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Automação Industrial II
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SUMÁRIO
1. Introdução 5
2. Redes Industriais 6
2.1 Sistemas abertos ou proprietários 8
2.2 Topologia de redes 9
2.3 Modelos de redes 10
2.4 Níveis de aplicação 13
3. Protocolos de Comunicação 13
3.1 Profibus 14
3.2 Foudation FieldBus 18
3.3 Hart 23
3.4 ControlNet 28
3.5 DeviceNet 30
3.6 EtherNet/IP 32
3.7 ModBus 35
4. PLC (Controlador Lógico Programável) 36
4.1 Surgimentos do PLC’s 36
4.2 Tecnologia dos PLC’s 37
4.3 Arquitetura básica dos PLC’s 41
4.4 Estrutura interna dos PLC’s 43
4.5 Auto – avaliação de defeitos dos PLC’s 49
4.6 Programação dos PLC’s 50
4.7 Seqüência de programação dos PLC’s 52
4.8 Sistema de controles com PLC’s 56
4.9 Sistemas provisórios utilizando PLC’s 57
5. SPC (Sistema Provisório de Controle) 57
6. SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) 59
Apêndice I – Controle de Processos 60
Apêndice II – Processos Industriais 68
Apêndice III – Ações de Controle 73
Apêndice IV – Tipos de Controle Automático 86
Exercícios 92
Bibliografia 94
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APRESENTAÇÃO
Apresenta-se aqui, os assuntos a serem abordados na disciplina “AUTOMAÇÃO II” do curso técnico em
Eletroeletrônica do Centro de Educação Tecnológica do estado da Bahia – Unidade de Camaçari.
A disciplina vai permitir integrar uma série de conhecimentos na área de automação e controle industrial,
aplicados na transferência e controle de dados em redes industriais.
O programa da disciplina inclui os conceitos fundamentais sobre Protocolos de Comunicação, PLC’s
(Controladores Lógicos Programáveis), Ações de Controle e Redes Industriais que possuem características
específicas para os requisitos da transmissão e controle de dados em ambientes industriais. Parte-se da
fundamentação da aplicação de redes e da sua integração na arquitetura de organização da indústria,
aplicada á automação.
A prática laboratorial ocupa um espaço importante na disciplina. Contempla o desenvolvimento de sistemas
baseados em PLC’s que irão ser aplicados como nós de sistemas distribuídos interligados por barramentos
de campo.
Este trabalho não pretende esgotar o tema, mas sim indicar os caminhos a serem trilhados no
desenvolvimento da capacitação para desempenhar atividades relacionadas á automação industrial.
As motivações subjacentes à organização e proposta desta disciplina resultam essencialmente em alguns
fatores, cuja ordem é irrelevante:
As potencialidades do mercado de trabalho para os futuros técnicos.
O elevado crescimento atual, existente na investigação e desenvolvimento na área da disciplina e em
áreas correlatas.
A competitividade, devido á globalização, o que levam as indústrias e se modernizarem, aumentando sua
produtividade, através da automação de seus processos.
Segurança, atendimento as normas ambientais, bem como a qualidade final dos produtos.
No que se refere ao primeiro item destes fatores é de salientar que o mercado de emprego preferencial tem
situado ao nível da Indústria como:
Indústria de Processos de 1ª, 2ª e 3ª geração. Ex.: Braskem, Deten Química, Oxiteno, Bombril, etc.
Indústria de Transformação Manufatureira. Ex.: Alcoa, Britânia, etc.
Indústria Automobilística e correlata. Ex.: Ford, Fiat, Pirelli, Continental Pneus, etc.
Indústria Pesada, em particular as Siderúrgicas. Aço Minas, Samarco, etc.
Indústria de Mineração. Ex.: CVRD, etc.
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1. INTRODUÇÃO
Desde o surgimento das indústrias, a necessidade do controle das máquinas e dos equipamentos
necessários para a produção aumentou bruscamente. Este controle sofreu várias mudanças com o passar
dos anos, em função da necessidade de maximizar produção, diminuir custos e também aumentar a
segurança operacional dos equipamentos e pessoas envolvidas no processo.
Cronologicamente, temos a princípio o controle totalmente mecânico, depois o pneumático, e em seguida o
controle elétrico, com o surgimento dos motores elétricos e de seus dispositivos de controle.
No final da década de 50, a instrumentação para controle regulatório ainda era predominantemente
pneumática. No final da década de 60, Dick Morley e Michel Greenberg inventaram o primeiro controlador
programável. Usando tecnologia da época, construíram, a pedido de uma montadora de automóveis, um
testador de continuidades nos cabos usados nos carros, que posteriormente seria desenvolvido até chegar ao
conhecido Program Logic Controller (PLC), que é um microcomputador com o propósito específico de controle
de processos, que até hoje é aplicado com sucesso na maioria das aplicações de controle industrial.
Os PLC’s inicialmente foram desenvolvidos, para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (de
dois estados apenas: ligado - desligado, alto - baixo, etc.); porém, hoje tem adquirido muitas outras funções
com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de sinais analógicos, controle modulado multivariáveis,
controle de posição de alta precisão, etc. Os PLC's nasceram para substituir os relés na implementação de
intertravamentos e controle seqüencial se especializando no tratamento de variáveis digitais.
Já no início da década de 70, surgiu a necessidade de controladores robustos mais precisos e dedicados,
pois o avanço da eletrônica dos dispositivos (instrumentos) possibilitou obter um melhor controle regulatório.
Nesse estágio da automação, na metade da década de 70, surgiu o primeiro Sistema Digital de Controle
Distribuído (SDCD). Com o avanço da eletrônica, as válvulas de controle passaram a possuir posicionadores
inteligentes. No início dos anos 80, por exemplo, apareceram os transmissores de pressão que podiam
fornecer também a temperatura da linha, graças à diminuição cada vez mais da eletrônica. Passou a existir
um microprocessador dentro de um pequeno instrumento de medição.
O SDCD, dedicado ao controle analógico, conta com mais microprocessadores para executar funções
especiais de controle como: Proporcional-Integral-Derivativo (PID), Feedforward, Lógica Fuzzy, etc.
No início da década de 90, temos o surgimento dos protocolos digitais de campo. Impulsionados pela
expansão da informática com a explosão da internet, formaram-se grupos de pesquisa para desenvolver
sistemas de controle industriais que, associados aos já existentes PLC’s, pudessem otimizar o sistema e o
rendimento do controle industrial. Nesta época, também houve o início do desenvolvimento do protocolo
Foundation Fieldbus (FF). A partir daí, os principais fabricantes de PLC’s criaram seus protocolos de
comunicação, baseado em sua maioria no meio físico do sinal elétrico RS-485, devido ao seu longo alcance e
altas taxas de transferência de dados.
Com o surgimento das redes de comunicação, surge também a possibilidade de tornar os periféricos remotos,
ou seja, pôde-se distribuir o controle através de uma interface local, próximo do ponto de coleta dos dados,
coletarem uma quantidade maior de dados e transmiti-la pela rede através de um par de fios, ao invés de
levá-los todos ao painel de controle.
Figura 1 – Evolução da Automação Industrial.
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2. REDES INDUSTRIAIS
A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou
hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais
diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A
capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes
são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo
rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando
todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido,
uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-
Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.
No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais
binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente
com a energia (24 Vdc) necessários para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica
importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.
No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives),
válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de
comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada
ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando
necessário.
No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros,
o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além
disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet,
Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem
suprir.
Os sistemas de controle automático têm se apoiado cada vez mais em redes de comunicação industriais, seja
pela crescente complexibilidade dos processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem
acentuado nas novas instalações industriais. Assim, praticamente todos os sistemas existentes incluem
alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais, seja remota, implementados
em sistemas SCADA - sistema para aquisição, supervisão e controle de processos.
Embora essa disseminação de aplicação de comunicação seja recente, já á algum tempo têm sido
desenvolvidos em diferentes topologias para a comunicação de dados em ambientes industriais, buscando
sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de
comunicação. Um modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente
industrial são os 3 níveis abaixo relacionados:
Nível de informação - caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo
da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática;
Nível de automação e controle - caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de
tempo da ordem de grandeza de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de
natureza diversa. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança.
Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos;
Nível de dispositivos de campo - caracterizado por volumes menores de dados com constantes de
tempo da ordem de grandeza de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientada a sensores e
atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem
necessidade de interação com níveis superiores.
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Figura 2 – Níveis de automação industrial.
Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos os três níveis, havendo em geral,
uma implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando
se está analisando o desempenho da rede é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de
transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca
de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a
essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e
finalmente pela taxa de transmissão. Ou seja, não adianta comunicar a altas velocidades, com informações
mal dispostas ou redundantes.
As redes industriais podem ser classificadas em Sensorbus, Devicebus e Fieldbus.
As redes Devicebus são redes intermediárias entre as redes Sensorbus e Fieldbus. Esta rede tem
transferência rápida de dados, como em uma rede Sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e
dados além de cobrir distâncias maiores, graças ao seu meio físico. O protocolo Profibus–DP, por exemplo, é
uma rede mestre-escravo ponto-a-ponto, cíclica para processos e acíclica para gerenciamento.
A rede Fieldbus interliga os equipamentos de entrada/saída (I/O’s) mais inteligentes e pode cobrir grandes
distâncias. O protocolo FF, que pertence a essa família, tem comunicação cíclica e bidirecional, ou seja,
possui tempo pré-determinado para executar as funções e usa o sistema passagem de bastão para se
comunicar.
Os dispositivos ligados a essa rede podem desempenhar funções específicas de controle, inclusive, assumir
o controle da rede, se configurados para isso.
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Figura 3 – Classificação das redes e seus respectivos protocolos.
A International Electrotechnical Commission (IEC) é a entidade que normaliza os protocolos digitais existentes
atualmente. Existem também protocolos que seguem a IEC, mas não são reconhecidos por ele, como o
Device Net, ou o Profibus-PA. Os Protocolos Profibus-DP e o FF são padrões mundiais, com meio físico e
software, normalizados e reconhecidos pela IEC.
2.1 Sistema Aberto ou Proprietário
Com a popularização das redes digitais, surgiram novos termos técnicos na automação industrial, e um deles
bastante discutido hoje em dia é a questão do sistema ou protocolo aberto.
Uma empresa pode desenvolver seu software, neste caso seu protocolo de comunicação, e se desejar, pode
torná-lo aberto, distribuindo seu código e possibilitando que outros fabricantes possam construir
equipamentos ou instrumentos que possa se comunicar entre eles, ou melhor, compatíveis com a tecnologia.
Houve uma época em que os SDCD’s na sua maioria eram sistemas proprietários, ou seja, se comprasse o
SDCD (Invensys) da Foxboro, inevitavelmente deveria adquirir os transmissores, as válvulas e toda a
instrumentação ligada a esse SDCD da Foxboro, pois a rede era proprietária e eles só conversavam entre si.
Com o maior desenvolvimento dos protocolos, e a abertura ao mercado de alguns dos mais importantes,
como o Profibus da SIEMENS, essa tendência se modificou.
Nota-se que essa idéia de tecnologia aberta ou protocolo aberto gera alguns termos inexistentes ou com
pouca importância na automação até então, com esse novo tipo de tecnologia, onde todos têm que
“conversar” na mesma língua, os equipamentos precisam ser compatíveis.
Um outro termo muito usado atualmente é “interoperabilidade”. Um sistema tem essa característica quando
pode receber instrumentos de vários fabricantes e se comunicar com eles, podendo utilizar todos os recursos
disponíveis, dessa forma pode surgir a pergunta:
Como um HOST (controlador de um sistema híbrido) pode ser capaz de identificar os instrumentos?
Ou ainda:
Que capacidade de memória este controlador deve ter para armazenar tudo isso?
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Tudo isso, foi resolvido de forma simples, da mesma forma que ao instalarmos uma nova impressora em
nosso computador pessoal, necessitamos de um CD-ROM ou disquete de instalação. Na automação
contemporânea, temos os Device Description (DD), ou Eletronic Data Sheet (EDS), que são arquivos
eletrônicos, disponíveis em sua maioria nos sites dos fabricantes de instrumentos ou no site da fundação
reguladora do protocolo.
Com esse pequeno arquivo, o HOST pode utilizar todos os recursos que o fabricante disponibilizou no
instrumento, claro, que pode haver certa limitação, que o HOST de um determinado fabricante pode oferecer.
Por exemplo: um eventual bloco não executa em determinado HOST. Entretanto, devido ao padrão criado e
mantido pela entidade reguladora do protocolo aberto, toda a mudança realizada no dispositivo, este deve
seguir a norma do protocolo para poder receber o certificado.
2.2 Topologias das Redes
Existem várias topologias aplicadas ás redes de automação industrial. É possível também efetuar derivações
nessas topologias, todavia é preciso ter bastante cuidado, pois ao usar um determinado meio físico, a
velocidade de comunicação não será exatamente a mesma alcançada por outro protocolo que use o mesmo
meio. As taxas e formas de transmissão são particulares de cada protocolo. A velocidade do sistema é
inversamente proporcional à distância e à quantidade de dispositivos conectados a ela.
Figura 4 – Topologias aplicadas ás redes industriais
Rede em ESTRELA:
Nó central: comutador ou switch.
Não necessitam roteamento.
Desempenho depende da velocidade do nó central.
Problemas: confiabilidade, modularidade.
Rede em ANEL:
Uso de repetidores ligados ao meio físico.
Usualmente transmissão unidirecional para simplificar o projeto dos repetidores quando uma mensagem é
enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino (ou pelo nó que enviou,
dependendo do protocolo).
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Figura 5 – Derivações aplicadas ás redes industriais
Note que além das diversas topologias e derivações possíveis de montagem, temos também, nas
extremidades da rede principal, os terminadores (TR), que são basicamente resistores casadores de
impedância, e que também ajudam à rede a não ser tão sensível a interferências, nem se tornar uma antena.
Os terminadores, em sua maioria, são disponíveis nos dispositivos, em sua maioria, trata-se de dip switches
que podem ser acionados quando se verificar que aquele dispositivo será o último da rede.
2.3 Modelos de Redes
Figura 6– Modelos de comunicação de redes.
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Figura 7 – Modelo origem/destino
Figura 8 – Modelo Produtor/Consumidor.
Figura 9 – Classificação das redes quanto ao modelo de comunicação.
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Figura 10 – Troca de dados Polling.
Figura 11 – Troca de dados Cíclicos.
Figura 12 – Troca de dados Mudança de Estado.
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2.4 Níveis de aplicação
Figura 13 – Comparação dos níveis de automação.
Figura 14 – Sugestão de protocolos para cada nível.
3. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
Protocolo de comunicação é basicamente um conjunto de regras e convenções que controla o formato e o
significado dos quadros, pacotes ou mensagens trocadas pelas entidades pares em um diálogo entre as
camadas.
Existem no mercado vários tipos de protocolos de comunicação abertos ou proprietários que são aplicados ao
controle de processos industriais. A sua escolha depende de cada tipo de aplicação.
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Emissor Receptor
7 7 Nível aplicativos
Interface para programas aplicativos, aplicativos
orientados, comandos (leitura, escrita)
6 6 Nível apresentação
Representação (codificação) dos dados para análise e
interpretação no próximo nível
5 5 Nível manipulação
Estabilização e limpeza temporária das estações
conectadas, processos de sincronismo da comunicação
4 4 Nível transporte
Controle dos dados transmitidos para o nível 5 (erros de
transporte, perda de pacotes
3 3 Nível rede
Estabilização e limpeza das estações conectadas, para
evitar congestionamentos
2 2 Nível ligação
Descrição do protocolo de acesso ao barramento (MAC -
Medium Acces Control), inclusive segurança de dados
1 1 Nível Físico
Definição do meio físico, codificação e velocidade de
transmissão de dados
Meio de transmissão
Designação e função dos níveis
Os mais conhecidos são:
Profibus - PA e DP – usado em indústrias de processo e manufatura, em SDCD’s e PLC’s, em CCM’s
inteligentes e em redes de segurança;
FF - Foundation Fieldbus – usado em processos molhados em geral;
HART – usado em indústrias químicas e petroquímicas, açúcar e álcool, papel e celulose;
ControlNet – usado em comunicação entre PLC’s e sistemas de I/O’s;
DeviceNet – usado para acionamentos de dispositivos;
Interbus – usado em qualquer segmento da indústria;
Ethernet – usado em processos e manufatura ao nível da planta;
Modbus – usado em processo e manufatura ao nível de campo;
Safetybus – usado em prensas, células robotizadas, aeroportos e máquinas em geral;
LonWorks – usado em automação predial, residencial e transportes;
Rede GENIUS – usado no controle de I/O’s distribuídos e para controle crítico.
Um protocolo é definido através do sistema Open Systems Interconection (OSI) que é a referência de
padronização para dispositivos de comunicação, ele define as características, regras e interface de
transferências que necessitam serem usadas nos protocolos de comunicação. Este padrão é formado por
camadas (layers) de configuração ou de parâmetros que irão definir o tipo de protocolo.
Tabela 1 – Camadas do modelo OSI
Descrevendo os Protocolos
3.1 PROFIBUS
O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de
aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e
sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 e IEC61158/61784. Com o PROFIBUS,
dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na
interface.
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O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em
tarefas complexas e extensas de comunicação. Foi desenvolvido para troca rápida de dados de campo e da
comunicação mestre-escravo.
PROFIBUS - PA – (Application Profile). O uso do PROFIBUS-PA em dispositivos e aplicações típicas de
automação e controle de processos é definido por perfil PA. O perfil pode ser obtido no documento
número 3.042 da Associação PROFIBUS. Ele é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do
campo de aplicação, os meios de comunicação: IEC 61158-2, RS-485 ou fibra ótica podem ser usadas. O
perfil PA define os parâmetros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos típicos, tais como:
transmissores de variáveis, posicionadores, etc. independente do fabricante, facilitando assim, a
intercambiabilidade do dispositivo e a total independência do fabricante. A descrição das funções e do
comportamento dos dispositivos está baseada no modelo de Blocos Funcionais (Function Block Model).
As definições e opções do perfil de aplicação PA, tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para
transmissão analógica com 4 a 20 mA ou HART.
PROFIBUS - DP - (Decentralized Periphery). O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado
para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre
sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O
PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de
automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas
de automação de processo. O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2 do modelo OSI, bem como
a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma
transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do
usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o
comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na
Interface do Usuário.
PROFIBUS - FMS - (Fieldbus Message Specification). O FMS é o perfil de comunicação universal para
tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre
dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos
significativo. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de
aplicação é compostado FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS
define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a
representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados.
3.1.1.1 Perfil Físico (Physical Profile)
A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de
transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de
transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências
específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados
e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos
estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação
disponíveis no PROFIBUS:
RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;
IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo;
Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a interferências e grandes
distâncias.
Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s
como camada física para PROFIBUS. Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários
meios de transmissão.
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Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no
que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem
maiores opções na operação entre sub-redes.
3.1.1.1.1 Meio de Transmissão RS-485
O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua
aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e
barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o
suficiente neste caso.
A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum
conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem
como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões
futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão
entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada
para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado. A tabela abaixo, mostra as
características do meio físico RS-485.
Tabela 2 – Dimensionamento do meio RS-485.
Instruções de instalação para o RS-485
Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou
escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo
do barramento no início e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as
terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos
próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No
caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as
estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar
diferentes segmentos do barramento.
O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão. As especificações de comprimento
de cabo são baseadas em cabo Tipo-A, com os seguintes parâmetros:
Tabela 3 – Especificações do meio RS-485.
Impedância 135 a 165 Ohms
Capacitância < 30 pF/m
Resistência < 110 Ohms/km
Frequência 3-20 MHz
Diâmetro do Fio > 0,64 mm
Cabo
Tipo A
RS-485
Área do condutor > 0,34 mm²
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3.1.1.1.2 Meio de Transmissão IEC-61158-2
Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em
21,25 Kbuts/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de
segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o
PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de
transmissão IEC61158-2 para uso em áreas potencialmente explosivas são definidos pelo modelo FISCO
(Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB -
Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente
reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificada. A transmissão é baseada nos
seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1 (rede de baixa velocidade).
Cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação;
Alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando;
Os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso;
Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink);
Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento;
Topologia linear, árvore e estrela são permitidas.
No caso da modulação, supõe-se que uma corrente básica de pelo menos 10 mA consumida por cada
dispositivo no barramento. Através da energização do barramento, esta corrente alimenta os dispositivos de
campo. Os sinais de comunicação são então gerados pelo dispositivo que os envia, por modulação de + / - 9
mA, sobre a corrente básica. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico IEC-61158-2.
Tabela 4 – Dimensionamento do meio IEC-61158-2.
Instruções de instalação para o IEC-61158
Na sala de controle normalmente estão localizados o sistema de controle de processo, bem como dispositivos
de monitoração e operação interconectados através do padrão RS485. No campo, acopladores (couplers) ou
links adaptam os sinais do segmento RS485 aos sinais do segmento IEC 61158-2. Eles também fornecem a
corrente para alimentação remota dos dispositivos de campo. A fonte de alimentação limita a corrente e
tensão no segmento IEC 61158-2.
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Acopladores de segmento, os Couplers, são conversores de sinal que adaptam os sinais RS-485 ao nível do
sinal IEC 61158-2. Do ponto de vista do protocolo os acopladores são transparentes. Se acopladores de
segmento são utilizados, a velocidade do segmento RS-485 ficará limitada em no máximo 93,75 Kbit/s. Links,
por sua vez, possuem sua própria inteligência intrínseca. Eles tornam todos os dispositivos conectados ao
segmento IEC 61158-2 em um único dispositivo escravo no segmento RS-485. Neste caso não existe
limitação de velocidade no segmento RS-485 o que significa que é possível implementar redes rápidas, por
exemplo, para funções de controle, incluindo dispositivos de campo conectados em IEC 61158-2.
3.1.1.1.3 Meio de Transmissão com Fibra Ótica
Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência
eletromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão
elevadas. Vários tipos de fibra estão disponíveis, com diferentes características, tais como, distância máxima,
preço e aplicação. Para uma rápida descrição, consulte abaixo. Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra
normalmente são em estrela ou em anel. Alguns fabricantes de componentes para fibra ótica permitem o uso
de links redundantes com meios físicos alternativos, cuja transferência é automática quando ocorre uma
falha.
Tabela 5 – Dimensionamento do meio ótico.
3.1.1.2 Perfil de Aplicação (Aplication Profile)
O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está
sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante
perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para
dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores. Existem ainda
alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders,
etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira
independente do fabricante.
3.2 FOUNDATION FIELDBUS
O (FF) Foundation Fieldbus é uma arquitetura totalmente aberta e formada para a integração das informações
numa planta industrial.
É uma rede totalmente digital serial e que possui comunicação bidirecional determinística e cíclica, do tipo
passagem de bastão (Token Ring). Esta interliga equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/O’s
remotas. Esta rede foi desenvolvida em 1990. Em 1993, seu meio físico virou padrão mundial (IEC-61158), e
em 2000 foram aprovados pela IEC os níveis de software.
O meio físico é baseado na norma IEC 61158, e diz que o barramento pode ligar até 32 instrumentos por
segmento e 4 repetidores (um segmento é o par de fios que saí de um cartão de gerenciamento de rede H1).
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A limitação da quantidade de dispositivos em um segmento é dada pela corrente drenada por cada tipo de
instrumento e pelo tipo de controle que fazemos nela, eventualmente, um dispositivo (instrumento) pode ter
fonte própria de alimentação e não drenar corrente do barramento.
O FF permite toda a liberdade para introduzir, o dispositivo (instrumentos da concorrência) que quiser na
malha de controle, a partir das necessidades de cada processo.
Na visão da FF, existem basicamente dois níveis de automação de uma planta. Um deles é o H1 (31,25
kbps), uma rede de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos, e o outro, o nível HSE (100
Mbps – High Speed Ethernet), de alta velocidade utilizada para integração das demais redes e para a ligação
de dispositivos de alta velocidade como HOST’s, PLC’s e outros sistemas de informação onde a taxa de
transferência de dados é muito grande.
Figura 15 – Redes do FF – H1 e HSE.
O nível H1 de uma planta substitui e implementam o antigo modo analógico de controle 4-20 mA em
aplicações como:
Integridade do controle em loop;
A padronização do meio físico;
Alimentação dos dispositivos/instrumentos por um mesmo par de fios;
Opção para segurança intrínseca com melhores benefícios.
O protocolo FF pode proporcionar:
Capacidade de comunicação completamente digital;
Redução de fiação e seus acessórios;
Capacidade de comunicação com o nível HSE de forma simples.
O barramento FF é determinístico para variáveis de processo, ou seja, as tarefas são executadas de forma
cíclica em tempos pré-definidos e não determinados para parametrização e diagnósticos em geral.
Uma das grandes revoluções da rede FF foi estender a visão da área de processo até o instrumento e não
até o último elemento inteligente então existente que era o PLC ou remota do SDCD. Permitiu com isso que a
inteligência se estendesse até aos instrumentos de campo.
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3.1.2.1 Compatibilidade ao padrão de software OSI
Ligando o modelo Fieldbus com o OSI, o nível físico é o nível 1 do modelo OSI. O Data Link Layer (DLL) é o
OSI 2 e o Fieldbus Message Specification (FMS) é o nível 7 do modelo OSI. Os outros níveis 3, 4 e 5, não
são usados pelo Fieldbus.
O nível de usuário (user layer) define o modo para acessar a informação dentro dos dispositivos Fieldbus, de
modo que essa informação pode ser distribuída para outros dispositivos ou nós da rede Fieldbus.
3.1.2.2 Camada de aplicação e blocos
A camada de aplicação utiliza o conceito de blocos para realizar todas as suas funções. Existem 3 tipos de
blocos básicos: blocos de recursos, blocos de transdutores, utilizados para configurar os dispositivos e blocos
de função, utilizados para construir a estratégia de controle.
Resource Block (Bloco de pesquisa) - Descreve as características do dispositivo, como o nome, o
fabricante e o número serial. Há somente um Resource Block num instrumento Fieldbus;
Function Block (Bloco de Função) - Os Blocos de função são os responsáveis pelo sistema de controle.
É a funcionalidade nos instrumentos de campo e sistemas de controle, tais como entradas e saídas
analógicas, controle PID, controle lógico, entre outros.
Na Figura 16 mostra um exemplo de uma malha de controle definida usando apenas os blocos de controle
contidos em dois dispositivos: um medidor de vazão que fornece o bloco AI e uma válvula que fornece os
blocos AO e PID.
Figura 16 – Malha de controle completa, utilizando apenas 2 instrumentos.
3.1.2.3 Relógio em tempo real em todos os dispositivos
O barramento FF pode receber a hora local e ajustá-la nos instrumentos do barramento. O sistema publica
esse tempo periodicamente a todos os membros do barramento FF.
3.1.2.4 Comissionamento (Device Address Assignment)
Cada dispositivo FF que é conectado a um barramento, necessita ter um endereço na rede e um Tag
(identificação) para operar corretamente.
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Para evitar jumpers ou chaves de endereçamento dos instrumentos, o comissionamento do dispositivo é
executado via software pelo gerenciador do sistema.
A seqüência de comissionamento de um dispositivo FF é a seguinte:
Um dispositivo não configurado entra na rede em um dos 4 endereços especiais;
A ferramenta de configuração comissiona um Tag ao dispositivo físico;
A ferramenta de configuração escolhe e coloca o dispositivo num endereço que não esteja sendo usado,
e este será seu endereço permanente na rede;
A seqüência é repetida para cada novo dispositivo;
Caso ocorra uma falha na alimentação do sistema, essa configuração deve ser refeita pelo sistema, pois isso
é gravado numa memória não-volátil do HOST, mas o dispositivo perde essas configurações.
3.1.2.5 Comunicação Cíclica entre os dispositivos
O LAS tem uma lista com os tempos de execução e transmissão de todos os dispositivos ligados ao
barramento. Com essas informações, o LAS pode determinar os tempos necessários para as comunicações
cíclicas.
A comunicação é do tipo pass token (passagem de bastão), ou seja, somente quem está com o bastão pode
“falar” (publicar) sua informação no barramento. Todos os outros dispositivos irão escutar, mas somente o que
está configurado para recebê-la, irá usá-la.
A comunicação cíclica é tipicamente usada para as comunicações regulares entre os dispositivos do
barramento. (ver Figura 11).
3.1.2.6 Comunicação Acíclica entre os dispositivos
Todos os dispositivos Fieldbus tem a oportunidade de enviar mensagens acíclicas. Estas mensagens são
responsáveis pela manutenção do barramento, como um exemplo, se é conectado um novo dispositivo ao
barramento, ele será identificado pela comunicação acíclica. Requisições do sistema supervisório,
informações de um dispositivo, ajuste e diagnóstico são mensagens acíclicas.
3.1.2.7 Nível Física (31.25 kbps)
O nível físico é definido pelo padrão aprovado pela International Eletrotechnical Commission (IEC) e pela The
International Society for Measurement and Control (ISA).
O nível físico recebe mensagens da pilha de comunicação e converte em sinais elétricos para o meio de
transmissão em vice – versa.
Os dispositivos consomem aproximadamente 10 mA a 31.25 kbps em uma carga de 50 Ω para criar a
variação de tensão de aproximadamente 1 Vpp (Tensão Pico a Pico), modulada na tensão de alimentação do
dispositivo. A tensão de alimentação do dispositivo pode ser de 9 a 32 VDC. Para aplicações em segurança
intrínseca, essa tensão é menor, dependendo da barreira utilizada.
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3.1.2.8 As regras básicas para validação de uma rede FF – H1
A rede é formada por uma linha troco com stubs ou spurs. A linha tronco deve ser terminada por um
terminador passivo;
O comprimento máximo da linha tronco e da soma de todos os stubs é de 1900 m;
O número de instrumentos na rede pode ser de 2 a 32 instrumentos numa conexão não intrinsecamente
segura com fonte de alimentação separada do sinal de alimentação. De 1 a 12 instrumentos quando a
aplicação não requer segurança intrínseca e os instrumentos são alimentados pelo cabo de sinal. De 2 a
6 instrumentos para aplicações de segurança intrínseca quando os instrumentos recebem a sua
alimentação diretamente do cabo de comunicação;
Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal depois de excedida a especificação de distância
máxima. O número máximo de repetidores é quatro;
A distância máxima entre dois instrumentos quaisquer não deve exceder 9500 m;
O cabo Fieldbus é polarizado. Inverter a polarização pode causar danos a todos os instrumentos
conectados à rede. Alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarização.
3.1.2.9 Integração do sistema FF
Depois de tudo construído, chega o momento em que se deve configurar o sistema, o momento em que se
escolhe quem fala primeiro, o que deve ser falado, e pra quem.
Quando uma mensagem é transferida, ela passa por um canal chamado Relacionamento de Comunicação
Virtual (VCR) para o dispositivo físico (PD) antes de ir para o fio. Ao chegar ao destino, passa pelo VCR e vai
para o receptor. Os pacotes de informações de controle de processos são acrescentados e retirados quando
uma mensagem passa por VCR’s e permite que os níveis desempenhem sua funcionalidade específica.
Dependendo do tipo de atuador que estiver sendo utilizado, pode-se ajustar a atuação tanto nos blocos PID
quanto na saída analógica (AO). Pode existir o risco de inconsistência e de confusão. Assim sendo, vale mais
a pena ser consistente e implementar uma estratégia de controle. Por exemplo, uma saída PID de 100%
significando que uma válvula está totalmente aberta, independentemente do atuador, ser do tipo ar para abrir
ou ar para fechar (tipo de acionamento em válvulas de controle). Isto pode ser feito através da configuração
do bloco AO, de modo que a opção I/O seja “incremento para fechar”, no caso de atuadores do tipo ar para
fechar.
Como já foi citado, o FF tem vários níveis de alarme, o que possibilita que os intertravamentos sejam
adequados ao processo. Por exemplo, para um intertravamento importante de shutdown (situação anormal,
emergência), deve haver ação com dados de qualidade RUIM ou INCERTA. A perda de comunicação é
sempre indicada como status ruim, que resulta no reinício da malha. O resultado é que para aumentar a
segurança do sistema, o status não deve ser exibido apenas para o operador, mas também deve ser incluído
na lógica de intertravamento do sistema.
No FF o diagnóstico dos dispositivos é mais eficiente para identificar erros de discrepância externa da lógica.
Para uma disponibilidade alta a freqüência entra em conflito com segurança alta. A malha deve ser
configurada para operar apenas quando o status for RUIM. Um status INCERTO apenas alertará o operador
e, se for considerado adequado, o pessoal da manutenção.
3.1.2.10 Escalonamento
Como acontece em qualquer rede, quanto maior a quantidade de informações transmitidas em um dado
espaço de tempo, tanto maior deverá ser a velocidade de operação da rede e de seus sistemas, para que
possam acompanhar tais informações (caso do protocolo Profibus-DP). Como o FF - H1 fica limitado a uma
taxa de 31,25 kbps, a única maneira de transmitir informações adicionais é aumentar o ciclo de tempo.
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Um link pode transmitir cerca de 30 mensagens escalonadas por segundo. Isto significa que a rede pode ter 3
dispositivos, cada um deles enviando 10 mensagens por segundo, ou 120 dispositivos conectados por
repetidores, cada um deles enviando uma mensagem a cada 4 segundos.
Este tempo de transmissão de dados, ou leitura de todos os dispositivos deve ser estimado inicialmente. Uma
regra prática a ser adotada nessa fase inicial, relacionada aos requisitos de largura de faixa, é considerar que
cada dispositivo precisa de 50 ms para executar o seu bloco de função.
Assim sendo, a largura da faixa total requerida pode ser estimada através da fórmula (1) logo abaixo:
tload = (Np+Nc) x 50 ms (1)
Onde;
tload = tempo para executar todos o blocos da função da malha;
Np = número de produtores de informação (dispositivos no barramento);
Nc = número de comunicações com a IHM.
O tempo não escalonado (acíclico) mínimo deve ser de 70 - 80% no caso de um segmento recém-
comissionado. Isto inclui uma folga para crescimento futuro, se necessário for. Por exemplo, supondo-se que
o macro ciclo LAS de 1s reserve 150 ms para a transmissão de dados cíclicos, com 70% dos 500 ms
disponíveis para comunicações acíclicas, o tempo disponível para utilização futura nesse caso seria de 350
ms.
O tempo de trânsito cíclico pode ser determinado pelo somatório dos tempos de execução individuais dos
blocos de função mais o tempo de produção de informação na rede. Neste caso, um bloco de AI é executado
em 50 ms, um bloco PID em 150 ms e um bloco de AO em 100 ms.
Pode-se dizer que cada acesso externo pelo canal FF gasta cerca de 25 ms.
O número de dispositivos para os tempos de execução de uma malha com válvulas de controle deve ser o
seguinte:
Para malhas que requeiram tempo de execução de 1 s, deve-se limitar o segmento a 8 dispositivos com
no máximo 3 válvulas;
Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,5 s, deve-se limitar o segmento com 4 a 8
dispositivos;
Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,25 s, deve-se limitar o segmento a menos de 3
dispositivos, com no máximo uma válvula.
Deve-se evitar a mistura de dispositivos com tempos de execução muito diferentes no mesmo segmento (1 s
versus 0,25 s). Esta mistura pode levar os escalonamentos, que podem não estar de acordo com a
capacidade de alguns links mestres.
3.3 HART
O protocolo de comunicação HART® (Highway Addressable Remote Transducer) é mundialmente
reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20 mA,
microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores
fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®.
O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20
mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos benefícios apontados pelo
fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento
já dominado sobre os sistemas 4-20 mA existentes.
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3.1.3.1 Comunicação Analógica + Digital
Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem
sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia
dentro da faixa de 4-20 mA proporcionalmente à variável de processo representada.
Virtualmente todos os sistemas e controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para
transmitir a informação da variável de processo.
Figura 17 – Comunicação digital + sinal analógico simultâneo.
O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20 mA ao permitir também a medição de
processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na
evolução do controle de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação
digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®.
O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem
interferir no sinal analógico de 4-20 mA. Tanto o sinal analógico 4-20 mA como o sinal digital de comunicação
HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do
sinal de controle podem ser transmitidas pelos 4-20 mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais,
parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são
disponibilizados na mesma fiação e ao mesmo tempo.
3.1.3.2 A Tecnologia HART®
O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de freqüência (FSK) para
sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20 mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao
zero, não existe nível DC associado ao sinal e, portanto ele não interfere no sinal de 4-20 mA. A lógica “1” é
representada por uma freqüência de 1200 hz e a lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200 hz,
como mostrado nas figuras 1 e 2.
O sinal HART® FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e
recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo
inteligentes. O protocolo HART® se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal
4-20 mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas
de um único instrumento de campo. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a
20 mA.
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Figura 18 – Sinal 4-20mA + Hart.
3.1.3.3 Flexibilidade de Aplicação
O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo)
somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) possam se
comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART®. Os mestres secundários, como os terminais
portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar
com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre
primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico
Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração.
Figura 19 – Instalação típica com 2 mestres.
O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de
campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo
digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20 mA é a mais comum. Este modo permite que a informação
digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-
20 mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.
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Figura 20 – Comunicação mestre-escravo – modo normal.
Uma modalidade opcional de comunicação é o “burst”, que permite que um único instrumento escravo
publique continuamente uma mensagem de resposta padrão HART®. Esse modo libera o mestre de ficar
repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo.
Figura 21 – Comunicação escravo-mestre – modo burst.
A mesma mensagem de resposta HART® (PV ou outra) é continuamente publicada pelo escravo até que o
mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualização de dados de 3-4 por segundo é típica
no modo de comunicação do tipo “burst” e poderá variar de acordo com o comando escolhido. O modo “burst”
só pode ser usado quando existe um único instrumento escravo na rede.
O Protocolo HART® também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos de campo pelo mesmo par
de fios em uma configuração de rede “multidrop”. Em aplicações “multidrop”, o sinal de corrente é fixo, ficando
somente a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo é fixada
no valor mínimo para alimentação do instrumento (tipicamente 4 mA) e não representa nenhum significado
relativo ao processo.
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Figura 22 – Rede Multidrop.
Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos convencionais de 4-
20 mA pode carregar os sinais de comunicação digital HART®. Os comprimentos de cabos usados podem
variar de acordo com o tipo de cabo e dos instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000 metros
para um único par trançado blindado e 1500 metros para múltiplos cabos de par trançado com blindagem
comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distâncias curtas. Barreiras de segurança intrínseca e
isoladores que permitem a passagem de sinais HART® são disponíveis para uso em áreas classificadas.
3.1.3.4 Comandos do HART
A comunicação HART® é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o
escravo responde. Existem três tipos de comando HART® que permitem leitura/escrita de informações em
instrumentos de campo. Os comandos universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo
HART®. Um terceiro tipo os comandos específicos do instrumento, permitem maior flexibilidade na
manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de instrumento.
Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos
provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operação de plantas,
como por exemplo, leitura de variáveis medidas, aumento ou diminuição dos valores de configuração e outras
informações como: fabricante, modelo, tag e descrição do processo. Uma regra básica do protocolo HART® é
que os instrumentos escravos devem ser compatíveis (interoperáveis) entre si e precisam responder à todos
os comandos universais. Esses comandos são poderosos, como por exemplo, o comando universal 3, que
permite que até quatro variáveis dinâmicas sejam enviadas em resposta a um único comando solicitado do
mestre.
Figura 23 – Comandos Universais.
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3.4 ControlNet
É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de
supervisão e controle.
Figura 24 – Rede ao nível de controle.
3.1.4.1 Características do ControlNet
Rede para I/O e Controladores – Alta velocidade (5 Mbps);
Projetada para Processos contínuos e discretos;
Rede única para programação, mensagens “ponto a ponto”, intertravamento em tempo real e aquisição de
I/O;
Baseada no modelo Produtor/Consumidor;
Entradas podem ser compartilhadas por diferentes consumidores;
Permite múltiplos controladores na mesma rede;
Flexibilidade para o meio físico;
Topologias barramento, árvore e estrela combinadas;
Opção de redundância para o meio físico
Pleno acesso a rede a partir de qualquer dispositivo.
Figura 25 – Características da ControlNet – cabos.
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Figura 26 - Características da ControlNet - conexões.
Figura 27 – Cálculo do segmento ControlNet.
Figura 28 – Modo de acesso ao meio.
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Figura 29 – ControlNet – IS.
3.5 DeviceNet
DeviceNet é um protocolo de comunicação aberto- ODVA em nível de componente para automação industrial.
Uma rede DeviceNet é um sistema de conexão aberto de baixo custo entre os dispositivos industriais, tais
como sensores e atuadores, e dispositivos de nível superior, tais como controladores lógicos programáveis e
PC’s. As redes DeviceNet usam um protocolo independente do tipo de rede, chamado protocolo industrial
comum (Common Industrial Protocol - CIP), que é responsável pelos recursos de controle, configuração e
coleta de dados da rede. Este processo garante maior flexibilidade graças à capacidade de trabalhar com
dispositivos de diferentes fornecedores. É utilizada no nível de dispositivo de campo.
Figura 30 – Nível de automação do DeviceNet.
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3.1.5.1 Características da rede DeviceNet
Linha tronco + derivações;
Remoção de nós e diagnósticos;
Até 64 nós;
Taxas de 125, 250 e 500Mbps;
Terminadores de 121 Ohms.
Figura 31 – Características gerais - DeviceNet.
Tabela 6 – Características gerais - DeviceNet.
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Figura 32 – Derivações - DeviceNet
Figura 33 – Conexões - DeviceNet.
3.6 EtherNet/IP
É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de
gerenciamento da informação.
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Figura 34 – Nível de automação EtherNet.
Figura 35 – Histórico da EtherNet.
3.1.6.1 EtherNet Comercial
Padrão de fato – Internet, e-mail, troca de arquivos;
Embutido em vários PC’s hoje em dia;
Devido á base instalada possui virtualmente facilidades de fabricação – marcas familiares/nível de
conforto;
Tecnologia aberta
Aumento de capacidade e desempenho.
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Tabela 7 – Cabos.
3.1.6.2 Vantagens da EtherNet/IP
Padronização de cabos e acessórios da rede (IEEE 802.3);
Alta velocidade de comunicação (10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps);
Utilização de topologias estrela;
Hubs e Minihubs;
Alta confiabilidade.
Utilização de fibra ótica;
Alta imunidade a ruídos;
Fácil instalação;
Protocolo TCP/IP;
Permite conexão de dispositivos de diversos fabricantes;
Padrão de fato.
Figura 36 – Rede EtherNet.
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Figura 37 – Analogia ao modelo OSI.
3.7 Modbus
O protocolo Modbus foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978/79 como um simples meio de troca de
dados entre controladores e sensores, utilizando uma comunicação mestre-escravo / cliente-servidor. Uma
vez desenvolvido, foi largamente difundido e bem aceito pelo meio industrial, e também pelo fato de tratar-se
de um protocolo aberto, tornou-se um dos protocolos mais implementados em diversos produtos de diversos
fabricantes para área de automação industrial.
O Modbus é um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo
OSI, e que provê a troca de dados no modelo Cliente / Servidor entre equipamentos conectados em
diferentes tipos de redes, como ilustra a figura abaixo
O Modbus opera à taxas de transmissão de 19200 bps, sem paridade e 2 stops bits configuráveis, estando
implementado nos modos RTU e ASCII, através do canal serial RS-232C para comunicação ponto-a-ponto
(estrela) ou RS-485 no padrão multi-ponto (barramento), configurado para operar como um elemento escravo
desta rede.
Pelo fato do protocolo Modbus estar bem difundido no mercado, a maioria dos fabricantes de sistemas
supervisórios e IHM’s disponibilizam device drives que agilizam a integração de equipamentos que se
comunica com o Modbus em uma rede industrial.
3.1.7.1 Interface Serial RS-485
Padrão de sinal elétrico para interligação de instrumentos com um CLP ou computador. É constituído de 2 fios
polarizados interligando normalmente os instrumentos a um conversor RS 485 / RS 232. Capacidade máxima
de 31 aparelhos por grupo. Comprimento máximo da linha não deve ser superior a 1000 metros.
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Sugestão integrada para os 3 níveis de automação.
Figura 38 – Sugestão integrada de automação dos 3 níveis.
4. PLC (Controlador Lógico Programável)
4.1 Surgimento do PLC
O controlador programável surgiu em 1969. Anteriormente a isso, o hardware do controle seqüencial era
dominado principalmente pelos relés. No que concerne aos dispositivos de controle de seqüência que utilizam
os relés, apresentavam as desvantagens:
Mau contato;
Desgastes dos contatos;
Necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de
contatos e de bobinas;
Complexidade na introdução de alteração na seqüência;
Necessidade de manutenções periódicas.
Apesar de apresentarem todas as desvantagens, os relés se tornaram elementos principais do hardware de
controle de seqüência em razão de não haver, na época, elementos que pudessem substituí-los eficazmente.
No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-se o circuito
integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmos tornou-se o centro das
atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento do hardware para controle dotado de grande
versatilidade de processamento.
Por outro lado, inicia-se a era da produção em grande escala, e os assuntos, como automação, incremento
da produtividade, uniformidade na qualidade e outros, transformam-se em temas principais nas estações de
rabalho, e a solução desses problemas era exigida também pelo lado da tecnologia de controle de seqüência.
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Na época, a General Motors (GM – empresa automobilística americana) anunciou 10 itens relativos às
condições que um novo dispositivo eletrônico de controle de seqüência deveria atender para que pudesse
substituir os tradicionais relés. Os itens são os seguintes:
1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho;
2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-inunit);
3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de controle do tipo com
relés;
4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés;
5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados;
6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés;
7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V];
8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de corrente; deverá
ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando para partida de motores e outros;
9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico;
10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no mínimo.
Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudesse substituir os
sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias de computação e dos CI’s,
desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação, elevação das funções e outros, até
atingir a maturidade como sendo hardware principal para controle seqüencial.
Com a evolução, foi eliminado o termo “logic” do nome PLC, passando este dispositivo a ser chamado de PC
- Controlador Programável. Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar
variáveis analógicas e no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de
instrumentação, com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década de
oitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's, os quais
passaram a elevar seu desempenho, permitindo que vários controladores programáveis pudessem partilhar
os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessem conectados vários microcomputadores, os
quais através de um software de supervisão e controle podiam monitorar visualizar e comandar o processo
como um todo a partir de uma sala de controle distante do processo.
4.2 Tecnologia dos PLC’s
4.2.1 Hard Logic para Soft Logic
4.2.1.1 Hard Logic
Quando se elabora uma seqüência de controle utilizando os relés convencionais e/ou módulos lógicos de
estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entre esses dispositivos, sendo que
a seqüência de controle é do tipo “hard logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiação
elétrica). A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversos pontos
deficientes, enumerados a seguir:
a) Problemas relacionados ao projeto e fabricação:
A elaboração do diagrama da seqüência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou experiência
pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de seqüência propriamente dito, outros inúmeros serviços
relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, layout dos componentes, determinação das
espécies de fios e cabos e outros, têm que ser projetados.
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Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-se que efetuar adição e/ou
deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custo com relação ao tempo e à mão-de-
obra.
b) Problemas relativos à operação experimental e ajustes:
Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da seqüência foi elaborado corretamente ou as fiações
foram executadas conforme o projeto é necessário efetuar testes de continuidade, utilizando aparelhos de
testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campo com a seqüência acoplada às partes mecânicas há a
necessidade de assistência e orientação de técnicos de grande experiência.
c) Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção:
Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade no lay-out, além da
necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis (contatos, etc.) e, ainda, manter um
estoque de peças sobressalentes considerando-se a vida útil das mesmas.
d) Problemas relativos à função:
Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado para equipamentos
que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamente difícil o controle de um sistema
com hard logic quando o mesmo necessita de memorização temporária, processamento e comparação de
valores numéricos.
4.2.1.2 Soft Logic
O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por “hardware”. As suas funções serão ativadas
somente quando houver um programa denominado “software”. Os computadores, através de programas ou
software, podem realizar cálculos das folhas de pagamentos, assim como, cálculos de equações das mais
complexas. Isto significa que, com um mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software
denominado programa. Ou seja, a lógica do computador é um “soft logic”. “Aplicando o mesmo raciocínio de
controle seqüencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito de relés, poderão ser
substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de
programas). Para realizar o controle seqüencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de um
dispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas Esses
equipamentos que objetivam o controle seqüencial, são denominados “Stored Program System Controller” ou
“Programmable Controller’ (PLC) - Controlador Programável, ou ainda, abreviadamente, “PLC”“.
4.2.1.3 Significado da lógica por software
O fato de se transformar a lógica da seqüência em software significa que as atribuições das fiações do hard
logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá ser constituído por um
equipamento standard. Isso foi possível através da padronização do controle seqüencial, solucionando uma
grande parte dos problemas que existiam tradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a
promoção da automação e racionalização em níveis cada vez mais elevados. Na tabela 8, indica-se a
comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-se que, em praticamente todos os aspectos,
o PLC apresenta-se com maiores vantagens. Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação,
surgiu o controlador programável, proporcionando uma evolução excepcional no controle seqüencial.
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Tabela 8 – Comparação entre PLC’s e Relés.
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4.2.2 Diferenças entre o PLC e o Computador
O PLC é um novo equipamento que surgiu com o advento da tecnologia do computador, sendo sua utilização
voltada à estação de trabalho.
a) Hardware
O computador é um equipamento destinado a efetuar cálculos de alto nível e processamento de dados, de
sorte que as entradas e saídas, como discos magnéticos e impressoras, são projetadas para atender às
necessidades do computador. Portanto, os dispositivos de computação e de memória que correspondem ao
cérebro, ocupam um grande espaço, e as entradas e saídas, que correspondem aos braços e pernas, são
relativamente pequenas. Dessa forma, pode-se dizer que o computador é um superdotado de cabeça
gigantesca com estrutura frágil, que trabalha com baixa tensão, tendo que ser instalado em sala climatizada,
ou seja, um local de bom ambiente. Em relação a isso, o PLC surgiu com o objetivo de substituir os painéis de
relés. Assim, suas entradas e saídas são constituídas pelas chaves fim de curso, válvulas solenóides e
outros, sendo, na maioria, equipamentos de alta tensão e corrente. Além disso, estão sujeitos aos ruídos
provenientes das máquinas e equipamentos existentes nas estações de trabalho, assim como, severas
condições de temperatura e partículas suspensas na atmosfera. Como as partes que realizam a computação
são constituídas de componentes eletrônicos de baixa tensão, como no caso dos CI’s, será necessário
instalar nas portas de entrada e saídas dos circuitos para transformação e amplificação de sinais e, ainda,
conforme o caso, circuito para eliminação de ruídos. Além disso, sua estrutura construtiva deverá ter uma
proteção robusta para resistir às severas condições do local de instalação.
b) Software
Nos programas de computador são utilizadas as linguagens como C, C++, Pascal e outras, e as mesmas
podem ser utilizadas apenas pelos especialistas que tiveram os cursos específicos para esse fim. Por outro
lado, no caso do PLC, a linguagem é idealizada de tal forma que as pessoas ligadas diretamente à operação
de máquinas e equipamentos, ao planejamento de instalações elétricas e à manutenção possam entendê-la,
utilizando códigos e/ou linguagens mais próximos das seqüências dos circuitos tradicionais, ou seja, no que
se refere à programação, foi idealizada para que se possa programar utilizando códigos obtidos através do
fluxograma e do diagrama de tempo (time chart) do sistema a ser controlado, sendo essa programação
realizável por qualquer pessoa com um treinamento relativamente simples. Dessa forma, embora o PLC seja
tecnologicamente um computador, em termos de utilização é um equipamento de controle local.
Vejamos na Tabela 9 algumas comparações entre os PLC’s e os PC’s.
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Tabela 9 – Comparação entre PLC’s e PC’s.
4.3 Arquitetura interna do PLC
a) Constituição geral
Como o controlador programável - PLC - será instalado na estação de trabalho da linha de produção para
operação e controle de equipamentos, dispositivos e máquinas, o mesmo é constituído com robustez para
resistir às condições desfavoráveis de um local de produção, como vibração, ruídos, partículas em
suspensão. etc., além da facilidade na sua manipulação.
Outro aspecto e a sua composição, que é executada de tal forma que possibilite a utilização através de
combinações mais adequadas, selecionando a escala e funções segundo o objeto de controle.
Na Figura 39 a constituição de um PLC. Assim, tem-se a CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade
Central de Processamento), que corresponde ao cérebro humano, ás unidades de entradas e saídas para
intercâmbio de sinais entre os equipamentos, dispositivos e máquinas, a fonte para fornecimento de energia
elétrica, além dos equipamentos periféricos para incrementar a operacionalidade do PLC.
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Figura 39 – Constituição de um PLC.
b) Principio de funcionamento
Atualizar as saidas
Ciclodevarredura
Transferir para a memória
Comparar com o programa do usuário
Inicialização
Verificar estado das entradas
Figura 40 – Blocos das etapas do funcionamento de um PLC.
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Inicialização
No momento em que é ligado o PLC executa uma série de operações pré – programadas, gravadas em seu
Programa Monitor:
Verifica o funcionamento eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares;
Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;
Verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc);
Desativa todas as saídas;
Verifica a existência de um programa de usuário;
Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.
Verificar Estado das Entradas
O PLC lê os estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura
recebe o nome de Ciclo de Varredura (scan) e normalmente é de alguns micro-segundos (scan time).
Transferir para a Memória
Após o Ciclo de Varredura, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de
Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e
saídas. Esta memória será consultada pelo PLC no decorrer do processamento do programa do usuário.
Comparar com o Programa do Usuário
O PLC ao executar o programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das Entradas, atualiza o
estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu
programa.
Atualizar o Estado das Saídas
O PLC escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia
– se então, um novo ciclo de varredura.
4.4 Estrutura Interna do PLC
O PLC é um sistema microprocessado, ou seja, constituí – se de um microprocessador (ou microcontrolador),
um Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de
Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.
Fonte de Alimentação
A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas:
Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos
eletrônicos, (+ 5Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 Vcc para a
comunicação com o programador ou computador);
Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real;
Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc).
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Unidade Central de Processamento
Também chamada de CPU, é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos PLC’s
modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo-se achar combinações de
CPU e Fonte de Alimentação. Nos PLC’s de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único
módulo. As características mais comuns são:
Microprocessadores ou Microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits (INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG
Z80xx, PIC 16xx);
Endereçamento de memória de até centenas de MByte;
Velocidades de CLOCK variando de 4 a 100 MHz;
Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.
Bateria
As baterias são usadas nos PLC’s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou
programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de
equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni – Ca ou Li. Nestes casos,
incorporam se circuitos carregadores.
Memória do Programa Monitor
O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do PLC. Ele é o responsável pelo
gerenciamento de todas as atividades do PLC. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em
memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos
microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um
microcomputador ou Terminal de Programação e o PLC, gerenciarem o estado da bateria do sistema,
controlar os diversos opcionais etc.
Memória do Usuário
É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já
que uma das vantagens do uso de PLC’s é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituído de
memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso
de baterias), EEPROM e FLASHEPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que
permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia
bastante de acordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos de
Programa.
Memória de Dados
É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de
temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da
memória RAM do PLC. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução
do programa do usuário. Em alguns PLC’s, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso
de uma queda de energia.
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Memória Imagem das Entradas / Saídas
Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela
armazena os estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória
Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU
irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa
do usuário.
Circuitos Auxiliares
São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do PLC. Alguns deles são:
POWER ON RESET: Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o
estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída, que
pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se
energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito
é desabilitado.
POWER–DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O
conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de
alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré – determinado, o circuito é acionado
interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias
em tempo hábil.
WATCH-DOG – TIMER: Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em
“loop”, o que seria um desastre, existe um circuito denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado
em intervalos de tempo pré – determinados. Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito
sinalizando uma falha geral.
Módulos ou Interfaces de Entrada
São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela
CPU (ou microprocessador) do PLC. Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas.
Entradas Digitais
São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de
dispositivos que podem ser ligados a elas são:
Botoeiras;
Chaves (ou micro) fim de curso;
Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;
Chaves comutadoras;
Termostatos;
Pressostatos;
Controle de nível (bóia), etc.
As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua (24 Vcc) ou em corrente
alternada (110 ou 220 Vca). Podem ser também do tipo N (NPN) ou do tipo P(PNP). No caso do tipo N, é
necessário fornecer o potencial negativo (terra ou neutro) da fonte de alimentação ao borne de entrada para
que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo (fase) ao borne de
entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU.
Esta isolação é feita normalmente através de opto acopladores.
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As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o PLC não
excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.
Figura 41 – Entrada digital 24 Vcc.
Figura 42 – Entrada digital 110/220 Vca.
Entradas Analógicas
As Interfaces de Entrada Analógica permitem que o PLC possa manipular grandezas analógicas, enviadas
normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são
normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são: 0 á 10 Vcc, 0 á 5 Vcc, 1 á 5
Vcc, -5 á +5 Vcc, -10 á +10 Vcc ( no caso as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são
chamadas de Entradas Diferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 mA , 4 á 20 mA.
Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são:
Sensores de pressão manométrica;
Sensores de pressão mecânica (strain gauges - utilizados em células de carga);
Taco-geradores para medição rotação de eixos;
Transmissores de temperatura;
Transmissores de umidade relativa, etc.
Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente
medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da
grandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8
bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite
uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.
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Figura 43 – Entrada analógica.
Módulos Especiais de Entrada
Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são:
Módulos Contadores de Fase Única;
Módulos Contadores de Dupla Fase;
Módulos para Encoder Incremental;
Módulos para Encoder Absoluto;
Módulos para Termopares (Tipo J, K, L, S, etc);
Módulos para Termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc);
Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges;
Módulos para leitura de grandezas elétricas (KW, KWh , KQ, KQh, cos Fi , I , V , etc).
Módulos ou Interfaces de Saída
Os Módulos ou Interfaces de Saída se adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que
possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as
analógicas.
Saídas Digitais
As saídas digitais admitem apenas dois estados: ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos
do tipo:
Relés;
Contactores;
Relés de estado - sólido
Solenóides;
Válvulas;
Inversores de Freqüência, etc.
As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas: Saída digital à Relé, Saída digital 24 Vcc e
Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico,
normalmente opto - acoplado.
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Figura 44 – Saída digital a relé.
Figura 45 – Saída digital a transistor.
Figura 46 – Saída digital a triac.
Saídas Analógicas
Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou
corrente. No caso de tensão normalmente 0 a 10 Vcc ou 0 à 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 à 20 mA ou 4
à 20 mA. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo:
Válvulas proporcionais;
Motores C.C.;
Servo – Motores CC;
Inversores de Freqüência;
Posicionadores rotativos, etc.
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Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são:
Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.;
Módulos para controle de Servomotores;
Módulos para controle de Motores de Passo (Step Motor);
Módulos para I.H.M. (Interface Homem Máquina), etc.
Figura 47 – Circuito de saída analógica.
4.5 Auto-avaliação de Defeitos em PLC’s
O PLC é o centro nervoso do sistema, de sorte que, se ocorrer alguma falha no mesmo, poderá causar erro
na execução do programa, colocando em risco todo o sistema sob controle. Assim sendo, quando ocorrer
alguma falha no sistema do PLC, é muito importante identificar rapidamente a localização do defeito, se é
interno ou externo ao PLC. Caso o defeito for interno, verificar se é no hardware ou no software; se não
ruídos, etc. Para fazer frente a esses problemas, formam-se diversas providências, como, por exemplo, a
elaboração de programa do sistema que permite descobrir facilmente os defeitos, mesmo sendo no próprio
sistema do PLC. A função de auto-avaliação de defeitos é muito importante como meio de prevenção de
falhas, reduzindo significantemente o tempo inativo (Down time). Através dessa função, o próprio PLC faz a
avaliação do defeito que tenha ocorrido no hardware, indicando o local avariado. Dessa forma, descobre-se o
local defeituoso, permitindo então uma rápida restauração do sistema.
Tabela 10 – Exemplos de auto-avaliação de defeitos.
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4.6 Programação de PLC’s
a) Considerações sobre programação
Quando se deseja efetuar o controle de aparelhos, dispositivos e máquinas através de um PLC são
necessário que o conteúdo de controle seja previamente gravado na unidade de memória do PLC. Assim, o
controlador programável executará fielmente o controle das máquinas e dispositivos, conforme a instrução do
conteúdo de controle. Por exemplo, mesmo que se deseje gravar uma instrução de controle, como “A
lâmpada h deverá acender-se somente quando as botoeiras b0 e b1 estiverem pressionadas ao mesmo
tempo”, como o PLC não entende a linguagem humana de uso cotidiano, a gravação terá que ser efetuada
com termos compreensíveis pelas máquinas. Assim, denomina-se “programa a frase escrita segundo uma
seqüência definida, observando rigorosamente uma determinada regra com os termos que podem ser
compreendidos pelas máquinas, e “programação”, a elaboração desse programa e a subsequente gravação
do mesmo na memória”.
b) Métodos de programação
Na comunicação entre homens existe o português, o inglês, e assim por diante. Do mesmo modo, para a
comunicação com PC’s, existem diversos tipos de linguagem de acordo com o fabricante e o modelo do
equipamento. Em geral, os usuários dos PLC’s são pessoas treinadas para a utilização de máquinas e
equipamentos, manipulação de circuitos elétricos, etc. Assim, foram idealizadas diversas linguagens de
programação para que fossem acessíveis para essas pessoas. Classificando essas linguagens, tem-se:
método de diagrama de circuitos, que consiste em transformar diagrama de circuito elétrico em linguagem de
programação; método de diagrama funcional, no qual programam os movimentos ou operação da máquina ao
PLC.
Figura 48 – Métodos de programação de PLC’s.
No caso de método de diagrama de circuito, elabora-se primeiramente o diagrama através dos recursos de
circuitos a relés ou símbolos lógicos, para posteriormente transformar em programas. Trata-se de um método
bastante eficaz para técnicos da área elétrica treinados em circuitos seqüenciais.
No que concerne ao método de transformação, existem três, a saber:
Diagrama “Ladder(ladder symbol circuit);
Diagrama de portas lógicas;
Diagrama de lista de instruções.
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Na utilização do método de diagrama ladder, é necessário o display para indicação do desenho. Devido às
facilidades que o método oferece em termos de desenhar e indicar diretamente os circuitos de relés,
ultimamente o presente método está sendo o mais utilizado em termos de métodos de programação. Por
outro lado, no caso do método de diagrama funcional, trata-se de método no qual transferem o movimento ou
operação do objeto de controle para um fluxograma (flow chart), introduzindo diretamente no PLC, sem
necessidade de elaborar o diagrama de circuito seqüencial. Assim, trata-se de um método eficaz para as
pessoas habituadas a lidar com programação de computadores inclusive técnicos da área de mecânica e a
fins. Esse método também é classificado em outros dois, a saber: método de fluxograma e método seqüencial
(passo a passo).
4.6.1 Método de diagrama de circuito
A seguir, será efetuada uma explanação sobre diversos exemplos de programação sobre um circuito a relés
do mais simples, como no caso de um circuito de retenção.
Figura 49 – Programa elaborado por circuitos.
No método de diagrama “ladder”, o esquema do circuito deverá ser substituído pelos símbolos ou códigos
ladder. A seguir, pressionando sequencialmente as teclas que indicam os símbolos ladder e as linhas de
conexão, dever-se-á traçar o circuito no display e, à medida que se for concluindo gravá-la na memória por
unidade de circuito. Nesse método, a programação poderá ser efetuada confirmando passo a passo o seu
encaminhamento, sendo assim o método mais intuitivo e simples. Entretanto, como necessita do display, se o
PLC for de pequeno porte, o seu custo relativo (do display) será muito alto. “No método de apresentação por
porta lógica, dever-se-á elaborar o esquema do circuito utilizando os símbolos lógicos que indicam ‘AND”,
“OR”, “NOT”, pressionando as teclas segundo o fluxo de sinais. Por outro lado, no método de equação lógica,
adotando o método de entrada pela transformação do esquema do circuito em equação algébrica booleana,
representando a ligação série com “•“, a paralela com “±“ e a saída com “=“ e utilizando os números de
entrada e saídas, elaborar a equação lógica e digitar no teclado. No presente método, será necessário certo
treinamento para transformar o diagrama do circuito em equação lógica. Contudo, assim que estiver
suficientemente treinado, o usuário poderá elaborar facilmente a equação de qualquer circuito, mesmo os
mais complexos, e, ainda, se utilizar convenientemente os parênteses “( )“ poderá elaborar programas muito
eficazes, mesmo dispondo de limitada capacidade de memória. O método de instrução consiste em elaborar o
programa substituindo o esquema do circuito por determinados termos de instrução (LOAD, AND, OR, NOT,
etc), tratando-se do método de programação que mais se aproxima da metodologia de computação.
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4.6.2 Método de diagrama funcional
No método de diagrama de circuito, foi visto que inicialmente as ações ou operações das máquinas eram
apresentadas em termos de circuitos para posterior transformação em programas. Entretanto, no caso do
método de diagrama funcional, as ações ou operações das máquinas poderão ser diretamente transformadas
em programa, sem necessidade de elaboração prévia do circuito elétrico.
No que se refere ao método de fluxograma, as ações ou operações das máquinas e dispositivos são
representadas através de fluxograma. O PLC que adota esse método proporciona facilidades quanto à
execução das derivações, de acordo com situações de entradas e saídas ou saltos (jump) a um endereço
distante.
Figura 50 – Programa elaborado pelo método de diagrama funcional.
O método seqüencial é um método dos mais simples em termos de diagrama de tempo e é indicado para
manipulação do programa do tipo em que a operação global de controle é dividida em pequenas etapas em
uma determinada seqüência; por exemplo: se a operação contida no 1° passo for encerrada, passará para o
2° passo e assim sucessivamente. Esse método surgiu como substituto ao do tipo came rotativo e quadro de
controle perfurado (pin board), que eram destinados ao controle de programas de pequeno porte. Contudo,
trata-se de método dotado de função de alto nível, utilizando as características como salto (jump), repetição,
temporizador, contador e armazenamento de programas.
4.7 Seqüência de programação para PLC’s
Como o PLC surgiu inicialmente em substituição aos painéis de relés, o método de programação foi baseado
principalmente nos circuitos a relés (doravante será designado seqüência de relés) e, assim, utiliza-se com
maior intensidade o método de diagrama de circuitos.
Além disso, dentro do método de diagrama de circuitos, os mais adotados são o de equação lógica, que
proporciona grande facilidade na representação de circuito a relés, e o de diagrama ladder. Assim, no
presente item, será efetuada a explanação sobre o procedimento para programação, fundamentando-se
nesses dois métodos.
4.7.1 Seqüência de Programação
O programa deverá ser elaborado obedecendo a seguinte rotina:
a) distribuição das entradas e saídas;
b) elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas;
c) elaboração da seqüência para PLC;
d) distribuição das saídas internas, temporizadas e contadores;
e) codificação (coding) e carregamento (loading).
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a) Distribuição das entradas e saídas
Inicialmente, deve-se classificar o número dos equipamentos externos que serão conectados às unidades de
entradas e saídas e, efetuando uma nova classificação, de acordo com as especificações elétricas, deve-se
definir a quantidade de módulos de entradas e saídas necessárias. No que se refere aos módulos de E/S,
geralmente cada módulo pode controlar 8 ou 16 pontos dos equipamentos externos. Assim, deve-se dividir o
total de pontos a serem controlados pelo número de pontos de cada módulo e, definir a quantidade de
módulos de entradas e saídas. Assim que a quantidade de módulos E/S for definida, deve-se definir o seu
lay-out. Para tanto, é necessário distribuir os módulos nas posições que facilitam a execução da fiação dos
equipamentos externos.
Existem inúmeros equipamentos que são conectados como elementos de entradas e saídas e assim, no
diagrama de circuito elétrico, os mesmos são normalmente identificados com abreviaturas como b0 (botoeira),
VS (válvula solenóide), etc. Entretanto, essas abreviaturas adotadas são incompreensíveis para os PLC’s.
As únicas palavras compreensíveis para os PLC’s são os números específicos atribuídos aos seus terminais
de entrada e saída. Assim, os equipamentos representados pelas abreviaturas (b0, VS, etc.) são identificados
pelos números dos terminais onde serão conectados, para que o controlador programável possa identificá-
los. Por exemplo, na Figura 51, distribuíram-se os módulos de entrada de n° 100 e os de saídas na de n° 300
e fez-se, a seguir, a distribuição dos equipamentos externos em cada um dos números (terminais) de
entradas e saídos correspondentes.
b) Elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas
Quando se for efetuar a distribuição das entradas e saídas, no caso de componentes que integram o
esquema em grande quantidade, como no caso das botoeiras, chaves fim-de-curso, etc., existem dois
métodos de distribuição, a saber: a primeira consiste em distribuir na seqüência b0, b1,... bn, para um mesmo
equipamento, e a segunda, em distribuir pela fiação proveniente de uma mesma direção, de acordo com a
posição ou direção em que se encontra o equipamento. Sobre esse assunto, durante a elaboração do
diagrama de conexão de entradas e saídas, é importante estudar e definir qual dos dois métodos deve ser
aplicado, considerando a obra de fiação que terá que ser executada. Além disso, deve-se identificar se os
sinais provenientes dos equipamentos de entrada estão conectados através de contatos abridores ou
fechadores, pois, caso contrário, será difícil avaliar durante a elaboração do programa se há ou não a
necessidade de se utilizar código (comando) de inversão.
Dessa forma, como o diagrama de conexão de entradas e saídas torna-se um instrumento fundamental para
a programação e obra de fiação, o mesmo deve ser elaborado em primeiro lugar, juntamente com a
distribuição das entradas e saídas.
Figura 51 – Diagrama da de conexão de entrada e saída.
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  • 1.
  • 3. 3 SUMÁRIO 1. Introdução 5 2. Redes Industriais 6 2.1 Sistemas abertos ou proprietários 8 2.2 Topologia de redes 9 2.3 Modelos de redes 10 2.4 Níveis de aplicação 13 3. Protocolos de Comunicação 13 3.1 Profibus 14 3.2 Foudation FieldBus 18 3.3 Hart 23 3.4 ControlNet 28 3.5 DeviceNet 30 3.6 EtherNet/IP 32 3.7 ModBus 35 4. PLC (Controlador Lógico Programável) 36 4.1 Surgimentos do PLC’s 36 4.2 Tecnologia dos PLC’s 37 4.3 Arquitetura básica dos PLC’s 41 4.4 Estrutura interna dos PLC’s 43 4.5 Auto – avaliação de defeitos dos PLC’s 49 4.6 Programação dos PLC’s 50 4.7 Seqüência de programação dos PLC’s 52 4.8 Sistema de controles com PLC’s 56 4.9 Sistemas provisórios utilizando PLC’s 57 5. SPC (Sistema Provisório de Controle) 57 6. SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) 59 Apêndice I – Controle de Processos 60 Apêndice II – Processos Industriais 68 Apêndice III – Ações de Controle 73 Apêndice IV – Tipos de Controle Automático 86 Exercícios 92 Bibliografia 94
  • 4. 4 APRESENTAÇÃO Apresenta-se aqui, os assuntos a serem abordados na disciplina “AUTOMAÇÃO II” do curso técnico em Eletroeletrônica do Centro de Educação Tecnológica do estado da Bahia – Unidade de Camaçari. A disciplina vai permitir integrar uma série de conhecimentos na área de automação e controle industrial, aplicados na transferência e controle de dados em redes industriais. O programa da disciplina inclui os conceitos fundamentais sobre Protocolos de Comunicação, PLC’s (Controladores Lógicos Programáveis), Ações de Controle e Redes Industriais que possuem características específicas para os requisitos da transmissão e controle de dados em ambientes industriais. Parte-se da fundamentação da aplicação de redes e da sua integração na arquitetura de organização da indústria, aplicada á automação. A prática laboratorial ocupa um espaço importante na disciplina. Contempla o desenvolvimento de sistemas baseados em PLC’s que irão ser aplicados como nós de sistemas distribuídos interligados por barramentos de campo. Este trabalho não pretende esgotar o tema, mas sim indicar os caminhos a serem trilhados no desenvolvimento da capacitação para desempenhar atividades relacionadas á automação industrial. As motivações subjacentes à organização e proposta desta disciplina resultam essencialmente em alguns fatores, cuja ordem é irrelevante: As potencialidades do mercado de trabalho para os futuros técnicos. O elevado crescimento atual, existente na investigação e desenvolvimento na área da disciplina e em áreas correlatas. A competitividade, devido á globalização, o que levam as indústrias e se modernizarem, aumentando sua produtividade, através da automação de seus processos. Segurança, atendimento as normas ambientais, bem como a qualidade final dos produtos. No que se refere ao primeiro item destes fatores é de salientar que o mercado de emprego preferencial tem situado ao nível da Indústria como: Indústria de Processos de 1ª, 2ª e 3ª geração. Ex.: Braskem, Deten Química, Oxiteno, Bombril, etc. Indústria de Transformação Manufatureira. Ex.: Alcoa, Britânia, etc. Indústria Automobilística e correlata. Ex.: Ford, Fiat, Pirelli, Continental Pneus, etc. Indústria Pesada, em particular as Siderúrgicas. Aço Minas, Samarco, etc. Indústria de Mineração. Ex.: CVRD, etc.
  • 5. 5 1. INTRODUÇÃO Desde o surgimento das indústrias, a necessidade do controle das máquinas e dos equipamentos necessários para a produção aumentou bruscamente. Este controle sofreu várias mudanças com o passar dos anos, em função da necessidade de maximizar produção, diminuir custos e também aumentar a segurança operacional dos equipamentos e pessoas envolvidas no processo. Cronologicamente, temos a princípio o controle totalmente mecânico, depois o pneumático, e em seguida o controle elétrico, com o surgimento dos motores elétricos e de seus dispositivos de controle. No final da década de 50, a instrumentação para controle regulatório ainda era predominantemente pneumática. No final da década de 60, Dick Morley e Michel Greenberg inventaram o primeiro controlador programável. Usando tecnologia da época, construíram, a pedido de uma montadora de automóveis, um testador de continuidades nos cabos usados nos carros, que posteriormente seria desenvolvido até chegar ao conhecido Program Logic Controller (PLC), que é um microcomputador com o propósito específico de controle de processos, que até hoje é aplicado com sucesso na maioria das aplicações de controle industrial. Os PLC’s inicialmente foram desenvolvidos, para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (de dois estados apenas: ligado - desligado, alto - baixo, etc.); porém, hoje tem adquirido muitas outras funções com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de sinais analógicos, controle modulado multivariáveis, controle de posição de alta precisão, etc. Os PLC's nasceram para substituir os relés na implementação de intertravamentos e controle seqüencial se especializando no tratamento de variáveis digitais. Já no início da década de 70, surgiu a necessidade de controladores robustos mais precisos e dedicados, pois o avanço da eletrônica dos dispositivos (instrumentos) possibilitou obter um melhor controle regulatório. Nesse estágio da automação, na metade da década de 70, surgiu o primeiro Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). Com o avanço da eletrônica, as válvulas de controle passaram a possuir posicionadores inteligentes. No início dos anos 80, por exemplo, apareceram os transmissores de pressão que podiam fornecer também a temperatura da linha, graças à diminuição cada vez mais da eletrônica. Passou a existir um microprocessador dentro de um pequeno instrumento de medição. O SDCD, dedicado ao controle analógico, conta com mais microprocessadores para executar funções especiais de controle como: Proporcional-Integral-Derivativo (PID), Feedforward, Lógica Fuzzy, etc. No início da década de 90, temos o surgimento dos protocolos digitais de campo. Impulsionados pela expansão da informática com a explosão da internet, formaram-se grupos de pesquisa para desenvolver sistemas de controle industriais que, associados aos já existentes PLC’s, pudessem otimizar o sistema e o rendimento do controle industrial. Nesta época, também houve o início do desenvolvimento do protocolo Foundation Fieldbus (FF). A partir daí, os principais fabricantes de PLC’s criaram seus protocolos de comunicação, baseado em sua maioria no meio físico do sinal elétrico RS-485, devido ao seu longo alcance e altas taxas de transferência de dados. Com o surgimento das redes de comunicação, surge também a possibilidade de tornar os periféricos remotos, ou seja, pôde-se distribuir o controle através de uma interface local, próximo do ponto de coleta dos dados, coletarem uma quantidade maior de dados e transmiti-la pela rede através de um par de fios, ao invés de levá-los todos ao painel de controle. Figura 1 – Evolução da Automação Industrial.
  • 6. 6 2. REDES INDUSTRIAIS A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS- Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais. No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24 Vdc) necessários para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida. No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário. No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir. Os sistemas de controle automático têm se apoiado cada vez mais em redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexibilidade dos processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais. Assim, praticamente todos os sistemas existentes incluem alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais, seja remota, implementados em sistemas SCADA - sistema para aquisição, supervisão e controle de processos. Embora essa disseminação de aplicação de comunicação seja recente, já á algum tempo têm sido desenvolvidos em diferentes topologias para a comunicação de dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação. Um modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial são os 3 níveis abaixo relacionados: Nível de informação - caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática; Nível de automação e controle - caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de natureza diversa. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos; Nível de dispositivos de campo - caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientada a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis superiores.
  • 7. 7 Figura 2 – Níveis de automação industrial. Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos os três níveis, havendo em geral, uma implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de transmissão. Ou seja, não adianta comunicar a altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes. As redes industriais podem ser classificadas em Sensorbus, Devicebus e Fieldbus. As redes Devicebus são redes intermediárias entre as redes Sensorbus e Fieldbus. Esta rede tem transferência rápida de dados, como em uma rede Sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados além de cobrir distâncias maiores, graças ao seu meio físico. O protocolo Profibus–DP, por exemplo, é uma rede mestre-escravo ponto-a-ponto, cíclica para processos e acíclica para gerenciamento. A rede Fieldbus interliga os equipamentos de entrada/saída (I/O’s) mais inteligentes e pode cobrir grandes distâncias. O protocolo FF, que pertence a essa família, tem comunicação cíclica e bidirecional, ou seja, possui tempo pré-determinado para executar as funções e usa o sistema passagem de bastão para se comunicar. Os dispositivos ligados a essa rede podem desempenhar funções específicas de controle, inclusive, assumir o controle da rede, se configurados para isso.
  • 8. 8 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 3 – Classificação das redes e seus respectivos protocolos. A International Electrotechnical Commission (IEC) é a entidade que normaliza os protocolos digitais existentes atualmente. Existem também protocolos que seguem a IEC, mas não são reconhecidos por ele, como o Device Net, ou o Profibus-PA. Os Protocolos Profibus-DP e o FF são padrões mundiais, com meio físico e software, normalizados e reconhecidos pela IEC. 2.1 Sistema Aberto ou Proprietário Com a popularização das redes digitais, surgiram novos termos técnicos na automação industrial, e um deles bastante discutido hoje em dia é a questão do sistema ou protocolo aberto. Uma empresa pode desenvolver seu software, neste caso seu protocolo de comunicação, e se desejar, pode torná-lo aberto, distribuindo seu código e possibilitando que outros fabricantes possam construir equipamentos ou instrumentos que possa se comunicar entre eles, ou melhor, compatíveis com a tecnologia. Houve uma época em que os SDCD’s na sua maioria eram sistemas proprietários, ou seja, se comprasse o SDCD (Invensys) da Foxboro, inevitavelmente deveria adquirir os transmissores, as válvulas e toda a instrumentação ligada a esse SDCD da Foxboro, pois a rede era proprietária e eles só conversavam entre si. Com o maior desenvolvimento dos protocolos, e a abertura ao mercado de alguns dos mais importantes, como o Profibus da SIEMENS, essa tendência se modificou. Nota-se que essa idéia de tecnologia aberta ou protocolo aberto gera alguns termos inexistentes ou com pouca importância na automação até então, com esse novo tipo de tecnologia, onde todos têm que “conversar” na mesma língua, os equipamentos precisam ser compatíveis. Um outro termo muito usado atualmente é “interoperabilidade”. Um sistema tem essa característica quando pode receber instrumentos de vários fabricantes e se comunicar com eles, podendo utilizar todos os recursos disponíveis, dessa forma pode surgir a pergunta: Como um HOST (controlador de um sistema híbrido) pode ser capaz de identificar os instrumentos? Ou ainda: Que capacidade de memória este controlador deve ter para armazenar tudo isso?
  • 9. 9 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tudo isso, foi resolvido de forma simples, da mesma forma que ao instalarmos uma nova impressora em nosso computador pessoal, necessitamos de um CD-ROM ou disquete de instalação. Na automação contemporânea, temos os Device Description (DD), ou Eletronic Data Sheet (EDS), que são arquivos eletrônicos, disponíveis em sua maioria nos sites dos fabricantes de instrumentos ou no site da fundação reguladora do protocolo. Com esse pequeno arquivo, o HOST pode utilizar todos os recursos que o fabricante disponibilizou no instrumento, claro, que pode haver certa limitação, que o HOST de um determinado fabricante pode oferecer. Por exemplo: um eventual bloco não executa em determinado HOST. Entretanto, devido ao padrão criado e mantido pela entidade reguladora do protocolo aberto, toda a mudança realizada no dispositivo, este deve seguir a norma do protocolo para poder receber o certificado. 2.2 Topologias das Redes Existem várias topologias aplicadas ás redes de automação industrial. É possível também efetuar derivações nessas topologias, todavia é preciso ter bastante cuidado, pois ao usar um determinado meio físico, a velocidade de comunicação não será exatamente a mesma alcançada por outro protocolo que use o mesmo meio. As taxas e formas de transmissão são particulares de cada protocolo. A velocidade do sistema é inversamente proporcional à distância e à quantidade de dispositivos conectados a ela. Figura 4 – Topologias aplicadas ás redes industriais Rede em ESTRELA: Nó central: comutador ou switch. Não necessitam roteamento. Desempenho depende da velocidade do nó central. Problemas: confiabilidade, modularidade. Rede em ANEL: Uso de repetidores ligados ao meio físico. Usualmente transmissão unidirecional para simplificar o projeto dos repetidores quando uma mensagem é enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino (ou pelo nó que enviou, dependendo do protocolo).
  • 10. 10 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 5 – Derivações aplicadas ás redes industriais Note que além das diversas topologias e derivações possíveis de montagem, temos também, nas extremidades da rede principal, os terminadores (TR), que são basicamente resistores casadores de impedância, e que também ajudam à rede a não ser tão sensível a interferências, nem se tornar uma antena. Os terminadores, em sua maioria, são disponíveis nos dispositivos, em sua maioria, trata-se de dip switches que podem ser acionados quando se verificar que aquele dispositivo será o último da rede. 2.3 Modelos de Redes Figura 6– Modelos de comunicação de redes.
  • 11. 11 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 7 – Modelo origem/destino Figura 8 – Modelo Produtor/Consumidor. Figura 9 – Classificação das redes quanto ao modelo de comunicação.
  • 12. 12 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 10 – Troca de dados Polling. Figura 11 – Troca de dados Cíclicos. Figura 12 – Troca de dados Mudança de Estado.
  • 13. 13 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 2.4 Níveis de aplicação Figura 13 – Comparação dos níveis de automação. Figura 14 – Sugestão de protocolos para cada nível. 3. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Protocolo de comunicação é basicamente um conjunto de regras e convenções que controla o formato e o significado dos quadros, pacotes ou mensagens trocadas pelas entidades pares em um diálogo entre as camadas. Existem no mercado vários tipos de protocolos de comunicação abertos ou proprietários que são aplicados ao controle de processos industriais. A sua escolha depende de cada tipo de aplicação.
  • 14. 14 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Emissor Receptor 7 7 Nível aplicativos Interface para programas aplicativos, aplicativos orientados, comandos (leitura, escrita) 6 6 Nível apresentação Representação (codificação) dos dados para análise e interpretação no próximo nível 5 5 Nível manipulação Estabilização e limpeza temporária das estações conectadas, processos de sincronismo da comunicação 4 4 Nível transporte Controle dos dados transmitidos para o nível 5 (erros de transporte, perda de pacotes 3 3 Nível rede Estabilização e limpeza das estações conectadas, para evitar congestionamentos 2 2 Nível ligação Descrição do protocolo de acesso ao barramento (MAC - Medium Acces Control), inclusive segurança de dados 1 1 Nível Físico Definição do meio físico, codificação e velocidade de transmissão de dados Meio de transmissão Designação e função dos níveis Os mais conhecidos são: Profibus - PA e DP – usado em indústrias de processo e manufatura, em SDCD’s e PLC’s, em CCM’s inteligentes e em redes de segurança; FF - Foundation Fieldbus – usado em processos molhados em geral; HART – usado em indústrias químicas e petroquímicas, açúcar e álcool, papel e celulose; ControlNet – usado em comunicação entre PLC’s e sistemas de I/O’s; DeviceNet – usado para acionamentos de dispositivos; Interbus – usado em qualquer segmento da indústria; Ethernet – usado em processos e manufatura ao nível da planta; Modbus – usado em processo e manufatura ao nível de campo; Safetybus – usado em prensas, células robotizadas, aeroportos e máquinas em geral; LonWorks – usado em automação predial, residencial e transportes; Rede GENIUS – usado no controle de I/O’s distribuídos e para controle crítico. Um protocolo é definido através do sistema Open Systems Interconection (OSI) que é a referência de padronização para dispositivos de comunicação, ele define as características, regras e interface de transferências que necessitam serem usadas nos protocolos de comunicação. Este padrão é formado por camadas (layers) de configuração ou de parâmetros que irão definir o tipo de protocolo. Tabela 1 – Camadas do modelo OSI Descrevendo os Protocolos 3.1 PROFIBUS O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 e IEC61158/61784. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.
  • 15. 15 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação. Foi desenvolvido para troca rápida de dados de campo e da comunicação mestre-escravo. PROFIBUS - PA – (Application Profile). O uso do PROFIBUS-PA em dispositivos e aplicações típicas de automação e controle de processos é definido por perfil PA. O perfil pode ser obtido no documento número 3.042 da Associação PROFIBUS. Ele é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do campo de aplicação, os meios de comunicação: IEC 61158-2, RS-485 ou fibra ótica podem ser usadas. O perfil PA define os parâmetros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos típicos, tais como: transmissores de variáveis, posicionadores, etc. independente do fabricante, facilitando assim, a intercambiabilidade do dispositivo e a total independência do fabricante. A descrição das funções e do comportamento dos dispositivos está baseada no modelo de Blocos Funcionais (Function Block Model). As definições e opções do perfil de aplicação PA, tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para transmissão analógica com 4 a 20 mA ou HART. PROFIBUS - DP - (Decentralized Periphery). O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo. O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2 do modelo OSI, bem como a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na Interface do Usuário. PROFIBUS - FMS - (Fieldbus Message Specification). O FMS é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de aplicação é compostado FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados. 3.1.1.1 Perfil Físico (Physical Profile) A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação disponíveis no PROFIBUS: RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura; IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo; Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a interferências e grandes distâncias. Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS. Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão.
  • 16. 16 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre sub-redes. 3.1.1.1.1 Meio de Transmissão RS-485 O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso. A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico RS-485. Tabela 2 – Dimensionamento do meio RS-485. Instruções de instalação para o RS-485 Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento. O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão. As especificações de comprimento de cabo são baseadas em cabo Tipo-A, com os seguintes parâmetros: Tabela 3 – Especificações do meio RS-485. Impedância 135 a 165 Ohms Capacitância < 30 pF/m Resistência < 110 Ohms/km Frequência 3-20 MHz Diâmetro do Fio > 0,64 mm Cabo Tipo A RS-485 Área do condutor > 0,34 mm²
  • 17. 17 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.1.1.2 Meio de Transmissão IEC-61158-2 Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbuts/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmissão IEC61158-2 para uso em áreas potencialmente explosivas são definidos pelo modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificada. A transmissão é baseada nos seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1 (rede de baixa velocidade). Cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação; Alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando; Os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso; Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink); Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento; Topologia linear, árvore e estrela são permitidas. No caso da modulação, supõe-se que uma corrente básica de pelo menos 10 mA consumida por cada dispositivo no barramento. Através da energização do barramento, esta corrente alimenta os dispositivos de campo. Os sinais de comunicação são então gerados pelo dispositivo que os envia, por modulação de + / - 9 mA, sobre a corrente básica. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico IEC-61158-2. Tabela 4 – Dimensionamento do meio IEC-61158-2. Instruções de instalação para o IEC-61158 Na sala de controle normalmente estão localizados o sistema de controle de processo, bem como dispositivos de monitoração e operação interconectados através do padrão RS485. No campo, acopladores (couplers) ou links adaptam os sinais do segmento RS485 aos sinais do segmento IEC 61158-2. Eles também fornecem a corrente para alimentação remota dos dispositivos de campo. A fonte de alimentação limita a corrente e tensão no segmento IEC 61158-2.
  • 18. 18 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Acopladores de segmento, os Couplers, são conversores de sinal que adaptam os sinais RS-485 ao nível do sinal IEC 61158-2. Do ponto de vista do protocolo os acopladores são transparentes. Se acopladores de segmento são utilizados, a velocidade do segmento RS-485 ficará limitada em no máximo 93,75 Kbit/s. Links, por sua vez, possuem sua própria inteligência intrínseca. Eles tornam todos os dispositivos conectados ao segmento IEC 61158-2 em um único dispositivo escravo no segmento RS-485. Neste caso não existe limitação de velocidade no segmento RS-485 o que significa que é possível implementar redes rápidas, por exemplo, para funções de controle, incluindo dispositivos de campo conectados em IEC 61158-2. 3.1.1.1.3 Meio de Transmissão com Fibra Ótica Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão elevadas. Vários tipos de fibra estão disponíveis, com diferentes características, tais como, distância máxima, preço e aplicação. Para uma rápida descrição, consulte abaixo. Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra normalmente são em estrela ou em anel. Alguns fabricantes de componentes para fibra ótica permitem o uso de links redundantes com meios físicos alternativos, cuja transferência é automática quando ocorre uma falha. Tabela 5 – Dimensionamento do meio ótico. 3.1.1.2 Perfil de Aplicação (Aplication Profile) O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores. Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante. 3.2 FOUNDATION FIELDBUS O (FF) Foundation Fieldbus é uma arquitetura totalmente aberta e formada para a integração das informações numa planta industrial. É uma rede totalmente digital serial e que possui comunicação bidirecional determinística e cíclica, do tipo passagem de bastão (Token Ring). Esta interliga equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/O’s remotas. Esta rede foi desenvolvida em 1990. Em 1993, seu meio físico virou padrão mundial (IEC-61158), e em 2000 foram aprovados pela IEC os níveis de software. O meio físico é baseado na norma IEC 61158, e diz que o barramento pode ligar até 32 instrumentos por segmento e 4 repetidores (um segmento é o par de fios que saí de um cartão de gerenciamento de rede H1).
  • 19. 19 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari A limitação da quantidade de dispositivos em um segmento é dada pela corrente drenada por cada tipo de instrumento e pelo tipo de controle que fazemos nela, eventualmente, um dispositivo (instrumento) pode ter fonte própria de alimentação e não drenar corrente do barramento. O FF permite toda a liberdade para introduzir, o dispositivo (instrumentos da concorrência) que quiser na malha de controle, a partir das necessidades de cada processo. Na visão da FF, existem basicamente dois níveis de automação de uma planta. Um deles é o H1 (31,25 kbps), uma rede de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos, e o outro, o nível HSE (100 Mbps – High Speed Ethernet), de alta velocidade utilizada para integração das demais redes e para a ligação de dispositivos de alta velocidade como HOST’s, PLC’s e outros sistemas de informação onde a taxa de transferência de dados é muito grande. Figura 15 – Redes do FF – H1 e HSE. O nível H1 de uma planta substitui e implementam o antigo modo analógico de controle 4-20 mA em aplicações como: Integridade do controle em loop; A padronização do meio físico; Alimentação dos dispositivos/instrumentos por um mesmo par de fios; Opção para segurança intrínseca com melhores benefícios. O protocolo FF pode proporcionar: Capacidade de comunicação completamente digital; Redução de fiação e seus acessórios; Capacidade de comunicação com o nível HSE de forma simples. O barramento FF é determinístico para variáveis de processo, ou seja, as tarefas são executadas de forma cíclica em tempos pré-definidos e não determinados para parametrização e diagnósticos em geral. Uma das grandes revoluções da rede FF foi estender a visão da área de processo até o instrumento e não até o último elemento inteligente então existente que era o PLC ou remota do SDCD. Permitiu com isso que a inteligência se estendesse até aos instrumentos de campo.
  • 20. 20 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.2.1 Compatibilidade ao padrão de software OSI Ligando o modelo Fieldbus com o OSI, o nível físico é o nível 1 do modelo OSI. O Data Link Layer (DLL) é o OSI 2 e o Fieldbus Message Specification (FMS) é o nível 7 do modelo OSI. Os outros níveis 3, 4 e 5, não são usados pelo Fieldbus. O nível de usuário (user layer) define o modo para acessar a informação dentro dos dispositivos Fieldbus, de modo que essa informação pode ser distribuída para outros dispositivos ou nós da rede Fieldbus. 3.1.2.2 Camada de aplicação e blocos A camada de aplicação utiliza o conceito de blocos para realizar todas as suas funções. Existem 3 tipos de blocos básicos: blocos de recursos, blocos de transdutores, utilizados para configurar os dispositivos e blocos de função, utilizados para construir a estratégia de controle. Resource Block (Bloco de pesquisa) - Descreve as características do dispositivo, como o nome, o fabricante e o número serial. Há somente um Resource Block num instrumento Fieldbus; Function Block (Bloco de Função) - Os Blocos de função são os responsáveis pelo sistema de controle. É a funcionalidade nos instrumentos de campo e sistemas de controle, tais como entradas e saídas analógicas, controle PID, controle lógico, entre outros. Na Figura 16 mostra um exemplo de uma malha de controle definida usando apenas os blocos de controle contidos em dois dispositivos: um medidor de vazão que fornece o bloco AI e uma válvula que fornece os blocos AO e PID. Figura 16 – Malha de controle completa, utilizando apenas 2 instrumentos. 3.1.2.3 Relógio em tempo real em todos os dispositivos O barramento FF pode receber a hora local e ajustá-la nos instrumentos do barramento. O sistema publica esse tempo periodicamente a todos os membros do barramento FF. 3.1.2.4 Comissionamento (Device Address Assignment) Cada dispositivo FF que é conectado a um barramento, necessita ter um endereço na rede e um Tag (identificação) para operar corretamente.
  • 21. 21 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Para evitar jumpers ou chaves de endereçamento dos instrumentos, o comissionamento do dispositivo é executado via software pelo gerenciador do sistema. A seqüência de comissionamento de um dispositivo FF é a seguinte: Um dispositivo não configurado entra na rede em um dos 4 endereços especiais; A ferramenta de configuração comissiona um Tag ao dispositivo físico; A ferramenta de configuração escolhe e coloca o dispositivo num endereço que não esteja sendo usado, e este será seu endereço permanente na rede; A seqüência é repetida para cada novo dispositivo; Caso ocorra uma falha na alimentação do sistema, essa configuração deve ser refeita pelo sistema, pois isso é gravado numa memória não-volátil do HOST, mas o dispositivo perde essas configurações. 3.1.2.5 Comunicação Cíclica entre os dispositivos O LAS tem uma lista com os tempos de execução e transmissão de todos os dispositivos ligados ao barramento. Com essas informações, o LAS pode determinar os tempos necessários para as comunicações cíclicas. A comunicação é do tipo pass token (passagem de bastão), ou seja, somente quem está com o bastão pode “falar” (publicar) sua informação no barramento. Todos os outros dispositivos irão escutar, mas somente o que está configurado para recebê-la, irá usá-la. A comunicação cíclica é tipicamente usada para as comunicações regulares entre os dispositivos do barramento. (ver Figura 11). 3.1.2.6 Comunicação Acíclica entre os dispositivos Todos os dispositivos Fieldbus tem a oportunidade de enviar mensagens acíclicas. Estas mensagens são responsáveis pela manutenção do barramento, como um exemplo, se é conectado um novo dispositivo ao barramento, ele será identificado pela comunicação acíclica. Requisições do sistema supervisório, informações de um dispositivo, ajuste e diagnóstico são mensagens acíclicas. 3.1.2.7 Nível Física (31.25 kbps) O nível físico é definido pelo padrão aprovado pela International Eletrotechnical Commission (IEC) e pela The International Society for Measurement and Control (ISA). O nível físico recebe mensagens da pilha de comunicação e converte em sinais elétricos para o meio de transmissão em vice – versa. Os dispositivos consomem aproximadamente 10 mA a 31.25 kbps em uma carga de 50 Ω para criar a variação de tensão de aproximadamente 1 Vpp (Tensão Pico a Pico), modulada na tensão de alimentação do dispositivo. A tensão de alimentação do dispositivo pode ser de 9 a 32 VDC. Para aplicações em segurança intrínseca, essa tensão é menor, dependendo da barreira utilizada.
  • 22. 22 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.2.8 As regras básicas para validação de uma rede FF – H1 A rede é formada por uma linha troco com stubs ou spurs. A linha tronco deve ser terminada por um terminador passivo; O comprimento máximo da linha tronco e da soma de todos os stubs é de 1900 m; O número de instrumentos na rede pode ser de 2 a 32 instrumentos numa conexão não intrinsecamente segura com fonte de alimentação separada do sinal de alimentação. De 1 a 12 instrumentos quando a aplicação não requer segurança intrínseca e os instrumentos são alimentados pelo cabo de sinal. De 2 a 6 instrumentos para aplicações de segurança intrínseca quando os instrumentos recebem a sua alimentação diretamente do cabo de comunicação; Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal depois de excedida a especificação de distância máxima. O número máximo de repetidores é quatro; A distância máxima entre dois instrumentos quaisquer não deve exceder 9500 m; O cabo Fieldbus é polarizado. Inverter a polarização pode causar danos a todos os instrumentos conectados à rede. Alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarização. 3.1.2.9 Integração do sistema FF Depois de tudo construído, chega o momento em que se deve configurar o sistema, o momento em que se escolhe quem fala primeiro, o que deve ser falado, e pra quem. Quando uma mensagem é transferida, ela passa por um canal chamado Relacionamento de Comunicação Virtual (VCR) para o dispositivo físico (PD) antes de ir para o fio. Ao chegar ao destino, passa pelo VCR e vai para o receptor. Os pacotes de informações de controle de processos são acrescentados e retirados quando uma mensagem passa por VCR’s e permite que os níveis desempenhem sua funcionalidade específica. Dependendo do tipo de atuador que estiver sendo utilizado, pode-se ajustar a atuação tanto nos blocos PID quanto na saída analógica (AO). Pode existir o risco de inconsistência e de confusão. Assim sendo, vale mais a pena ser consistente e implementar uma estratégia de controle. Por exemplo, uma saída PID de 100% significando que uma válvula está totalmente aberta, independentemente do atuador, ser do tipo ar para abrir ou ar para fechar (tipo de acionamento em válvulas de controle). Isto pode ser feito através da configuração do bloco AO, de modo que a opção I/O seja “incremento para fechar”, no caso de atuadores do tipo ar para fechar. Como já foi citado, o FF tem vários níveis de alarme, o que possibilita que os intertravamentos sejam adequados ao processo. Por exemplo, para um intertravamento importante de shutdown (situação anormal, emergência), deve haver ação com dados de qualidade RUIM ou INCERTA. A perda de comunicação é sempre indicada como status ruim, que resulta no reinício da malha. O resultado é que para aumentar a segurança do sistema, o status não deve ser exibido apenas para o operador, mas também deve ser incluído na lógica de intertravamento do sistema. No FF o diagnóstico dos dispositivos é mais eficiente para identificar erros de discrepância externa da lógica. Para uma disponibilidade alta a freqüência entra em conflito com segurança alta. A malha deve ser configurada para operar apenas quando o status for RUIM. Um status INCERTO apenas alertará o operador e, se for considerado adequado, o pessoal da manutenção. 3.1.2.10 Escalonamento Como acontece em qualquer rede, quanto maior a quantidade de informações transmitidas em um dado espaço de tempo, tanto maior deverá ser a velocidade de operação da rede e de seus sistemas, para que possam acompanhar tais informações (caso do protocolo Profibus-DP). Como o FF - H1 fica limitado a uma taxa de 31,25 kbps, a única maneira de transmitir informações adicionais é aumentar o ciclo de tempo.
  • 23. 23 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Um link pode transmitir cerca de 30 mensagens escalonadas por segundo. Isto significa que a rede pode ter 3 dispositivos, cada um deles enviando 10 mensagens por segundo, ou 120 dispositivos conectados por repetidores, cada um deles enviando uma mensagem a cada 4 segundos. Este tempo de transmissão de dados, ou leitura de todos os dispositivos deve ser estimado inicialmente. Uma regra prática a ser adotada nessa fase inicial, relacionada aos requisitos de largura de faixa, é considerar que cada dispositivo precisa de 50 ms para executar o seu bloco de função. Assim sendo, a largura da faixa total requerida pode ser estimada através da fórmula (1) logo abaixo: tload = (Np+Nc) x 50 ms (1) Onde; tload = tempo para executar todos o blocos da função da malha; Np = número de produtores de informação (dispositivos no barramento); Nc = número de comunicações com a IHM. O tempo não escalonado (acíclico) mínimo deve ser de 70 - 80% no caso de um segmento recém- comissionado. Isto inclui uma folga para crescimento futuro, se necessário for. Por exemplo, supondo-se que o macro ciclo LAS de 1s reserve 150 ms para a transmissão de dados cíclicos, com 70% dos 500 ms disponíveis para comunicações acíclicas, o tempo disponível para utilização futura nesse caso seria de 350 ms. O tempo de trânsito cíclico pode ser determinado pelo somatório dos tempos de execução individuais dos blocos de função mais o tempo de produção de informação na rede. Neste caso, um bloco de AI é executado em 50 ms, um bloco PID em 150 ms e um bloco de AO em 100 ms. Pode-se dizer que cada acesso externo pelo canal FF gasta cerca de 25 ms. O número de dispositivos para os tempos de execução de uma malha com válvulas de controle deve ser o seguinte: Para malhas que requeiram tempo de execução de 1 s, deve-se limitar o segmento a 8 dispositivos com no máximo 3 válvulas; Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,5 s, deve-se limitar o segmento com 4 a 8 dispositivos; Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,25 s, deve-se limitar o segmento a menos de 3 dispositivos, com no máximo uma válvula. Deve-se evitar a mistura de dispositivos com tempos de execução muito diferentes no mesmo segmento (1 s versus 0,25 s). Esta mistura pode levar os escalonamentos, que podem não estar de acordo com a capacidade de alguns links mestres. 3.3 HART O protocolo de comunicação HART® (Highway Addressable Remote Transducer) é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20 mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®. O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20 mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20 mA existentes.
  • 24. 24 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.3.1 Comunicação Analógica + Digital Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20 mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas e controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo. Figura 17 – Comunicação digital + sinal analógico simultâneo. O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20 mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®. O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20 mA. Tanto o sinal analógico 4-20 mA como o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidas pelos 4-20 mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizados na mesma fiação e ao mesmo tempo. 3.1.3.2 A Tecnologia HART® O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de freqüência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20 mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e, portanto ele não interfere no sinal de 4-20 mA. A lógica “1” é representada por uma freqüência de 1200 hz e a lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200 hz, como mostrado nas figuras 1 e 2. O sinal HART® FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART® se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20 mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA.
  • 25. 25 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 18 – Sinal 4-20mA + Hart. 3.1.3.3 Flexibilidade de Aplicação O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) possam se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART®. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração. Figura 19 – Instalação típica com 2 mestres. O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20 mA é a mais comum. Este modo permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4- 20 mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.
  • 26. 26 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 20 – Comunicação mestre-escravo – modo normal. Uma modalidade opcional de comunicação é o “burst”, que permite que um único instrumento escravo publique continuamente uma mensagem de resposta padrão HART®. Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo. Figura 21 – Comunicação escravo-mestre – modo burst. A mesma mensagem de resposta HART® (PV ou outra) é continuamente publicada pelo escravo até que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualização de dados de 3-4 por segundo é típica no modo de comunicação do tipo “burst” e poderá variar de acordo com o comando escolhido. O modo “burst” só pode ser usado quando existe um único instrumento escravo na rede. O Protocolo HART® também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configuração de rede “multidrop”. Em aplicações “multidrop”, o sinal de corrente é fixo, ficando somente a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo é fixada no valor mínimo para alimentação do instrumento (tipicamente 4 mA) e não representa nenhum significado relativo ao processo.
  • 27. 27 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 22 – Rede Multidrop. Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos convencionais de 4- 20 mA pode carregar os sinais de comunicação digital HART®. Os comprimentos de cabos usados podem variar de acordo com o tipo de cabo e dos instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000 metros para um único par trançado blindado e 1500 metros para múltiplos cabos de par trançado com blindagem comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distâncias curtas. Barreiras de segurança intrínseca e isoladores que permitem a passagem de sinais HART® são disponíveis para uso em áreas classificadas. 3.1.3.4 Comandos do HART A comunicação HART® é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem três tipos de comando HART® que permitem leitura/escrita de informações em instrumentos de campo. Os comandos universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART®. Um terceiro tipo os comandos específicos do instrumento, permitem maior flexibilidade na manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de instrumento. Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operação de plantas, como por exemplo, leitura de variáveis medidas, aumento ou diminuição dos valores de configuração e outras informações como: fabricante, modelo, tag e descrição do processo. Uma regra básica do protocolo HART® é que os instrumentos escravos devem ser compatíveis (interoperáveis) entre si e precisam responder à todos os comandos universais. Esses comandos são poderosos, como por exemplo, o comando universal 3, que permite que até quatro variáveis dinâmicas sejam enviadas em resposta a um único comando solicitado do mestre. Figura 23 – Comandos Universais.
  • 28. 28 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.4 ControlNet É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de supervisão e controle. Figura 24 – Rede ao nível de controle. 3.1.4.1 Características do ControlNet Rede para I/O e Controladores – Alta velocidade (5 Mbps); Projetada para Processos contínuos e discretos; Rede única para programação, mensagens “ponto a ponto”, intertravamento em tempo real e aquisição de I/O; Baseada no modelo Produtor/Consumidor; Entradas podem ser compartilhadas por diferentes consumidores; Permite múltiplos controladores na mesma rede; Flexibilidade para o meio físico; Topologias barramento, árvore e estrela combinadas; Opção de redundância para o meio físico Pleno acesso a rede a partir de qualquer dispositivo. Figura 25 – Características da ControlNet – cabos.
  • 29. 29 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 26 - Características da ControlNet - conexões. Figura 27 – Cálculo do segmento ControlNet. Figura 28 – Modo de acesso ao meio.
  • 30. 30 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 29 – ControlNet – IS. 3.5 DeviceNet DeviceNet é um protocolo de comunicação aberto- ODVA em nível de componente para automação industrial. Uma rede DeviceNet é um sistema de conexão aberto de baixo custo entre os dispositivos industriais, tais como sensores e atuadores, e dispositivos de nível superior, tais como controladores lógicos programáveis e PC’s. As redes DeviceNet usam um protocolo independente do tipo de rede, chamado protocolo industrial comum (Common Industrial Protocol - CIP), que é responsável pelos recursos de controle, configuração e coleta de dados da rede. Este processo garante maior flexibilidade graças à capacidade de trabalhar com dispositivos de diferentes fornecedores. É utilizada no nível de dispositivo de campo. Figura 30 – Nível de automação do DeviceNet.
  • 31. 31 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.5.1 Características da rede DeviceNet Linha tronco + derivações; Remoção de nós e diagnósticos; Até 64 nós; Taxas de 125, 250 e 500Mbps; Terminadores de 121 Ohms. Figura 31 – Características gerais - DeviceNet. Tabela 6 – Características gerais - DeviceNet.
  • 32. 32 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 32 – Derivações - DeviceNet Figura 33 – Conexões - DeviceNet. 3.6 EtherNet/IP É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de gerenciamento da informação.
  • 33. 33 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 34 – Nível de automação EtherNet. Figura 35 – Histórico da EtherNet. 3.1.6.1 EtherNet Comercial Padrão de fato – Internet, e-mail, troca de arquivos; Embutido em vários PC’s hoje em dia; Devido á base instalada possui virtualmente facilidades de fabricação – marcas familiares/nível de conforto; Tecnologia aberta Aumento de capacidade e desempenho.
  • 34. 34 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 7 – Cabos. 3.1.6.2 Vantagens da EtherNet/IP Padronização de cabos e acessórios da rede (IEEE 802.3); Alta velocidade de comunicação (10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps); Utilização de topologias estrela; Hubs e Minihubs; Alta confiabilidade. Utilização de fibra ótica; Alta imunidade a ruídos; Fácil instalação; Protocolo TCP/IP; Permite conexão de dispositivos de diversos fabricantes; Padrão de fato. Figura 36 – Rede EtherNet.
  • 35. 35 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 37 – Analogia ao modelo OSI. 3.7 Modbus O protocolo Modbus foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978/79 como um simples meio de troca de dados entre controladores e sensores, utilizando uma comunicação mestre-escravo / cliente-servidor. Uma vez desenvolvido, foi largamente difundido e bem aceito pelo meio industrial, e também pelo fato de tratar-se de um protocolo aberto, tornou-se um dos protocolos mais implementados em diversos produtos de diversos fabricantes para área de automação industrial. O Modbus é um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo OSI, e que provê a troca de dados no modelo Cliente / Servidor entre equipamentos conectados em diferentes tipos de redes, como ilustra a figura abaixo O Modbus opera à taxas de transmissão de 19200 bps, sem paridade e 2 stops bits configuráveis, estando implementado nos modos RTU e ASCII, através do canal serial RS-232C para comunicação ponto-a-ponto (estrela) ou RS-485 no padrão multi-ponto (barramento), configurado para operar como um elemento escravo desta rede. Pelo fato do protocolo Modbus estar bem difundido no mercado, a maioria dos fabricantes de sistemas supervisórios e IHM’s disponibilizam device drives que agilizam a integração de equipamentos que se comunica com o Modbus em uma rede industrial. 3.1.7.1 Interface Serial RS-485 Padrão de sinal elétrico para interligação de instrumentos com um CLP ou computador. É constituído de 2 fios polarizados interligando normalmente os instrumentos a um conversor RS 485 / RS 232. Capacidade máxima de 31 aparelhos por grupo. Comprimento máximo da linha não deve ser superior a 1000 metros.
  • 36. 36 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Sugestão integrada para os 3 níveis de automação. Figura 38 – Sugestão integrada de automação dos 3 níveis. 4. PLC (Controlador Lógico Programável) 4.1 Surgimento do PLC O controlador programável surgiu em 1969. Anteriormente a isso, o hardware do controle seqüencial era dominado principalmente pelos relés. No que concerne aos dispositivos de controle de seqüência que utilizam os relés, apresentavam as desvantagens: Mau contato; Desgastes dos contatos; Necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de contatos e de bobinas; Complexidade na introdução de alteração na seqüência; Necessidade de manutenções periódicas. Apesar de apresentarem todas as desvantagens, os relés se tornaram elementos principais do hardware de controle de seqüência em razão de não haver, na época, elementos que pudessem substituí-los eficazmente. No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-se o circuito integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmos tornou-se o centro das atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento do hardware para controle dotado de grande versatilidade de processamento. Por outro lado, inicia-se a era da produção em grande escala, e os assuntos, como automação, incremento da produtividade, uniformidade na qualidade e outros, transformam-se em temas principais nas estações de rabalho, e a solução desses problemas era exigida também pelo lado da tecnologia de controle de seqüência.
  • 37. 37 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Na época, a General Motors (GM – empresa automobilística americana) anunciou 10 itens relativos às condições que um novo dispositivo eletrônico de controle de seqüência deveria atender para que pudesse substituir os tradicionais relés. Os itens são os seguintes: 1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho; 2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-inunit); 3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de controle do tipo com relés; 4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés; 5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados; 6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés; 7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V]; 8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de corrente; deverá ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando para partida de motores e outros; 9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico; 10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no mínimo. Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudesse substituir os sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias de computação e dos CI’s, desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação, elevação das funções e outros, até atingir a maturidade como sendo hardware principal para controle seqüencial. Com a evolução, foi eliminado o termo “logic” do nome PLC, passando este dispositivo a ser chamado de PC - Controlador Programável. Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar variáveis analógicas e no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de instrumentação, com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década de oitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's, os quais passaram a elevar seu desempenho, permitindo que vários controladores programáveis pudessem partilhar os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessem conectados vários microcomputadores, os quais através de um software de supervisão e controle podiam monitorar visualizar e comandar o processo como um todo a partir de uma sala de controle distante do processo. 4.2 Tecnologia dos PLC’s 4.2.1 Hard Logic para Soft Logic 4.2.1.1 Hard Logic Quando se elabora uma seqüência de controle utilizando os relés convencionais e/ou módulos lógicos de estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entre esses dispositivos, sendo que a seqüência de controle é do tipo “hard logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiação elétrica). A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversos pontos deficientes, enumerados a seguir: a) Problemas relacionados ao projeto e fabricação: A elaboração do diagrama da seqüência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou experiência pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de seqüência propriamente dito, outros inúmeros serviços relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, layout dos componentes, determinação das espécies de fios e cabos e outros, têm que ser projetados.
  • 38. 38 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-se que efetuar adição e/ou deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custo com relação ao tempo e à mão-de- obra. b) Problemas relativos à operação experimental e ajustes: Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da seqüência foi elaborado corretamente ou as fiações foram executadas conforme o projeto é necessário efetuar testes de continuidade, utilizando aparelhos de testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campo com a seqüência acoplada às partes mecânicas há a necessidade de assistência e orientação de técnicos de grande experiência. c) Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção: Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade no lay-out, além da necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis (contatos, etc.) e, ainda, manter um estoque de peças sobressalentes considerando-se a vida útil das mesmas. d) Problemas relativos à função: Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado para equipamentos que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamente difícil o controle de um sistema com hard logic quando o mesmo necessita de memorização temporária, processamento e comparação de valores numéricos. 4.2.1.2 Soft Logic O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por “hardware”. As suas funções serão ativadas somente quando houver um programa denominado “software”. Os computadores, através de programas ou software, podem realizar cálculos das folhas de pagamentos, assim como, cálculos de equações das mais complexas. Isto significa que, com um mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software denominado programa. Ou seja, a lógica do computador é um “soft logic”. “Aplicando o mesmo raciocínio de controle seqüencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito de relés, poderão ser substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de programas). Para realizar o controle seqüencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de um dispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas Esses equipamentos que objetivam o controle seqüencial, são denominados “Stored Program System Controller” ou “Programmable Controller’ (PLC) - Controlador Programável, ou ainda, abreviadamente, “PLC”“. 4.2.1.3 Significado da lógica por software O fato de se transformar a lógica da seqüência em software significa que as atribuições das fiações do hard logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá ser constituído por um equipamento standard. Isso foi possível através da padronização do controle seqüencial, solucionando uma grande parte dos problemas que existiam tradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a promoção da automação e racionalização em níveis cada vez mais elevados. Na tabela 8, indica-se a comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-se que, em praticamente todos os aspectos, o PLC apresenta-se com maiores vantagens. Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação, surgiu o controlador programável, proporcionando uma evolução excepcional no controle seqüencial.
  • 39. 39 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 8 – Comparação entre PLC’s e Relés.
  • 40. 40 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.2.2 Diferenças entre o PLC e o Computador O PLC é um novo equipamento que surgiu com o advento da tecnologia do computador, sendo sua utilização voltada à estação de trabalho. a) Hardware O computador é um equipamento destinado a efetuar cálculos de alto nível e processamento de dados, de sorte que as entradas e saídas, como discos magnéticos e impressoras, são projetadas para atender às necessidades do computador. Portanto, os dispositivos de computação e de memória que correspondem ao cérebro, ocupam um grande espaço, e as entradas e saídas, que correspondem aos braços e pernas, são relativamente pequenas. Dessa forma, pode-se dizer que o computador é um superdotado de cabeça gigantesca com estrutura frágil, que trabalha com baixa tensão, tendo que ser instalado em sala climatizada, ou seja, um local de bom ambiente. Em relação a isso, o PLC surgiu com o objetivo de substituir os painéis de relés. Assim, suas entradas e saídas são constituídas pelas chaves fim de curso, válvulas solenóides e outros, sendo, na maioria, equipamentos de alta tensão e corrente. Além disso, estão sujeitos aos ruídos provenientes das máquinas e equipamentos existentes nas estações de trabalho, assim como, severas condições de temperatura e partículas suspensas na atmosfera. Como as partes que realizam a computação são constituídas de componentes eletrônicos de baixa tensão, como no caso dos CI’s, será necessário instalar nas portas de entrada e saídas dos circuitos para transformação e amplificação de sinais e, ainda, conforme o caso, circuito para eliminação de ruídos. Além disso, sua estrutura construtiva deverá ter uma proteção robusta para resistir às severas condições do local de instalação. b) Software Nos programas de computador são utilizadas as linguagens como C, C++, Pascal e outras, e as mesmas podem ser utilizadas apenas pelos especialistas que tiveram os cursos específicos para esse fim. Por outro lado, no caso do PLC, a linguagem é idealizada de tal forma que as pessoas ligadas diretamente à operação de máquinas e equipamentos, ao planejamento de instalações elétricas e à manutenção possam entendê-la, utilizando códigos e/ou linguagens mais próximos das seqüências dos circuitos tradicionais, ou seja, no que se refere à programação, foi idealizada para que se possa programar utilizando códigos obtidos através do fluxograma e do diagrama de tempo (time chart) do sistema a ser controlado, sendo essa programação realizável por qualquer pessoa com um treinamento relativamente simples. Dessa forma, embora o PLC seja tecnologicamente um computador, em termos de utilização é um equipamento de controle local. Vejamos na Tabela 9 algumas comparações entre os PLC’s e os PC’s.
  • 41. 41 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 9 – Comparação entre PLC’s e PC’s. 4.3 Arquitetura interna do PLC a) Constituição geral Como o controlador programável - PLC - será instalado na estação de trabalho da linha de produção para operação e controle de equipamentos, dispositivos e máquinas, o mesmo é constituído com robustez para resistir às condições desfavoráveis de um local de produção, como vibração, ruídos, partículas em suspensão. etc., além da facilidade na sua manipulação. Outro aspecto e a sua composição, que é executada de tal forma que possibilite a utilização através de combinações mais adequadas, selecionando a escala e funções segundo o objeto de controle. Na Figura 39 a constituição de um PLC. Assim, tem-se a CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade Central de Processamento), que corresponde ao cérebro humano, ás unidades de entradas e saídas para intercâmbio de sinais entre os equipamentos, dispositivos e máquinas, a fonte para fornecimento de energia elétrica, além dos equipamentos periféricos para incrementar a operacionalidade do PLC.
  • 42. 42 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 39 – Constituição de um PLC. b) Principio de funcionamento Atualizar as saidas Ciclodevarredura Transferir para a memória Comparar com o programa do usuário Inicialização Verificar estado das entradas Figura 40 – Blocos das etapas do funcionamento de um PLC.
  • 43. 43 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Inicialização No momento em que é ligado o PLC executa uma série de operações pré – programadas, gravadas em seu Programa Monitor: Verifica o funcionamento eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares; Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados; Verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc); Desativa todas as saídas; Verifica a existência de um programa de usuário; Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe. Verificar Estado das Entradas O PLC lê os estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura (scan) e normalmente é de alguns micro-segundos (scan time). Transferir para a Memória Após o Ciclo de Varredura, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo PLC no decorrer do processamento do programa do usuário. Comparar com o Programa do Usuário O PLC ao executar o programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das Entradas, atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa. Atualizar o Estado das Saídas O PLC escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia – se então, um novo ciclo de varredura. 4.4 Estrutura Interna do PLC O PLC é um sistema microprocessado, ou seja, constituí – se de um microprocessador (ou microcontrolador), um Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares. Fonte de Alimentação A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas: Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, (+ 5Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 Vcc para a comunicação com o programador ou computador); Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real; Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc).
  • 44. 44 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Unidade Central de Processamento Também chamada de CPU, é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos PLC’s modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo-se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos PLC’s de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são: Microprocessadores ou Microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits (INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx); Endereçamento de memória de até centenas de MByte; Velocidades de CLOCK variando de 4 a 100 MHz; Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais. Bateria As baterias são usadas nos PLC’s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni – Ca ou Li. Nestes casos, incorporam se circuitos carregadores. Memória do Programa Monitor O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do PLC. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do PLC. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o PLC, gerenciarem o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc. Memória do Usuário É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de PLC’s é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituído de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias), EEPROM e FLASHEPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa. Memória de Dados É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do PLC. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns PLC’s, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.
  • 45. 45 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Memória Imagem das Entradas / Saídas Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena os estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário. Circuitos Auxiliares São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do PLC. Alguns deles são: POWER ON RESET: Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída, que pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado. POWER–DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré – determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil. WATCH-DOG – TIMER: Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em “loop”, o que seria um desastre, existe um circuito denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré – determinados. Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito sinalizando uma falha geral. Módulos ou Interfaces de Entrada São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU (ou microprocessador) do PLC. Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas. Entradas Digitais São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são: Botoeiras; Chaves (ou micro) fim de curso; Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; Chaves comutadoras; Termostatos; Pressostatos; Controle de nível (bóia), etc. As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua (24 Vcc) ou em corrente alternada (110 ou 220 Vca). Podem ser também do tipo N (NPN) ou do tipo P(PNP). No caso do tipo N, é necessário fornecer o potencial negativo (terra ou neutro) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo (fase) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de opto acopladores.
  • 46. 46 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o PLC não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais. Figura 41 – Entrada digital 24 Vcc. Figura 42 – Entrada digital 110/220 Vca. Entradas Analógicas As Interfaces de Entrada Analógica permitem que o PLC possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são: 0 á 10 Vcc, 0 á 5 Vcc, 1 á 5 Vcc, -5 á +5 Vcc, -10 á +10 Vcc ( no caso as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de Entradas Diferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 mA , 4 á 20 mA. Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são: Sensores de pressão manométrica; Sensores de pressão mecânica (strain gauges - utilizados em células de carga); Taco-geradores para medição rotação de eixos; Transmissores de temperatura; Transmissores de umidade relativa, etc. Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.
  • 47. 47 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 43 – Entrada analógica. Módulos Especiais de Entrada Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são: Módulos Contadores de Fase Única; Módulos Contadores de Dupla Fase; Módulos para Encoder Incremental; Módulos para Encoder Absoluto; Módulos para Termopares (Tipo J, K, L, S, etc); Módulos para Termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc); Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges; Módulos para leitura de grandezas elétricas (KW, KWh , KQ, KQh, cos Fi , I , V , etc). Módulos ou Interfaces de Saída Os Módulos ou Interfaces de Saída se adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas. Saídas Digitais As saídas digitais admitem apenas dois estados: ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo: Relés; Contactores; Relés de estado - sólido Solenóides; Válvulas; Inversores de Freqüência, etc. As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas: Saída digital à Relé, Saída digital 24 Vcc e Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto - acoplado.
  • 48. 48 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Figura 44 – Saída digital a relé. Figura 45 – Saída digital a transistor. Figura 46 – Saída digital a triac. Saídas Analógicas Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 a 10 Vcc ou 0 à 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo: Válvulas proporcionais; Motores C.C.; Servo – Motores CC; Inversores de Freqüência; Posicionadores rotativos, etc.
  • 49. 49 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são: Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.; Módulos para controle de Servomotores; Módulos para controle de Motores de Passo (Step Motor); Módulos para I.H.M. (Interface Homem Máquina), etc. Figura 47 – Circuito de saída analógica. 4.5 Auto-avaliação de Defeitos em PLC’s O PLC é o centro nervoso do sistema, de sorte que, se ocorrer alguma falha no mesmo, poderá causar erro na execução do programa, colocando em risco todo o sistema sob controle. Assim sendo, quando ocorrer alguma falha no sistema do PLC, é muito importante identificar rapidamente a localização do defeito, se é interno ou externo ao PLC. Caso o defeito for interno, verificar se é no hardware ou no software; se não ruídos, etc. Para fazer frente a esses problemas, formam-se diversas providências, como, por exemplo, a elaboração de programa do sistema que permite descobrir facilmente os defeitos, mesmo sendo no próprio sistema do PLC. A função de auto-avaliação de defeitos é muito importante como meio de prevenção de falhas, reduzindo significantemente o tempo inativo (Down time). Através dessa função, o próprio PLC faz a avaliação do defeito que tenha ocorrido no hardware, indicando o local avariado. Dessa forma, descobre-se o local defeituoso, permitindo então uma rápida restauração do sistema. Tabela 10 – Exemplos de auto-avaliação de defeitos.
  • 50. 50 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.6 Programação de PLC’s a) Considerações sobre programação Quando se deseja efetuar o controle de aparelhos, dispositivos e máquinas através de um PLC são necessário que o conteúdo de controle seja previamente gravado na unidade de memória do PLC. Assim, o controlador programável executará fielmente o controle das máquinas e dispositivos, conforme a instrução do conteúdo de controle. Por exemplo, mesmo que se deseje gravar uma instrução de controle, como “A lâmpada h deverá acender-se somente quando as botoeiras b0 e b1 estiverem pressionadas ao mesmo tempo”, como o PLC não entende a linguagem humana de uso cotidiano, a gravação terá que ser efetuada com termos compreensíveis pelas máquinas. Assim, denomina-se “programa a frase escrita segundo uma seqüência definida, observando rigorosamente uma determinada regra com os termos que podem ser compreendidos pelas máquinas, e “programação”, a elaboração desse programa e a subsequente gravação do mesmo na memória”. b) Métodos de programação Na comunicação entre homens existe o português, o inglês, e assim por diante. Do mesmo modo, para a comunicação com PC’s, existem diversos tipos de linguagem de acordo com o fabricante e o modelo do equipamento. Em geral, os usuários dos PLC’s são pessoas treinadas para a utilização de máquinas e equipamentos, manipulação de circuitos elétricos, etc. Assim, foram idealizadas diversas linguagens de programação para que fossem acessíveis para essas pessoas. Classificando essas linguagens, tem-se: método de diagrama de circuitos, que consiste em transformar diagrama de circuito elétrico em linguagem de programação; método de diagrama funcional, no qual programam os movimentos ou operação da máquina ao PLC. Figura 48 – Métodos de programação de PLC’s. No caso de método de diagrama de circuito, elabora-se primeiramente o diagrama através dos recursos de circuitos a relés ou símbolos lógicos, para posteriormente transformar em programas. Trata-se de um método bastante eficaz para técnicos da área elétrica treinados em circuitos seqüenciais. No que concerne ao método de transformação, existem três, a saber: Diagrama “Ladder(ladder symbol circuit); Diagrama de portas lógicas; Diagrama de lista de instruções.
  • 51. 51 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Na utilização do método de diagrama ladder, é necessário o display para indicação do desenho. Devido às facilidades que o método oferece em termos de desenhar e indicar diretamente os circuitos de relés, ultimamente o presente método está sendo o mais utilizado em termos de métodos de programação. Por outro lado, no caso do método de diagrama funcional, trata-se de método no qual transferem o movimento ou operação do objeto de controle para um fluxograma (flow chart), introduzindo diretamente no PLC, sem necessidade de elaborar o diagrama de circuito seqüencial. Assim, trata-se de um método eficaz para as pessoas habituadas a lidar com programação de computadores inclusive técnicos da área de mecânica e a fins. Esse método também é classificado em outros dois, a saber: método de fluxograma e método seqüencial (passo a passo). 4.6.1 Método de diagrama de circuito A seguir, será efetuada uma explanação sobre diversos exemplos de programação sobre um circuito a relés do mais simples, como no caso de um circuito de retenção. Figura 49 – Programa elaborado por circuitos. No método de diagrama “ladder”, o esquema do circuito deverá ser substituído pelos símbolos ou códigos ladder. A seguir, pressionando sequencialmente as teclas que indicam os símbolos ladder e as linhas de conexão, dever-se-á traçar o circuito no display e, à medida que se for concluindo gravá-la na memória por unidade de circuito. Nesse método, a programação poderá ser efetuada confirmando passo a passo o seu encaminhamento, sendo assim o método mais intuitivo e simples. Entretanto, como necessita do display, se o PLC for de pequeno porte, o seu custo relativo (do display) será muito alto. “No método de apresentação por porta lógica, dever-se-á elaborar o esquema do circuito utilizando os símbolos lógicos que indicam ‘AND”, “OR”, “NOT”, pressionando as teclas segundo o fluxo de sinais. Por outro lado, no método de equação lógica, adotando o método de entrada pela transformação do esquema do circuito em equação algébrica booleana, representando a ligação série com “•“, a paralela com “±“ e a saída com “=“ e utilizando os números de entrada e saídas, elaborar a equação lógica e digitar no teclado. No presente método, será necessário certo treinamento para transformar o diagrama do circuito em equação lógica. Contudo, assim que estiver suficientemente treinado, o usuário poderá elaborar facilmente a equação de qualquer circuito, mesmo os mais complexos, e, ainda, se utilizar convenientemente os parênteses “( )“ poderá elaborar programas muito eficazes, mesmo dispondo de limitada capacidade de memória. O método de instrução consiste em elaborar o programa substituindo o esquema do circuito por determinados termos de instrução (LOAD, AND, OR, NOT, etc), tratando-se do método de programação que mais se aproxima da metodologia de computação.
  • 52. 52 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.6.2 Método de diagrama funcional No método de diagrama de circuito, foi visto que inicialmente as ações ou operações das máquinas eram apresentadas em termos de circuitos para posterior transformação em programas. Entretanto, no caso do método de diagrama funcional, as ações ou operações das máquinas poderão ser diretamente transformadas em programa, sem necessidade de elaboração prévia do circuito elétrico. No que se refere ao método de fluxograma, as ações ou operações das máquinas e dispositivos são representadas através de fluxograma. O PLC que adota esse método proporciona facilidades quanto à execução das derivações, de acordo com situações de entradas e saídas ou saltos (jump) a um endereço distante. Figura 50 – Programa elaborado pelo método de diagrama funcional. O método seqüencial é um método dos mais simples em termos de diagrama de tempo e é indicado para manipulação do programa do tipo em que a operação global de controle é dividida em pequenas etapas em uma determinada seqüência; por exemplo: se a operação contida no 1° passo for encerrada, passará para o 2° passo e assim sucessivamente. Esse método surgiu como substituto ao do tipo came rotativo e quadro de controle perfurado (pin board), que eram destinados ao controle de programas de pequeno porte. Contudo, trata-se de método dotado de função de alto nível, utilizando as características como salto (jump), repetição, temporizador, contador e armazenamento de programas. 4.7 Seqüência de programação para PLC’s Como o PLC surgiu inicialmente em substituição aos painéis de relés, o método de programação foi baseado principalmente nos circuitos a relés (doravante será designado seqüência de relés) e, assim, utiliza-se com maior intensidade o método de diagrama de circuitos. Além disso, dentro do método de diagrama de circuitos, os mais adotados são o de equação lógica, que proporciona grande facilidade na representação de circuito a relés, e o de diagrama ladder. Assim, no presente item, será efetuada a explanação sobre o procedimento para programação, fundamentando-se nesses dois métodos. 4.7.1 Seqüência de Programação O programa deverá ser elaborado obedecendo a seguinte rotina: a) distribuição das entradas e saídas; b) elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas; c) elaboração da seqüência para PLC; d) distribuição das saídas internas, temporizadas e contadores; e) codificação (coding) e carregamento (loading).
  • 53. 53 Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari a) Distribuição das entradas e saídas Inicialmente, deve-se classificar o número dos equipamentos externos que serão conectados às unidades de entradas e saídas e, efetuando uma nova classificação, de acordo com as especificações elétricas, deve-se definir a quantidade de módulos de entradas e saídas necessárias. No que se refere aos módulos de E/S, geralmente cada módulo pode controlar 8 ou 16 pontos dos equipamentos externos. Assim, deve-se dividir o total de pontos a serem controlados pelo número de pontos de cada módulo e, definir a quantidade de módulos de entradas e saídas. Assim que a quantidade de módulos E/S for definida, deve-se definir o seu lay-out. Para tanto, é necessário distribuir os módulos nas posições que facilitam a execução da fiação dos equipamentos externos. Existem inúmeros equipamentos que são conectados como elementos de entradas e saídas e assim, no diagrama de circuito elétrico, os mesmos são normalmente identificados com abreviaturas como b0 (botoeira), VS (válvula solenóide), etc. Entretanto, essas abreviaturas adotadas são incompreensíveis para os PLC’s. As únicas palavras compreensíveis para os PLC’s são os números específicos atribuídos aos seus terminais de entrada e saída. Assim, os equipamentos representados pelas abreviaturas (b0, VS, etc.) são identificados pelos números dos terminais onde serão conectados, para que o controlador programável possa identificá- los. Por exemplo, na Figura 51, distribuíram-se os módulos de entrada de n° 100 e os de saídas na de n° 300 e fez-se, a seguir, a distribuição dos equipamentos externos em cada um dos números (terminais) de entradas e saídos correspondentes. b) Elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas Quando se for efetuar a distribuição das entradas e saídas, no caso de componentes que integram o esquema em grande quantidade, como no caso das botoeiras, chaves fim-de-curso, etc., existem dois métodos de distribuição, a saber: a primeira consiste em distribuir na seqüência b0, b1,... bn, para um mesmo equipamento, e a segunda, em distribuir pela fiação proveniente de uma mesma direção, de acordo com a posição ou direção em que se encontra o equipamento. Sobre esse assunto, durante a elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas, é importante estudar e definir qual dos dois métodos deve ser aplicado, considerando a obra de fiação que terá que ser executada. Além disso, deve-se identificar se os sinais provenientes dos equipamentos de entrada estão conectados através de contatos abridores ou fechadores, pois, caso contrário, será difícil avaliar durante a elaboração do programa se há ou não a necessidade de se utilizar código (comando) de inversão. Dessa forma, como o diagrama de conexão de entradas e saídas torna-se um instrumento fundamental para a programação e obra de fiação, o mesmo deve ser elaborado em primeiro lugar, juntamente com a distribuição das entradas e saídas. Figura 51 – Diagrama da de conexão de entrada e saída.