Redes industriais a informática aplicada no chão das fábricas

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Palestra de abertura da vigésima SEMTEC - Semana de Tecnologia da Faeterj Rio de Janeiro, abordando os tópicos e os protocolos utilizados nas Redes Industriais e as suas diferenças em relação as as Redes de Comunicação tradicionais.

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Redes industriais a informática aplicada no chão das fábricas

  1. 1. Redes Industriais A Informática Aplicada no Chão das Fábricas
  2. 2. Introdução Quando falamos em Redes Industriais, a comunicação não é feita entre pessoas, como estamos acostumados nas Redes de Computadores convencionais, mas sim, entre os próprios dispositivos. A bem da verdade, é como se eles tivessem vontade própria e gerissem seus próprios destinos.
  3. 3. Introdução Quando falamos em Automação Industrial, falamos de “coisas” sem vida, que trabalham sozinhas, executando ordens vindas de outras “coisas” sem vida. Não é necessário uma pessoa fazer o que precisa ser feito. Complexo? Vejamos um exemplo. Suponhamos ter um tanque d’água de 1000 litros. Este tanque deve manter seu nível entre 30 e 80% de sua capacidade.
  4. 4. O que são Redes Industriais? No modelo tradicional, este tanque é controlado por uma pessoa que fica vigiando seu nível. Quando o nível da água no tanque está abaixo de 30%, a pessoa responsável vai até a válvula que controla a entrada de água no tanque e abre esta válvula de forma a permitir a entrada d’água ou um aumento da quantidade de água entrando no tanque.
  5. 5. O que são Redes Industriais? Com isso, o tanque começa a se encher de água. Em um determinado momento, o nível de água ultrapassa os 80% permitido. Então, esta mesma pessoa, corre até a válvula e a fecha, diminuindo ou interrompendo o fluxo d’água. Enquanto o nível estiver dentro do normal, a situação está controlada (e a pessoa tem seu momento de descanso).
  6. 6. Processo Manual
  7. 7. Processo Manual Vamos nos colocar no papel da pessoa que é responsável por esta atividade. Encontramos uma série de dificuldades, como por exemplo, a válvula pode ser longe do tanque, fazendo com que se fique andando por distâncias longas o tempo todo, nesse processo: “verifica o tanque – abre a válvula – verifica o tanque – fecha a válvula”.
  8. 8. Processo Manual Além de ser desgastante todo esse “passeio” de um lado pro outro, muitas vezes pode-se não ter a noção exata do quanto esta válvula deve ser aberta ou fechada, até mesmo pra evitar que se tenha que andar tanto. Além disso outro problema, a válvula pode ser grande e seu manuseio complicado, ou seja, esse processo de abrir e fechar a válvula pode ser bem pesado.
  9. 9. Automatizando o Processo Pelo exposto, vimos que a abertura e o fechamento desta válvula deve ser feito de forma automatizada. Para isto, precisamos dos seguintes equipamentos (além, é lógico, do tanque e da válvula): 1 CLP (Controlador Lógico Programável); 1 sensor de nível; 1 posicionador de válvula.
  10. 10. Automatizando o Processo O responsável por todo o processo de fechamento e abertura da válvula é o CLP. O equipamento é chamado de Mestre nas Redes Industriais, pois dá ordens, ou seja, envia comandos para os equipamentos escravos, que neste caso são o sensor e o posicionador. O CLP é programado com uma sequência de lógicas e sua atuação vai variar de acordo com as informações que ele receber sobre o processo.
  11. 11. Automatizando o Processo Ele compara o valor recebido do sensor com o valor registrado, considerado normal. Se este valor estiver abaixo do normal, (neste exemplo, 30%), o CLP manda uma informação para o posicionador e este abre a válvula. Se o valor recebido for superior ao valor considerado normal, ele manda uma mensagem para que o posicionador feche a válvula. Se o valor estiver dentro da faixa, o CLP não toma nenhuma atitude.
  12. 12. Automatizando o Processo O sensor de nível será o responsável por detectar o nível d’água dentro do tanque e enviar esse valor para o CLP. O envio desses dados é feito constantemente, em tempo real. Já o posicionador é o responsável pela interface entre o CLP e a válvula. É ele quem atua abrindo ou fechando a válvula, de acordo com a necessidade.
  13. 13. Processo Automatizado
  14. 14. Processo Automatizado Notamos através deste simples exemplo a necessidade de se automatizar processos. Imaginemos agora uma indústria inteira, com seus múltiplos processos variados e complexos. A Automação é totalmente necessária. As Redes Industriais interligam todos os envolvidos no processo de automação e faz o transporte dos dados de um lado para outro. A seguir, vemos os dispositivos e sua área de atuação.
  15. 15. Processo Automatizado Reforçando: Em uma rede de comunicação, como a internet, a troca de dados é feita entre pessoas através de dispositivos eletrônicos. Nas Redes Industriais a comunicação é feita entre os próprios dispositivos eletrônicos, que neste caso, são: controladores, sensores, atuadores, posicionadores, PC, workstation, etc., que estão sempre interligados e se comunicando em tempo real.
  16. 16. Processo Automatizado Uma Rede Industrial permite fazer mais que apenas controlar os equipamentos, como mostrado no exemplo anterior, mas também torna possível acompanhar todo o processo de produção, estoque, e tudo que exista numa empresa. Controle de compra e venda, rastreio de produtos… Através da interligação entre todas as áreas de uma planta, é possível um controle completo.
  17. 17. Listagem de Dispositivos
  18. 18. Automatização & Benefícios A necessidade da automação na indústria e em diversos segmentos está associada às possibilidades de aumento na velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis. No modelo de indústria atual, as partes de uma planta podem ser automatizadas, o que faz com que se tenha variados benefícios.
  19. 19. Automatização & Benefícios Entre os benefícios que a Automação proporciona, podemos citar: Economia de energia; Aumento da produtividade; Melhor controle de qualidade do produto; Segurança operacional; Entre outros.
  20. 20. Automatização & Benefícios Estes benefícios são conseguidos através da utilização de redes industriais. Estas redes podem ser divididas de três formas: Redes de Informação; Redes de Controle; Redes de Campo.
  21. 21. Tipos de Redes As Redes de Informação representam o nível mais elevado dentro de uma arquitetura. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade para interligação de sistemas como ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos) e EPS (Enterprise Production Systems). As redes atuam nos Níveis 4 e 5 da Listagem de Dispositivos.
  22. 22. Tipos de Redes Já as Redes de Controle tem como função interligar os sistemas industriais de Nível 2 aos sistemas de Nível 1. É possível também, que equipamentos de Nível 3 estejam ligados a este barramento, embora ressalte-se que está configuração é totalmente opcional. A supervisão pode ser humana ou automatizada.
  23. 23. Tipos de Redes Finalizando, as Redes de Campo, que também são conhecidas como fieldbus, garantem a conectividade entre os mais diversos dispositivos que atuam diretamente no Nível 1 (o denominado “chão de fábrica”) com os níveis superiores (sistemas de controle ou gerenciamento).
  24. 24.  Então, visando sempre a minimização de custos e o aumento da operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas: Custos de instalação, operação e manutenção;
  25. 25. Facilidade de diagnóstico da rede; Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos; Fácil expansão e upgrades; Informação de controle e qualidade; Baixos tempos de ciclos; Várias topologias; Padrões abertos;
  26. 26. Determinismo (permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede); Redundância em diversos níveis; Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões; Medições multivariáveis.
  27. 27.  Então, como está sendo mostrado, as vantagens de se automatizar os processos em uma planta são numerosas e o uso das Redes Industriais para se fazer a ligação entre todos os níveis hierárquicos da pirâmide de automação, a qual foi mostrada na Listagem dos Dispositivos, facilita, e muito, a vida das pessoas que trabalham em indústrias, principalmente graças aos chamados protocolos de Redes Industriais.
  28. 28. IP Ethernet é um padrão Ethernet industrial baseado fora das linhas de comunicação DeviceNet. IP Ethernet é utilizado na automação da manufatura, e é um padrão internacional para comunicações industriais e de semicondutores.
  29. 29. Modbus é um protocolo de rede simples que permite o controle e a transferência de dados entre dois dispositivos. É o mais usado dos protocolos industriais. Existem dois tipos de Modbus, o Modbus Serial e o Modbus TCP. O Modbus Serial usa RS232 e RS422 / RS485, enquanto o Modbus TCP usa Ethernet. Ambos formam o mesmo protocolo, exceto para as informações adicionais necessárias para lidar com a camada física.
  30. 30. DeviceNet é uma das plataformas líderes mundiais de automação industrial, amplamente utilizado na América do Norte, Japão e Austrália / Nova Zelândia. Ela atua diretamente nos melhores dispositivos da classe, incluindo Chips, Adaptadores (PCI, USB, PC104, ISA, Paralela) Software integrado, Software para PC e ferramentas de diagnóstico.
  31. 31. PROFIBUS é o protocolo de comunicação que é padrão mundial para automação industrial, e que oferece uma grande variedade de produtos líderes da indústria, incluindo ProfiTrace e COMbricks, que são produtos para resolução de problemas, bem como Hubs, repetidores, Cabos e muito mais! Vamos aprofundar mais um pouco.
  32. 32. O Protocolo Profibus define os parâmetros para dispositivos de automação de processo, como válvulas, transmissores, e posicionadores. Além disso, possui uma característica adicional que é a transmissão intrinsecamente segura, o que faz com que ele possa ser usado em áreas classificadas, ou seja, ambientes onde existe o perigo de explosão. É indicado para controlar variáveis analógicas em controle de processos. É encontrado predominantemente nas indústrias de transformação.
  33. 33. As principais vantagens deste protocolo são: Transmissão confiável das informações; Tratamento de status das variáveis; Sistema de segurança em caso de falha; Equipamentos com capacidade de autodiagnose; Integração com controle discreto em alta velocidade; Aplicações em qualquer segmento;
  34. 34. Redução de até 40% nos custos de instalação; Redução de até 25% nos custos de manutenção; Menor tempo de startup; Aumento significativo da funcionalidade, disponibilidade e segurança.
  35. 35. As principais características técnicas do Protocolo Profibus são: Topologia: Barramento, Árvore, Estrela, Mista. Camadas utilizadas: Física (Physical Layer), Enlace (Data Link Layer) e Interface com o Usuário (User Interface). Cada segmento de rede deve possuir um único elemento ativo no barramento de campo localizado na área não-classificada; Os demais equipamentos na área classificada são passivos;
  36. 36. Com estas informações básicas alcançamos o objetivo traçado para esta palestra, que é o de mostrar mais um campo de atuação para os tecnólogos formados pela FAETERJ. A área de Automação Industrial possui imensas semelhanças com a área de Redes de Comunicações tradicionais, mas é muito pouco explorada por nossos profissionais.
  37. 37. Para quem desejar se aprofundar no assunto, deixo aqui alguns links interessantes: www.SMAR.com.br http://www.automacaoindustrial.info/redes- industriais/ http://www.feng.pucrs.br/professores/tergolina/Redes_e_Protocolos_Industriais/?SUBDIRETORIO=Redes_e_Protocolos_Industriais
  38. 38. Wilson Mathias Pereira Florentino, Analista de Sistemas, formado pela FAETERJ, funcionário da FAETEC, lotado no CETEP Santa Cruz, e professor da Universidade Estácio de Sá, atuando no Pronatec, nas disciplinas de Eletrônica e Redes Industriais. Contatos: wilsonmathias@gmail.com Tel.: 98902-1575

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