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Universidade do Minho Escola de Engenharia Tiago André Vieira Gonçalves PROJECTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA APLICAÇÃO DE PEQUENA REDE INDUSTRIAL PARA CONTROLO DE ETAR Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação de: Professora Doutora Filomena Soares Engenheiro Paulo Mariano Guedes Junho 2009

Tiago André Vieira Gonçalves - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/33030.pdf · iii Resumo A evolução da indústria provocada pelo aumento da competitividade,

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Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Tiago André Vieira Gonçalves

PROJECTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA APLICAÇÃO DE PEQUENA REDE INDUSTRIAL PARA CONTROLO DE ETAR

Dissertação de Mestrado

Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Trabalho efectuado sob a orientação de:

Professora Doutora Filomena Soares

Engenheiro Paulo Mariano Guedes

Junho 2009

 

 

 

 

 

iii 

 

Resumo

A evolução da indústria provocada pelo aumento da competitividade, da exigência

na qualidade e na quantidade, obrigou a que os sistemas autónomos evoluíssem de

forma a aumentar a rentabilidade das linhas de produção. Para tal, eram necessárias

fórmulas de cálculo numérico mais complexas, obrigando a utilização de mais

computadores ou autómatos com capacidade de cálculo superior mantendo a precisão e

controlo na produção.

Com isto, e atendendo a necessidade de interligar as diferentes áreas de

produção foram criadas redes de comunicação industriais que possibilitassem a

partilhada de informação entre os autómatos de cada área.

Na sequência de todas as exigências da indústria, aparecerem soluções de

diversos fabricantes e para diferentes aplicações.

Nesta dissertação são abordados alguns tipos de redes industriais, com a

aplicação prática de uma rede industrial para controlo de uma estação de tratamento de

água residual.

Na sequência da pesquisa de soluções e alternativas possíveis para a

implementação do sistema, surgiram uma infinidade de produtos, tecnologias e

protocolos.

Esta dissertação começa por abordar algumas das alternativas para a

implementação de um sistema deste tipo, referenciando especificações, tipos de

aplicação, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens de produtos e

tecnologias existentes no mercado. É dado a conhecer o cenário actual das redes de

comunicação industriais referindo a sua aplicabilidade prática.

Posteriormente é apresentado o trabalho prático, descrevendo as tecnologias, o

equipamento utilizado e o processo a controlar.

Por fim são apresentadas conclusões, referindo as vantagens e a relevância deste

tipo de sistemas na indústria, e sugestões para evolução futura deste trabalho.

 

iv 

 

Abstract  

The evolution of the industry caused by the increasing competition and

quality and quantity demand, led to the evolution of the autonomous systems in

order to increase the profitability of production lines. To make these reality

possible, more complex numerical formulas were necessary, requiring the use of

more computers or automata capable of maintaining higher calculation capacity

and production control.

Given this, and adding the need to interconnect the different production

areas, industrial communication networks were established in order to enable

information sharing between automata in each area.

All these industry demands led to the increasing appearance of several

different solutions.

In this thesis some theoretical types of industrial networks are studied and

a practical application of an industrial network for control of a waste water

treatment station is shown.

The search for solutions and possible ways for the implementation of the

system led to a vast variety of products, technologies and protocols.

This thesis begins to address some implementation alternatives for the

mentioned system, referencing specifications, types of applications, operating

principles, market advantages and disadvantages of products and technologies.

It is shown the current scenario of industrial communication networks with

reference to their practical applicability.

Then a practical application is exposed, describing the technology and

equipment used and the monitored process.

Finally conclusions are presented, indicating the advantages and

importance of such systems for industry. Some suggestions for future

development of this work are also explained.

 

 

Agradecimentos

O autor deseja manifestar o seu mais sincero agradecimento à instituição e a

todas as pessoas que, com a sua valiosa colaboração, contribuíram para que a

realização deste trabalho fosse possível.

A minha família que para além de todo o apoio que me deu, permitiu-me a

realização deste objectivo, dando-me todas as condições necessárias para que tudo isto

fosse possível.

A Professora Doutora Filomena Soares, tenho a agradecer a oportunidade

concebida para realização desta dissertação.

Ao Professor Doutor José Cabral tenho a agradecer a orientação científica e as

sugestões ao longo da realização deste trabalho e do meu percurso académico.

Ao Eng. Paulo Guedes pela oportunidade e pela confiança que depositou em

mim para a realização deste e de outros trabalhos.

A Scheneider Electric pela disponibilidade em esclarecer e ajudar em diversos

assuntos técnicos.

A todos os meus colegas que me acompanharam no meu percurso académico,

que pela amizade, pela companhia durante as horas de trabalho e lazer passadas na

universidade. 

 

 

 

vi 

 

 

vii 

 

Índice  

Resumo .............................................................................................................................................. iii

Abstract .............................................................................................................................................. iv

Índice ................................................................................................................................................. vii

Índice de Figuras ................................................................................................................................ ix

Índice de Tabelas ............................................................................................................................. xiii

Lista de Acrónimos ........................................................................................................................... xiv

1 - Introdução ................................................................................................................................... 17

1.1 – Enquadramento ................................................................................................................... 17

1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais .................................................................... 18

1.3 – Objectivos ............................................................................................................................ 19

1.3 – Redes de Comunicação Industrial ...................................................................................... 20

1.4 – Estrutura da dissertação ..................................................................................................... 21

2 – Fundamentos Teóricos ............................................................................................................... 23

2.1 – Autómatos ........................................................................................................................... 23

2.1.1 – Evolução histórica ........................................................................................................ 23

2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos ......................................................................................... 24

2.1.3 – Classificação dos autómatos ....................................................................................... 34

2.1.4 – Vantagens dos autómatos ............................................................................................ 35

2.1.5 – Linguagens de programação ....................................................................................... 35

2.2 – Redes industriais ................................................................................................................. 36

2.2.1– Níveis de uma rede Industrial........................................................................................ 37

2.2.2 – Topologias de rede ....................................................................................................... 39

2.2.3 – Normas de comunicação .............................................................................................. 41

2.2.3 – Fibra Óptica .................................................................................................................. 44

2.2.5 – Modbus ......................................................................................................................... 55

2.2.6 – Profibus DP .................................................................................................................. 63

 

viii 

 

2.2.7 – Controller Area Network (CAN) .................................................................................... 72

3 – Aplicação prática ........................................................................................................................ 85

3.1 – Organização e Funcionamento ........................................................................................... 85

3.1.1 – Casa de Comando ....................................................................................................... 88

3.1.2 – Estações Elevatórias .................................................................................................... 91

3.1.3 – Casa das Lamas .......................................................................................................... 94

3.2 – Arquitectura da rede ............................................................................................................ 96

3.3 – Equipamentos Utilizados ..................................................................................................... 97

3.3.1 – Equipamento de Campo ............................................................................................... 97

3.3.2 – Equipamento de Comando ......................................................................................... 108

3.4 – Programação ..................................................................................................................... 110

3.4.1 – Programação da comunicação entre autómatos ....................................................... 110

3.4.2 – Controlo dos equipamentos básicos da ETAR .......................................................... 119

3.4.3 – Controlo das Estações Elevatórias ............................................................................ 122

3.4.4 – Controlo da casa das lamas ....................................................................................... 126

3.4.5 – Programação da consola ........................................................................................... 127

3.5 – Parâmetros e configuração ............................................................................................... 128

3.5.1 – Funções da Consola .................................................................................................. 130

4 – Conclusão................................................................................................................................. 135

Bibliografia ...................................................................................................................................... 139

Anexos ............................................................................................................................................ 141

 

 

ix 

 

Índice de Figuras

Figura 1 – Estrutura de um autómato programável .................................................................... 25

Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353 ........... 26

Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável ........................ 27

Figura 4 – Diagrama de funcionamento de autómato programável em modo periódico ............ 28

Figura 5- Organização da memória de um autómato programável ............................................ 30

Figura 6– Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente ...................................... 33

Figura 7 – Autómato compacto Telemecanique Twido com alimentação 230V AC ................... 34

Figura 8– Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC .................................... 35

Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação ...................... 36

Figura 10 – Pirâmide CIM ........................................................................................................... 37

Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento ......................................................................... 39

Figura 12– Topologia de Rede em Estrela ................................................................................. 39

Figura 13 – Topologia de Rede em Anel .................................................................................... 40

Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485 ............................ 41

Figura 15 – Exemplo de aplicação para gestão energética usando a norma RS485 ................. 43

Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica ........................................................... 44

Figura 17 – Fibra óptica monomodo e multimodo ....................................................................... 44

Figura 18 – Conectores para fibra óptica .................................................................................... 45

Figura 19 – Exemplo de Switch’s com Ethernet e Fibra óptica .................................................. 46

Figura 20 – Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida. .......................................................... 48

Figura 21 – Tempo de transição no AS-i. ................................................................................... 50

Figura 22 – Estrutura de uma trama AS-I ................................................................................... 50

Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I ...................................................................................... 55

Figura 24 – Arquitectura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus ........................ 56

Figura 25 – Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI ................................................... 58

Figura 26 – Trama de transmissão Modbus ASCII ..................................................................... 59

 

 

Figura 27 – Trama de transmissão Modbus RTU ....................................................................... 59

Figura 28 – Formato da trama enviada pelo “mestre”................................................................. 60

Figura 29 – Formato da trama enviada pelo “mestre”................................................................. 60

Figura 30 – Formato da trama Modbus TCP/IP .......................................................................... 61

Figura 31 – Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus ............................................. 63

Figura 32 – Aproximação do Profibus a pilha OSI ...................................................................... 65

Figura 33 – Exemplo de uma rede Profibus DP .......................................................................... 66

Figura 34 – Formato das tramas profibus ................................................................................... 70

Figura 35 – Exemplo de aplicação dos ficheiros GDS ................................................................ 71

Figura 36 – Exemplo de Rede Profibus ...................................................................................... 71

Figura 37 – Tipos de conectores Profibus .................................................................................. 73

Figura 38 – Aproximação do CAN a pilha OSI ............................................................................ 74

Figura 39 – Formato de uma trama CAN .................................................................................... 76

Figura 40 – Exemplo de uma aplicação usando o protocolo CAN ............................................. 78

Figura 41– Exemplo de uma aplicação usando Ethernet ........................................................... 83

Figura 42– Organização da Etar ................................................................................................. 87

Figura 43 – Casa de Comando ................................................................................................... 89

Figura 44 – Quadro Eléctrico QGBT ........................................................................................... 89

Figura 45 – Quadro Eléctrico QP03 ............................................................................................ 91

Figura 46 – Casa das Lamas ...................................................................................................... 94

Figura 47 – Quadro Eléctrico QP02 ............................................................................................ 95

Figura 48 – Arquitectura de Rede ............................................................................................... 97

Figura 49 – Grade Mecânica ....................................................................................................... 98

Figura 50 – Circuito de Comando ............................................................................................... 99

Figura 51 – Ponte raspadora ....................................................................................................... 99

Figura 52 – Arejador .................................................................................................................. 100

Figura 53 – Válvulas modulantes .............................................................................................. 101

Figura 54 – Válvulas Pneumáticas ............................................................................................ 101

Figura 55 – Sensor de caudal ultrasonico ................................................................................. 103

Figura 56 – Sensor de Caudal Electromagnético ..................................................................... 103

 

xi 

 

Figura 57 – Controladores dos sensores de Oxigénio .............................................................. 104

Figura 58 – Poço de Bombagem............................................................................................... 105

Figura 59 – Prensa de Lamas ................................................................................................... 105

Figura 60 – Tapete transportador .............................................................................................. 106

Figura 61 – Estação de Dosagem ............................................................................................. 107

Figura 62 – Sensor do manto de lamas .................................................................................... 107

Figura 63 – Autómato Twido TWDLCAE40DRF ....................................................................... 108

Figura 64 – Consola Telemecanique XBTN200 ........................................................................ 109

Figura 65 – Janela do Twidosoft para configuração do endereço IP do PLC .......................... 110

Figura 66 – Janela do Twidosoft para configuração dos “escravos” ........................................ 111

Figura 67 – Janela do Twidosoft com o resumo de configuração da rede ............................... 111

Figura 68 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 1 ............. 114

Figura 69 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 2 ............. 115

Figura 70 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 1 ............ 116

Figura 71 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 2 ............ 117

Figura 72 – Grafcet do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” ................... 118

Figura 73 – Ladder do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” .................... 119

Figura 74 – Modelo de um temporizado de funcionamento dos equipamentos ....................... 120

Figura 75 – Modelo de um temporizador de paragem dos equipamentos ............................... 120

Figura 76 – Ladder do controlo de funcionamento da grade mecânica.................................... 121

Figura 77 – Ladder do controlo do tempo de funcionamento da grade mecânica ................... 121

Figura 78 – Atribuição dos valores seleccionados na consola aos temporizadores ................ 121

Figura 79 – Representação do equipamento que constitui uma Estação Elevatória ............... 122

Figura 80 – Grafcet do funcionamento de uma Estação Elevatória ......................................... 124

Figura 81 – Ladder do funcionamento da Estação Elevatória de águas limpas ....................... 126

Figura 82 – Temporizador responsável pelo tempo de ciclo da casa das Lamas .................... 126

Figura 83 – Configuração da Consola ...................................................................................... 127

Figura 84 – Página de configuração da consola como “mestre” .............................................. 127

Figura 85 – Configuração da primeira página da consola ........................................................ 128

Figura 86 – Página inicial da consola ....................................................................................... 130

 

xii 

 

Figura 87 – Página de visualização do estado dos sensores de caudal 1 e 2 ......................... 130

Figura 88 – Página de visualização do estado do sensor de caudal 3 ..................................... 131

Figura 89 – Página de visualização do estado dos sensores de oxigenio ............................... 131

Figura 90 – Pagina inicial da consola ....................................................................................... 132

Figura 91 – Página para selecção do equipamento a configurar ............................................. 132

Figura 92 – Pagina que permite a configuração válvula VM2 .................................................. 133

Figura 93 – Menu de configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos ........... 133

Figura 94 – Página de configuração do tempo de funcionamento de um equipamento .......... 134

 

 

 

 

xiii 

 

Índice de Tabelas Tabela 1 – Mensagens AS-I [7]. ....................................................................................................... 52

Tabela 2 – Configurações de I/O, [7]. .............................................................................................. 53

Tabela 3 – Funções Modbus ............................................................................................................ 61

Tabela 4 – Comprimento do cabo em função da velocidade de transmissão ................................. 64

Tabela 5 – Tabela de serviços do profibus DP ................................................................................ 68

Tabela 6 – Serviços do PROFIBUS (nível 2). .................................................................................. 69

Tabela 7 – Relação entre velocidade e comprimento do cabo ........................................................ 73

Tabela 8 – Relação entre velocidade e tipo de cabo ....................................................................... 80

Tabela 9 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 1 .......... 112

Tabela 10 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 2 ........ 112

Tabela 11 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 1 ......... 113

Tabela 12 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 2 ......... 113

 

xiv 

 

Lista de Acrónimos

ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais

PLC’s – Programmable Logic Controllers

GSM – Global System for Mobile Communications

CPU – Unidade central de processamento

ROM – Read Only Memory

EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory

EEPROM – Electrical Erasable Programmable Read Only Memory

RAM – Random Access Memory

ROM – Read Only Memory

CIM – Computer Integrated Manufacturing

PC’s – Personal Computers

LAN – local area network

WAN – Wide Area Network

DTE – Data Terminal Equipment

DTC – Data Communications Equipment

LC – Lucent Connector

ST – Straight Tip

SC – Simplex Connector

MT-RJ – Mechanical Transfer Registered Jack

ATO – AS-i Trade Organization

CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

HDLC – High Level Data Link Control

OSI – Open Systems Interconnection

CRC – Cyclic redundancy check

LRC – Longitudinal Redundancy Checking

 

xv 

 

RTU – Remote Terminal Unit

ASCII – American Standard Code for Information Interchange

ADU – Application Data Unit

PDU – Protocol Data Unit

MBAP Header – Modbus Application Protocol Header

FDL – Fieldbus Data Link

FMA – Fieldbus Management

SDN – Send Data with no acknowledge

SRD – Send and Request Data with reply

SAP – Service Aces Points

GDS – Generic Data Slave

CiA – CAN in Automation

DLC – Data Length Code

HTML – HyperText Markup Language

DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol

FTP – File Transfer Protocol

NTP – Network Time Protocol

SMTP – Simple Mail Transfer Protocol

SNMP – Simple Network Management Protocol

COM/DCOM – Distributed Component Object Model

FDR – Faulty Device Replacement

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

16 

 

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

17 

 

Capítulo 1

1 - Introdução

Neste capítulo, é apresentado o tema da dissertação, enumerando a motivação

e enquadramento do trabalho. É feita uma introdução técnica, abordando o estado da

arte, no sentido de referir soluções e alternativas para a aplicação prática em causa.

1.1 – Enquadramento O tema desta dissertação nasce por motivos profissionais, e consiste no

primeiro trabalho proposto pela Empresa Ovava, Engenharia, Lda. Esta empresa

dedica-se à concepção, fabrico e/ou Instalação de Equipamentos Electromecânicos

associados à área do Ambiente, devidamente habilitada com o Alvará INCI nº 53662.

Fundada em 1996, a Ovava, Engenharia, Lda possui um quadro técnico

qualificado nas áreas das engenharias química, electrotécnica e ambiental, com

experiência comprovada, capaz de implementar soluções-tipo, bem como de

desenvolver soluções que respondam às necessidades específicas dos seus clientes.

As áreas de intervenção no mercado são a concepção de Estações de

Tratamento de Água (ETA’s), Estações de Tratamento de Águas Residuais (Etar’s)

domésticas e industriais, estações elevatórias, abastecimentos de água e

saneamentos.

Este trabalho, como em qualquer sistema automático, é constituído por duas

partes: a parte operativa ou de potência, e a de comando.

A parte de potência é a parte a automatizar através da parte de comando, ou

seja, consiste no conjunto de actuadores e sensores que servirão para estabelecer a

ligação à parte de comando. Os sensores (interruptores de nível, medidores de nível

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

18 

 

ultra-sónicos, medidores de caudal, medidores de PH) fornecerão os perfis de

variação da propriedade a medir para que a parte de comando active ou desactive os

respectivos actuadores (Relés, Arrancadores Suaves, ou Contactores para comando

de bombas ou válvulas).

1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais

As Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), tem como objectivo

tratar as águas residuais de origem doméstica e/ou industrial, para posteriormente

serem devolvidas ao meio ambiente, encaminhando-as para o mar ou rio com um nível

de poluição aceitável. Numa ETAR as águas residuais passam por vários processos

de tratamento com a finalidade de separar ou diminuir a quantidade da matéria

poluente da água.

De modo geral existem quatro tipos de tratamentos de um efluente. Porém a

necessidade de os utilizar é dependente do tipo e processo de produção das águas a

tratar.

No tratamento preliminar, constituído por processos físico-químicos, é feita a

remoção dos flutuantes através da utilização de grelhas e de crivos grossos, e a

separação da água residual das areias a partir da utilização de canais de areia.

O tratamento primário é também constituído por processos físico-químicos.

Nesta etapa procede-se ao pré-arejamento, equalização do caudal, neutralização da

carga do efluente a partir de um tanque de equalização e, seguidamente, procede-se à

separação de partículas líquidas ou sólidas através de processos de floculação e

sedimentação, utilizando um sedimentador. As lamas resultantes deste tratamento são

sujeitas a um processo de digestão anaeróbio num digestor anaeróbio ou tanque

séptico.

O tratamento secundário é constituído por processos biológicos seguidos de

processos físico-químicos.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

19 

 

No processo biológico podem ser utilizados dois tipos diferentes de tratamento:

- aeróbios, onde se podem utilizar, dependendo da característica do efluente,

tanque de lamas activadas (o ar é insuflado com um arejador de superfície),

lagoas arejadas com macrófitos (microalgas), leitos percoladores ou biodiscos;

- anaeróbio, podem ser utilizadas as lagoas ou digestores anaeróbios.

O processo físico-químico é constituído por um ou mais sedimentadores

secundários. Nesta etapa é feita a sedimentação dos flocos biológicos, saindo o

líquido, depois deste tratamento, isento de sólidos ou flocos biológicos. As lamas

resultantes deste tratamento são secas em leitos de secagem, sacos filtrantes ou

filtros de prensa.

O tratamento terciário é também constituído por processos físico-químicos.

Nesta fase procede-se à remoção de microrganismos patogénicos através da

utilização de lagoas de maturação e nitrificação. Finalmente, a água resultante é

sujeita a desinfecção através da adsorção (com a utilização de carvão activado), e, se

necessário, tratamento com cloro e ozono.

1.3 – Objectivos O objectivo principal deste trabalho é fazer com que o sistema de controlo e

comando implementado garanta que a ETAR de forma autónoma, trate as águas

residuais de forma eficiente permitindo que a mesma possa ser escoada no rio

respeitando todas as obrigatoriedades legais.

Esta obra, surge por concurso público, ganho pela Ovava, Engenharia, Lda.

Os projectos de execução entregues previam alguns materiais tecnologicamente

ultrapassados e comercialmente descontinuados, obrigando a uma adaptação a

ferramentas e materiais mais modernos.

Apesar de no projecto já estar previsto uma rede de comunicação industrial,

visto que o sistema a automatizar era constituído por três áreas diferentes e

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

20 

 

separadas fisicamente por uma distância considerável, foi necessário adaptar o

projecto existente a tecnologias mais modernas e capazes de permitir a comunicação

entre os autómatos, visto que a inicialmente projectada estava obsoleta. Desta

forma, é possível garantir a recolha dos sinais de cada área distinta, processá-los e

enviar os dados necessários ao autómato “mestre”.

Atendendo à necessidade de seleccionar novos equipamentos, este trabalho

conduziu à realização de um estudo de todas as tecnologias e equipamentos actuais

de forma a seleccionar os mais convenientes a esta aplicação.

 

1.3 – Redes de Comunicação Industrial

No sentido de responder as exigências cada vez maiores dos níveis de

automação por parte das empresas, foram desenvolvidas várias soluções de redes de

comunicação industrial com o objectivo de reduzir o número de cabos condutores e de

integrar a informação das linhas de produção com os níveis superiores de gestão e

supervisão.

Atendendo a estas exigências, houve uma explosão de diferentes soluções de

diversos fabricantes que resolveram muitos problemas.

Actualmente, a variedade de equipamentos, de tecnologias, protocolos e tipos

de comunicação é tão elevado que na fase de projecto, se torna difícil escolher a

tecnologia a usar.

Este é um problema não só para os níveis mais baixos, de sensores e

actuadores, como para os níveis de controlo e gestão, onde é necessária a

interligação de autómatos com os diversos tipos de software de supervisão e gestão.

Existem variadas soluções para a interligação de sensores e actuadores num

só cabo condutor, como o CAN ou AS-I, no entanto as diferentes tecnologias não são

compatíveis entre elas e nem sempre existem soluções de sensores ou actuadores

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

21 

 

compatíveis para uma determinada tecnologia. O mesmo acontece nos níveis

superiores, de controlo e gestão, onde temos diversas soluções como o Modbus

TCP/IP ou o Profinet.

Como resultado da pesquisa necessária para a implementação deste trabalho,

são apresentadas ao longo da dissertação, algumas das diferentes tecnologias de

redes de comunicação industrial que ajudam a perceber quais as diferenças entre as

principais tecnologias, as suas aplicações e limitações.

 

 

1.4 – Estrutura da dissertação

A dissertação está estruturada para que o leitor se vá familiarizando e

percebendo os conceitos teóricos necessários para entender o trabalho prático.

Com isto a dissertação esta divida em 6 capítulos, onde no primeiro é

efectuado o enquadramento do trabalho, são definidos objectivos apresentados, o

estado de arte e é definida a estrutura da dissertação.

O segundo capítulo aborda os princípios teóricos da automação, indicando o

princípio de funcionamento dos autómatos, a diferenciação entre eles, o tipo de

entradas e saídas e os seus periféricos.

Posteriormente, faz-se uma introdução às redes de comunicações industriais e

de seguida referem-se alguns tipos de normas e redes mais utilizados, efectuando-se

uma breve descrição de cada uma delas.

No terceiro capítulo descreve-se o princípio de funcionamento do sistema

usado para aplicação prática, indicando-se os materiais utilizados, nomeadamente os

autómatos seleccionados, os tipos de sensores e actuadores, a arquitectura de rede.

Este capítulo termina com a apresentação de alguns pormenores da implementação

do sistema.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

22 

 

O quarto capítulo, conclui a dissertação onde são feitos os comentários aos

resultados finais, descrevendo-se o que poderia ter sido feito de melhor e o trabalho

futuro.

Por último, são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas para a

realização da dissertação.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

23 

 

Capítulo 2

2 – Fundamentos Teóricos  

Este capítulo está dividido em duas partes. Na primeira é feita referência ao

autómato, explicando o seu funcionamento, a sua evolução histórica e as suas

aplicações e, na segunda, é abordado o tema: “Redes de comunicação industriais”,

fazendo referência a algumas das redes mais utilizadas, explicando o meio físico

utilizado, o modelo de comunicação, e um exemplo de aplicação de cada uma delas.

 

2.1 – Autómatos  

Neste subcapítulo é feita uma breve descrição da evolução dos autómatos,

abordando o seu princípio de funcionamento, exemplificando as suas aplicações e

referindo alguns acessórios e periféricos.

 

2.1.1 – Evolução histórica

Na década de 60, a necessidade de reduzir os custos com a frequente

mudança nos sistemas de controlo industrial, incentivou o desenvolvimento de

equipamentos mais flexíveis e capazes de diminuir os tempos de produção.

No final da década de 60 surgem os primeiros autómatos programáveis ou

também conhecidos por PLC’s (“Programmable Logic Controllers”) que logo

começaram a demonstrar grandes vantagens em relação aos sistemas compostos por

relés que necessitavam de mais espaço, eram menos fiáveis e tinham pouca ou

nenhuma flexibilidade, não permitindo a alteração dos sistemas de controlo industrial

de forma rápida e eficiente.

Os primeiros autómatos eram constituídos por processadores cablados,

baseados em circuitos integrados e memórias de ferrite.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

24 

 

Em meados da década de 70 começam a ser utilizados microprocessadores

nos autómatos programáveis, permitindo incorporar elementos de interface Homem -

Maquina, processamento de dados, realização de operações aritméticas e a

comunicação com o computador [1],[2].

Ainda no fim da década de 70 aumentam a capacidade de memória, as

entradas e saídas remotas, entradas e saídas analógicas e numéricas e a

comunicação com periféricos, obrigando desta forma a que as linguagens de

programação também evoluíssem.

Na década de 80, com a evolução dos microprocessadores foi possível

aumentar substancialmente a velocidade no tratamento de informação, introduzindo-se

assim o controlo em tempo real. Esta evolução permitiu também a redução das

dimensões dos autómatos, bem como o aumento do número de entradas e saídas. A

par da evolução do hardware, vão evoluindo também as linguagens de programação

para linguagens de alto nível, facilitando cada vez mais a programação dos autómatos.

Na década de 90, aperfeiçoou-se a interface com o utilizador, desaparecendo

as dispendiosas consolas de programação e surgindo ferramentas de programação

para PC, inicialmente em DOS e posteriormente em Windows, com interfaces mais

amigáveis de programação. Surgiram ainda novas interfaces de comunicação entre

autómatos, nas quais falarei mais a frente.

Actualmente, assiste-se a uma explosão das comunicações globais com a

normalização dos protocolos. As vantagens desta evolução são evidentes, pois

permitem o controlo e a monitorização remota de sistemas de controlo industrial,

possibilitando a alteração remota dos parâmetros de um processo industrial, o envio

de notificações, e a comunicação entre autómatos via GSM (Global System for Mobile

Communications) [1],[2].

2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos

Os Autómatos programáveis são basicamente constituídos pelos seguintes

elementos (Figura 1):

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

25 

 

• Unidade Central de processamento

• Memória

• Entradas e saídas

• Interface de comunicação

  • Alimentação

Figura 1 – Estrutura de um autómato programável

 

 

Os parágrafos seguintes descrevem cada um dos elementos enumerados anteriormente.

2.1.2.1 – Unidade Central de Processamento (CPU)

A unidade central de processamento ou microprocessador é o “cérebro” do

autómato. É responsável pela aquisição dos valores das entradas presentes na

memória, realiza todas as operações (lógicas, aritméticas e de controlo), consoante as

instruções que constituem o programa, e actualiza na memória as saídas. Para além

disto, tem ainda de gerir os periféricos e diagnosticar os defeitos que possam ocorrer

internamente.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

26 

 

Normalmente, tudo isto é feito de forma cíclica porque o tratamento de

informação é feito sequencialmente.

Existem alguns elementos susceptíveis de alterar a estrutura de ciclo, que é o

caso da política de aquisição de dados, a utilização de instruções de salto e a presença

de cálculos numéricos. A utilização de funções ou instruções deste tipo faz com que a

estrutura do ciclo seja alterada consoante as necessidades do programa [1],[2].

Atendendo a esta forma de funcionamento, existe um factor que permite

classificar o desempenho do processador e é definido como o tempo de exploração e

consiste no tempo (em milissegundos) que este leva a processar mil instruções ms/k.

Actualmente, existem autómatos constituídos por mais do que um processador

tendo, para além do processador central, processadores dedicados aos interfaces de

comunicação, ao cálculo, às entradas e saídas e a outras funções específicas (Figura

2).

Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353

O funcionamento dos autómatos pode ser de 2 formas:

- Cíclico

- Periódico

A configuração do modo de funcionamento é efectuada através do software fornecido pelos fabricantes.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

27 

 

No modo de funcionamento cíclico, o ciclo do autómato é composto por 4 fases:

• Os processos internos (ex: gestão da temporização, comunicação),

• Actualização das entradas,

• O processamento do programa,

• A actualização das saídas.

Depois de efectuada a actualização das saídas (quarta fase da tarefa do ciclo),

o sistema executa um determinado número de tarefas próprias e inicia imediatamente

outra tarefa de ciclo.

Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável

O ciclo do autómato é controlado por um watchdog que permite garantir a

actualização das saídas num período de tempo máximo.

O watchdog consiste num método de verificar a ocorrência de erros num

determinado programa a funcionar num determinado microcontrolador ou

microprocessador. Neste caso, o funcionamento do watchdog consiste em verificar o

tempo que o autómato demora a executar um ciclo.

Se o ciclo do autómato atingir o valor do watchdog, o autómato passa a HALT

e requer:

• Um comando INIT (comando necessário para reiniciar o autómato),

• De corrigir a origem do problema

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

28 

 

• E de passar a RUN (O autómato quando está em modo de programação,

está no estado de STOP, depois de feito o download da aplicação do utilizador, o

autómato deve ser colocado no modo RUN) para reiniciar o processamento

De referir que em modo HALT as saídas são forçadas ao seu estado de

salvaguarda por defeito.

No modo de funcionamento periódico, a aquisição das entradas, o

processamento do programa da aplicação e a actualização das saídas são efectuadas

de forma periódica de acordo com um intervalo definido durante a configuração (de 2 a

150 ms).

O controlo em funcionamento periódico é feito por uma palavra e um bit do

sistema. As palavras do sistema dos autómatos, no caso do Twido da Telemecanique,

são representadas por %SW e os bits por %S. A palavra %SW0 contém o valor do

período (0-150 ms) e pode ser configurado através do software. É inicializado sempre

que se carrega uma nova aplicação ou por uma eventual falha de alimentação.

O bit %S19 indica que o período foi ultrapassado. É colocado a 1 pelo sistema

quando a duração do processamento ultrapassa a tempo definido e tem de ser

colocado a 0 pelo utilizador (Figura 4).

Figura 4 – Diagrama de funcionamento do autómato programável em modo periódico

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

29 

 

2.1.2.2 – Memória

Existem dois tipos de memória, volátil e não volátil. A volátil só guarda os seus

dados enquanto alimentada electricamente; a não volátil mesmo com a ausência de

energia preserva os dados nela contidos.

Nos autómatos existem os dois tipos, existe uma memória não volátil onde é

guardado o sistema operativo do autómato e o programa criado pelo utilizador, e a

memória não volátil onde ficam guardados os valores de variáveis e constantes que

são adquiridas pelo funcionamento do programa. Desta forma, na classe das

memórias não voláteis existem as seguintes memórias:

- ROM (Read Only Memory), normalmente é programada pelo fabricante e que

apenas pode ser lida;

- EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), é programável e pode

ser apagada por exposição a radiação ultravioleta;

- EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory), idêntica a

anterior, mas pode ser apagada por impulsos eléctricos;

- FLASH-EPROM, são as mais recentes, de maior capacidade e menor

dimensão.

As memórias voláteis, são memórias do tipo RAM (Random Access Memory)

de acesso rápido, que e permitem a leitura e escrita aleatória.

Com o aparecimento das memórias de maior capacidade e mais económicas

como as SD (Secure Digital), os autómatos ganharam mais capacidade de

processamento e novas funcionalidades com a integração de WebServers capazes de

armazenar e gerir paginas HTML (HyperText Markup Language).

A organização da memória de um autómato programável é feita por áreas

específicas de trabalho como se pode verificar na figura 5.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

30 

 

Figura 5 – Organização da memória de um autómato programável

O sistema operativo fica numa zona não acessível ao utilizador e é

normalmente apresentado em firmware (por exemplo em ROM). A zona de

Entradas/Saídas corresponde a imagem dos pontos de entradas e saídas, para que

seja possível processar os dados logicamente.

O registo de dados é usado pelo CPU para guardar os valores associados a

contadores, temporizadores ou outras variáveis auxiliares.

A memória EEPROM dos autómatos usados permite a salvaguarda interna dos

dados e do programa. Depois de uma perda de memória RAM (bateria descarregada),

o conteúdo da memória EEPROM é reposto na memória RAM sem qualquer

intervenção do utilizador.

Para poder guardar o programa na memória EEPROM é necessário que o

programa em RAM seja validado. Se esta condição for respeitada, a gravação é

executada pelo software fornecido pelo fabricante [1],[2].

2.1.2.3 – Entradas e Saídas  

Existem vários tipos de Entradas/Saídas. Neste subcapítulo é feita uma

descrição de todos os tipos, referenciando as suas diferenças, e aplicações comuns.

 

 

 

Sistema Operativo 

Entradas/Saídas 

Registo de Dados 

Programa do utilizador 

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

31 

 

- Módulos de E/S Digitais (Lógicas)  

Os módulos de entradas digitais permitem que a unidade central de

processamento (CPU) faça a leitura dos sinais externos do tipo lógico ligados ao

módulo. Normalmente caracterizam-se pelo número de pontos de ligação que contém,

sendo normalmente de 4, 8, 16, ou 32 entradas.

Existem autómatos que possibilitam o uso das entradas digitais como

contadores ou contadores rápidos.

Os módulos de saída permitem ao autómato controlar os actuadores. Tais

como os módulos de entrada são classificados pelo número de pontos de ligação, no

entanto também podem ser classificados pelo tipo de saídas. Existem módulos de

saída com reles ou transístores.

Os módulos de saídas a relés para além do elevado isolamento que garantem

entre o actuador e o autómato, permitem controlar circuitos de corrente alternada ou

circuitos de corrente contínua. No entanto, são lentos e a sua bobine pode gerar

correntes induzidas elevadas quando se fecha o seu circuito de comando.

Os módulos de saídas a transístor são mais rápidas do que os módulos de

saídas a relé e, como tal, permitem também o controlo por modulação de impulsos

(PWM – Pulse Width Modulation). No entanto só podem ser usados em circuitos de

comando DC, ou quando envolvidos em circuitos de comando AC, obrigam a utilização

de relés externos para agir com os actuadores.

Este tipo de módulos é o mais utilizado no ambiente industrial, sendo

normalmente usados para recolher e actuar em sinais de campo tipo on/off, como fins

de curso, bóias de nível, electro-válvulas, contactores de accionamento de motores,

etc.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

32 

 

- Módulos de E/S Analógicas  

Este tipo de módulos são muito usados no meio industrial e são destinados à

conversão de uma grandeza analógica (corrente ou tensão), num valor de uma

grandeza física, ou vive versa.

Nos módulos de entradas analógicas a conversão faz-se por conversores

analógico-digitais (A/D) com resoluções de 10 a 15 bits.

Na maioria dos casos estes módulos de entrada permitem a recolha de sinais

analógicos em tensão ou corrente. Os valores em tensão são normalmente de 0-10V

ou de (-5) a 5V. Em corrente, são entre 0-20mA ou 4-20mA.

Este tipo de módulos é muito utilizado para recolher valores instantâneos de

caudal, de nível, sensores de oxigénio, pH, entre outros.

As saídas analógicas são em tensão ou corrente e compostas por conversores

digital analógicos (D/A). São normalmente usadas para actuadores com este tipo de

entradas como é comum nos variadores de velocidade ou válvulas motorizadas.

Em alguns autómatos este tipo de entradas/saídas, permite o uso de funções

de controlo PID a partir do software do fabricante.

- Módulos de Contagem  

Este tipo de módulos consiste na detecção de impulsos (com flancos

ascendentes ou descendentes de um sinal lógico) em conjunto com a determinação do

intervalo de tempo decorrido entre impulsos consecutivos. Este tipo de módulos é

normalmente usado para o controlo do número de produtos produzidos numa linha de

montagem e outro tipo de grandezas como frequências, velocidades, distancias, entre

outras.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

33 

 

2.1.2.4 – Módulos de Interface com o Utilizador  

Os módulos de interface com o utilizador evoluíram bastante de forma a

responder às necessidades da indústria. Cada vez mais existe a necessidade de

alterar regularmente os parâmetros dos sistemas de automação e, desta forma,

surgiram consolas de visualização e programação, que permitem a um utilizador

comum alterar parâmetros de funcionamento sem ser necessário a programação de

todo o sistema.

Hoje, existem vários tipos de consolas, desde das mais económicas as mais

evoluídas e caras. Existem consolas numéricas que apenas tem uma área de

visualização de algumas linhas de texto, e permitem a criação de algumas páginas de

texto com menus, para que o utilizador através das teclas existentes na mesma, possa

alterar os valores das variáveis do programa.

Mais recentemente surgiram as consolas gráficas e tácteis, que permitem a

criação de páginas gráficas e animadas, capazes de criar um interface mais amigável

com o utilizador (figura 6).

Figura 6 – Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente

 

 

2.1.2.5 – Fonte de alimentação  

Grande parte dos autómatos de gama baixa dispensa o uso de uma fonte de

alimentação externa, pois são de alimentação de 230V AC, e até tem na maioria dos

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

34 

 

casos uma saída de 24V DC. No entanto, na maioria dos casos, os autómatos das

gamas mais altas exigem a utilização de fontes de alimentação externas.

Independentemente dos casos, sempre que se usam módulos de entradas e

saídas auxiliares, estes normalmente exigem uma alimentação externa de 24V DC,

nomeadamente os módulos de entradas/saídas analógicas.

Os fabricantes disponibilizam normalmente várias fontes de alimentação para o

mesmo equipamento, normalmente diferenciadas pela potência e com valores de

corrente que variam dos 2 aos 10A. O dimensionamento das fontes de alimentação

depende do número de equipamentos a alimentar, nomeadamente do número de

módulos auxiliares que desejamos acrescentar ao modelo base do autómato.

2.1.3 – Classificação dos autómatos

Os autómatos actualmente podem ser classificados por gama baixa ou gama

alta. No entanto quase todos os modelos de autómatos de gama baixa são compactos,

ou seja, são autómatos que integram de raiz o CPU, entradas e saídas e mais do que

uma interface de comunicação (Figura 7). Os autómatos de gamas altas são

autómatos modulares sendo constituídos por módulos, em que é necessário adquirir

todas as partes constituintes do mesmo individualmente (Figura 8). Normalmente,

tanto os compactos como os modulares permitem a adição de módulos de entradas e

saídas.

Figura 7 – Autómato compacto Telemecanique Twido com alimentação 230V AC

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

35 

 

Figura 8 – Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC

 

2.1.4 – Vantagens dos autómatos  

A competitividade de preços em todas as áreas da indústria obriga a que as

empresas cada vez mais se dediquem à redução de custos, tanto em mão-de-obra

como na flexibilização das suas linhas de produção e dos seus processos de fabrico.

Desta forma, o autómato é a melhor solução, visto que é facilmente adaptado a

qualquer circunstância, contém um conjunto de interfaces que permite a ligação de

terminais de comando e, com revolução das telecomunicações, permite o controlo

remoto de aplicações. Outra grande vantagem é a capacidade de expansão. Hoje em

dia facilmente se interligam autómatos em rede, expandido a sua interligação, mesmo

de fabricantes diferentes, numa indústria.

Além de todas estas potencialidades, o preço dos autómatos e dos respectivos

acessórios, está cada vez mais competitivo e, associado à fácil aplicação dos mesmos

na indústria, torna-se um elemento essencial em qualquer aplicação autónoma que

exija inteligência.

2.1.5 – Linguagens de programação  

Actualmente não existe uma linguagem universal para todos os autómatos.

Existem dois tipos de linguagens comuns que diferem ligeiramente de fabricante para

fabricante, em que o conceito é exactamente o mesmo.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

36 

 

Uma consiste num diagrama de contactos (ladder diagram), que é uma

linguagem gráfica derivada da linguagem dos relés, e utiliza um conjunto de símbolos

como os representados na figura seguinte para elaborar o programa.

A outra linguagem comum é a lista de instruções (instruction list), que utiliza um

conjunto instruções simples que permite a execução do programa.

Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação

2.2 – Redes industriais

Nos sistemas industriais actuais existe uma grande tendência para a integração

da comunicação e controlo de diferentes níveis dos processos de fabrico. A introdução

nesses sistemas de arquitecturas de redes industriais pode melhorar a eficiência, a

flexibilidade e a fiabilidade do sistema como um todo, reduzindo o tempo e os custos

de instalação e manutenção.

Existem no mercado uma variadíssima gama de conceitos e siglas que, muitas

vezes, fazem com que os profissionais responsáveis pela implantação desta

tecnologia se sintam retraídos quando da aplicação da mesma.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

37 

 

2.2.1– Níveis de uma rede Industrial  

O suporte de comunicação de um ambiente industrial típico é formado por

diversos níveis hierárquicos, constituindo uma estrutura que envolve, desde as tarefas

administrativas, até o controlo da operação das máquinas e equipamentos de

produção.

A integração e o intercâmbio de informações entre os níveis produtivos,

dependem de recursos de comunicação adequados que devem levar em conta as

diferentes restrições temporais e requisitos associados ao funcionamento das

actividades características de cada um desses níveis.

Desta forma surgiu a pirâmide CIM (Computer Integrated Manufacturing) ilustra

a função dos diferentes níveis hierárquicos [3].

Figura 10 – Pirâmide CIM

2.2.1.1– Nível de Gestão  

No nível mais elevado é centralizada toda a informação dos níveis mais baixos.

Este nível é normalmente dedicado a tarefas de gestão, nomeadamente, controlo de

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

38 

 

stocks, vendas, estatísticas de produção. Os controladores são normalmente

servidores ou estações de trabalho (Personal Computers – PC’s).

Os tipos de rede que se aplicam neste nível são as LAN (local area network) ou

WAN (Wide Area Network).

 

2.2.1.2 – Nível de Controlo  

Neste nível é feita a interligação entre as diferentes zonas de trabalho. Os tipos

de equipamentos que surgem neste nível são autómatos de gama alta, computadores

industriais, controlo de qualidade, etc.

O tipo de rede neste nível também é LAN.

 

2.2.1.3 – Nível de Campo/Processo  

A este nível encontram-se autómatos “mestre”, que controlam um pequeno

número de autómatos “escravos”, integrando assim pequenos automatismos ou

pequenas sub-redes.

Aqui, podem aparecer vários tipos de rede, como por exemplo, Profibus

(Process Field Bus) ou Modbus, que serão abordadas mais adiante.

2.2.1.4 – Nível de Entradas/Saídas  

Este nível é onde se encontram os Actuadores e os Sensores, ou seja, são as

“mãos” e os “olhos” do nível superior.

Aqui podem ser usados alguns tipos de rede, como o AS-I (Actuator Sensor

Interface), CAN (Controller area network), que também são abordados mais a frente.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

39 

 

2.2.2 – Topologias de rede  

As topologias de rede definem o tipo de implantação das cablagens. Existem

várias topologias de rede, sendo as mais comuns em barramento, estrela e anel.

2.2.2.1 – Rede em Barramento

Numa rede em barramento todos os dispositivos estão ligados directamente à

linha por onde circulam os pacotes, pelo que todos os dispositivos da rede vêm os

pacotes. Cada dispositivo de rede tem um endereço único que permite, através da

análise dos pacotes, seleccionar os que lhe são destinados.

Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento

2.2.2.2 – Rede em estrela  

Neste tipo de topologia cada dispositivo é ligado por um cabo independente a

um ponto central que normalmente é um Switch. Nesta topologia os pacotes são

sempre direccionados para o destinatário através do dispositivo central.

Figura 12 – Topologia de Rede em Estrela

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

40 

 

2.2.2.3 – Rede em anel  

A topologia em anel consiste em ligações ponto-a-ponto entre pares de

dispositivos que, no seu conjunto, formam um anel.

Nesta topologia, cada dispositivo tem a sua vez para transmitir ou receber. Só

transmite ou recebe o dispositivo que tem o testemunho (Token). Depois de transmitir

passa o “Token” ao elemento seguinte, segunda uma direcção predefinida.

Os pacotes que circulam na rede, para além dos dados a serem transmitidos,

contem a informação sobre a origem da transmissão e o respectivo destinatário. Ao

receber o pacote, cada dispositivo analisa a informação do destinatário e/ou o retira da

rede ou o passa ao dispositivo seguinte. Graças a este protocolo de acesso ao meio, a

fiabilidade da rede é assegurada, pois cada vez que o pacote é transmitido entre dois

dispositivos o sinal é regenerado.

Figura 13 – Topologia de Rede em Anel

 

2.2.2.3 – Rede em Árvore  

A topologia em árvore é uma mistura da topologia em barramento com a

topologia em estrela, criando uma árvore

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

41 

 

2.2.3 – Normas de comunicação  

Na área de redes industriais as normas de comunicação série são as mais

usadas, nomeadamente as RS232 ou RS485.

Estas normas definem uma série de parâmetros eléctricos e mecânicos que

garantem a ligação viável entre dispositivos de diferentes fabricantes.

As normas de comunicação série estão presentes de raiz na maioria dos

autómatos existentes no mercado e servem de interface para a maioria das redes

industriais existentes.

Ultimamente já existem alguns dispositivos de automação que também têm de

raiz a norma RJ45, possibilitando a integração directa numa rede Ethernet.

Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485

 

Existe uma grande variedade de equipamentos que usam as normas de

comunicação série para se interligar aos autómatos, nomeadamente modems,

consolas de interface com o utilizador ou até mesmo analisadores de energia e

variadores de velocidade. Cada autómato permite normalmente a utilização de duas

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

42 

 

portas série (uma RS232 e uma RS485, ou duas RS232). Na figura 14 está

representado um sistema muito utilizado na área das águas e saneamentos, visto que

existem reservatórios de água ligados entre si com distâncias consideráveis e, onde se

utiliza a comunicação GSM para partilhar informação entre eles, de forma a se

conseguir fazer chegar a água de um reservatório para o outro sempre que seja

necessário. Este tipo de sistema permite também o acesso remoto ao autómato e o

envio de SMS’s com notificações de avaria para o técnico responsável.

 

2.2.3.1 – Norma RS232  

Esta norma apresenta-se em vários tipos de conectores, o DB9, DB25 (quase

extinto), e o MINI DIN-9.

Nos autómatos os mais comuns são o DB9 e o mini-Din9 (DB9 na Siemens e

na OMRON, e o mini-DIN9 na SCHNEIDER).

Esta norma apresenta velocidades de transmissão baixas (19,2kbps) e

distâncias reduzidas (15m).

Existem duas formas de ligar dispositivos RS232, DTE (“Data Terminal

Equipment”) e DTC (“Data Communications Equipment”).

O DTE define os dispositivos do tipo computadores ou impressoras, o DCE

refere-se a equipamentos de comunicações do tipo modems, ou seja, recebe dados de

um dispositivo DTE e retransmite-os para outro dispositivo de dados DCE.

2.2.3.2 – Norma RS485  

Esta norma é das mais versáteis, pois permite criar uma rede de apenas 2

condutores com distâncias até 1200 metros, velocidades de 10Mbps e 32 nós na

mesma linha de comunicação. Com a utilização de repetidores é possível chegar aos

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

43 

 

256 nós na rede. No entanto, quanto maior for a distancia, menor é a velocidade de

transmissão.

O modo de operação desta norma diz-se diferencial porque, dependendo da

diferença de potencial entre os dois fios tem-se o valor lógico 1 ou 0. Para exemplificar

sendo um dos fios o A e o outro B e, sendo o A positivo e o B negativo, temos o nível

lógico 1 e temos o nível lógico 0 quando o B é positivo e o A negativo.

Outra das grandes vantagens é facilidade com que se converte a comunicação

RS232 em RS485.

Existem alguns equipamentos que habitualmente trazem este tipo de norma

para ligação aos autómatos, nomeadamente, analisadores de energia, arrancadores

suaves, variadores de velocidade. Este tipo de comunicação entre os equipamentos

descritos anteriormente e o autómato, são importantes em diversos casos práticos,

nomeadamente em domótica, controlo de equipamentos de força motriz e aplicações

que exijam gestão energética (Figura 15), [5].

Figura 15 – Exemplo de aplicação para gestão energética usando a norma RS485

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

44 

 

2.2.3 – Fibra Óptica

A utilização de fibra óptica está cada vez mais banalizada. A sua aplicação já

não se resume a grandes distâncias ou instalações e também já surge em projectos

de menor dimensão e em aplicações mais específicas.

A fibra óptica apresenta inúmeras vantagens relativamente as linhas de cobre,

tem maior largura de banda, imunidade ao ruído, e permite a implementação de redes

que atinjam distâncias consideráveis.

A sua constituição resume-se basicamente a 3 elementos importantes, sendo o

núcleo, revestimentos da fibra e o encapsulamento externo. A luz é transmitida pelo

núcleo, e o primeiro revestimento tem como objectivo concentrar a reflexão de luz

novamente no núcleo e o encapsulamento externo protege os revestimentos

anteriores contra humidades e contactos mecânicos (Figura 16), [6].

Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica

Existem dois tipos de cabos de fibra óptica:

• Multimodo

• Monomodo

As fibras monomodo possuem um núcleo muito mais fino (8 a 10 microns) do

que as fibras multimodo (62.5 microns), (Figura 17).

Figura 17 – Fibra óptica monomodo e multimodo

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

45 

 

As fibras multimodo são mais baratas, uma vez que o seu núcleo ao ser mais

espesso também tem menor precisão, permitindo uma perda de sinal luminoso muito

maior em relação às monomodo.

As fibras monomodo permitem um maior alcance do que as fibras multimodo,

considerando como exemplo uma aplicação em Gigabit Ethernet, as multimodo podem

atingir um alcance de 550 metros, e as monomodo podem chegar aos 80 km.

Existem vários tipos de conectores que podem diferir dependendo do tipo de

fibra e do tipo de aplicações (Figura 18).

Conector LC Conector ST Conector SC Conector MT-RJ

Figura 18 – Conectores para fibra óptica

O LC (Lucent Connector) é um conector muito pequeno que, como o nome

sugere, foi originalmente desenvolvido pela Lucent.

O ST (Straight Tip) é um conector mais antigo, muito popular para uso com

fibras multimodo, que tem como desvantagem o seu tamanho que é quase duas vezes

maior do que o LC.

O SC (Simplex Connector) era dos mais populares até o aparecimento do

LC. No entanto, apesar da suas simplicidade e eficiência, é muito grande quando

comparado com o LC. Aparece com frequência em redes Gigabit, tanto com cabos

multimodo como monomodo.

O MT-RJ (Mechanical Transfer Registered Jack) é um padrão novo, que utiliza

uma forma em quadrado, com dois orifícios para combinar as duas fibras num único

conector, pouco maior que um conector RJ11.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

46 

 

Para fazer a interligação de uma rede em fibra óptica para uma rede em cobre,

precisamos de um conversor capaz de converter os sinais ópticos em sinais eléctricos.

Transceiver é o nome designado ao equipamento usado nas redes Ethernet

para fazer essa conversão. Este tipo de equipamento disponibiliza uma ou mais portas

de entrada com conectores de fibra óptica e uma ou mais portas de saída em RJ45, ou

vice-versa.

De salientar que neste tipo de redes (Ethernet), enquanto que o cabo de cobre,

necessita de quatro condutores, o cabo de fibra óptica apenas necessita de duas

fibras, uma para enviar e outra para receber. No entanto, o número de fibras depende

sempre do tipo de rede a implementar.

Existem alguns Switchs já com porta RJ45 e Portas SC, como acontece com o

representado na figura seguinte.

Figura 19 – Exemplo de Switch’s com Ethernet e Fibra óptica

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

47 

 

2.2.4 – AS-Interface

O AS-Interface é aplicado à camada mais baixa da pirâmide CIM. É uma das

mais inovadoras soluções de rede ao nível de sensores/actuadores, ou seja, faz a

interligação de todos os sensores e/ou actuadores através de um único cabo de dois

condutores.

2.2.4.1 – Histórico

A AS-International é a organização que apoia o AS-Interface, formou-se em

1991 através de um consórcio de 11 empresas europeias que desenvolveram a

norma. Hoje, esta associação está aberta a qualquer fornecedor ou utilizador desta

tecnologia, abrangendo 100 empresas em todo o mundo e oferecendo mais de 600

produtos e serviços.

No mercado norte-americano, a AS-i Trade Organization (ATO) existe desde

1996. Através da ATO, os seus membros podem submeter produtos AS-Interface para

testes de conformidade e certificação.

Em 1990 criou-se a associação ASI Verein (Alemanha) sendo a Schneider um

dos membros desta associação.

Em 1997 inicia-se o desenvolvimento do A2S-Interface, que permite o dobro

dos dispositivos (“escravos”), estando disponível o “chip” desde 1998.

Esta tecnologia foi desenvolvida como uma alternativa de baixo custo em

relação às redes de cabos convencionais e, após vários anos de utilização em

diversos sectores industriais, provou ser bastante fiável [7].

O objectivo é ligar entre si, sensores e actuadores de diversos fabricantes,

utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

48 

 

O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum, onde se podem

ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip”

“escravo”, através do qual os sensores e actuadores se ligam ao cabo AS-Interface.

2.2.4.2 – Meio físico

O cabo comum é composto por dois fios, tem um perfil que evita a inversão da

polaridade quando conectado a um novo membro, e não tem qualquer blindagem que

o proteja de interferências electromagnéticas. Transporta simultaneamente dados e

alimentação para os elementos da rede.

Este cabo é habitualmente designado como “Yellow flat cable”. Para aplicações

que debitam potência maior, existem versões especiais diferenciadas por cores para

alimentação auxiliar, como o cabo preto (“black flat cable”, fornecendo até 30V) e o

vermelho (“red flat cable”, fornecendo até 230V AC).

A conexão do cabo AS-i é rápida, feita geralmente através de conectores do

tipo “vampiro” que perfuram o isolamento do cabo e estabelecem o contacto com os

condutores. Em caso de modificação da instalação, ao retirar um elemento da rede o

cabo retorna ao seu aspecto original, pois o seu isolamento é “auto-regenerativo”. Na

Figura 20 é apresentado um corte de perfil no cabo AS-i amarelo.

Figura 20 - Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida.

Como o cabo AS-Interface não tem blindagem, a sua imunidade ao ruído é

resolvida com a codificação dos dados digitais num sinal sinusoidal com uma pequena

largura de banda. Existe um filtro que elimina as frequências fora dessa largura de

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

49 

 

banda, o que permite que o AS-Interface possa operar em ambientes com ruído

eléctrico, sem haver erros de transmissão.

A Topologia deste tipo de rede é uma estrutura em árvore.

2.2.4.3 – Modelo de comunicação

O sistema AS-Interface utiliza apenas um “mestre” por rede para controlar a

troca de dados. O “mestre” chama cada “escravo” sequencialmente e aguarda pela

sua resposta.

Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a

necessidade de processos complicados de controlo de transmissão.

Assim, o “mestre” consegue interrogar os 31 “escravos” e actualizar as E/S em

menos de 5ms.

O “mestre” verifica também a tensão na rede e os dados transmitidos.

Reconhece erros de transmissão e falhas dos “escravos” e reporta estes eventos ao

controlador (PLC).

É possível trocar ou adicionar “escravos” durante a operação normal, sem

interferir com a comunicação com os outros nós.

O comprimento máximo de cabo para cada “mestre” é de 100m, sem

repetidores. Com repetidores, pode ir até 300m.

Podem existir dois tipos de “escravos”:

O primeiro é um módulo que permite a ligação de actuadores e sensores

comuns de 24 VDC. O módulo é responsável por integrar sensores comuns de 24

VDC em sistemas AS-I. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas),

para um total de 248 E/S num sistema.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

50 

 

O segundo tipo é o actuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma

destas unidades gera 4 bits de entrada e 4 bits de saída. Cada um destes

equipamentos tem um endereço único na rede.

Como já foi referido anteriormente a troca de dados entre “mestre” e “escravo”

no AS-i consiste sempre num pedido do “mestre”, seguido por uma pausa e uma

posterior resposta do “escravo”, também seguida de uma pausa. A pausa do “mestre”

tem que ser mantida e verificada pelo “escravo” depois de receber um pedido do

“mestre” e apresenta duração de 18 a 60 µs. A pausa entre a resposta do “escravo” e

o próximo pedido do “mestre” é a duração de tempo em que a rede estará livre após o

fim de uma resposta do “escravo”. A especificação do “mestre” determina que a

duração máxima desta pausa seja, de 12 µs em operação normal, assegurando que o

tempo de ciclo será mantido. Levando-se em consideração a taxa de comunicação do

AS-i (167kbit/s) e incluindo todas as pausas necessárias, chega-se a uma taxa liquida

de 53.3kbit/s, gerando uma eficiência na transferência de 32%.

Figura 21 – Tempo de transição no AS-i.

 

A duração desta pausa pode ser alongada até 500 μs desde de que o tempo de

ciclo não exceda os 5 ms. O aumento do tempo de ciclo pode ser feito em sistemas

com menos de 31 “escravos”, de forma que o “mestre” o utilize no processamento

interno das funções de controlo.

As tramas enviadas por “mestres” e “escravos” apresentam tamanhos

diferentes, sendo que a trama do “mestre” contém 14 bits e a do “escravo” 7 bits. A

estrutura destas tramas pode ser vista na Figura seguinte.

Figura 22 – Estrutura de uma trama AS-I

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

51 

 

A descrição dos campos da trama de requisição do “mestre” é feita a seguir:

• ST (Start Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Tem

sempre valor lógico 0.

• SB (Bit de controlo) - Identifica o tipo de comando, 0 para troca de dados,

escrita de valores parâmetro ou atribuição do endereço, e 1 para comandos.

• A0 a A4 - Endereço; Deve conter o endereço do “escravo” a ser requisitado.

• I0 a I4 - Dependendo o tipo da requisição do “mestre”, este campo pode

conter até 5bits de informação.

• PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits “1”, excepto os bits de início e

fim, deve ser par.

• EB (Stop bit) - Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1.

Para o “escravo”, temos:

• ST (Star Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Sempre

valor lógico 0.

• I0 a I4 - Dados; Informação em 4bits, geralmente ligada a valores discretos de

entrada ou saída. Para valores analógicos o valor obtido pelo A/D do “escravo”

será repartido em várias partes e transmitido através de vários ciclos.

• PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits 1 deve ser par, sem

contabilizar o start bit e o stop bit

• EB- Stop bit; Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1.

Existem nove tipos diferentes de mensagens AS-i, duas para dados e

parâmetros, duas para ajustes ou mudança de endereços de “escravos” e cinco para

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

52 

 

identificação de “escravos” ou para verificação do seu estado. Na Tabela 1 estão

listados todos os tipos possíveis e combinação de códigos de requisições do “mestre”.

Tabela 1 – Mensagens AS-I [7].

A descrição das funções apresentadas na tabela é descrita a seguir:

• Data Exchange: É o tipo mais comum de mensagem. Serve para transferir

dados e solicitar valores de entrada de um “escravo”.

• Write parameter: Configura o comportamento do “escravo” através da escrita

em parâmetros internos.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

53 

 

• Assign Address: Permite que o “mestre” atribua um novo endereço a um

“escravo”. Isto é possível porque os “escravos” entram na rede com endereço 0

ou são configurados para este endereço através do comando Delete Operating

Address.

• Reset: Reinicia o “escravo”, colocando-o no seu estado inicial. Este comando

tem o mesmo efeito que um reset forçado que pode ser feito manualmente no

pino de reset do chip AS-i do dispositivo “escravo”.

• Delete Operating Address: Este comando é usado para apagar o endereço

de operação de um “escravo” e é usado em conjunto com o comando

Assign_Address. Após o “escravo” ter reconhecido o comando, ele passa a

operar com o endereço 0.

• Read I/O Configuration: É usada pelo “mestre” para ler a configuração de

I/O de um dispositivo “escravo”. Esta configuração segue um dos padrões

indicados na Tabela 2, onde IN é a entrada de dados do processo, OUT é o

ajuste para saída do dispositivo, I/O é ajustado para ter um comportamento

bidireccional de entrada e saída é, por fim, o TRI significa sem configuração.

Tabela 2 – Configurações de I/O, [7].

• Read ID Code: Serve para ler o código do dispositivo. Este parâmetro é

definido durante a fabricação do componente e não pode ser mais mudado. Ele

define o perfil daquele dispositivo (profile). Estes perfis são definidos na

especificação AS-i.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

54 

 

• Read Status: Lê o buffer de estado de um “escravo”, contendo duas flags,

com a seguinte descrição:

· S0 volatile_address: Indica que o “escravo” está realizar uma rotina

interna para armazenar o endereço permanentemente.

· S3 read_error_non_volatile_memory: Erro de leitura da memória não

volátil durante o procedimento de reset.

• Read and Reset Status: Lê e posteriormente apaga o buffer de estado de um

“escravo”.

Na nova especificação AS-i 2.1 a quantidade de “escravos” participantes na

rede AS-i pode ser duplicada, atingindo até 62 “escravos” sob a coordenação de um

mesmo “mestre”. Isto é possível pelo uso de endereçamento duplo, no qual um

mesmo endereço é dividido em A e B. Por exemplo, o endereço 5 agora precisa de um

identificador a mais para nomeá-lo como 5A ou 5B. Essa técnica é chamada de

Técnica A/B. Isto é possível através da utilização do quarto bit da chamada do

“mestre” (D3), que deve ser reservado e não pode ser usado como um bit de

informação. Desta maneira, os “escravos” que utilizam este tipo de endereçamento

podem processar somente três bits de informação. O tempo de ciclo cresce para 10

ms e deve ser usado um “mestre” que obedeça à especificação 2.1. Uma rede na

especificação 2.0 pode também ser suportada caso um “mestre” que obedeça a

especificação 2.1 seja utilizado. Em relação ao requisito segurança, a nova versão

introduziu o conceito de Safety at Work, com o objectivo de adicionar funcionalidades

relacionadas à segurança pessoal e de equipamentos. Com AS-i Safety Work é

possível conectar componentes de segurança (safe components), tais como chaves de

emergência e barreiras de segurança directamente à rede AS-i, sem a necessidade de

trocas ou expansão do sistema existente (esta função não pode ser desempenhada

pelo “mestre”). O monitor acompanha o tráfego da rede, sem interferir, utilizando-o

para determinar o estado de segurança dos equipamentos. Desta forma, máquinas e

plantas podem ser ajustadas para um estado seguro através das saídas do monitor de

segurança em caso de falha [8].

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

55 

 

2.2.4.4 – Exemplo da topologia

Um exemplo que ilustra a aplicabilidade do AS-i é apresentado na figura 23. O

“mestre” tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações das redes

de nível superior, tal como Modbus, Profibus, entre outros. Pode ser utilizada uma

fonte de alimentação auxiliar de acordo com necessidades de alimentação extra para

módulos de I/O ou outro equipamento específico [7].

Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I

2.2.5 – Modbus  

O Modbus é um dos protocolos mais antigos e mais utilizados em redes de

automação. É um tipo de rede que normalmente aparece no nível de

Campo/Processo, podendo noutras variantes, aparecer nos níveis superiores como é

o caso do Modbus TCP/IP.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

56 

 

2.2.5.1 – História

O protocolo Modbus foi criado em 1979 pela Modicon (hoje Schneider) com o

objectivo de permitir a comunicação entre controladores. A Schneider apoiou o

desenvolvimento de uma organização sem fins lucrativos de utilizadores e

fornecedores chamada Modbus–IDA. A organização tem por objectivo desenvolver o

protocolo modbus, evoluindo a arquitectura de endereçamento para sistemas de

automação distribuídos em diferentes segmentos de mercado, partilhar a informação

relativa aos protocolos e a certificação de dispositivos no sentido de simplificar a sua

aplicação por parte dos utilizadores [7].

2.2.5.2 – Meio físico  

O protocolo Modbus permite uma fácil implementação de comunicações em

vários tipos de arquitecturas de rede. Podem ser utilizados vários meios físicos, tais

como RS232, RS485 e Ethernet (Figura 24).

Figura 24 – Arquitectura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

57 

 

Atendendo aos diferentes meios físicos podemos dividir o protocolo Modbus

em três vertentes:

• MODBUS é usado para comunicação entre PLCs e destes, com os

dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos electrónicos inteligentes

como relés de protecção, controladores de processo, actuadores de válvulas,

transdutores de energia entre. O meio físico é o RS-232 ou RS-485 em

conjunto com o protocolo “mestre”-”escravo”. Esta vertente apenas permite um

único “mestre” e vários “escravos”.

• MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e

autómatos. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e

transmitido através de redes padrão Ethernet com controlo de acesso ao meio

por CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Permite

utilizar vários “mestres” e vários “escravos”.

• MODBUS PLUS (é propriedade da Schneider e não pertence a comunidade

Modbus-Ida) é usado para comunicação de autómatos entre si, módulos de

E/S, arrancadores suaves de motores, interfaces homem máquina, entre

outros. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps,

controlo de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control). Permite

também a utilização de vários ““mestre”s” e vários “escravos”.

A Topologia de rede também difere consoante a vertente, sendo que no

MODBUS PADRÃO e no MODBUS PLUS a topologia usada é em barramento e no

MODBUS TCP/IP a topologia é em estrela [9].

2.2.5.3 – Modelo de Comunicação

A aproximação Modbus ao modelo OSI (Open Systems Interconnection)

aparece ao nível das camadas 1, 2 e 7, respectivamente camada física, ligação e

aplicação:

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

58 

 

• Nível fisico (nível 1): Par entrançado, máximo de 19200 bits/s,

RS232/RS485/Anel de corrente.

• Ligação de dados (nível 2): Acesso à rede por mecanismo tipo

“mestre”/”escravo”. Controlo de erros por CRC16 (Modo RTU). Num método de

acesso tipo “mestre”/”escravo”, a iniciativa do envio de mensagens está

restringida ao “mestre”. Se uma resposta fôr requerida, os “escravos”

respondem à solicitação do “mestre”, ou então limitam-se a executar as acções

pedidas pelo “mestre”. O “mestre” pode dirigir-se individualmente aos

“escravos”, ou difundir mensagens dirigidas a todos os “escravos” (Broadcast),

inserindo nas mensagens o endereço 00.

• Aplicação (nível 7): definiram-se neste nível as funções de leitura e escrita

de variáveis (bits, Words, E/S), diagnóstico e estatísticas de ocorrência da

rede.

Figura 25 – Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI

O protocolo Modbus é baseado num modelo de comunicação “mestre”-

”escravo”, onde um único dispositivo, o “mestre”, pode iniciar transacções

denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (“escravos”) respondem,

disponibilizando os dados requisitados pelo “mestre” ou executando uma acção por ele

comandada. Geralmente o “mestre” é um sistema de supervisão ou um autómato de

gama alta e os “escravos” são autómatos de gama igual ou inferior a do “mestre”.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

59 

 

Quando se utiliza uma comunicação série, o “mestre” e os “escravos”, não podem

alternar de funções, mas noutros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambas as

funções, embora não simultaneamente, ou seja, um “mestre” pode passar a “escravo”

e um “escravo” a “mestre”.

O funcionamento é simples, o “mestre” envia uma ordem e espera uma

resposta. Os “escravos” não podem dialogar simultaneamente e o polling é feito pelo

utilizador.

Existem duas normas para MODBUS:

• RTU (Remote Terminal Unit) (o mais utilizado e com o melhor desempenho):

Caracteres codificados com 8 bits + 1 bit de paridade

• ASCll (American Standard Code for Information Interchange):

Caracteres codificados em 7 bits + 1 bit de paridade

O Formato das tramas é o descrito a seguir:

• Modo ASCII

Start Endereço Função Dados LRC End

1 Carácter

2 Caracteres

2 Caracteres

N Caracteres

2 Caracteres

2 Caracteres

Figura 26 – Trama de transmissão Modbus ASCII

• Modo RTU

Start Endereço Função Dados CRC End Silêncio 2 Bytes 2 Bytes N Bytes 2 Bytes 2 Bytes

Figura 27 – Trama de transmissão Modbus RTU

A ADU (apliccation data unit) é a trama criada pelo “mestre” que inicializa a

comunicação e tem o formato apresentado na figura 28.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

60 

 

O “mestre” pode estabelecer uma comunicação de duas formas:

• Unicast mode: O “mestre” envia uma mensagem para um determinado

“escravos”. Após receber e tratar a mensagem o “escravo” envia uma resposta

para o “mestre”.

• Broadcast mode: O “mestre” envia uma mensagem para todos os “escravos”

(Colocando o Nº do “escravo” = 0). Todos os “escravos” executam a

mensagem mas não é enviada qualquer resposta para o “mestre”.

Os “escravos” podem ter endereços compreendidos entre 1 e 257, não

podendo existir “escravos” com endereços repetidos. O “mestre” não possui endereço.

Nº do “escravo”

Código da Função Informação Controlo C.R.C.

1 Byte 1 Byte N Bytes 2 Bytes

ADU

Figura 28 – Formato da trama enviada pelo “mestre”

A trama de resposta é criada pelo “escravo” que foi solicitado e tem o formato

apresentado na figura 29.

Nº do

“escravo” Código da

Função Informação Controlo C.R.C.

1 Byte 1 Byte N Bytes 2 Bytes

PDU

Figura 29 – Formato da trama enviada pelo “mestre”

A verificação de erros no trama em RTU é feito através do método CRC

(Cyclical Redundancy Checking) e no ASCII é o método LRC (Longitudinal

Redundancy Checking).

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

61 

 

O tamanho da PDU (Protocol Data Unit) representa o código da função e a

respectiva informação relativa a função requisitada pelo “mestre”, tendo um tamanho

máximo de 256 Bytes.

A lista de algumas das funções mais usadas no MODBUS está representada

na tabela 3:

Tabela 3 – Funções Modbus

Nº da Função Descrição 1 ou 2 Leitura de bits (1- Entradas, 2- Saídas) 3 ou 4 Leitura de palavras (3- Entradas, 4- Saídas)

5 Escrita de bits 6 Escrita de palavras 7 Leitura rápida de 8 bits 8 Diagnóstico de trocas

11 Leitura contador de eventos 12 Leitura Buffer Trace 15 Escrita múltipla de bits 16 Escrita múltipla de palavras

O MODBUS TCP/IP foi lançado em 1999, e foi o primeiro protocolo aberto a

utilizar o TCP/IP sobre ethernet.

O protocolo Modbus TCP/IP não é mais do que o protocolo Modbus RTU

encapsulado numa trama TCP/IP.

A construção da mensagem do protocolo Modbus em determinado meio físico

é realizada com a introdução de campos adicionais ao PDU. O “mestre” que inicia a

comunicação constrói a PDU ao qual adiciona os campos necessários à transmissão

da mensagem no meio em questão.

Figura 30 – Formato da trama Modbus TCP/IP

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

62 

 

Em Modbus TCP/IP um campo específico é acrescentado ao PDU do Modbus.

Este campo tem o nome de “MBAP Header” (Modbus Application Protocol Header). No

MBAP header, é incluída informação do comprimento da frame para que o receptor

possa identificar os limites da mensagem mesmo que esta tenha sido dividida em

vários pacotes.

O endereço do “escravo” é substituído por um unit identifier no MBAP Header

[9].

O MBAP header contém os seguintes campos:

• Transaction Identifier. Identificação da request/response. Esta identificação é

criada pelo “mestre” quando envia uma request. O “escravo”, na response,

utiliza a mesma identificação da request. Este campo tem o tamanho de 2

bytes.

• Protocol Identifier. Identificação do protocolo utilizado quando em sistemas

complexos. O Modbus é identificado com 0 (zero). Campo com tamanho de 2

bytes.

• Lenght. Número de bytes que se seguem a este campo. Inclui os campos Unit

Identifier e data. Este campo tem o tamanho de 2 bytes.

• Unit Identifier. Identificação do “escravo” ao qual se destina a mensagem caso

este esteja conectada à rede através de uma gateway, isto é, ligada em

suporte físico diferente do master. Este campo tem o tamanho de 1 (um) byte.

2.2.5.4 – Exemplo da topologia

No exemplo ilustrado na figura 31 encontra-se uma rede com diferentes

vertentes de Modbus, onde nos níveis de gestão e supervisão é usado o protocolo

modbus TCP/IP no meio físico Ethernet e nos níveis inferiores de sensores/actuadores

é usado o modbus RTU/ASCII usando como meio físico o RS485.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

63 

 

Figura 31 – Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus

 

2.2.6 – Profibus DP

O Profibus é um dos protocolos mais difundidos na Europa e na América. As

suas capacidades em termos de velocidade, distância e gestão de dados são

adequadas ao controlo de processos, linhas de montagem e manuseamento de

materiais [7].

Na pirâmide CIM, este protocolo aplica-se no nível de campo/processo. No

entanto como se vai verificar a seguir existem soluções Profibus para o nível de

Entradas/Saídas e para o nível de Controlo.

2.2.6.1– Histórico

A norma Profibus foi introduzida em 1987 como resultado de um projecto de

pesquisa alemão envolvendo 21 empresas e institutos de pesquisa. Evoluiu para 3

implementações no início dos anos 90. PROFIBUS é acrónimo de Process FIeld BUS.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

64 

 

É um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores. Esse

padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254.

Existem três perfis de Profibus e podem coexistir numa mesma rede.

• Profibus FMS (Sistema de Mensagens de Campo)

• Profibus DP (Periféricos Descentralizados)

• Profibus PA (Automação de Processo)

Para além destes podemos ainda considerar o ProfiNet que não é mais do que

Profibus sobre Ethernet.

No entanto, apenas se abordará o mais utilizado que é o perfil Profibus DP [7].

2.2.6.2 – Meio Físico

O meio físico é baseado na norma RS485 usando um par trançado com

blindagem em malha e as taxas de transmissão vão de 9600bps a 12Mbps.

A topologia física é uma estrutura em barramento com terminadores. Cada

segmento poderá ter até 32 dispositivos, e usando no máximo quatro repetidores,

pode-se ter até 126 dispositivos.

Importante salientar que a taxa de transmissão é inversamente proporcional ao

comprimento do cabo como se verifica na tabela 4.

   

Tabela 4 – Comprimento do cabo em função da velocidade de transmissão

Baud rate (kbit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 2000

Comprimento / Segmento (m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

65 

 

2.2.6.3 – Modelo de comunicação

O Profibus DP é a versão com desempenho optimizado, especificamente

dedicado a comunicação entre sistemas de automação e equipamentos

descentralizados.

Tanto o Profibus DP como as outras variantes são baseados no modelo de

comunicação de redes OSI (Open System Interconnection) em concordância com o

padrão internacional ISO 7498. Devido aos requisitos de campo, somente os níveis 1 e

2 (Na vertente FMS também é implementado o nível 7) são implementados.

Figura 32 – Aproximação do Profibus à pilha OSI

Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos:

• “Mestre” DP Classe 1 (DPM1) É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os

“escravos”. Os controladores lógicos programáveis (CLPs) são exemplos

desses dispositivos mestres.

• “Mestre” DP Classe 2 (DPM2) São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

66 

 

sistemas de supervisão como, por exemplo, Simatic PDM, CommuwinII,

Pactware, etc.

• “Escravo” Um “escravo” DP é um dispositivo periférico, tais como: dispositivos de I/O,

actuadores, IHM, válvulas, transdutores, etc. Há também dispositivos que têm

somente entrada, somente saída ou uma combinação de entradas e saídas.

Aqui, ainda se pode citar os “escravos” PA, uma vez que são vistos pelo

sistema com se fossem “escravos” DP.

Figura 33 – Exemplo de uma rede Profibus DP

O controlo de acesso ao meio pode ser feito de três formas:

• TOKEN RING entre os “mestres” (classes 1 e 2).

• “MESTRE”-”ESCRAVO” entre os “mestres” e os “escravos”.

• Misto entre os dois referidos anteriormente

Existem três versões do Profibus DP (DP-v0, DP-v1 e DP-v2), na DP-v0 o

“mestre” pode estar em três estados de operação:

• Operate (Ler entradas e Escrever saídas),

• Clear (Ler entradas, saídas em condição segura),

• Stop (Diagnósticos e ajuste de parâmetros).

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

67 

 

O estado pode ser controlado localmente ou pelo dispositivo de configuração

(“mestre” classe 2).

A comunicação entre o “mestre” e os seus “escravos” tem quatro funções:

• Escrever as saídas dos “escravos” (até 244 bytes por escravo).

• Ler as entradas dos “escravos” (até 244 bytes por “escravo”).

• Escrever os parâmetros de configuração nos “escravos”. Por exemplo, definir

se uma entrada analógica é de 4-20mA ou 0-10V.

• Ler os diagnósticos dos “escravos”; por exemplo falha em uma entrada

analógica por corrente igual a 0mA.

O “mestre” envia ciclicamente uma mensagem para cada “escravo” e este

devolve os valores das entradas lidas dos seus módulos de entradas.

Sempre que é reposta a energia por alguma falha, os parâmetros de

configuração são reescritos nos respectivos “escravos”.

Quando um “escravo” tem diagnósticos para informar o “mestre”, é activado um

bit na sua trama de resposta cíclica, permitindo assim ao “mestre” executar a leitura de

diagnóstico na próxima oportunidade.

Quando um “escravo” deixa de receber requisições do “mestre” por tempo

superior ao watchdog, este altera o seu estado para “Clear”.

A versão DP-v1 Inclui a capacidade de transmissão de dados esporádica

(acíclicas) e a parametrização e calibração de dispositivos com a rede em

funcionamento.

Na versão Profibus DP-v2 é possível a comunicação entre “escravos” usando

mensagens de “broadcast” sem a participação do “mestre” o que reduz tempo de

resposta na rede em até 90%.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

68 

 

A gestão da comunicação é feita pelas funções do nível 2, onde são

especificadas tarefas de controlo de acesso ao barramento, as estruturas das tramas

de dados, serviços básicos de comunicação e muitas outras funções.

As tarefas do nível 2 são executadas pelo FDL (Fieldbus Data Link) e pelo FMA

(Fieldbus Management), sendo que o primeiro é responsável pelas seguintes tarefas:

• Controlo de acesso do barramento (MAC-Medium Access Control).

• Estrutura dos telegramas,

• Segurança dos dados,

• Disponibilidade dos serviços de transmissão de dados:

- SDN (Send Data with no acknowledge),

- SRD (Send and Request Data with reply).

O FMA prevê várias funções de gestão, como por exemplo:

• Configuração de parâmetros de operação.

• Relatório de eventos.

• Activação dos pontos de acesso de serviços (SAPs).

As SAP definem o tipo de serviço que, no caso do Profibus DP, usa apenas as

SAP de 54 a 62 e a SAP Default, cuja a sua designação se pode ver na tabela 5.

Tabela 5 – Tabela de serviços do profibus DP

SAP Descrição SAP default troca de dados SAP54 Comunicação “mestre”-”mestre” SAP55 mudança de endereço de estação SAP56 Leitura de entradas (Rd_Inp) SAP57 Leitura de saídas (Rd_Out) SAP58 Comandos de controlo para “escravo” DP SAP59 Leitura de configuração (Get_Cfg) SAP60 Leitura de diagnóstico (Slave_Diagnosis) SAP61 Transmissão de parâmetros (Set_Prm) SAP62 Verifica a configuração (Chk_Cfg)

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

69 

 

O PROFIBUS utiliza subconjuntos diferentes dos serviços do nível 2 em cada

um de seus perfis (DP, FMS, PA), como se pode verificar na tabela 6.

Tabela 6 – Serviços do PROFIBUS (nível 2).

SERVIÇO FUNÇÃO DP FMS PA

SDA Send Data with Acknowledge (Envia dados com

confirmação) não sim não

SRD Send and Request Data with reply (Envia e

recebe dados com resposta) sim sim sim

SDN Send Data with No acknowledge (Envia dados

sem confirmação) sim sim sim

CSRD

Cyclic Send and Request Data with reply

(Envia e recebe dados ciclicamente com

resposta)

não sim não

No entanto, como se pode verificar na tabela, no perfil DP apenas são usados

os serviços SRD e SDN [10].

Como já foi referido o FDL (Fieldbus Data Link) é que define o tipo de tramas,

podendo estas ser:

• Tramas sem campos de dados (6 bytes de controlo);

• Tramas com um campo de dados de comprimento fixo (8 bytes de dados e 6

de controlo);

• Tramas com campo de dados variável (de 0 a 244 bytes de dados e de 9 a 11

de controlo);

• Reconhecimento rápido (1 byte);

• Trama de token para acesso ao barramento (3 bytes).

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

70 

 

Figura 34 – Formato das tramas profibus

 

Para controlar a rede, o “mestre” deve conhecer toda a informação sobre os

equipamentos, os endereços, configuração de E/S e parâmetros de operação. Cada

equipamento deve ter um ficheiro com a sua descrição única GDS (Generic Data

Slave) para descrever as funcionalidades, características e parâmetros de

configuração desse equipamento [7].

O ficheiro GDS contém a seguinte informação:

• Número de identificação

• Nome do fornecedor

• Nome do equipamento

• Parâmetros de “escravo”

• Parâmetros de configuração de E/S

• Velocidade de transmissão suportada

• O utilizador precisa de especificar:

• Endereço da estação

• Configuração E/S

• Parâmetros seleccionados

• Velocidade de transmissão de dados

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

71 

 

É usada uma ferramenta de configuração para combinar o ficheiro GDS e a

informação do utilizador numa base de dados “mestre” que é utilizada para

estabelecer a comunicação e iniciar a troca de dados com os dispositivos “escravo”

Profibus.  

Figura 35 – Exemplo de aplicação dos ficheiros GDS

2.2.6.4 – Exemplo da topologia  

No exemplo seguinte está representado o exemplo de uma rede Profibus, com

um “mestre” DP de classe 1, um “mestre” Profibus FMS, e um “mestre” DP de classe

2, com um conjunto de dispositivos “escravos” numa estrutura de rede em barramento,

que inclui um repetidor para aumentar o seu comprimento.

Figura 36 – Exemplo de Rede Profibus

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

72 

 

2.2.7 – Controller Area Network (CAN)

O CAN é um protocolo aberto, muito utilizado na indústria em geral, devido ao

seu baixo custo. CAN é um bus de comunicação “multi-mestre”, em que a

comunicação é feita por eventos, o que reduz o tráfego na rede.

Possíveis conflitos são evitados através de uma definição de níveis de

prioridade.

Todos os participantes têm os mesmos direitos, por isso é possível configurar

uma rede sem “mestre”.

Existem algumas variantes do CAN, nomeadamente o CANopen, e o

DeviceNet. É considerado por muitos, um protocolo nuclear, confirmado pelo

crescente número de equipamentos que comunicam ou têm possibilidades de

comunicar em CAN. É um protocolo muito interessante do ponto de vista de

funcionalidades e desempenho.

Na pirâmide CIM, o CAN situa-se no nível mais baixo da pirâmide, sendo um

protocolo de aplicação no nível das Entradas/Saídas. É usado na interligação de

sensores e actuadores, diminuindo consideravelmente o número de cabos condutores

na instalação.

2.2.7.1 – Histórico

A rede CAN surgiu na área Automóvel no âmbito da crescente necessidade da

segurança, conforto, e na diminuição da poluição e consumo. Desta forma a Bosch em

1986, desenvolveu a tecnologia para interligar todos os sensores e actuadores

constituintes do automóvel. As especificações da tecnologia foram publicadas em

1991.

Em 1992 surgiu a associação CiA (CAN in Automation), que em 1995 criou o

CANOpen, sendo uma versão melhorada do CAN.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

73 

 

2.2.7.2 – Meio Físico

O CAN utiliza um cabo par entrançado, com dois pares (blindado ou não);

CAN-H,CAN-L, CAN-GND.

Suporta até 32 nós por barramento, beneficia de grande robustez, uma vez que

funciona mesmo com um dos condutores corrompido.

A sua topologia é em barramento com um sinal diferencial em dois condutores

e um comum. O cabo pode incluir também 2 condutores extra para alimentação. A

rede CAN suporta débitos até 1Mb/s num cabo com o comprimento máximo de 40

metros.

Como nas redes anteriormente referidas, também aqui a velocidade é

inversamente proporcional ao comprimento do cabo, como se pode verificar na tabela

7.

Tabela 7 – Relação entre velocidade e comprimento do cabo

Velocidade (kbit/s) 10 125 250 500

Comprimento 6000 500 200 100

Não existe nenhum tipo de conector normalizado, no entanto os mais usados

são o SUB D de 9 pinos que é o proposto pela CiA e o Mini-C de 5 pinos, usado pela

DeviceNet.

Figura 37 – Tipos de conectores CAN

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

74 

 

2.2.7.3 – Modelo de comunicação

A aproximação CAN ao modelo OSI (Open Systems Interconnection) aparece

ao nível das camadas 1 e 2.

Figura 38 – Aproximação do CAN à pilha OSI

Numa rede CAN quando são transmitidos dados, nenhuma estação é

directamente endereçada. O endereçamento é orientado ao conteúdo, ou seja as

mensagens são enviadas a todas as estações da rede e, cada estação é que

determina se os dados enviados são ou não relevantes para si. Se os dados forem

relevantes a estação faz o processamento dos mesmos, caso contrário, descarta os

dados.

Este tipo de endereçamento permite grande flexibilidade, uma vez que torna

possível adicionar ou retirar qualquer elemento da rede sem qualquer alteração física

ou conceptual.

Como neste tipo de rede, todos podem ser “mestres” e “escravos”

simultaneamente, são definidas prioridades, pois existem dados que variam mais

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

75 

 

depressa do que outros, desta forma as prioridades são definidas durante a

especificação do sistema, não podendo ser alteradas dinamicamente. As prioridades

são escritas sob a forma de um valor binário onde o valor menor corresponde a maior

prioridade.

A comunicação de dados é feita através do método CSMA/CD (Carrier Sense,

Multiple Access with Collision Detection), com Non-Destructive Bitwise Arbitration que

soluciona os problemas de colisões. Através destes métodos, todas as mensagens

são transmitidas com um bit recessivo e outro dominante. No caso de haver duas

estações a enviar dados em simultâneo, será enviada a mensagem com maior

prioridade, passando a segunda estação à escuta, no caso do destino da mensagem

com maior prioridade ser para esta. Deste modo, após a linha estar livre, a segunda

estação envia a sua mensagem, pois era a que possuía uma menor prioridade em

relação à outra.

No protocolo CAN existem duas versões, CAN 1.0 e o CAN 2.0, sendo o

CAN2.0 completamente compatível com a versão 1.0. Na versão 2.0 existem duas

variantes, sendo a 2.0A normalizada e a 2.0B estendida. Os identificadores são de 11

bits tanto na versão 1.0 como na versão 2.0A. Nas versões 2.0B os identificadores

podem ter 29 bits (versão 2.0B activo) ou 11 bits (versão 2.0B passivo) para garantir a

compatibilidade com as versões anteriores.

Desta forma os dispositivos CAN do tipo 2.0B Activo podem receber e enviar

tramas tanto do formato normalizado como do formato estendido. Os dispositivos com

versões 2.0B passivos recebem tramas das versões normalizadas, e ignoram as

tramas da versão estendida.

Os dispositivos da versão 1.0 geram erros sempre que recebem uma trama do

formato estendido [4].

A transferência de pacotes de dados sobre a rede CAN é realizada através de

um conjunto de quatro tipos de tramas:

• Trama de dados (Data Frame) – transporta pacotes de dados,

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

76 

 

• Trama remota (Remote Frame) – esta Trama é emitida para pedir a

transmissão de uma data Frame com o mesmo identificador.

• Trama de erros (Error Frame) – transmitida por uma unidade que detecte um

erro na rede,

• Trama de sobrecarga (Overload Frame) – enviada para separar, tramas de

dados remotas seguidas

No entanto, como este é o mais importante, só é referido e ilustrado a trama de

dados que está representada na figura seguinte.

Figura 39 – Formato de uma trama CAN

A trama é constituída por sete campos, os quais se descrevem a seguir:

• Início de trama (Start of Frame – SOF) – este campo marca o início da trama

e é composto um único bit. Todas as estações CAN devem-se sincronizar com

a transição de recessivo a dominante deste bit.

• Campo de arbitragem (Arbitration Field) – este campo está dividido em duas

componentes. A primeira constitui o identificador que estabelece a prioridade e

a sua identidade. A segunda componente é o bit de indicação de transmissão

remota (Remote Transmit Request - RTR) (Uma trama remota é emitida

sempre que um nó necessita de informação de outro e não contém qualquer

informação no campo de dados). O estado dominante deste bit indica que a

trama é de dados, se o estado for recessivo indica uma trama remota.

• Campo de controlo (Control Field) – este campo da trama está dividido em

três componentes. A primeira é formada pelo bit IDE1 (IDentifier Extension).

Quando este bit toma o estado dominante indica uma trama na versão 2.0A; o

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

77 

 

contrário indica uma trama da versão 2.0B. A segunda componente representa

um bit reservado para futuras versões CAN. A terceira componente é o DLC

(Data Length Code) que é composto por quatro bits, que indicam o número de

bytes transportados no campo de dados.

• Campo de dados (Data Field) – este campo contém os dados úteis à camada

de aplicação. O número de bytes está compreendido entre 0 e 8.

• Campo de CRC (CRC Field) – este campo é utilizado para validação das

mensagens transmitidas e contém um CRC (Cyclic Redundancy Check) de 15

bits, terminando com um bit recessivo que o delimita.

• Campo de confirmação (Acknowledged Field) – este campo é utilizado para o

transmissor ser informado da correcta recepção, por uma ou mais estações

pertencentes à rede. O procedimento desta operação consiste na imposição do

estado dominante pelas estações receptoras no bit ACK, que é sempre

transmitido no estado recessivo. Este campo é delimitado por um bit recessivo.

• Fim da trama (End of Frame) – a trama de dados termina com uma sequência

de sete bits recessivos sem stuff – bit (bit de sincronização durante as

comunicações) [12].

 

2.2.7.3 – Exemplo da topologia  

Meramente como exemplo segue-se uma possível aplicação, onde está

representado um autómato Modicon Premium a utilizar o protocolo CAN na

comunicação com dois variadores de velocidade, módulos de entradas/saídas e

interfaces para ligação a sensores comuns [7].

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

78 

 

Figura 40 – Exemplo de uma aplicação usando o protocolo CAN

2.2.8 – Ethernet TCP/IP

A popularidade, desempenho, baixo custo e a comunicação com os PC´s

tornou a Ethernet [13] atractiva para aplicações industriais.

Atendendo a extensão do protocolo Ethernet, apenas será feita uma breve

referência a este protocolo, para que posteriormente seja possível perceber a

aplicação prática.

2.2.8.1 – Histórico  

A Ethernet teve origem em 1973, desenvolvida pela Xerox no centro de

pesquisa Palo Alto Research Center [7].

Em 1979 deu-se o desenvolvimento das normas pelo consórcio DIX (consorcio

criado em 1980 para o desenvolvimento de novas tecnologias), tendo posteriormente

os seguintes desenvolvimentos:

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

79 

 

• 1980: especificação da Ethernet 10Mbps

• 1982: norma Ethernet 802.3

• 1993: especificação da Ethernet 100Mbps

• 1996: uso generalizado da Ethernet 100Mbps

• 1998: normalização Gigabit Ethernet

 

2.2.8.2 – Meio Físico

A Ethernet Industrial é semelhante à Ethernet comum, mas desenhada para

utilização em fábrica, ou seja, mais robusta em termos de componentes e testes,

respeitando índices de protecção mecânica adequados a aplicações industriais.

A ligação entre equipamentos pode ser feita através de diversos meios físicos,

nomeadamente em cobre ou fibra óptica.

Na tabela 8 apresentam-se os meios físicos possíveis, indicando-se o tipo de

cabo, conectores e velocidades correspondentes [7].

Este tipo de rede pode ser utilizada em qualquer caso prático que exija redes

entre PLC’s e sistemas de supervisão.

De salientar que uma rede Ethernet industrial, que interliga sistemas de

automação, não deve ser utilizada para outros fins, como redes de informática ou

sistemas de vídeo vigilância, de forma a garantir a sua eficiência na transferência de

dados entre autómatos, garantir a máxima segurança e para não sobrecarregar o meio

físico.

Para estruturar uma rede Ethernet são utilizados diversos componentes:

• Hubs: são utilizados para interligar 2 ou mais segmentos ou equipamentos

Ethernet. Podem também servir para aumentar a distância máxima do

segmento (funciona como repetidor, amplificando o sinal). Um hub recebe

qualquer sinal e retransmite-o a todas as portas.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

80 

 

• Switches: fazem um encaminhamento inteligente das mensagens, dividindo a

rede em domínios de colisão, o que vai permitir reduzir o tráfego na rede geral.

Não retransmite as mensagens a todas as portas, mas apenas àquela onde

estará o receptor da mensagem.

• Routers: é um equipamento com duas ou mais interfaces para duas ou mais

redes. Interligam diferentes LAN’s, filtrando as mensagens pelo seu endereço

IP. Um router pode também ser um host (designa-se de host um computador

com uma ou mais redes interligadas e que não tem a capacidade de fazer

routing, isto é, não consegue fazer o transporte de um pacote IP de uma rede

para outra).

• Gateway: é uma porta de ligação entre diferentes sistemas, um equipamento

intermédio geralmente destinado a interligar redes, separar domínios de

colisão, ou mesmo traduzir protocolos. Uma gateway é também um host e pode

ser um router.

Tabela 8 – Relação entre velocidade e tipo de cabo

Tipo Velocidade Velocidade Cabo (802.3)

Cabo Recomendado

Ficha (802.3)

10BASE-T 10 Mbit/s CAT 3-UTP CAT 5E-STP RJ45 100BASE-TX 100 Mbit/s CAT 5-UTP CAT 5E-STP RJ45 1000BASE-T 1 Gbit/s CAT 5-UTP CAT 5E-STP RJ45

10BASE-FL 10 Mbit/s

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm

ST

100BASE-FX 100 Mbit/s

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou monomodo 9/125 ηm, 1300nm

ST SC como

opção

1000BASE-SX 1 Gbit/s

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou 50/125 ηm, 770 a 860 nm

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou 50/125 ηm, ou monomodo 9/125 ηm 770 a 860 nm

SC LC como

opção

1000BASE-LX 1 Gbit/s LC

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

81 

 

O número máximo de equipamentos por rede (LAN) é de 1024 (ao utilizar um

router pode criar novas redes).

2.2.8.3 – Modelo de comunicação

Ethernet é uma rede em que o acesso ao meio é feito através do método

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Se dois nós em

diferentes localizações tentam enviar dados ao mesmo tempo, o resultado será uma

colisão dentro do meio físico. Se existir essa colisão, as mensagens são destruídas e

a cada nó é atribuído um período de espera até voltar a tentar a emissão da

mensagem de novo.

Existem regras para evitar conflitos na rede e proteger a integridade dos dados.

Um nó pode “escutar” a rede para ver se outro nó está a transmitir e assim determinar

se deve transmitir nesse instante.

Algumas organizações desenvolveram, a partir dos seus protocolos, níveis de

aplicação para Ethernet TCP/IP. Presentemente, os mais conhecidos são:

• Modbus/TCP (Modbus sobre TCP/IP)

• EtherNet/IP (ControlNet/DeviceNet sobre TCP/IP)

• Foundation Fieldbus High Speed Ethernet

• Profinet (Profibus sobre Ethernet)

Existem alguns serviços universais em Ethernet, dos quais se descrevem

alguns a seguir:

• HTTP “Hipertext Transfer Protocol”- Este serviço é utilizado para transmitir

páginas Web entre um servidor e um browser. O Http é utilizado na Web desde

1990.

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

82 

 

• DHCP “Dynamic Host Configuration Protocol”- Este serviço é utilizado

para atribuir automaticamente endereços IP a equipamentos numa rede,

evitando ter de gerir os endereços de cada equipamento individualmente. A

Telemecanique utiliza este serviço para implementar o serviço FDR “ Faulty

Device Replacement”, para substituição de um equipamento

automaticamente.

• FTP “File Transfer Protocol”- Este serviço permite uma transferência básica

de ficheiros. Muitos sistemas utilizam este serviço para troca de ficheiros entre

equipamentos.

• NTP “Network Time Protocol”- serviço utilizado para sincronizar relógios de

alguns equipamentos de rede, com precisão na ordem dos milissegundos para

uma LAN (Local Area Network) e das dezenas de milissegundos para uma

WAN (Wide Area Network).

• SMTP “Simple Mail Transfer Protocol”- Este serviço serve para

transmissão de e-mail. É utilizado para enviar mensagens entre um emissor e

um receptor via servidor de mail SMTP.

• SNMP “Simple Network Management Protocol”- Este serviço permite gerir

de forma simples os equipamentos de uma rede, através de um único sistema.

Permite ao gestor da rede ver o estado da rede e equipamentos, modificar a

sua configuração e ver os alarmes em caso de falha.

• COM/DCOM “Distributed Component Object Model”- Tecnologia usada

nos componentes Windows que lhes permite comunicar de modo transparente.

Esta é a tecnologia utilizada no servidor de dados OPC.

• Modbus TCP/IP- O Modbus TCP/IP, permite encapsular as tramas Modbus

na Ethernet. Reconhecido mundialmente, foi-lhe atribuído um porto específico

de serviço Ethernet: 502. É o protocolo de maior difusão Ethernet no meio

industrial, sendo hoje já um protocolo normalizado. Permite a utilização de

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

83 

 

anéis (redundância) com equipamento específico. É um protocolo totalmente

livre, cujas especificações podem ser encontradas em www.modbus-ida.org .

• IO Scanning- Este serviço é utilizado para gerir as trocas com E/S (entradas /

saídas) distribuídas, numa rede Ethernet, sem necessidade de programação

especial.

• FDR “Faulty Device Replacement”- Utiliza o BOOTP/DHCP, com o

objectivo de simplificar a manutenção dos equipamentos em Ethernet. Permite

que um equipamento em falha seja substituído por um novo, garantindo a sua

detecção, reconfiguração e inicialização automática do sistema, sem

necessidade de intervenção manual.

• Global Data- Este serviço assegura trocas de dados em tempo real entre os

diversos equipamentos, que pertençam ao mesmo grupo. É utilizado para

sincronizar aplicações remotas, ou partilhar uma base de dados comum entre

diversas aplicações distribuídas.

2.2.8.4 – Exemplo de Aplicação

Este exemplo consiste em 3 autómatos ligados em rede usando o protocolo

Modbus TCP/IP, onde existe uma estação de trabalho a supervisionar o sistema e

uma consola que permite a alteração de alguns parâmetros por parte de um operador.

Figura 41 – Exemplo de uma aplicação usando Ethernet

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

84 

 

 

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

85 

 

3 – Aplicação prática

A aplicação prática de alguns dos conceitos teóricos referidos anteriormente foi

feita na implementação do sistema de automação da ETAR de Moldes.

Neste capitulo é explicado o funcionamento do sistema, indicando quais os

materiais utilizados, a arquitectura de rede, a implementação e colocação em

funcionamento do sistema.

3.1 – Organização e Funcionamento

Como já foi referido anteriormente, numa ETAR as águas residuais passam por

vários processos de tratamento com a finalidade de separar ou diminuir a quantidade

da matéria poluente da água.

 

Neste caso pratico ás águas residuais passam por dois processos, o

tratamento preliminar, e o tratamento secundário.

Como se pode verificar na figura 42, as águas residuais entram pela obra de

entrada, onde é feita a primeira fase de tratamento, separando os sólidos grosseiros

por intermédio de um crivo ou grade mecânica. Depois de passar pela obra de

entrada, são encaminhadas para uma caixa, onde é possível, através de comportas,

bloquear a passagem das mesmas para algum dos tanques de arejamento.

Nos tanques de arejamento (tratamento aeróbico), é efectuada a segunda fase

do tratamento, com o efluente retido temporariamente nos tanques de lamas activadas

e em onde o ar é insuflado por meio de arejadores de superfície. Ao insuflar ar

fornece-se oxigénio a água poluída e permite o desenvolvimento de organismos

aeróbicos (lamas activadas) que se alimenta da matéria orgânica poluidora.

Posteriormente, as águas são encaminhadas graviticamente para o decantador

secundário, onde termina o tratamento.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

86 

 

O decantador é responsável pela separação das lamas, dos sobrenadantes e

da água tratada para descarregar no rio.

As lamas e os sobrenadantes provenientes do decantador vão para a estação

elevatória de lamas, e para a estação elevatória de sobrenadantes respectivamente.

Da estação elevatória de Sobrenadantes, os respectivos são enviados através

de bombagem para a caixa localizada a seguir a obra de entrada, de forma a

passarem novamente pelas fazes cruciais de tratamento.

Da estação elevatória de lamas, as lamas são enviadas para o espessador,

e/ou para a mesma caixa onde são despejados os sobrenadantes, para fazerem a

recirculação. Com isto, parte das lamas é desprezada, sendo enviadas para o

espessador e a restante faz a recirculação, sendo despejadas novamente nos tanques

para garantirem o tratamento aerobico.

Na estação elevatória das águas de serviço armazena águas pluviais que

serão usadas na rega, e no tratamento de lamas. Poderão também ser despejadas no

decantador secundário para efectuar a ultima fase do tratamento ou despejadas

directamente no rio.

As lamas que são alojadas no espessador, são posteriormente submetidas a

um tratamento na casa das lamas e colocadas num camião ou tractor para serem

aproveitadas em actividades agrícolas.

Electricamente a ETAR está dividida em três áreas de comando importantes: o

Edifício de comando (QGBT), Casa das lamas (QP02) e as Estações elevatórias

(QP03).

Em cada uma das partes existe um Quadro eléctrico responsável pelo

comando dos equipamentos que as constituem.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

87 

 

 

Figura 42 – Organização da ETAR

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

88 

 

Os Quadros Eléctricos tem um conjunto de botoneiras que permitem ao

funcionário responsável pela instalação, seleccionar o funcionamento em modo

manual ou automático de cada um dos equipamentos.

No funcionamento em manual, o equipamento funciona apenas por ordem do

funcionário, sendo este responsável pelos tempos de funcionamento do equipamento.

No modo de funcionamento automático, o sistema funciona de forma autónoma.

Cada um dos quadros eléctricos contém um autómato responsável pelo

funcionamento autónomo da área em que está inserido. No entanto como o

funcionamento de alguns equipamentos depende dos sinais recolhidos de áreas

diferentes, foi criada uma pequena rede industrial que interliga todas as áreas de

forma a partilhar os sinais necessários entre os autómatos.

No QGBT está uma consola que permite alterar alguns parâmetros do

funcionamento autónomo da ETAR, possibilitando o ajuste do programa de controlo às

diferentes circunstâncias de funcionamento.

 

 

3.1.1 – Casa de Comando  

Na casa de comando, representada na figura 43, o quadro eléctrico QGBT é

responsável pelo comando dos seguintes equipamentos:

• Electro-válvula de entrada (EV1)

• Electro-Válvula de Saída (EV2)

• Válvula modulante 1 (VM1)

• Válvula modulante 2 (VM2)

• Válvula motorizada 3 (VM3)

• Agitador 1

• Agitador 2

• Ponte Raspadora (Decantador secundário)

• Grade mecânica

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

89 

 

 

Figura 43 – Casa de Comando

O funcionamento autónomo dos respectivos equipamentos depende do

conjunto de sensores descritos a seguir:

• Sensor de caudal da entrada (SQ1)

• Sensor de caudal das lamas (SQ2)

• Sensor de caudal das águas de serviço (SQ3)

• Sensor de oxigénio do tanque de arejamento 1 (SO1)

• Sensor de oxigénio do tanque de arejamento 2 (SO2)

• Bóia de nível da caixa de saída 1 (BS1), nível baixo

• Bóia de nível da caixa de saída 2 (BS2), nível alto

Este conjunto de equipamentos (actuadores e sensores) é responsável pelo

funcionamento básico da ETAR.

Figura 44 – Quadro Eléctrico QGBT

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

90 

 

A EV1, quando aberta, permite a chegada das águas residuais á ETAR, e

quando fechada as águas residuais vão directamente para o ribeiro.

Tanto a EV1 como a EV2 só fecham quando o nível do ribeiro é superior ao

nível da caixa de saída, ou seja, por actuação da BS2. Desta forma, evita-se que

numa eventual cheia do ribeiro, a água entre pela caixa de saída na ETAR.

As águas residuais vão passar por um tratamento preliminar onde serão

removidos os sólidos grosseiros por gradagem mecânica. A grade mecânica funciona

por temporização sendo o tempo de paragem e o tempo de funcionamento

configurável na consola existente no QGBT.

Após este processo segue-se a remoção de areias por passagem em

desarenador gravítico a montante do qual existe um descarregador tipo Parshall, de

3”, em PRFV com medidor de caudal (SQ1) por sonda de ultra-sons.

No SQ1 é medido o caudal de entrada instantâneo e totalizado.

O efluente pré tratado passa a segunda fase do tratamento onde é

encaminhado para os tanques de Arejamento 1 ou 2, consoante a posição das

comportas de guilhotina na caixa localizada a jusante da obra de entrada. Nesta fase o

tratamento consiste no princípio das lamas activadas, onde o tratamento é efectuado

misturando e agitando as águas residuais brutas com lamas activadas líquidas,

bacteriologicamente muito activas. A degradação aeróbia da matéria orgânica realiza-

se pela actividade biológica de uma biomassa específica.

Posteriormente o efluente é conduzido graviticamente para o decantador

secundário onde se dá a separação das lamas biológicas do efluente tratado e dos

sobrenadantes.

Estando a EV2 aberta, o efluente tratado será enviado para a ribeira e/ou para

a elevatória das águas de serviço, dependendo da posição das comportas de

guilhotina localizadas na caixa de saída do decantador secundário. As lamas

biológicas são encaminhadas para a Estação Elevatória de Lamas por pressão

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

91 

 

hidrostática se a válvula VM5 estiver aberta. Os sobrenadantes recolhidos pela ponte

raspadora serão despejados graviticamente na elevatória dos Sobrenadantes.

A ponte raspadora em modo automático funciona por intervalos de tempo, que

podem ser definidos e alterados na consola existente na porta no QGBT.

3.1.2 – Estações Elevatórias  

Na figura 45, é indicado o quadro eléctrico QP03, servindo de comando, para

controlo das três estações elevatórias: Estação elevatória de Lamas, Estação

elevatória de Sobrenadantes, Estação elevatória de águas de serviço.

Figura 45 – Quadro Eléctrico QP03

No entanto, todas as estações elevatórias são constituídas por duas bombas e

quatro bóias de nível, para o respectivo controlo:

• Nível mínimo;

• Nível de alternância;

• Nível de reforço;

• Nível de alarme.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

92 

 

A bóia de nível mínimo é responsável por proteger as bombas, não permitindo

que as mesmas funcionem sem água no poço.

Cada vez que o nível do poço atinja a bóia de alternância, arranca uma das

duas bombas alternadamente.

A bóia de reforço faz com que arranque a segunda bomba, ficando a trabalhar

em simultâneo com a primeira, até que o nível do poço atinja a bóia de mínimo.

3.1.2.1 – Estação Elevatória de Lamas

O funcionamento da E.E. (estação elevatória) de Lamas é condicionado por

temporização com a recirculação de lamas ao tanque de arejamento pelas válvulas

VM1 e ao espessador pela VM2, e pelo sensor de turbidez localizado no Espessador

de Lamas.

Para que as Lamas entrem no poço da E.E. é necessário abrir a válvula VM5.

Desta forma sempre que a elevatória atinge o nível mínimo a válvula VM5 abre de

forma a repor o nível até a bóia de reforço.

Se por algum motivo a poço atingir o nível máximo, é enviado um sinal de

alarme para o QGBT.

As válvulas VM1 e VM2 são responsáveis por definir a quantidade de lamas

que volta aos tanques de arejamento e a que vai para o espessador, fazendo desta

forma a recirculação das Lamas.

No arranque, e dado que se pretende obter um IVL de 400ml/l, a recirculação

ao espessador é fechada.

 

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

93 

 

3.1.2.2 – Estação Elevatória de Sobrenadantes

Esta E.E. é abastecida pelos sobrenadantes recolhidos pela ponte raspadora,

pela casa das lamas ou pela casa de banho existente na casa de comando.

Sempre que a E.E. atinge o nível de alternância, faz arrancar uma das bombas,

enviando os sobrenadantes para a obra de entradas / tanques de arejamento.

Na eventualidade do caudal de chegada ser superior ao caudal de saída, o

nível do poço atingirá a bóia de nível de reforço e arrancará a segunda bomba.

Se o nível do poço atingir a bóia de máximo é enviado um sinal de alarme ao

QGBT.

3.1.2.3 – Estação Elevatória das águas de Serviço

A E.E. (Estação Elevatória) é abastecida por efluente tratado vindo do

Decantador Secundário e por drenagem pluvial. No entanto, para que esta possa ser

abastecida por via do decantador secundário é necessário ter a comporta de guilhotina

aberta na caixa de saída do mesmo.

O funcionamento da E.E. é idêntico a anterior, no entanto esta possui dois

passadores na saída das bombas, em que um deles permite que a água seja enviada

para a casa das lamas, sendo utilizada na lavagem do filtro de banda, e o outro serve

para enviar a água para a caixa de saída.

Enviando as águas de serviço para a caixa de saída, também é possível fazer

com que a mesma volte ao Decantador Secundário passando assim pela última fase

do tratamento antes de ser descarregada na ribeira, abrindo ou fechando a válvula

VM4 e uma válvula de borboleta manual localizados junto a caixa de saída.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

94 

 

3.1.3 – Casa das Lamas

O funcionamento da casa das lamas consiste em preparar as lamas para

poderem ser transportadas, prensando-as e desidratando-as.

Figura 46 – Casa das Lamas

A casa das Lamas é constituída pelo seguinte equipamento:

• Válvula motorizada VM3;

• Bomba de parafuso excêntrico p/ Lamas;

• Estação de dosagem de polímero;

• Bomba de polímero;

• Filtro de Banda;

• Bomba de Lavagem do filtro e Electro-valvula;

• Tapete transportador.

O destino final das Lamas será para utilização com fins agrícolas e para tal é

necessário a realização de análises físico-químicas periódicas que permitam concluir

se as condições limites impostas para determinados elementos são respeitadas.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

95 

 

Figura 47 – Quadro Eléctrico QP02

Para que isto seja possível é necessário que o funcionamento de todos os

elementos descritos anteriormente respeite uma sequência de inicio e uma sequência

de finalização do processo.

Para iniciar o ciclo a sequência deve ser a seguinte:

1º. Sinal do sensor de manto de lamas ou comando manual, Abrir VM3

2º. Ligar Bomba de Lamas

3º. Ligar Bomba de polímeros

4º. Ligar o filtro de banda

5º. Ligar Bomba em linha ou abrir EVL

6º. Ligar o tapete transportador

Para terminar o ciclo deve-se temporizar o sistema com recurso à experiência

acumulada, devendo respeitar a seguinte sequência:

1º. Fechar VM3

2º. Desligar bomba de Lamas

3º. Desligar bomba de polímero

4º. Desligar a Bomba em Linha ou fechar EVL

5º. Desligar o filtro de banda

6º. Desligar tapete transportador

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

96 

 

O comando deste processo pode ser feito de três formas:

• Manual

• Automático com relógios existentes no quadro QP03

• Automático gerido pelo autómato existente em QP03

3.2 – Arquitectura da rede

A arquitectura de rede prevista no projecto inicial, era bastante obsoleta e

consistia numa rede RS232 entre os três autómatos com uma serie de tomadas de

controlo remoto espalhadas pelas infra-estruturas do edifico para ligação de uma

consola de programação.

Desta forma a solução passou por alterar essa rede em RS232 por uma rede

Ethernet, com uma topologia em estrela, usando dois switchs de forma a manter as

tomadas de controlo remoto para futura ligação de um PC para ajustar ou reconfigurar

o sistema.

Neste caso prático, vamos usar apenas os dois níveis mais baixos da pirâmide

CIM, o nível de Entradas/Saídas e o Nível de Campo, visto que não há gestão ou

supervisão. O tipo de rede a ser implementado no Nível de Campo será o Modbus

TCP/IP, e no nível mais baixo para os equipamentos do tipo ON/OFF usamos as

Entradas/Saídas tradicionais do autómato e para os equipamentos analógicos usamos

módulos auxiliares de entradas/saídas analógicas 4-20mA.

Na figura 48 está representada a rede implementada entre os três autómatos e

a consola. Foram usados dois switchs para permitir a ligação entre os três autómatos

e de tomadas RJ45 localizadas na casa de comando e na casa das lamas.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

97 

 

Estas tomadas permitem a ligação futura de mais dispositivos e a ligação de um

computador para configuração do sistema via ethernet.

Figura 48 – Arquitectura de Rede

3.3 – Equipamentos Utilizados

Neste subcapítulo faz-se uma apresentação dos equipamentos utilizados,

descrevendo o seu objectivo, tipos de alimentação e dados utilizados no sistema de

controlo.

Os equipamentos foram divididos em duas partes, sendo a primeira dedicada

aos equipamentos de campo e a segunda ao equipamento de controlo.

3.3.1 – Equipamento de Campo

O equipamento de campo é todo o equipamento que interfere directamente no

funcionamento da ETAR, nomeadamente os sensores e actuadores.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

98 

 

3.3.1.1 – Grade Mecânica  

A grade mecânica, representada na figura 49, é constituída por um motor de

380V AC 50Hz, 0,37kW de arranque directo feito por intermédio de um contactor de

24V AC.

Figura 49 – Grade Mecânica

Este equipamento por questões de segurança tem uma botoneira de

emergência junto do mesmo, que através de uma bobine de disparo, faz desligar o

interruptor diferencial, desligando o equipamento. O rearme só pode ser feito no

interior do Quadro Eléctrico QGBT.

O comando em automático é temporizado, estando disponível na consola de

programação do utilizador o tempo de funcionamento e o tempo de paragem.

O esquema de comando está representado na figura 50, onde esta

representado os sinais que são enviados ao autómato, nomeadamente, o de avaria e

funcionamento.

O circuito de comando está isolado do circuito de potência através de um

transformador de 230/24V AC.

Para os outros equipamentos foi utilizado o mesmo esquema de comando.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

99 

 

Figura 50 – Circuito de Comando

 

3.3.1.2 – Ponte Raspadora  

A ponte raspadora (figura 51), consiste num motor trifásico de 0,5kW, com o

comando e sistema de emergência descrito anteriormente.

Figura 51 – Ponte raspadora

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

100 

 

O funcionamento em automático é igual ao equipamento anterior, onde através

da consola existente no QGBT, é possível a programação do tempo de funcionamento

e paragem.

3.3.1.3 – Arejador 1 e 2  

O arejador, representado na figura 52, consiste num motor trifásico com

potência de 15kW e com arranque por arrancador progressivo. O circuito de comando

é idêntico ao dos equipamentos anteriores, incluindo também o mesmo sistema de

paragem de emergência.

Figura 52 – Arejador

Em modo automático os arejadores funcionam por temporização como os

equipamentos anteriores, podendo os tempos de funcionamento e paragem ser

configurados através da consola.

3.3.1.4 – Válvulas VM1, VM2, VM3 e VM4  

As válvulas são motorizadas, com alimentação monofásica e de comando

analógico (4-20mA). Dependendo do valor de corrente, as válvulas abrem ou fecham,

em que, para 4 mA estão totalmente fechadas e a 20mA estão totalmente abertas. O

comando é feito a partir da consola de programação existente no QGBT, podendo a

aposição de cada uma ser ajustada em percentagem.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

101 

 

 

 

Figura 53 – Válvulas modulantes

 

3.3.1.5 – Válvulas EV1 e EV2  

As válvulas EV1 e EV2, representadas na figura 54, são válvulas de guilhotina

de comando pneumático. Cada válvula contém um solenoide de 230V AC. O comando

dos solenoides é feito por intermédio de relés de 24V AC.

Figura 54 – Válvulas Pneumáticas

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

102 

 

O Relé ao alimentar o solenoide, faz com que esta permita a passagem do ar

comprimido, fazendo com que a válvula feche.

O comando destas válvulas pode ser feito manualmente como os equipamentos

anteriores. Em modo automático, a posição (Aberto/Fechado) destas válvulas,

depende de duas bóias de nível localizadas na caixa de saída.

3.3.1.6 – Válvulas EV3

A válvula EV3 é idêntica às VM1 e VM2, no entanto o seu comando é ON/OFF.

Não permite posições intermédias, o seu estado é aberto ou fechado. A alimentação é

230V AC, sendo controlada por relés de 24V AC.

O funcionamento pode ser manual, a partir das botoneiras existentes no QGBT,

e em automático, o seu funcionamento depende dos níveis da estação elevatória de

lamas, sendo a bóia de nível máximo e mínimo fazem abrir ou fechar a válvula.

 

 

3.3.1.7 – Sensor de caudal de entrada SQ1  

Este sensor de caudal é do tipo ultrasonico, como indicado na figura 55, é

responsável por medir o caudal instantâneo e totalizado de entrada. É um medidor de

caudal por ultra sons colocado sobre um canal de parshall, em que o valor de caudal é

obtido através da altura do líquido presente no canal. Este tipo de sensores

normalmente permite a medir caudal e níveis, podendo ser configurada a sua

aplicação no controlador.

A sua alimentação é de 230V AC 50Hz, e apresenta uma saída 4-20mA

correspondente ao valor de caudal instantâneo e duas saídas a relé configuráveis.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

103 

 

 

Figura 55 – Sensor de caudal ultrasonico

É possível através da consola existente no QGBT verificar o valor de caudal

instantâneo. No display do controlador é possível verificar o caudal instantâneo e o

caudal totalizado.

3.3.1.8 – Sensores de caudal SQ2 e SQ3  

Estes sensores de caudal (figura 56), são caudalímetros electromagnéticos com

alimentação a 230V AC e disponibilizam uma saída analógica 4-20mA com o valor do

caudal instantâneo.

 

Figura 56 – Sensor de Caudal Electromagnético

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

104 

 

É possível verificar o caudal instantâneo na consola do QGBT e no próprio

controlador. O caudal totalizado só é apresentado no display do controlador. Existem

alguns modelos que tem uma saída de impulsos, que por contagem desses impulsos,

permite obter o caudal totalizado.

3.3.1.9 – Sondas de Oxigénio  

A figura 57 apresenta, as sondas de oxigénio, que estão dentro dos tanques

de arejamento, ficando os respectivos controladores junto aos tanques dentro de um

armário estanque.

A alimentação dos respectivos controladores é 24 VDC, ficando a cargo de

uma fonte de alimentação presente no QGBT.

Figura 57 – Controladores dos sensores de Oxigénio

 

Para controlo, os controladores disponibilizam uma saída analógica 4-20mA

que é ligada ao módulo de entradas analógicas do autómato “mestre”.

Os valores presentes no autómato são apenas informativos, pois não

influenciam no controlo da ETAR.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

105 

 

3.3.1.10 – Bombas das Estações elevatórias

As bombas das estações elevatórias são trifásicas com alimentação a 380V AC

50Hz, e com comando a partir de contactores. O funcionamento das mesmas é

condicionado pela posição das bóias de nível existentes em cada estação elevatória.

 

 

Figura 58 – Poço de Bombagem

3.3.1.11 – Electro-válvula EV4  

A válvula VM4 permite o acesso da água da rede pública a prensa de lamas. O

seu controlo é do tipo ON/OFF. A alimentação é de 230V AC.

 

3.3.1.12 – Prensa de Lamas

A prensa de lamas é de alimentação trifásica, usando um variador de

velocidade para ajuste da velocidade de funcionamento.

 

 

Figura 59 – Prensa de Lamas

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

106 

 

Possui duas botoneiras de emergência, e 4 sensores dentro da máquina para

proteger os possíveis desvios das telas interiores. O comando fica a cargo do

autómato “escravo” 2 presente na casa das lamas.

3.3.2.13 – Tapete Transportador  

O tapete transportador encarrega-se de transportar as lamas para um atrelado

de tractor localizado na parte exterior do edifício. É movido a partir de um motor

trifásico, com variador de velocidade.

 

 

Figura 60 – Tapete transportador

O controlo do tapete transportador é efectuado através do autómato “escravo ” 2.

 

3.3.2.14 – Estação de Dosagem e Bomba de polimentos  

A estação de dosagem é de funcionamento autónomo, limitando-se a preparar o

polímero para posteriormente ser adicionado as lamas aquando o funcionamento da

prensa. A bomba de polímeros tem como objectivo alimentar a prensa com o polímero

preparado sempre que a mesma entra em funcionamento. A bomba é de 380V AC e

de comando ON/OFF feito pelo autómato “escravo” 2.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

107 

 

 

Figura 61 – Estação de Dosagem

3.3.2.15 – Sensor do manto de lamas

O sensor do manto de lamas, indicado na figura 62, permite detectar o nível de

concentração de lamas no interior do espessador. A ordem de funcionamento da casa

das lamas é dada por este equipamento.

Figura 62 – Sensor do manto de lamas

 

A alimentação é de 230V AC e permite o ajuste da sensibilidade no controlador.

O tipo de sinal enviado ao “escravo” 2 é ON/OFF.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

108 

 

3.3.2 – Equipamento de Comando

Depois da pesquisa de mercado e análise das soluções encontradas, optou-se

por usar como base três autómatos Telemecanique Twido com a referência

TWDLCAE40DRF.

Para além do preço bastante competitivo, inclui de base 40 pontos de ligação,

24 entradas (2 canais de entrada para contagem rápida e 2 canais de entrada para

posicionamento com funções de PWM) e 16 saídas (14 saídas a relé e 2 saídas a

transístor), uma porta serie RS232, uma porta RJ45. Como utilitários de programação

inclui de base 128 temporizadores, 128 contadores e um horadatador.

Poderá ter ainda mais uma porta RS232/485, e 7 módulos de entradas e

saídas.

Figura 63 – Autómato Twido TWDLCAE40DRF

3.3.2.1 – Autómato “mestre”  

O autómato “mestre” para além da base referenciada anteriormente, possui os

seguintes módulos de expansão:

• TWDAMI8HT – Modulo de oito entradas analógicas 0-20mA/0-10V

• TWDAMM6HT – Modulo de 4 entradas analógicas e 2 saídas 4-

20mA/0-10V

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

109 

 

O primeiro módulo recebe os sinais analógicos dos sensores de caudal e

oxigénio, o segundo é para comando das válvulas motorizadas, deixando duas

entradas livres para futuras utilizações.

3.3.2.2 – Autómato “escravo” 1

O autómato “escravo” 1 tem o módulo de expansão TWDMO1HT, que é um

módulo de uma saída analógica 4-20mA para comando da válvula motorizada VM4.

3.3.2.3 – Autómato “escravo” 2

Este autómato tem também um módulo igual ao anterior para comando da

válvula motorizada VM3.

3.3.2.4 – Consola

Em vez da consola obsoleta que o caderno de encargos referia, optou-se por

uma Magellis XBTN200 da Telemecanique, que permite ao responsável pela

instalação alterar alguns dos parâmetros da instalação.

Figura 64 – Consola Telemecanique XBTN200

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

110 

 

3.4 – Programação  

Atendendo a extensão do programa de controlo da ETAR, apenas serão

referidos extractos de código referente a comunicação modbus TC/IP, e ao controlo

temporizado dos equipamentos base.

3.4.1 – Programação da comunicação entre autómatos  

Para a implementação do sistema, começou-se por programar a rede entre os

três autómatos.

Para tal foram definidos os seguintes endereços IP por cada um dos autómatos:

• “Mestre” – 192.168.2.101

• “Escravo” 1 – 192.168.2.102

• “Escravo” 2 – 192.168.2.103

 

 

Figura 65 – Janela do Twidosoft para configuração do endereço IP do PLC

 

De salientar que para definir os endereços IP de cada autómato é necessário

faze-lo usando a porta série. Só depois de configurados os endereços IP é que é

possível trabalhar nos autómatos sobre a rede Ethernet.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

111 

 

No autómato “mestre” deve designar-se quais os endereços IP dos “escravos”.

Nestes, é apenas necessário definir o endereço do próprio autómato.

 

Figura 66 – Janela do Twidosoft para configuração dos “escravos”

Depois de concluída a configuração no “mestre”, surge um resumo com as

características básicas da rede, como demonstra a figura 67.

 

Figura 67 – Janela do Twidosoft com o resumo de configuração da rede

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

112 

 

Depois de definidos os endereços de cada um, foi implementada a

comunicação entre eles usando o protocolo Modbus TCP/IP.

No entanto primeiro é necessário definir em cada autómato as áreas de

memória que vamos usar para alojar os dados a partilhar entre os três autómatos.

Para a implementação do sistema apenas é preciso partilhar cinco dados de

cada autómato. O “mestre” terá vinte áreas de memória reservadas, e cada “escravo”

terá dez, onde cinco serão para ler o “mestre” e as outras cinco serão para o “mestre”

escrever, como se pode verificar nas tabelas 9 a 12.

 

Tabela 9 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 1

“Mestre” “Escravo” 1 Os valores colocados nas posições de memória do

“mestre” estarão

presentes no nas posições de

memória indicadas do “escravo” 1

%MW10 %MW10

%MW11 %MW11

%MW12 %MW12

%MW13 %MW13

%MW14 %MW14

 

Tabela 10 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 2

“Mestre” “Escravo” 2 Os valores colocados nas posições de memória do “mestre” estarão presentes no nas posições de memória indicadas do “escravo” 2

%MW20 %MW10

%MW21 %MW11

%MW22 %MW12

%MW23 %MW13

%MW24 %MW14

 

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

113 

 

Tabela 11 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 1

“Escravo” 1 “Mestre” Os valores colocados nas posições de memória do “escravo” 1

estarão presentes nas posições de

memória indicadas do

“mestre”

%MW0 %MW107

%MW1 %MW108

%MW2 %MW109

%MW3 %MW110

%MW4 %MW111

Tabela 12 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 2

“Escravo” 2 “Mestre” Os valores colocados nas posições de memória do “escravo” 2

estarão presentes no nas posições

de memória indicadas do

“mestre”

%MW0 %MW127

%MW1 %MW128

%MW2 %MW129

%MW3 %MW130

%MW4 %MW131

 

O código responsável pela gestão da comunicação fica no “mestre”, uma vez

que é ele o responsável pela gestão da comunicação.

Para se conseguir comunicar entre “mestre” e “escravo”, é preciso conhecer

algumas funções importantes:

• EXCH3 – É a função que escreve na porta Ethernet.

• %MSG3 – É a função responsável pelo controlo da comunicação Ethernet.

Sempre que se realize uma transferência de dados com sucesso, o bit MSG3.D

toma o valor 1 (Um).

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

114 

 

É necessário definir uma tabela de palavras (%MWi:L) que contém os dados a

enviar/receber e a informação necessária ao controlo da comunicação, em que %MWi

é o endereço da primeira palavra a enviar/receber e L é o total de palavras a

enviar/receber.

O tamanho máximo das tramas enviadas/recebidas é de 128 bytes (64

palavras). A tabela de palavras associada à instrução EXCH3 é composta pelas

tabelas de controlo, transmissão e recepção, de salientar que todos os valores a

colocar nas tabelas devem ser em hexadecimal.

Na figura 68 é possível ver a rede 0, que contém a tabela de dados usada para

ler as posições de memória do “escravo” 1.

Figura 68 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 1

Nos primeiros dois ramos está definida a tabela de controlo, que se explica a

seguir:

• %MW100 := 16#106; 01-Index do “escravo” (neste caso é 1);

06-Comprimento da tabela transmissão

• %MW101 :=16#300; 03 – Offset de Recepção; 00 - Offset de

Transmissão.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

115 

 

De seguida vem a tabela de Transmissão:

• %MW102 :=16#0103; 01:Index “escravo” (neste caso é o “escravo” 1);

03:Código função Modbus

• %MW103 := 0; 0 é o endereço da primeira palavra a ler do “escravo” 1

• %MW104 := 5; 5 é a quantidade de palavras a ler

Por ultimo a tabela de recepção:

• %MW105 := 16#0103; 01:Index “escravo” (neste caso é o “escravo” 1);

03:Código função Modbus (os valores presentes nesta posição de memoria

são desprezados)

• %MW106 := 16#0008; 00:Byte adicionado pelo Offset de Recepção; 08:Nº

de bytes recebidos (os valores presentes nesta posições de memoria são

desprezados)

• %MW107 := XXXX; em que a XXXX é o primeiro valor lido do “escravo” 1

• %MW111 := XXXX; XXXX é o quinto valor lido do “escravo” 1

Figura 69 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 2

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

116 

 

Na figura 70 apresenta-se a tabela de escrita no “escravo” 1.

Figura 70 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 1

Desta forma nos primeiros dois ramos esta a tabela de controlo, em que:

• %MW140 :=16#112; 01- Transmissão/Recepção; 12- valor correspondente a

8+2*N (N é o numero de palavras a transmitir), neste caso N=5, logo 8+2*5=18

que em hexadecimal é 12.

• %MW141 :=16#7; 00- Offset de recepção; 07- Offset de transmissão

Nos próximos ramos temos a tabela de transmissão:

• %MW142 :=16#110; 01- índex do “escravo” (neste caso é 01); 10- código do

pedido que é 16 em decimal e 10 em hexadecimal

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

117 

 

• %MW143 :=16#A; A- Endereço da primeira posição de memória onde

escrever os dados transmitidos, neste caso será na %MW10 do “escravo” 1

• %MW144 :=16#5; 5- É o numero de palavras a ser transmitidas (valor N)

• %MW145 :=16#A; A- (2*N) É o numero de bytes a ser escrito no “escravo” 1,

neste caso são 5 palavras que dão 10 bytes.

• %MW145:5 := %MW10:5; Transmissão das palavras presentes no “mestre”

entre as posições de memoria %MW10 e %MW14 para as posições de

memória do “escravo” compreendidas entre %MW10 e %MW14.

Figura 71 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 2

Neste caso, e como já se pode ver anteriormente, definiu-se quatro tabelas de

dados, duas de leitura e duas de escrita, em que da posição %MW100 a %MW119 é a

tabela de dados referente a comunicação de leitura com o “escravo” 1, da %MW120 a

%MW139 é referente a comunicação de leitura do “escravo” 2, da %MW140 a

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

118 

 

%MW159 é da comunicação de escrita no “escravo” 1, e por ultimo da %MW160 a

%MW179 é tabela de dados referente a comunicação de escrita no “escravo” 2.

Depois de definidas as áreas de memória referentes aos dados a partilhar e ao

controlo da comunicação é necessário criar uma palavra para controlo do “Polling” que

gere a ligação, definindo uma ordem na comunicação dos “escravos” com o “mestre”.

Para o “Polling” usou-se a palavra %MW99, que de cada vez que o MSG3.D

toma o valor 1 é incrementado o “Polling” para que este passe a comunicar com outro

“escravo”.

Desta forma garante-se que só é feito o “Polling”, depois da comunicação

concluída com o “escravo” actual. O grafcet da comunicação é apresentado na figura

72.

 

Figura 72 – Grafcet do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos”

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

119 

 

O ladder da gestão da comunicação está ilustrado na figura 73.

 

 

Figura 73 – Ladder do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos”

 

Por análise do ladder presente na figura 73 com a rede 4, é possível verificar

que quando %MW99 := 0, o “mestre” transmite pela porta EXCH3 (Porta Ethernet) a

tabela de dados correspondente a leitura de 5 palavras do “escravo” 1. O valor 20 foi

utilizado para uma possível transferência de até 13 palavras.

 

3.4.2 – Controlo dos equipamentos básicos da ETAR

O comando dos equipamentos básicos da ETAR comandados a partir do

QGBT instalado na Casa de comando é feito por temporização, desta forma para cada

equipamento com este tipo de comando, foram criados dois temporizadores com

bases de tempo em minutos, em que um deles é responsável pelo tempo de

funcionamento e o outro é responsável pelo tempo de pausa.

O primeiro é um temporizador por impulsos que através da consola é possível

seleccionar o tempo do impulso, o impulso representa o tempo de funcionamento.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

120 

 

 

Figura 74 – Modelo de um temporizado de funcionamento dos equipamentos

O segundo temporizador é de atraso a operação e através da consola é

possível seleccionar o tempo de atraso, que permite seleccionar e ajustar o tempo de

paragem do equipamento em causa.

 

Figura 75 – Modelo de um temporizador de paragem dos equipamentos

 

Neste caso da grade mecânica, os bits usados para incrementar ou

decrementar o tempo de funcionamento ou paragem através da consola foram:

• %M20 - Incrementa o tempo de funcionamento da grade mecânica;

• %M21: Decrementa o tempo de funcionamento da grade mecânica;

• %M22: Incrementa o tempo de pausa da grade mecânica;

• %M23 : Decrementa o tempo de pausa da grade mecânica.

Como se pode ver na figura 77, o tempo limite de desligado é 1440 minutos

que corresponde a 24 horas.

 

 

 

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

121 

 

 

Figura 76 – Ladder do controlo de funcionamento da grade mecânica

 

 

Figura 77 – Ladder do controlo do tempo de funcionamento da grade mecânica

 

 

Figura 78 – Atribuição dos valores seleccionados na consola aos temporizadores

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

122 

 

3.4.3 – Controlo das Estações Elevatórias  

O controlo das Estações elevatórias de águas limpas e sobrenadantes é

idêntico. Como já foi dito anteriormente, o controlo é feito por intermédio de 4 bóias de

nível. O comando da estação elevatória de lamas é ligeiramente diferente visto que o

seu funcionamento é idêntico aos equipamentos básicos da ETAR controlados pelo

autómato “mestre”, ou seja, o seu funcionamento é por intervalos de tempo definidos

na consola existente no QGBT. Como tal, apenas se faz referencia ao funcionamento

das duas primeiras estações elevatórias e usando como exemplo a estação elevatória

de águas limpas.

 

Figura 79 – Representação do equipamento que constitui uma Estação Elevatória

Para que as bombas funcionem é necessário que o nível do poço esteja acima

do nível da bóia de mínimo. O nível do poço atingindo a bóia de alternância faz ligar

uma das bombas até que o nível atinja a bóia de mínimo. Da próxima vez que o nível

atingir a bóia de alternância, funcionará a bomba 2, deixando a primeira em repouso.

Caso o nível chegue a bóia de reforço liga a bomba que está em repouso,

ajudando a bomba em funcionamento a repor os níveis do poço.

Numa situação excepcional, em que por algum motivo o nível do poço atinja a

bóia de alarme, é sinalizada uma avaria no quadro eléctrico local (QP02) e enviado um

aviso ao Quadro eléctrico Geral (QGBT) indicando uma avaria nas elevatórias

correspondentes. Para cada elevatória existem 3 avarias possíveis, avaria de térmico

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

123 

 

da bomba 1, avaria de térmico da bomba 2, ou avaria de ambas as bombas, atingindo

o nível de alarme.

Para executar a programação do sistema, definiram-se as entradas e saídas, e

foi criado um grafcet com o funcionamento básico da estação elevatória.

Como Entradas definiu-se:

Bóia de mínimo – I0.7

Bóia de Alternaria – I0.6

Bóia de Reforço – I0.5

Bóia de Alarme – I0.4

E como Saídas foram definidas as seguintes portas:

Bomba 1 – Q0.2

Bomba 2 – Q0.3

 

O estado M0, representa o início do sistema e as bombas estão desligadas,

uma vez que o poço está vazio.

O estado M1, representa o funcionamento da bomba 2, em que o tanque está

ao nível da bóia de alternância, e o bit de alternância M10 é 1.

O estado M2, representa o funcionamento da bomba 1, em que o tanque está

ao nível da bóia de alternância, mas o bit de alternância M10 é 0.

Tanto no estado M1 como no M2, sempre que o poço atinja a bóia de mínimo,

as bombas são desligadas com o regresso do programa ao estado M0.

Se por alguma razão, o poço atingir a bóia de reforço, é colocada em

funcionamento a bomba que estiver em repouso. E neste estado, as bombas só

deixaram de funcionar quando o nível do poço atingir a bóia de mínimo.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

124 

 

 

Figura 80 – Grafcet do funcionamento de uma Estação Elevatória

Depois de criado ao grafcet tiram-se as equações que permitem a criação do

ladder:

 

  Nas figuras seguintes está representado o ladder resultante das equações, e

que se destina ao funcionamento da estação elevatória de águas limpas.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

125 

 

 

 

 

 

 

 

 

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

126 

 

 

Figura 81 - Ladder do funcionamento da Estação Elevatória de águas limpas

3.4.4 – Controlo da casa das lamas  

O funcionamento da casa das lamas é sequencial, e o seu funcionamento é

activo pelo sinal proveniente do sensor do manto de lamas. No entanto o ciclo depois

de iniciado, só termina quando atingir o tempo que foi previamente configurado na

consola presente no QGBT. O temporizador que determina o tempo de funcionamento

é o %TM5 e recebe o tempo definido na consola através da palavra %MW13 do

“escravo” 1. A palavra %MW13 no “escravo” 1 é a mesma que a % MW23 no “mestre”,

onde é escrito o valor definido na consola pelo utilizador.

 

Figura 82 – Temporizador responsável pelo tempo de ciclo da casa das Lamas

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

127 

 

3.4.5 – Programação da consola  

Para a programação da consola utilizou-se o software XBT-L1000 V4.42

começando por se definir o modelo da consola, e configurando o tipo de comunicação

como se pode ver na figura 83.

 

 

Figura 83 – Configuração da Consola

 

De seguida é necessário definir a consola como “mestre”, e inicia-se a construção das páginas de configuração do sistema.

Figura 84 – Página de configuração da consola como “mestre”

Como o protocolo a usar com a consola é diferente do usado na comunicação

com os “escravos”, define-se a consola como “mestre”. O protocolo usado na

comunicação do autómato com a consola é o Modbus RTU.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

128 

 

 

Figura 85 – Configuração da primeira página da consola

A programação da consola é simples, resumindo-se a criação de páginas de

navegação que poderão apresentar o valor de uma variável da área de memória do

autómato, ou permitir a sua alteração. Para tal é necessário definir a variável a

visualizar, ou no caso de ser uma página de configuração, definir a variável a alterar e

as respectivas acções das teclas necessárias.

 

 

3.5 – Parâmetros e configuração

Como já foi dito anteriormente existe uma pequena consola no QGBT que

permite alterar alguns parâmetros de funcionamento da ETAR, nomeadamente os

tempos de funcionamento e paragem dos arejadores 1 e 2, da grade mecânica e do

decantador secundário. A abertura das válvulas VM1, VM2 e VM3 também pode ser

configurada num dos menus presentes na consola.

A informação relativa aos parâmetros de funcionamento está distribuída por

diversas páginas navegáveis, onde o utilizador percorrendo pagina a página pode

visualizar os valores relativos aos parâmetros configuráveis, e aos valores recolhidos

dos sensores.

Na figura 86, está representado o diagrama de navegação da consola, em que

a seguir se explica o objectivo de cada página que constitui o programa.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

129 

 

 

 

                      

 

 

 

 

 

                                             

       

 

                              

                                                           

Figura 86 – Diagrama de navegação

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

130 

 

3.5.1 – Funções da Consola  

Como se pode verificar na figura 87, a primeira pagina da consola contem

dois menus, o da esquerda que permite verificar os valores de caudal e oxigenio

provenientes dos respectivos sensores e o da direita que permite a alteração de uma

serie de parametros importantes ao funcionamento da ETAR.

Figura 87 – Página inicial da consola

Seguindo o menu da esquerda (Carregando na tecla com a seta para baixo e

posteriormente carregando na tecla para a esquerda) entramos num menu como o que

consta na figura seguinte (Figura 88).

Figura 88 – Página de visualização do estado dos sensores de caudal 1 e 2

Neste menu é possivel verificar o valor dos sensores de caudal 1 e 2, e é

possivel passar a pagina seguinte (Carregando na tecla com a seta para baixo e

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

131 

 

posteriormente carregando na tecla para a direita), onde esta presente o valor actual

do SQ3.

Usando o procedimento descrito anteriormente é possível avançar a pagina

seguinte (Figura 89) para visualizar os valores dos sensores de oxigénio 1 e 2

presentes nos respectivos tanques de arejamento indicado na figura 90.

Figura 89 – Página de visualização do estado do sensor de caudal 3

Figura 90 – Página de visualização do estado dos sensores de oxigenio

Para voltar para o menu principal é necessário carregar seguidamente na tecla

“ESC” até recuar até a página pretendida.

Voltando ao Menu principal e carregando na tecla para a direita encontramos

um parâmetro que nos permite desligar todos os equipamentos de uma só vez (Grade

Mecânica, Arejadores 1,2 e Decantador), carregando na tecla para cima e de seguida

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

132 

 

ao carregar na tecla para a direita é possível alterar o valor de 0 para 1 (0-Desligado,

1-Ligado).

Na linha inferior do display da consola, indicado na figura 91, encontra-se um

sub-menu que permite a configuração dos tempos de funcionamento dos

equipamentos em minutos ou configurar a abertura parcial das válvulas, sendo este

valor representado em percentagem.

Figura 91 – Pagina inicial da consola

Entrando no sub-menu das Válvulas, como representado na figura 92 aparece

a lista das respectivas válvulas permitindo a selecção da que queremos visualizar ou

alterar a sua posição.

Figura 92 – Página para selecção do equipamento a configurar

Escolhendo qualquer uma das Válvulas apresentadas é possível visualizar a

posição actual das válvulas e alterar o seu valor, como se verifica na figura 93.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

133 

 

Figura 93 – Pagina que permite a configuração válvula VM2

Voltando ao Submenu representado na figura 91 e seleccionando a opção

tempos, encontra-se a lista de equipamentos que permite a configuração dos tempos

de funcionamento e paragem, como indicado na figura 94.

Figura 94 – Menu de configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos

Seleccionando qualquer um deles é apresentado um grupo de parametros

configuraveis atraves das respectivas setas, que permite o incremento ou decremento

dos tempos de funcionamento e/ou paragem em minutos, como se pode evidenciar na

figura 95.

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

134 

 

Figura 95 – Página de configuração do tempo de funcionamento de um equipamento

É importante referir que, em caso de falha de energia por tempo superior ao

que os UPS (Uninterruptible power supply) são capazes de suportar, os valores dos

tempos de funcionamento dos equipamentos e da abertura das válvulas são repostos

para valores de defeito. Os tempos dos equipamentos é de 5 minutos de

funcionamento e 15 de pausa, na recirculação de Lamas é de 30 minutos de

funcionamento e 30 minutos de pausa e nas válvulas é 30% para a VM1, 70% a VM2

e 100% para a VM3.

CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

 

135 

 

4 – Conclusão

Atendendo a que o principal objectivo da ETAR é preservar o ecossistema, era

de todo obrigatório que o seu funcionamento fosse perfeito para garantir que a água

despejada no rio respeitasse todas as obrigatoriedades legais.

O funcionamento básico da ETAR era composto por duas fases de tratamento,

o preliminar e o secundário. Para garantir a eficácia do tratamento foi necessário que:

− Na fase preliminar do tratamento os sólidos fossem removidos pela

grade mecânica, e que a mesma fosse periodicamente limpa;

− No tratamento secundário os arejadores de superfície dos tanques

fornecessem periodicamente ar às lamas activadas garantindo a

sobrevivência das mesmas;

− A ponte raspadora removesse periodicamente os sobrenadantes;

− A estação elevatória de lamas fizesse a recirculação das mesmas;

− Os sobrenadantes fossem recolocados nos tanques de arejamento;

− As lamas fossem enviadas para o espessador e posteriormente

tratadas para poderem ser reutilizadas em outras aplicações,

nomeadamente, na agricultura.

O funcionamento da grade mecânica, dos arejadores e da ponte raspadora é

temporizado, desta forma, foram implementados temporizadores para determinar o

tempo de funcionamento e o tempo de paragem de cada um dos equipamentos.

A estação elevatória de lamas, constituída por duas bombas, é de

funcionamento periódico, como tal, para além da rotina de alternância entre as duas

bombas foram também implementados temporizadores de funcionamento e paragem.

O tratamento de lamas depende fulcralmente do filtro de banda (Prensa de

Lamas). Desta forma, e uma vez que o funcionamento do filtro depende de outros

equipamentos, nomeadamente da bomba de polímero, do fornecimento de água, e da

abertura da válvula que permite o acesso das lamas ao filtro, foi necessário

CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

 

136 

 

implementar uma aplicação que, de forma sequencial, fosse ligando e desligando os

respectivos equipamentos mediante as necessidades do filtro.

Estando a ETAR dividida por três zonas cruciais, e com os processos de cada

uma bem definidos, criaram-se as listas de sensores (Entradas) e actuadores

(Saídas) correspondentes a cada um dos autómatos responsáveis pela respectiva

zona.

No entanto, e uma vez que é na casa de comando que fica colocado o

sinóptico geral de funcionamento e avarias, foi necessário criar uma lista de variáveis

que cada autómato “escravo”, forneceria ao autómato “mestre”, por forma a que este

pudesse disponibilizar os sinais na casa de comando.

Para a comunicação entre os autómatos, implementou-se uma rede Ethernet,

usando como meio físico cabo UTP entre os três autómatos. O protocolo usado foi o

Modbus TCP/IP.

O sistema depois de testado e colocado em funcionamento, mostrou-se muito

robusto e fiável. A consola colocada no QGBT, tornou todo o sistema mais versátil do

ponto de vista do utilizador, uma vez que permite ao responsável pela instalação

alterar alguns parâmetros de funcionamento de forma fácil e intuitiva.

Com este tipo de sistemas de automação e controlo consegue obter-se maior

rendimento das instalações e diminuir os consumos energéticos, uma vez que o

funcionamento pode ser programado para horários de consumo em vazio ou super

vazio, em que o preço da tarifa energética é mais económico.

Depois de estabilizado o funcionamento da ETAR, e atendendo a que o sistema

é cíclico, é bastante fácil para a entidade responsável pela exploração, elaborar planos

de manutenção preventiva.

As potencialidades deste tipo de sistemas são de tal ordem vastas que as

ideias para o desenvolvimento deste sistema são intermináveis, desta forma, no futuro,

o controlo de alguns dos equipamentos será optimizado, nomeadamente na grade

CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

 

137 

 

mecânica, onde o funcionamento da mesma irá ficar condicionado ao valor do caudal

de entrada, para que esta só funcione quando houver caudal, pois não faz sentido a

grade mecânica funcionar de 30 em 30 minutos não havendo entrada de efluente.

O funcionamento dos arejadores podia estar optimizado para só funcionar em

função dos valores recolhidos pelos sensores de oxigénio colocados nos tanques. No

entanto e uma vez que o tempo de vida útil dos sensores de oxigénio é demasiado

curto e requer uma manutenção regular das sondas, era de todo arriscado utilizar os

valores provenientes dos mesmos como referencia para o funcionamento dos

arejadores, visto que ficariam em causa a sobrevivência das lamas.

Poderá aproveitar-se a segunda porta RS232 existente no autómato “mestre”, e

através de um modem GSM, enviar mensagens SMS de alarme ao técnico

responsável pelas instalações.

Atendendo a que no município existem mais Estações de tratamento de

águaes, poderá ser implementado em todas, um servidor Web com uma aplicação on-

line capaz de permitir uma supervisão e controlo online, tornando assim possível um

sistema centralizado de comando.

A execução deste trabalho foi importante essencialmente na pesquisa de

tecnologias. O resultado da pesquisa permite a familiarização com uma grande

variedade de marcas e produtos existentes, ganhar a sensibilidade necessária para a

escolha da tecnologia correcta para determinada aplicação e essencialmente a

experiência para escolher as tecnologias e produtos mais económicos em função da

aplicação sem por em causa o rendimento e/ou eficiência da mesma.

CAPITULO 4 - CONCLUSÃO

 

138 

 

 

BIBLIOGRAFIA

 

139 

 

Bibliografia

[1] João R. Caldas Pinto, Técnicas de Automação, 2ª Edição, ETEP, Março de 2007.

[2] António M. S. Francisco, Autómatos Programáveis, 4ª Edição, ETEP, Julho de 2007.

[3] HENRIQUE HAAS, Emprego de Redes Ethernet como Suporte de Comunicação de

Sistemas de Automação Industrial, 2005, disponível em

http://gnoia.org/projetos/unioeste/4ano/tcc/medelin/www/mono.html

[4] Bruno F. Marques, Apontamentos apresentados na pagina pessoal, Escola Superior de

Tecnologia de Viseu, 2008, disponível em

http://www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/bmarq/ensino/ri/

[5] Edgard Franco, Conceito Amplificado de Eficiência Energética, schneider electric brasil,

2007, disponivel em

http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/23-05-

2007/sala3/edgard_franco.pdf

[6] Carlos E. Morimoto, Redes, Guia Prático, GDH Press e Sul Editores, Abril de 2008,

disponível em http://www.gdhpress.com.br/redes/

[7] Fátima Borges (Engª), Redes de Comunicação Industrial, Centro de Formação da

Schneider Electric Portugal, 2007, disponível em

http://www.schneiderelectric.pt/paginas/Formacao/DOC_tecnicos/DOC_tecnicos/DocTecni

co_redes.pdf

[8] AS-Interface, Virtual Academy of AS-International Association, disponivel em

http://www.as-interface.net/academy/content/tech/kap4/kap4_01.en.html

[9] Adelino Silva e Mário Felgueiras, Sistemas e Planeamento Industrial – Redes de Campo e

de Instrumentação, disponível em

http://ave.dee.isep.ipp.pt/~malves/act_lect/RECIN/Trabalhos%202007-

08/RECIN_Modbus.pdf~

[10] Eng. César Cassiolato, Eng. Leandro Henrique B. Torres, Eng. Paulo Roberto Camargo,

PROFIBUS – Descrição Técnica, disponível em

http://www.profibus.org.br/artigos/PROFIBUS_DESC_TEC_2006.pdf

[11] José A. Fonseca, Redes de Comunicação em Ambientes Industriais, Setembro de 1999,

http://www.ieeta.pt/~jaf/RCAI/Acetatos/red_4.PDF

[12] Http://www.freepatentsonline.com/5638411.html, data (22 de Abril de 2009)

BIBLIOGRAFIA

 

140 

 

[13] http://www.cisco.com/en/US/docs/internetworking/technology/handbook/Ethernet.html,

data (22 de Abril de 2009).

[14] Larry Jordan e Bruce Churchill, Communications and networking for the IBM PC and

compatibles, 4º Edition, Brady, 1992.

[15] Dougles M., Proccess/Industrial instruments and controls handbook, 4ª Edição, Mc Graw

Hill international editions, 1993.

[16] Dougles M., Standard Handbook of industrial automation, Chapman and Hall, 1986.

ANEXOS

 

141 

 

Anexos

Anexo 1: Programa de controlo do Autómato “mestre”

Anexo 2: Programa de Controlo do “escravo” 1

Anexo 3: Programa de controlo do “escravo” 2

Anexo 4: Programa da consola