Automação Elétrica de Processos Industriais Parte II

1. Automação Elétrica de Processos Industriais Parte II

2. Redes de Automação

3. Hierarquia entre Redes

4. Nível 1 • Nível dos dispositivos de campo, sensores e atuadores. • Onde atua o controlador programável. Nível 2 • Neste nível, localizam-se os Controladores que atuam nos dispositivos de campo do nível 1. • Integração entre unidades inteligentes. Nível 3 • Possui algum tipo de supervisão associada ao processo • Neste nível, localizam-se os concentradores de informações sobre o Nível 1 e as Interfaces Homem-Máquina (IHM).

5. Nível 4 • controle do processo produtivo da planta; constituído por bancos de dados, MRP, etc. Nível 5 • Programação e planejamento da produção realizando o controle e a logística dos suprimentos. • Administração dos recursos da empresas. Possui softwares para gestão de vendas e gestão financeira, é feita a decisão e o gerenciamento de todo o sistema, SAP, etc.

6. Principais Conceitos de Rede

7. Cabo de Par Trançado Cabo Coaxial Jacket of PVC or Teflon Jacket made of PVC or Teflon Fibra Óptica Radio Frequência Meio Físico de Comunicação

8. Tecnologia de Comunicação Ponto-a-ponto • Desperdício de banda, repetição dos dados quando apena o destino é diferente. • Dado é enviado várias vezes.

9. #1 CTRL2 CTRL1 HMI #2 Sensor Tecnologia de Comunicação Produtor-Consumidor • múltiplos nós podem simultaneamente consumir os dados de um mesmo produtor • nós podem ser sincronizados • utilização mais eficiente da banda de comunicação • Mensagem #1 • referência de posição do sensor transmitida em multicast aos CTRL1, 2 e IHM • Mensagem #2 • comando de velocidade do CTRL1 transmitido simultâneamente aos 3 drives e IHM • Multicast não é possível com modelo origem/destino • no sistema acima teríamos necessariamente 7 mensagens

10. Tecnologia de Comunicação Comparação: Informando a hora para uma sala com 15 pessoas Ponto-a-ponto x Produtor/Consumidor • Ponto-a-ponto • Uma pessoa (origem) informa individualmente a cada uma das outras pessoas na sala (destino) o horário marcado em seu relógio (dado) • O tempo continua passando enquanto a “origem “ informa o horário a cada um • - dados não estarão corretos após as primeiras pessoas • - tanto origem como destinos terão que fazer ajustes para se alcançar algum tipo de sincronismo • A agilidade deste processo varia em função do número de pessoas na sala

11. Tecnologia de Comunicação Comparação: Informando a hora para uma sala com 15 pessoas Ponto-a-ponto x Produtor/Consumidor • Produtor/Consumidor • Uma pessoa informa o horário (produtor) a todos os presentes • Todas as 20 pessoas recebem a informação simultaneamente • Algumas pessoas podem optar por “consumir”os dados (reconhecer a recepção por um gesto, ajustar seus relógios, etc..) • Outros podem optar por não “consumir” a informação. • Altamente eficiente (os dados são produzidos apenas uma vez, não são necessários ajustes adicionais para produtores e/ou consumidores) • Altamente determinístico (tempo de transmissão não muda se mais pessoas entrarem ou sairem da sala)

12. Tecnologia de Comunicação Mestre-Escravo • Escravo: Periférico Passivo • Dispositivos escravos trocam dados apenas com o Mestre • Multimestre • Mais de um mestre • Cada mestre tem seu próprio conjunto de escravos. • Dispositivos escravos apenas trocam dados com seus mestres.

13. Método de Troca de Dados • CSMA/CD • Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection • Quando dispositivo detecta a colisão, a transmissão é abortada e após um tempo randômico o dispositivo tenta transmitir novamente. • Token-Passing • O Token: sequência especial de bits que circula dentro do anel • Caso um dispositivo queira transmitir, ele deve “capturar” o token, substituindo-o por um frame

14. a cada 100ms a cada 5ms a cada 2000ms analog I/O Método de Troca de Dados Cíclica • Os dispositivos produzem (transmitem) dados a uma taxa configurada pelo usuário (entrada/saída). • Vantagens: • Dados transferidos a uma taxa adequada ao dispositivo/aplicação. • Recursos podem ser preservados para dispositivos com alta variação.

15. Método de Troca de Dados Polling • Quando os dispositivos recebem dados (normalmente saídas) imediatamente enviam seus dados (normalmente entradas) • Compatível com sistemas Mestre/Escravo & Multimestre • - Normalmente não é utilizado com “peer-to-peer” • Desenvolvido sobre origem/destino, mestre/escravo

16. digital I/O Método de Troca de Dados Mudança de Estado • Dispositivos produzem dados apenas quando tem seu estado alterado • Existe um sinal em segundo plano transmitido ciclicamente para confirmar que o dispositivo está funcionando corretamente. • Vantagens: - reduz significativamente o tráfego da rede - recursos não são desperdiçados processando-se dados antigos

17. Performance da Rede • Velocidade: • Taxa de transferência total de dados por unidade de tempo. • Considera informações (dados úteis) e o Envelope de Comunicação (dados de controle do protocolo). • Throughput: • Taxa de transferência de informações por unidade de tempo. • Considera apenas os dados efetivamente úteis para os integrantes da Rede. Confiabilidade da Rede • Redes Probabilísticas: • Permite apenas calcular a probabilidade da transferência de informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo. • Redes Determinísticas: • Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da Rede.

18. Computador/Terminal/ Estação Remota Esquema de Rede em Barra Computador Esquema de Rede em Anel Topologias de Redes I) Meio Partilhado

19. Esquema de Rede em Estrela anfitrião terminais Esquema de Rede em Grafo Esquema de Rede em Árvore II) Ponto a Ponto

20. Considerações • Necessidade • Custo (Projeto / Instalação / Produtos) • Fácil Instalação / Configuração / Expansão • Procedimento de Manutenção Simples • Quantidade de Dispositivos • Tecnologia Consolidada • Disponibilidade de Produtos

21. Sistemas Supervisórios Interfaces Homem Máquina (IHM)

22. Circuito Elétrico Sistemas Supervisórios e Interfaces Homem-Máquina .....+ 2500 circuitos... Quais são importantes de serem supervisionados? Sistemas Supervisórios: - permite a supervisão e o comando de determinados pontos da planta automatizada. IHM: - recebe sinais do CLP e do operador - envia sinais para o CLP atuar nos equipamentos instalados na planta - pode ser um equipamento especial que localiza-se no campo

23. Introdução • Sistemas automatizados complexos • Necessidade de uma interface amigável • Facilitar o trabalho de operação • Supervisionar e controlar pontos da planta automatizada. • O PLC envia estes sinais por meio de TAG’s ou bits para a IHM. • É necessário saber de onde virá a variável e como será manipulada pelo PLC ou pelo supervisório, podendo ser do tipo DDE, Memory ou Device.

24. Tipos de Variáveis • DEVICE: os dados se originam dos PLC’s. • São definidas tags para estas variáveis e um endereço físico é associado a elas. • Exemplo de funções associadas a uma tag: • Nome da tag: Digital1 • Estado de Alarme: Ativo • Prioridade de Alame: 2 • Nome de Acesso: CLP-teste • Endereço: I:0/3

25. Tipos de Variáveis • MEMORY: os dados existem localmente no supervisório. • Exemplo: Variável Memória real utilizada como contador.

26. Ambiente de trabalho • Desenvolvimento é o ambiente de desenvolvimento das telas gráficas onde se cria o desenho que será animado. • Run Time é o ambiente onde se mostra a janela animada criada no modo de desenvolvimento.

27. Atividades dos Operadores • Operação Normal: • Vigilância, detectar defeitos ou falhas possíveis • Observação sistemática dos indicadores essenciais a uma visualização sobre o estado geral do processo. Nem todos os parâmetros são observados com a mesma freqüência, pois: • alguns parâmetros fornecem mais informações; • alguns aparelhos são mais estáveis; • algumas desregulagens são mais graves; • alguma unidade específica está em uma fase de operação particular. • Operação sob Contingência: • Simultaneidade de vários eventos simples causadores de perturbações no processo. • Tomada de ações devido a falhas nos equipamentos. • Reconhecimento de Alarmes.

28. Planejamento do Sistema Supervisório 1) Entendimento do processo a ser automatizado 2) Tomada de dados (variáveis) 3) Planejamento do banco de dados 4) Planejamento dos alarmes 5) Planejamento da hierarquia de navegação entre telas 6) Desenho de telas 7) Gráfico de tendências dentro das telas 8) Planejamento de um sistema de segurança 9) Padrão Industrial de Desenvolvimento

29. 1) Entendimento do processo a ser automatizado Verificar o funcionamento do processo completo, com ênfase na parte que deverá ser monitorada pelo sistema supervisório. O CLP pode possuir muitas variáveis, porém deve ser estudadas somente as que aparecerão no supervisório.

30. 2) Tomada de dados (variáveis) O tempo de aquisição das variáveis deve ser definido de acordo com a necessidade. Podem ser definidos diferentes tempos para grupos de variáveis, de acordo com o aplicativo do sistema supervísório utilizado.

31. 3) Planejamento do Banco de Dados O CLP lida com um número muito grande de variáveis, porém, somente uma parte é necessária para o desenvolvimento do sistema supervisório. Além disso, é necessário fazer a distinção entre as variáveis que serão salvas no computador e as que servirão de indicação. Exemplo: Algumas variáveis analógicas importantes para o processo são salvas periodicamente no disco rígido. Para tanto, o item destacado na figura a seguir deve ser selecionado na definição da tag (a forma de definir varia de acordo com o aplicativo utilizado).

32. 4) Planejamento de alarmes • sob quais condições os alarmes serão acionados • quais operadores serão notificados por esses alarmes • quais mensagens deverão ser enviadas • quais ações deverão ser tomadas na ocorrência desses alarmes • chamar a atenção do operador sobre uma modificação do estado do processo • sinalizar um objeto antigo • fornecer indicação global sobre o estado do processo.

33. 5) Planejamento de uma hierarquia de navegação entre telas O sistema supervisório do processo deve possuir menu que possibilite a navegação entre telas de forma amigável para o operador. A seguir são apresentados exemplos de telas de supervisório.

34. Exemplo Tela para navegaçãoGeralmente, os supervisórios possuem na barra inferior um menu para navegação entre telas.

35. 6) Desenho de telas Algumas empresas possuem um padrão para desenvolvimento de Telas de Supervisório. Somente os dados necessários para o processo devem ser exibidos na tela, para simplificar seu entendimento. De acordo com a necessidade, os sistemas de supervisão possuem vários níveis de desenvolvimento, desde simples interfaces de monitoração até sistemas avançados de iteração com o operador. A seguir são apresentados alguns exemplos.

36. Exemplo de tela simples

37. Exemplo tela de complexidade média

38. Exemplo de tela avançada

39. 7) Gráfico de Tendências Para variáveis analógicas que precisam de um monitoramento mais completo, podem ser utilizados gráficos de tendências.

40. Gráfico de Tendências

41. 8) Planejamento de um sistema de segurança Os sistemas supervisórios possuem funções de segurança avançados que permitem a criação de usuários com níveis de segurança. Abaixo encontra-se um exemplo de tela de configuração de usuários:

42. Modelamento e projeto pelas Redes de Petri

43. Classificação dos Sistemas e Processos Sistemas a Eventos Discretos e Redes de Petri

44. Comportamento do sistema Sistemas contínuos no tempo e sistemas a eventos

45. Contador energizável por um intertravamento lógico Sistemas a Eventos Discretos SED's são sistemas em que os sinais: a) Valores num conjunto discreto, como {on, off}, {verde, amarelo}, {1, 2, 3, ...}; b) Alterações de valor são tão rápidas que se podem modelar como instantâneas, em qualquer instante t  R; c) Duas possíveis razões para alteração: ocorrência de eventos instantâneos externos, isolados e independentes; ocorrência de eventos internos, definidos por rigorosas cadeias lógicas. Exemplos de Sistemas a Eventos Discretos

46. Filas de Serviço Manufatura com retrabalho Processo industrial job-shop Recepção Estoque Processo industrial flow-shop Filas de Serviços

47. = posição / lugar = transição = arco orientado Redes de Petri • Rede de Petri (RP) é uma quíntupla (P, T, A, W, m0) em que • P={p1...pn} - conjunto finito de posições ou lugares; • T={t1...tm} - conjunto finito de transições; • A - conjunto finito de arcos pertencente ao conjunto (P x T)  (T x P) • (P x T) - conjunto dos arcos orientados de pi para tj (pi, tj) • (T x P) - conjunto dos arcos orientados de ti para pi (ti, pi); • W : função que atribui um peso w (número inteiro) a cada arco; • m0 - vetor cuja i-ésima coordenada define o número de marcas (tokens) na posição pi, no início da evolução da rede. Simbologia

48. Exemplo de Rede de Petri aplicado a caixa Bancário Automático Rede de Petri

49. Pré-sets e Pós-Sets Pré-set de t : = •t : = { pi  P | A  (ppt)} ou seja, o pré-set de t, •t é o conjunto das posições em P a partir das quais existe arco para a transição t; Pós-set de t: = t •: = {piP | A (t, pi)}; ou seja, o pós-set de t, t•, é o conjunto das posições em P para as quais existe arco oriundo da transição t; Pré-set de p: = • p: = { tj T | A  (tj , p)}; Pró-set de p : = p • : = { tj T | A  (p, tj )};

50. Execução das Redes de Petri • = Movimentação das marcas, pela rede, conforme regras • = HABILITAÇÃO + DISPARO • Uma transição tj é HABILITADA por uma marcação m se, para todo pi tj, m(pi) w(pi, tj) • m: nº de marcas em pi • w: peso do arco pi  tj • II. Uma transição habilitada é DISPARADA por duas operações: • a) remoção de marcas das posições do pré-set (tantas marcas quanto for o peso do arco correspondente) • b) depósito de marcas nas posições do pós-set (tantas marcas quanto for o peso do arco correspondente) • Se a transição for temporizada, com tempo T, este tempo será introduzido entre II.a e II.b. • Se a posição for temporizada, com tempo T, este tempo será introduzido antes que a posição possa habilitar alguma transição.