ni 120) Para uma correta medida de temperatura com o RTD, necessrio eliminar o efeito da resistncia dos fios de conexo do sensor com o circuito de medio. Em algumas aplicaes industriais, estes fios podem ter extenses de centenas de metros. Isto particularmente importante em locais onde a temperatura ambiente muda bastante. O TT-301 permite uma conexo a 2-fios que pode causar erros nas medidas, dependendo do comprimento dos fios de conexo e da temperatura na qual eles esto expostos (veja Figura 14). Em uma conexo a 2-fios, a tenso V2 proporcional soma das resistncias do RTD e dos fios.

Figura 14 - Conexo a 2-fios

Para evitar o efeito da resistncia dos fios de conexo, recomendado usar uma conexo a 3fios (veja Fig. 15) ou uma conexo a 4-fios (veja Fig. 16). Em uma conexo tipo 3-fios, a corrente "I" no percorre o terminal 3 (3-fios) que de alta impedncia. Desta forma, fazendo V2-V1, anula-se o efeito da queda de tenso na resistncia de linha entre os terminais 2 e 3.30

Figura 15 - Conexo a 3-fios

Em uma conexo a 4-fios, os terminais 2 e 3 tem alta impedncia de entrada. Conseqentemente, nenhuma corrente flui atravs destes fios e no h queda de tenso. A resistncia dos outros dois fios no tem influncia na medio, que feita entre os terminais 2 e 3. Conseqentemente a tenso V2 diretamente proporcional a resistncia do RTD (V2 = RTD x I).

Figura 16 - Conexo a 4-fios

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Uma conexo diferencial similar conexo a 2-fios e fornece o mesmo problema (veja a Fig. 17). A resistncia dos outros dois fios sero medidas e no se cancelam, pois a linearizao afeta-os diferentemente.

Figura 17 - Conexo diferencial

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3 CONTROLADORES DIGITAIS3.1 HISTRICO A histria do controle automtico muito antiga e o desejo do homem sempre foi executar tarefas onde ele pudesse acompanhar e efetuar algumas alteraes, convenientes, para que o produto final atingisse uma performance considerada mais adequada para uso. Define-se que o controle industrial tem como finalidade controlar processos e que um processo um conjunto de operaes destinadas a modificar material ou energia. Essa associao de idias levou James Watt inveno do regulador de bolas em 1788 e, segundo os, historiadores, ele considerado como o precursor da tcnica de controle realimentao (feedback). Foi o primeiro invento industrial de um sistema de realimentao negativa e consistia em variar a vazo de vapor (Vm) em funo da velocidade do eixo da turbina (Vc) por meio de um controlador constitudo por um conjunto mvel submetido fora centrfuga e ao jogo de alavancas. O valor desejado ou set-point (SP) representado pelas molas que renem as bolas. A figura l8 demonstra um regulador de bolas idealizado por Watt.

Figura 18 - Regulador de bolas idealizado por Watt

Outro exemplo considerado to antigo quanto o regulador de bolas o moinho de vento. Era um dispositivo destinado a trabalhos de moendas de gros que normalmente eram operados por animais (bois, cavalos etc.) ou por escravos. Consistia de uma nica pequena p que mantinha o ventilador do moinho direcionado ao vento. So reconhecidas como tcnicas realmente elaboradas para controle por realimentao os esforos de Nyquist em 1932 (teoria da regenerao) e Hazen em 1934 (teoria dos servomecanismos que se utilizaram de teorias desenvolvidas por Laplace antes de 1930).

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O maior dos passos da teoria de controle foi atingido durante a 2a Guerra Mundial, onde as tcnicas de servomecanismos foram desenvolvidas, para sistemas que direcionavam de maneira rpida e precisa armas pesadas e pilotos automticos. No final da guerra as tcnicas desenvolvidas foram utilizadas para fins pacficos e contriburam para o aparecimento da teoria de controle dos sistemas lineares e suas aplicaes em sistemas gerais.

3.2 CONCEITO A funo de um controlador em uma cadeia de controle manter a varivel controlada (Vc) no valor desejado (SP), apesar das variaes de carga ou de alimentao ou de demanda. As funes clssicas de um controlador so: executar sua funo seguindo os passos de reconhecer a medio da varivel, comparar com o valor desejado ou set-point previamente estabelecido, executar uma fase de computao que se resume em aes de controle do tipo proporcional, integral e derivativo (PID) e gerar um sinal de correo que tenderia a manter a varivel controlada dentro dos limites estipulados. A figura 19 ilustra esses passos em um trocador de calor.

Figura 19 - Passos em um trocador de calor

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3.3 CONTROLADORES Os controladores aps uma fase de mecnica pura, foram padronizados em sinais de entrada e de sada pneumticos, cujos componentes principais eram o amplificador bico/palheta e os foles de realimentao e de aes de controle. Os primeiros controladores eram conhecidos como caixa grande" que tinham dimenses aproximadas de 30 cm x 40 cm. Com a utilizao de salas de controle, os controladores foram diminuindo de tamanho e chegaram a dimenses de 3 in. x 6 in. ou 72 cm x 144 cm, cujo reinado durou mais de 15 anos. Os chamados controladores atuais so reconhecidos como sendo "controladores convencionais analgicos" ou "controladores digitais single loop ou multi loop". A diferena fundamental entre eles que o "analgico" processa informaes de forma analgica, e o "digital" processa informaes por meio de componentes microprocessados associados a circuitos binrios. A Figura 20 mostra um diagrama de blocos de um controlador convencional analgico. Cada funo executada continuamente por um circuito analgico composto por componentes passivos, tais como resistores, capacitores, transistores, amplificadores operacionais etc. O sinal de entrada o mesmo que est sendo processado e que gera o sinal de sada.

Figura 20 - Diagrama de blocos: controlador convencional analgico

A Figura 21 mostra um diagrama de blocos de um controlador digital, que formado, basicamente, por circuitos condicionadores de sinal de entrada, cuja funo padronizar o sinal de entrada no circuito conversor analgico/digital (A/D), uma via de dados, unidade central de processamento (UCP), memrias EPROM, ROM e RAM, cuja funo executar os algoritmos de controle, um circuito conversor D/A e um circuito amplificador de sada compatveis com os instrumentos a ele acoplados e uma interface de comunicao para acoplamento a redes de sistemas hierarquicamente superiores.35

Figura 21 - Diagrama de blocos: controlador digital

3.4 CONTROLADOR DIGITAL CD 600

3.4.1 Introduo O controlador Digital Multi-Loop, CD600, uma estao de controle que combina a confiabilidade de um controle de malha simples, com a flexibilidade, a compactao e a economia do controle Multi-Malha. Para o engenheiro projetista, o CD600 oferece o conceito de Bloco de Funo que combina, no mesmo bloco, vrias funes inter-relacionadas. Estes blocos de funo oferecem todas as funes computacionais e de controle necessrias para estratgias avanadas de controle, em uma forma muito fcil de serem usadas. Uma grande variedade de estratgias prconfiguradas de controle, disponvel em memrias do tipo plug-inou em disquetes. Novas estratgias de controle so de fcil implementao. Para os operadores, o CD600 oferece um painel de controle amigvel com botes individuais, um display de 8 caracteres alfanumricos e um hardware confivel. Se o controlador deve ser configurado ou se ocorrer uma falha eventual, as sadas do controlador so automaticamente chaveadas para a estao de backup independente.

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Para o pessoal da manuteno, o CD600 oferece a qualidade assegurada pelos procedimentos da norma ISO 9000. Seu projeto modular permite que o pessoal de manuteno retire todas as peas eletrnicas sem retirar a carcaa do controlador para fora do painel de controle, e sem desmanchar a fiao de campo. E para o gerenciamento da planta, o CD600 oferece uma modularidade eficaz de custo, informao para gerenciamento atravs da comunicao digital e integrao da planta atravs de estaes de operao ou SDCDs.

3.4.2 Operao do CD600 O painel frontal do CD600, Figura 22 apresenta 3 barras de LED's, um display alfanumrico, um grupo de teclas para ajustes e controle, e led's para sinalizao.BARRAS GRFICAS SP PV MV DESCRIO Indicao do Set-point do loop monitorado. Esta indicao obtida na barra grfica de 101 leds, na cor verde. Indicao da Varivel de Processo do loop monitorado. Esta indicao obtida na barra grfica de 101 leds, na cor vermelha. Indicao da Varivel Manipulada. Esta indicao obtida na barra grfica de 41 leds, na cor vermelha. Quadro 1 - Descrio do Painel Frontal

Como a visualizao de cada loop livremente configurvel pelo usurio, as trs barras grficas podem ter finalidades distintas das indicadas acima.

Figura 22 - Painel frontal do CD600 37

TECLAS

DESCRIO Seleciona a Varivel a ser mostrada no display alfanumrico. Seleciona o Loop a ser mostrado no painel frontal. Aumenta o valor da Varivel mostrada no display. Diminui o valor da Varivel mostrada no display. Seleciona Set-point Local ou Set-point Remoto, do loop monitorado. Reconhecimento de Alarme. Seleciona modo Automtico ou Manual do loop monitorado. Aumenta o valor de MV, quando o controle est em Manual. Quando pressionada, mostra o valor da sada no display. Diminui o valor de MV, quando o controle est em Manual. Quando pressionada, mostra o valor da sada no display. Quando aceso, indica que o controlador est em situao de falha. Pisca a cada 10 ciclos, durante o ajuste do tempo do ciclo (ver seo 8 - comunicao). Quando aceso, indica que a varivel, que est sendo mostrada no display, pode ter seu valor alterado pelas teclas e . 1, 2, 3 ou 4- Quando aceso, indica que as variveis mostradas nas barras grficas e no display referem-se ao respectivo loop. L - Quando aceso, indica que o respectivo loop est trabalhando com Set-point Local. L apagado significa que o loop est em Set-point Remoto. M - Quando aceso, indica que o respectivo loop est trabalhando no modo Manual. M apagado significa operao em Automtico. ou - Quando acesos, indicam a ocorrncia de alarmes de alto e baixo

Quadro 2 - Descrio das Teclas

Seleo de Loops Um toque rpido na tecla faz com que o display mostre, por alguns segundos, o TAG do loop que est sendo monitorado. Um toque mais demorado na tecla transfere a monitorao para o loop seguinte, e o display mostra inicialmente o TAG do novo loop monitorado, e depois de alguns segundos uma de suas variveis.

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Reconhecimento de Alarmes Independente do loop selecionado e da varivel que esteja sendo mostrada no display, acontecendo qualquer alarme que tenha sido programado para indicar no frontal, o display passa a mostrar alternadamente a informao da varivel e a informao "*ALARM". Alm disso, um dos leds ou , do loop correspondente, passa a piscar. To logo o operador pressione a tecla pela primeira vez, aparece no display o tag que identifica a configurao, seguido da mensagem mnemnica do alarme. A mensagem ficar piscando at que o operador pressione, novamente, a tecla , reconhecendo o alarme. Aps o reconhecimento, a mensagem e o led param de piscar, mas se a condio de alarme persistir, a mensagem permanecer. Quando a condio de alarme deixar de existir o display passa a indicar a mensagem "NO ALARM" e o led apaga. O reconhecimento de alarme tambm pode ser feito automaticamente, ou seja, ao sair da condio de alarme a mensagem desaparece, no sendo necessrio o reconhecimento, pelo operador, na tecla . Enquanto o alarme est presente, a mensagem de alarme fica armazenada numa memria de pilha, com capacidade para at 36 mensagens de alarme. Atravs das teclas e , o operador pode rodar as informaes contidas na memria, checando se existe ou no outros alarmes presentes. Dentre as mensagens de alarme que podem ser visualizadas no display, 8 podem ser escritas pelo usurio e as demais so mensagens fixas.

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4 SISTEMA SUPERVISRIOA importncia dos sistemas digitais de superviso e controle de processos aumenta a cada dia, e seu uso j atinge todos os tipos de indstria. Desde o cho de fbrica at as mesas de gerentes e diretores, o acesso a informaes atualizadas e precisas sobre o processo produtivo, apresentadas de forma coerente com as necessidades de cada usurio, hoje um fator decisivo na melhoria da qualidade e eficincia das empresas. A introduo dos microcomputadores provocou uma verdadeira revoluo no mercado de controle de processos, alterando a postura de grandes Fabricantes e trazendo incontveis benefcios para os usurios finais. Mesmo empresas de pequeno porte contam hoje com sistemas abertos, flexveis de baixo custo e alta performance, que permitem integrar equipamentos e produtos de diversos fornecedores, assegurando a competitividade de preos e a independncia do usurio. A disseminao desses sistemas nas indstrias trouxe consigo um novo desafio para os engenheiros e tcnicos: conhecer e dominar o software de superviso e controle, alm de serem responsveis pela escolha do software a ser utilizado. Essa escolha nem sempre simples, uma vez que o software mais difcil de caracterizar, especificar e avaliar que um sensor, uma vlvula ou um computador. No entanto, o software to ou mais importante para o sucesso de um sistema quanto o hardware associado. A maioria desses programas modular, permitindo ao usurio adquirir apenas os mdulos necessrios a cada aplicao, reservada a possibilidade de expanso futura. Numa instalao industrial, junto com o programa aplicativo, pode-se instalar o sistema supervisrio na sala de controle. Neste supervisrio tem-se um microcomputador, com o sintico do processo desenhado na tela do monitor. O sistema supervisrio faz a aquisio de dados nos dispositivos de entrada (PLCs, controladores single e multi-loop, etc), transferindo o status de operao de cada dispositivo para a tela do monitor. Atravs do teclado, deste microcomputador, pode-se ligar ou desligar equipamentos, alterar abertura de vlvulas de controle, etc. O sistema supervisrio faz uma atuao no PLC ou controlador, transferindo os dados para cada equipamento que est no programa do destes. O operador liga/desliga equipamentos atravs do teclado, altera set-point, arquiva relatrios e grficos relativos produo. Os programas de superviso e controle so utilizados em salas de controle, permitindo aos operadores supervisionar e controlar toda uma rea de processo, ou, em alguns casos, at mesmo toda a fbrica. Apresentam as seguintes caractersticas: interface grfica sofisticada, com recursos para simular um painel de controle atravs do micro (botoeiras, grficos de barra, mostradores, registradores grficos, etc. ); facilidade de operao, uma vez que so destinados aos operadores no cho de fbrica. Em geral, este tipo de programa roda em micros industriais e so operados em teclados dedicados de membrana ou do tipo "touch screen"; tempo de resposta rpido, da ordem de um segundo; capacidade de processamento dos dados adquiridos, permitindo clculos sofisticados, otimizaes e simulaes de processo; emisso de relatrios configurveis pelo usurio; grande capacidade de registro histrico das variveis;40

mdulos para controle estatstico de processo, programao de set-point, gerenciamento de receitas, etc. capacidade de ligao em rede local para troca de dados em tempo real com outros sistemas.

4.1 SISTEMA SUPERVISRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS O AIMAX-WIN (A-WIN) um software robusto e poderoso de Interface Homem-Mquina (IHM). Ele continuamente coleta e integra dados a partir de mltiplas fontes. As interfaces so disponveis para uma gama de controladores programveis, controladores single e multiloop e uma variedade de dispositivos de entrada e sada. O sistema de superviso e controle da planta est configurado como ilustrado na figura 23.

PENTIUM

Impressor a

Interface

RS 232 RS 422 ECL ECL ECL ECL ECL

Figura 23 - Sistema de superviso e controle da planta

ECL'S 1, 2, 3, 4 e 5 - Controladores multi-loop CD 600. As figuras 24 a 29 ilustram as telas normalmente utilizadas em sistemas supervisrios.41

Figura 24 - Tela de sintico

Figura 25 - Tela de grupo

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Figura 26 - Tela de ponto (sintonia)

Figura 27 - Tela de ponto (sintonia)

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Figura 28 - Tela de alarme

Figura 29 - Tela de alarme

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5 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD)O termo "distribudo" aplica-se s funes do Sistema (distribuio funcional), sem excluir a distribuio fsica dos componentes do sistema. Ao contrrio, enfatizando-a. Os SDCD's figura 30. So compostos de quatro subsistemas: Subsistema de Controle Local; Subsistema de Superviso e Otimizao; Subsistema de Monitorao e Operao; Subsistema de Comunicao Local.

Figura 30 - SDCD's

De uma maneira geral, as funes exercidas por um SDCD podem ser estruturadas de maneira hierrquica, sendo definidos diversos nveis de atividades. Estes nveis so identificados de forma a permitir a realizao das funes de controle integrado, tirando proveito das caractersticas de distribuio de mdulos autnomos e com finalidade de restringir a complexidade das funes implementadas por um determinado nvel. Esta mesma estrutura hierrquica responsvel em grande parte, pela grande modularidade e expansibilidade dos sistemas. Pode-se identificar na figura 31 cinco nveis de atividades presentes em um SDCD: Nvel 0: - aquisio de dados e atuao Nvel 1: - regulao de malha nica e funes de intertravamento Nvel 2: - regulao de malhas mltiplas e funes de controle de seqncia de eventos Nvel 3: - otimizao Nvel 4: - sistema de gerenciamento de informaes.45

Figura 31 - Estrutura hierrquica de um sistema de controle de processos

De modo a caracterizar um SDCD, vamos agrupar os elementos que o compem em quatro subsistemas de acordo com as suas caractersticas funcionais, e mostrar como o atendimento aos nveis hierrquicos acima se coaduna com a caracterizao proposta. Veja figura 32. O primeiro subsistema aquele que est diretamente ligado ao processo, a que denominamos Subsistema de Aquisio de Dados e Controle. A sua principal finalidade a realizao das funes de controle, que so exercidas pelas Estaes de Controle Local (ECL, Nveis 0, l e 2). O segundo subsistema denominado de Subsistema de Monitorao e Operao. Nele se concentra a maior parte das funes de interface homem-mquina (nvel 3). Ao terceiro subsistema denominamos de Subsistema de Superviso e Otimizao. onde so realizadas as funes de otimizao e gerenciamento de informaes (nveis 3 e 4). Para que seja possvel a realizao de um controle integrado, necessrio que exista uma infra-estrutura de comunicao entre os diversos subsistemas. O quarto grupo de componentes denominado de Subsistema de Comunicao, necessrio integrao dos diversos mdulos autnomos do sistema.

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Figura 32 - Modelo de referncia de um SDCD

Subsistema de Aquisio de Dados e Controle (SADC)

O objetivo deste grupo de elementos promover a interface direta com o processo e realizar as funes de controle local. importante ressaltar a caracterstica de autonomia destes mdulos, pois mesmo na ausncia das funes de nveis superiores ele deve continuar operando as funes de controle, embora podendo estar degradado segundo algum aspecto especfico. Este subsistema apresenta, na maioria dos SDCDs disponveis no mercado, alm dos algoritmos de controle do tipo P-I-D, disponveis na instrumentao analgica convencional, uma variada gama de funes que inclui, por exemplo: Controle multivarivel; Algoritmos de nvel superior; Controle "feed-forward"; Controle de seqncia; Controle lgico; Intertravamento; Soma, subtrao, multiplicao e diviso; Raiz quadrada; Logaritmo; Alarmes; "Logging"; Etc.47

Dele tambm fazem parte os cartes de interface de entrada e sada com o processo, tais como: Entradas e sadas analgicas Entradas e sadas digitais Entradas de pulsos Multiplexadores Conversores A/D e D/A Etc.

Este subsistema contm tambm as placas de memria que armazenam os microprogramas das funes executveis, das rotinas de diagnsticos de falha, das rotinas de "back-up", etc..., as placas de mdulos para redundncia parcial ou total e os circuitos necessrios segurana intrnseca. No nvel deste subsistema poder ou no haver um subsistema de monitorao e operao local simplificado, conforme mostrado no modelo de referncia. Este subsistema interfaceiase com os subsistemas de comunicao e com um eventual subsistema simplificado de monitorao e operao local.

Subsistema de Comunicao

O Subsistema de Comunicao uma rede local de comunicaes (RL) necessria para estabelecer a intercomunicao dos demais subsistemas. Mais precisamente, considera-se que uma rede "local" em funo de dois parmetros: distncia mxima entre os seus ns e velocidade de transmisso. De acordo com a definio do Comit de Normalizao de Redes Locais do IEEE/Projeto 802, "RL aquela em que as distncias entre os ns vo desde os l00m at l0km e a velocidade de transmisso est entre 100 kbps e 20 Mbps. Adota-se neste trabalho uma definio rigorosamente igual do IEEE no tocante distncia entre os ns mas, mais tolerante a velocidade superiores a 20 Mbps, j que esta uma rea em rpido desenvolvimento, tanto nos meios de transmisso (fibras ticas, etc.) como nos componentes eletrnicos. Uma RL apresenta as seguintes vantagens: Baixo custo de transmisso para altas velocidades de comunicao digital, em comparao com os altos custos de transmisso em uma rede pblica; Baixo custo do meio de transmisso, j que esta uma linha privada (um simples par tranado pode atingir velocidade de comunicao ponto-a-ponto de at l0 Mbps em distncias de alguns quilmetros entre repetidores); Comunicao tpica em banda-base, em contraste com a portadora modulada das redes pblicas; Estratgia de controle de acesso rede e protocolo de comunicao extremamente simplificados, em relao s estratgias e protocolos tipo X.25 das redes pblicas;

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Processamento paralelo em relao a sistemas centralizados e distribuio do processamento para os locais fsicos onde ele necessrio, como, por exemplo, junto ao usurio ou processo. So elementos bsicos de uma RL: Arquitetura ou padro de interconexo de seus ns, que normalmente resume-se a: estrela, anel, barramento e combinaes mltiplas; O meio de transmisso, que pode ser par tranado, cabo coaxial, cabo CATV ou fibra tica, e o tipo de transmisso mais adequado dentre banda-base e faixa larga ("broadband"); A estratgia de controle de acesso, mais implementada em anis e em barramento, acabou consagrando por questes de custo e simplicidade as estratgias de barramento com conteno, barramento com passagem de marca e barramento com controle centralizado, as duas ltimas em Controle de Processos; A interface da rede com as estaes locais, responsvel por todas as funes do sistema de comunicao, como: transmisso e recepo de mensagens, armazenamento intermedirio, e deteco e recuperao de erros tambm a interface que implementa os nveis mais baixos do protocolo de comunicao; O protocolo de comunicao, normalmente estruturado em sete nveis segundo a recomendao ISO: controle fsico, controle de enlace, controle da rede, transporte, seo, apresentao e aplicao. Prefere-se neste trabalho adotar a estrutura da recomendao ISO em contraste com outras propostas, como o PROWAY, por exemplo, por ser esta a estrutura mais aceita e implementada na comunidade de informtica, da qual faz parte o setor de Controle de Processos. O PROWAY um padro universal de comunicaes para controle de processos, atualmente em elaborao pelo IEC com a participao das associaes de normas tcnicas de todos os paises-membros, dentre eles o Brasil.

Em alguns dos SDCD disponveis no mercado os subsistemas de comunicao apresentam meio de comunicao redundante, com transferncia automtica para a rede de "back-up" em caso de falha da principal.

Subsistema de Monitorao e Operao

Este subsistema trata especificamente da interface homem-mquina. Por interface homem-mquina entendemos os dispositivos de "Hardware" que fornecem ao operador um maior controle e um melhor nvel de informao sobre a condio de operao da planta, reduzindo o seu esforo atravs da simplificao dos procedimentos operacionais.

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So caractersticas normalmente existentes num subsistema de operao e monitorao: Fornecer ao operador um conjunto de informaes sobre o estado de operao da planta, atravs de um nmero de estaes de operao suficiente para atender a todas as variveis de interesse do processo; Fornecer ao operador em tempo hbil, informaes num formato que evidencie a ocorrncia de condies excepcionais de operao ("gerncia por exceo"), para que providncias imediatas possam ser tomadas; Permitir que variveis de processo sejam agrupadas de maneira que o operador possa realizar uma anlise comparativa entre variveis constituintes de cada grupo; Permitir ao operador a visualizao de informaes em detalhe crescente, dependendo do quanto ele precisa saber ou do quanto ele precisa mudar para corrigir as falhas do processo; Possibilitar o uso simultneo de vrias estaes de operao para que todas as funes disponveis possam ser utilizadas em todas as estaes de operao e estas possam ser instaladas em locais diferentes.

"Encapsular" procedimentos de operao de forma que seja mais segura e veloz a resposta do operador ocorrncia de uma irregularidade na planta. Encapsulamento consiste basicamente da utilizao de tcnicas funcionais. Essas teclas determinam, quando pressionadas, o acionamento de procedimentos de operao, de sorte que toda uma seqncia de operaes possa ser substituda por apenas uma operao. Como teclas funcionais normalmente disponveis num SDCD, citamos: Teclas de Controle Transferncia de modo operao manual/computador dos "loops" de controle; Ajuste de "set-point" lento e rpido; Aumento/decrscimo de "set-point" ou de variveis manipuladas; Confirmao de operao efetuada; Fechamento de "loop" em cascata; cancelamento de operao efetuada; Etc...

Tecias de Operao Solicitao de impresso de relatrios; Reconhecimento de alarmes/silenciamento de campainha; Seleo de telas; Cancelamento de relatrios e de telas; Posicionamento do cursor; Entrada de dados; Mudana de pgina para frente e para trs; Exibio de trechos de fluxogramas de processo; Criao/alterao/cancelamento de trechos de fluxogramas de processo;50

Exibio/ajuste de data e hora; Seleo e exibio de grupos de variveis; Seleo de tela de ajuste de parmetros de controle de um "loop"; Seleo de tela de alarmes; Solicitao de "Hard-copy"; Tabulao; Calibrao de variveis durante a manuteno; Solicitao de tela de tendncia de variveis; Associao de registradores grficos a variveis; Etc...

Teclas de Manuteno Reativao de estao de controle e aquisio aps parada para manuteno; Carregamento de informao em estao de controle e aquisio situada no campo; Armazenamento de informao de estao de controle e aquisio situada no campo; Seleo de estao de controle e aquisio situada no campo; Parar/ativar uma estao de controle e aquisio; Etc...

Alm destas, existem teclas de manuteno utilizadas somente para sinalizao indicando situaes de alarme diversas tais como: falha do sistema, falha de uma estao de controle e aquisio qualquer, falha de comunicao com o subsistema de comunicao local, etc... Normalmente, os SDCDS utilizam uma filosofia de gerncia por exceo, mostrando informaes suficientes para o operador saber que tudo corre bem. Quando as condies saem do normal, maiores detalhes podem ser mostrados ou solicitados. As informaes so apresentadas sob a forma de telas grficas e relatrios. As telas e relatrios so claras e sucintas. O acmulo de informaes na tela pode prejudicar a visualizao das condies excepcionais. As caractersticas bsicas em termos de telas so as seguintes: Tela de situao geral: Mostra um painel de controle simulado a uma distncia de 3 a 5 metros, apresentando de forma bastante simplificada um total de, no mximo, cerca de 300 controladores/indicadores, dispostos em grupos lgicos, arranjados de forma a que o operador identifique facilmente a condio normal. Tela de grupos lgicos -. Mostra um painel a uma distncia simulada de l a 2 metros, apresentando um grupo lgico de at 8 controladores/indicadores, permitindo ao operador verificar mais em detalhe uma seo da planta que precisa ateno, mostrando mais informaes dos "instrumentos" no vdeo.

Ex: "set-point", valor de processo, sada para vlvula, desvios do "set-point" e dos valores de alarme.

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Tela de "loop" individual: Apresenta um nico "loop" de controle, mostrando informaes adicionais e permitindo ao operador ajustar os parmetros da varivel, tais como, limites de alarme, "set-point", modo de operao (manual ou automtico) e parmetros de controle. Tela de tendncia tempo-real: Mostra, numa representao grfica e sempre atualizada, a tendncia das variveis de processo nos ltimos 10 a 20 minutos. desejvel que possam ser mostrados simultaneamente os grficos de tendncia de mais de uma varivel do processo. Tela de tendncia histrica: Mostra, numa representao grfica, a tendncia das variveis de processo ao longo de perodos maiores tais como, horas, dias e meses. So apresentados os valores mdios nos perodos em questo e o grfico no atualizado no tempo. Telas de trechos de fluxogramas de processo: Mostram graficamente sees de um fluxograma com os valores das variveis de processo e "set-points", atualizados continuamente. Os fluxogramas podem apresentar caractersticas adicionais que possibilitem um melhor entendimento dos mesmos, tais como indicao de variaes de nvel e indicao de alarmes, atravs da alterao da cor de pores do grfico. Tela de sumrio de alarmes: Tabela alfanumrica contendo os alarmes ativos, seus estados, reconhecidos ou no, e sua condio de alarme, crtico ou no.

Condies de alarmes tambm podem ser visualizados nas telas de situao geral, grupo lgico e "loop" individual. Quaisquer mtodos podero ser utilizados para notificar o operador da ocorrncia de alarmes, como por exemplo: Sinais sonoros; Uso de simbologia diferenciada; Alterao de cores de regies da tela.

Em termos de relatrios, normalmente esto disponveis os seguintes: Momentneo: Emitido a pedido do operador, apresentando as variveis de processo, seus "tags", valores e situao do "loop". Registro de alarmes e de eventos de operao: Impresso automtica das ocorrncias de alarme em variveis de processo, mudanas de situao em "loops" de controle, alteraes de parmetros realizadas pelo operador ou anormalidades no sistema. "Logging" de variveis do processo: Emitidos automaticamente ou a pedido, incluem informaes sobre variveis num perodo considerado, que pode ser de uma hora, um turno, um dia ou um ms. Em alguns casos o seu contedo pode ser especificado pelo usurio. Cpias de telas: Emitidas a pedido do operador.

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Relatrio de Alarmes pendentes: Apresenta todos os alarmes pendentes e a sua situao.

Outro importante elemento do subsistema de operao e monitorao o modo configurao, atravs do qual montado e alterado, quando necessrio, o conjunto de informaes que sero utilizadas no funcionamento do Sistema Digital de Controle Distribudo. O modo configurao indispensvel num Subsistema de Monitorao e Operao e suas caractersticas normais so as seguintes: Modo de operao interativo, possibilitando ao operador, atravs do terminal de vdeo com teclado, interagir com o sistema atravs de linguagem do tipo "fill-in-the-blanks". Possibilidade de definio e de alterao da configurao de cada indicador e "loop" de controle, incluindo: endereo da varivel de entrada; velocidade de varredura; variveis com controle ou clculo; endereo da sada das vlvulas; "set-points" e parmetros de controle; tipos e valores de alarme; algoritmos de controle e clculo (Cascata, "FeedForward", Relao, Seleo de sinal, Adio/Subtrao, Multiplicao/Diviso) Possibilidade de definio do sequenciamento de operaes de processos em batelada; Possibilidade de definio e de gerao de trechos de fluxogramas de processo atravs de linguagens especficas ou de utilizao da prpria tela para gerao dos desenhos. No caso de utilizao da prpria tela como ferramenta de especificao de fluxograma, ser necessrio um teclado com indicao de caracteres grficos. Esse teclado dever fornecer ao operador a possibilidade de criar um fluxograma, especificando cores e outros atributos dos smbolos que constituiro o fluxograma e smbolos da biblioteca de smbolos a serem inseridos no fluxograma.

Subsistema de Superviso e Otimizao (SSO)

O Subsistema de Superviso e Otimizao (uso opcional), consiste de um minicomputador capaz de executar as funes de superviso total do sistema, otimizao do processo e a gerao de relatrios gerenciais. Suas principais funes e caractersticas so as seguintes: Formatar e mostrar nas telas dos consoles de vdeo as informaes necessrias para o operador conhecer o estado da planta; Formatar e indicar condies de alarme nos consoles de vdeo e imprimi-las numa impressora de alarmes, se necessrio; Coletar dados atravs dos subsistemas de controle e aquisio e registr-los em meios magnticos, tais como memrias de tambor ou disco, para mostr-los instantnea ou posteriormente nos consoles de vdeo ou imprimi-los nas impressoras de logging; Formatar e mostrar desenhos grficos similares aos fluxogramas de processos; Realizar clculos para atingir um ou mais objetivos de otimizao da planta ou de consumo de energia e analisar a performance da planta ou equipamentos.53

A exceo desta ltima, todas as demais funes podem j estar presentes no subsistema de monitorao e operao. Neste caso, o subsistema de superviso e otimizao reservar maior capacidade para os programas de aplicao do usurio, tais como alguns relatrios especiais, balanos de massa energia, otimizaes, etc. As caractersticas bsicas do "Hardware" do Subsistema de Superviso e Otimizao so: Adequabilidade em termos de recursos para aplicaes e tempo-real; Possibilidade de conexo ao Sistema via subsistema de comunicao (comunicao serial de alta velocidade); Utilizao de tecnologias MSI, LSI ou VLSI nos seus principais circuitos; Tamanho de palavra de, no mnimo 16 bits; Relgio de tempo real com erro menor que 15 seg/por dia; Disponibilidade de recursos para interrupo externa por "Hardware"; Disponibilidade de recursos para partida automtica aps falha e normalizao da alimentao ("automatic power-on, restart);

O "Software" de um subsistema de superviso e otimizao, pode ser subdividido em 3 tipos: Sistema operacional; "Software" de Controle de Processos (em linguagem "Suilding Slocks"); "Software" de Aplicao (em linguagem de alto nvel, tipo FORTRAN, EXCEL, etc.). Normalmente, o subsistema de superviso e otimizao permite o desenvolvimento de "Software" de aplicao ou mesmo, de "Software" de Controle de Processo em "background", sem interrupo do Sistema de Controle, facilitando a alterao de configuraes de controle, clculos de performance, equaes de balano material e de energia, etc.

Vantagens

Selecionamos aqui algumas vantagens apontadas por usurios de sistemas digitais de controle distribudo. Elevada confiabilidade, garantida por: Um subsistema de comunicao redundante; Disponibilidade de mdulos de "backup", "on-line" ou "spare" (baixo custo dos microprocessadores); Rotina de autodiagnstico.

Elevada flexibilidade de configurao e reconfigurao: Baixo custo de reconfigurao (engenharia, instalao, etc.); Facilidade de alterao da estratgia de controle; Utilizao de consoles de vdeo com linguagem interativa.

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Interface homem-mquina de alto nvel: Uso de consoles de vdeo semigrficos a cores, tecias funcionais, linguagem interativa; Fcil aprendizado pelos operadores; Telas padronizadas de fcil compreenso e manipulao; Relatrios impressos; Acesso a maior nmero de informaes e execuo de maior nmero de funes.

Menores custos de instalao: Custos de fiao drasticamente reduzidos; Menores painis e salas de controle; Menores problemas com interferncia por induo em sinais DC de baixo nvel.

Maior facilidade de interligao com computadores digitais: Interface facilitada pelo uso de um "data highway"; Alivia carga de CPU do computador na medida em que as funes encontram-se distribudas nos microcomputadores.

Menores custos de desenvolvimento de "Software": Grande nmero de funes previamente programadas em "firmware".

5.1 CONCEITOS DE REDUNDNCIA NOS DIVERSOS NVEIS

Redundncia para Estao de Operao

Normalmente no existe redundncia da unidade eletrnica em si. O que se via so duas Estaes de Operao com aplicaes distintas, porm internamente com a mesma configurao, inibindo as funes de uma aplicao numa das Estaes e vice-versa, e habilitando-se, em caso de falha. numa das Estaes. A capacidade de Base de Dados de cada Estao deve atender s duas aplicaes. Alguns fornecedores possuem a Estao de Operao dividida em dois mdulos independentes onde esse segundo mdulo funciona como um mdulo partilhado por diversas Estaes de Operao. Neste caso, dependendo dos requisitos de redundncia deve-se duplicar esse modulo. No conceito de 2 Estaes funcionalmente redundantes deve-se tambm duplicar elementos de armazenamento de dados (unidades de disco e fita) e impressora de alarmes. Redundncia para Via de Dados No nvel de Via de Dados, interligando Estaes de Operao e Controladores, normalmente essa via padro obrigatrio ser redundante. No caso de vias de dados interligando cartes55

de E/S locais ou remotos ao controlador, essa via de comunicao pode ou no ser redundante dependendo da necessidade. Barramentos de campo, quando disponveis, ligando instrumentos a cartes de E/S, no so redundantes. Interfaces de comunicao geral e redes de nvel superior (tipo ETHERNET), normalmente no so e nem podem ser redundantes. Redundncia para Controlador O controlador pode apresentar redundncia em diferentes nveis: CPU - Pode ser redundante e com chaveamento automtico sem causar perturbao ao processo. Fonte de Alimentao - Podem ser redundantes e normalmente trabalham em paralelo. Cartes de E/S - Podem ser redundantes, porm dependendo do fornecedor a redundncia ou no transparente ao nvel de fiao de campo aos cartes e em nvel de configurao. Normalmente este tipo de redundncia aplicvel somente a casos especficos, visto que tambm deveriam ser duplicados os instrumentos de campo para total segurana.

5.2 PROTOCOLO HART Introduo O protocolo de comunicao HART mundialmente reconhecido como um padro da indstria para comunicao de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentao mundiais oferecem produtos dotados de comunicao HART. O protocolo HART permite a sobreposio do sinal de comunicao digital aos sinais analgicos de 4-20mA, sem interferncia, na mesma fiao. O HART proporciona alguns dos benefcios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentao analgica e aproveitando o conhecimento j dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes. Este informativo traz uma viso resumida sobre o protocolo HART e os benefcios disponveis atravs desta importante tecnologia. Comunicao Analgica + Digital H vrios anos, a comunicao de campo padro usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analgico de corrente, o miliampre (mA). Na maioria das aplicaes, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente varivel de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padro internacional para transmitir a informao da varivel de processo. O protocolo de comunicao de campo HART estende o padro 4-20mA ao permitir tambm a medio de processos de forma mais inteligente que a instrumentao de controle56

analgica, proporcionando um salto na evoluo do controle de processos. O protocolo HART promove uma significativa inovao na instrumentao de processos. As caractersticas dos instrumentos podem ser vistas via comunicao digital que so refletidas na denominao do protocolo, HART, que significa Highway Addressable Remote Transducer. O Protocolo HART possibilita a comunicao digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analgico de 4-20mA. Tanto o sinal analgico 420mA como o sinal digital de comunicao HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiao. A varivel primria e a informao do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4-20mA, se desejado, enquanto que as medies adicionais, parmetros de processo, configurao do instrumento, calibrao e as informaes de diagnstico so disponibilizadas na mesma fiao e ao mesmo tempo. Ao contrrio das demais tecnologias de comunicao digitais abertas para instrumentao de processos, o HART compatvel com os sistemas existentes. A Tecnologia HART O Protocolo HART usa o padro Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de freqncia (FSK) para sobrepor os sinais de comunicao digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK simtrico em relao ao zero, no existe nvel DC associado ao sinal e portanto ele no interfere no sinal de 4-20mA. A lgica 1 representada por uma freqncia de 1200Hz e a lgica 0 representada por uma freqncia de 2200Hz, como mostrado nas figuras 33 e 34. O sinal HART FSK possibilita a comunicao digital em duas vias, o que torna possvel a transmisso e recepo de informaes adicionais, alm da normal que a varivel de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART se propaga h uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicao tipo mestre possibilitando duas ou mais atualizaes por segundo vindas de um nico instrumento de campo.

Figura 33 - Lgica 1 representada por uma freqncia de 1200Hz

Figura 34 - Lgica 0 representada por uma freqncia de 2200Hz

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Flexibilidade de Aplicao O HART um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente responde quando perguntado por um mestre. Dois mestres (primrio e secundrio) podem se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART. Os mestres secundrios, como os terminais portteis de configurao, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distrbios na comunicao com o mestre primrio. O mestre primrio tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribudo), um CLP (Controlador Lgico Programvel), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitorao. Uma instalao tpica com dois mestres mostrada na figura 35.

Figura 35 - Instalao tpica com dois mestres (Sinal analgico + Comunicao digital)

O Protocolo HART pode ser usado de diversas maneiras para trocar informaes de/para instrumentos de campo inteligentes a controles centrais ou equipamentos de monitorao. A comunicao mestre/escravo digital, simultnea com o sinal analgico de 4-20mA a mais comum. Este modo, descrito na figura 36, permite que a informao digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20mA contnuo e carrega a varivel primria para controle.

Figura 36 - Mestre/Escravo ou Resposta por Varredura

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Uma modalidade opcional de comunicao, que pose ser vista na Figura 37, o burst, que permite que um nico instrumento escravo publique continuamente uma mensagem de resposta padro HART. Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitao para atualizar a informao da varivel de processo.

Figura 37 - Modo Burst ou Broadcast (publicao)

A mesma mensagem de resposta HART (PV ou outra) continuamente publicada pelo escravo at que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualizao de dados de 3-4 por segundo tpica no modo de comunicao do tipo burst e poder variar de acordo com o comando escolhido. O modo burst s pode ser usado quando existe um nico instrumento escravo na rede. O Protocolo HART tambm tem a capacidade de conectar mltiplos instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configurao de rede multidrop, como mostrado na figura 38. Em aplicaes multidrop, o sinal de corrente fixo, ficando somente a comunicao digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo fixada no valor mnimo para alimentao do instrumento (tipicamente 4 mA) e no representa nenhum significado relativo ao processo.

Figura 38 - Modo Burst ou Broadcast (publicao)

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Do ponto de vista da instalao, a mesma fiao usada para os instrumentos analgicos convencionais de 4-20mA pode carregar os sinais de comunicao digital HART. Os comprimentos de cabos usados podem variar de acordo com o tipo de cabo e dos instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000 metros para um nico par tranado blindado e 1500 metros para mltiplos cabos de par tranado com blindagem comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distncias curtas. Barreiras de segurana intrnseca e isoladores que permitem a passagem de sinais HART so disponveis para uso em reas classificadas.

Comandos poderososA comunicao HART baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem trs tipos de comando HART que permitem leitura/escrita de informaes em instrumentos de campo (Ver figura 39). Os comandos universais e os prticos so definidos nas especificaes do protocolo HART. Um terceiro tipo, os comandos especficos do instrumento, permitem maior flexibilidade na manipulao de parmetros ou de funes especficas num determinado tipo de instrumento.

Figura 39 - Comandos universais

Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso s informaes usuais em operao de plantas, como por exemplo, leitura de variveis medidas, aumento ou diminuio dos valores de configurao e outras informaes como: fabricante, modelo, tag e descrio do processo. Uma regra bsica do protocolo HART que os instrumentos escravos devem ser compatveis (interoperveis) entre si e precisam responder a todos os comandos universais. Esses comandos so poderosos, como por exemplo, o comando universal 3, que permite que at quatro variveis dinmicas sejam enviadas em resposta a um nico comando solicitado do mestre.60

Os comandos prticos permitem acessar funes que so implementadas em alguns instrumentos, mas no necessariamente em todos. Esses comandos so opcionais, mas se implementados, devem atender as especificaes da norma. Os comandos especficos dos instrumentos permitem o acesso a caractersticas exclusivas do instrumento e geralmente so usados para configurar os parmetros de um instrumento. Por exemplo, estes permitem escrever um novo set-point de um algoritmo PID disponvel no instrumento. As informaes de diagnstico do instrumento est disponvel em todas as respostas aos comandos HART, garantindo uma elevada integridade do sistema para malhas crticas. Os bits que representam o estado do instrumento em cada mensagem de resposta, indicam o mau funcionamento ou outros problemas, tais como: sada analgica saturada, varivel fora de faixa ou erros de comunicao. Alguns instrumentos compatveis com HART podem monitorar continuamente estes bits do instrumento e permitem a gerao de alarmes ou mesmo o seu desligamento se problemas forem detectados.

A Linguagem de Descrio do Instrumento (DDL)A Linguagem de Descrio do Dispositivo (instrumento) estende a interoperabilidade entre os comandos universais e prticos. Um fabricante de instrumento de campo (escravo) usa a linguagem DDL para criar um arquivo de software, a device description (DD) que contm todas as caractersticas relevantes do instrumento, possibilitando que o mestre tenha total capacidade de comunicao com o instrumento escravo. Um arquivo de descrio do instrumento (DD) para um instrumento HART semelhante a um driver de impressora no ambiente dos microcomputadores, onde o driver habilita uma aplicao para a impressora, assim como, imprime adequadamente uma pgina. Terminais portteis de programao so capazes de configurar qualquer instrumento HART atravs da DD deste instrumento disponibilizada pelo seu fabricante. Outras aplicaes do tipo host que aceitam a linguagem DDL esto surgindo. Uma biblioteca central de todas as descries de instrumentos HART (DD) administrada pela HART Communication Foundation, que mantm o controle de registro e distribuio dos mesmos.

Exemplo de Aplicao InovadoraA flexibilidade do Protocolo HART evidente no diagrama de controle da Figura 40. Essa aplicao inovadora usa a capacidade inerente ao Protocolo HART de transmitir tanto sinais 4-20mA analgicos como sinais digitais de comunicao simultaneamente pela mesma fiao. Nessa aplicao, o transmissor HART tem um algoritmo interno de controle PID. O instrumento configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja proporcional sada de controle PID, executado no instrumento (e no varivel medida, como por exemplo, a presso, como na maioria das aplicaes de instrumentos de campo). Uma vez que o loop de corrente controlado pela sada de controle do PID, este utilizado para alimentar diretamente o posicionador da vlvula de controle.

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A malha de controle executada inteiramente no campo, entre o transmissor (com PID) e a vlvula. A ao de controle contnua como no sistema tradicional; o sinal analgico de 420mA comanda a vlvula. Atravs da comunicao digital HART o operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a varivel primria ou a sada para o posicionador da vlvula. Uma economia substancial pode ser obtida atravs dessa inovadora arquitetura de controle.

Figura 40 - Exemplo de Aplicao Inovadora

Melhor SoluoO Protocolo HART permite aos seus usurios o melhor caminho de migrao para usufruir os benefcios da comunicao digital para a instrumentao inteligente. Nenhuma outra tecnologia de comunicao pode igualar a estrutura de suporte ou a grande variedade de instrumentos disponveis com tecnologia HART hoje. A tecnologia permite o uso fcil dos produtos compatveis com HART que esto disponveis no mercado pela maioria dos fornecedores de instrumentao e que atendem virtualmente todas as medies de processo ou aplicaes de controle. O surgimento do fieldbus no reduzir o HART em novas aplicaes ou nas existentes. O HART possibilita aos seus usurios grande parte dos mesmos benefcios, ao mesmo tempo em que mantm a compatibilidade e a familiaridade com os sistemas existentes de 4-20 mA. O HART permite os benefcios econmicos da comunicao remota, a flexibilidade e a preciso da comunicao de dados digital, o diagnstico dos instrumentos de campo e o uso de poderosos instrumentos com mltiplas variveis, sem que haja a necessidade de trocar sistemas inteiros. A conexo com redes de plantas atuais e futuras assegurada pela capacidade de comunicao digital e a larga base instalada (mais de 5.000.000 de instalaes e crescendo rapidamente). O suporte oferecido pela HART Communicat