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João Célio Floriano, tel: 71-8802-7351, e-mail:[email protected] FTC - FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM AUTOMAÇÃO Professor: João Célio Floriano Qual deve ser o papel do engenheiro de Automação na Industria? Formação: Instrumentação; Controle; Gerenciamento de informação; Processos e aplicação. Escopo de atividades: Definir diagramas lógicos de sistemas de controle, fazendo interface com os engenheiros de processo e com os fornecedores de equipamento. Definir a instrumentação necessária ao monitoramento de parâmetros de interesse do processo. Dimensionar e especificar elementos primários (sensores) e elementos finais (válvulas e posicionadores) de controle. Participar de análise de segurança e definição do Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) e realizar auditoria. Elaborar diagramas de Processo e Instrumentação (P&I); Definir arquitetura de Redes Industriais; Definir diagrama de malhas de controle; Programar as lógicas de controle; Executar a sintonia de malhas de controle; Elaborar estratégias de controle avançado; Definir sistemas SCADAs e IHMs. O que é Automação? A palavra Automação é um neologismo oriundo da língua inglesa, inventado pelo marketing da industria de equipamentos na década de 60. Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado em computadores (microprocessadores), que substitua o trabalho humano e que vise a soluções rápidas e econômicas para atingir os complexos objetivos da industria e dos serviços. Decorre da necessidade de garantir as especificações técnicas de produção visando a qualidade intrínseca do produto, reduzir os custos de produção e maior controle e qualidade das informações de processo facilitando o planejamento e controle da produção. Podendo implica na implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação ou não. Contextualizando a Automação Industrial dentro da Automação. A Automação Industrial é apenas uma das variedades dos sistemas de automação. Essas variedades decorrem dos diferentes graus de complexidade, diferentes meios de realização física e programação. Podemos definir 03 grandes grupos: -Os de menor complexidade implementados com microprocessadores dedicados, pouca memória, programados em assembly e dedicados a equipamentos. -Os de média complexidade implementados com controladores programáveis isolados ou em rede, programáveis com linguagens específicas. -Os de maior complexidade implementados com muitos computadores de vários tipos e capacidades, programados com linguagens de alto ou altíssimo nível e dedicados a integrar grandes regiões. A Automação Industrial e de serviços se insere no grupo intermediário.. A Pirâmide de Automação. Visando definir os componentes essenciais da Automação, podemos dividir o empreendimento corporativo em camadas ou níveis, que se sobrepõem em funcionalidade, agregando recursos de automação. A essa composição chamamos de Pirâmide de Automação, que possui os seguintes 05 níveis: -Nível 1: é o nível de máquinas, dispositivos e componentes (controladores, sensores, transmissores, atuadores, válvulas, inversores de frequência, partidas suaves, relés de proteção, botoeiras, sinaleiras). As tecnologias inerentes a esse nível buscam solucionar as necessidades básicas do controle. -Nível 2: sua característica é ter algum tipo de solução para a supervi são associada ao processo e também busca solucionar as necessidades de controle avançado. É o nível onde as informações necessárias para operar o nível 1 são concentradas. Envolve a aplicação de tecnologias do tipo: SCADA (Supervision Control And Data Acquisition), IHM (Interface Homem Máquina) e otimização de processo. -Nível 3: propicia soluções para o controle do processo de produtivo da planta industrial, trata basicamente da manipulação e tratamento da informação da área industrial da industria. Normalmente é constituído de bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índice de

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FTC - FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM AUTOMAÇÃO Professor: João Célio Floriano Qual deve ser o papel do engenheiro de Automação na Industria? Formação: Instrumentação; Controle; Gerenciamento de informação; Processos e aplicação. Escopo de atividades: Definir diagramas lógicos de sistemas de controle, fazendo interface com os engenheiros de processo e com os fornecedores de equipamento. Definir a instrumentação necessária ao monitoramento de parâmetros de interesse do processo. Dimensionar e especificar elementos primários (sensores) e elementos finais (válvulas e posicionadores) de controle. Participar de análise de segurança e definição do Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) e realizar auditoria. Elaborar diagramas de Processo e Instrumentação (P&I); Definir arquitetura de Redes Industriais; Definir diagrama de malhas de controle; Programar as lógicas de controle; Executar a sintonia de malhas de controle; Elaborar estratégias de controle avançado; Definir sistemas SCADAs e IHMs. O que é Automação? A palavra Automação é um neologismo oriundo da língua inglesa, inventado pelo marketing da industria de equipamentos na década de 60. Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado em computadores (microprocessadores), que substitua o trabalho humano e que vise a soluções rápidas e econômicas para atingir os complexos objetivos da industria e dos serviços. Decorre da necessidade de garantir as especificações técnicas de produção visando a qualidade intrínseca do produto, reduzir os custos de produção e maior controle e qualidade das informações de processo facilitando o planejamento e controle da produção. Podendo implica na implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação ou não. Contextualizando a Automação Industrial dentro da Automação. A Automação Industrial é apenas uma das variedades dos sistemas de automação. Essas variedades decorrem dos diferentes graus de complexidade, diferentes meios de realização física e programação. Podemos definir 03 grandes grupos: -Os de menor complexidade implementados com microprocessadores dedicados, pouca memória, programados em assembly e dedicados a equipamentos. -Os de média complexidade implementados com controladores programáveis isolados ou em rede, programáveis com linguagens específicas. -Os de maior complexidade implementados com muitos computadores de vários tipos e capacidades, programados com linguagens de alto ou altíssimo nível e dedicados a integrar grandes regiões. A Automação Industrial e de serviços se insere no grupo intermediário.. A Pirâmide de Automação. Visando definir os componentes essenciais da Automação, podemos dividir o empreendimento corporativo em camadas ou níveis, que se sobrepõem em funcionalidade, agregando recursos de automação. A essa composição chamamos de Pirâmide de Automação, que possui os seguintes 05 níveis: -Nível 1: é o nível de máquinas, dispositivos e componentes (controladores, sensores, transmissores, atuadores, válvulas, inversores de frequência, partidas suaves, relés de proteção, botoeiras, sinaleiras). As tecnologias inerentes a esse nível buscam solucionar as necessidades básicas do controle. -Nível 2: sua característica é ter algum tipo de solução para a supervi são associada ao processo e também busca solucionar as necessidades de controle avançado. É o nível onde as informações necessárias para operar o nível 1 são concentradas. Envolve a aplicação de tecnologias do tipo: SCADA (Supervision Control And Data Acquisition), IHM (Interface Homem Máquina) e otimização de processo. -Nível 3: propicia soluções para o controle do processo de produtivo da planta industrial, trata basicamente da manipulação e tratamento da informação da área industrial da industria. Normalmente é constituído de bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índice de

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produtividade, algoritmos de otimização da operação produtiva e gestão de produção utilizando tecnologias de MES (Manufacturing Execution System) PIMS (Process Information Management System). -Nível 4: neste nível extrapolamos os limites da área industrial e partimos para solucionar as necessidades da automação da informação no contexto coorporativo. Trata de tecnologias voltadas para a programação e planejamento da produção e a cadeia de suprimentos (Logística), gestão financeira e administrativa e controle de vendas. Agrupamos a tecnologia destinada a esse tipo de solução sobe a denominação de ERPs (Enterprise Resource Planning). -Nível 5: é responsável pela administração dos recursos da empresa em sua totalidade, onde são tomadas as decisões estratégicas, chamamos essas soluções de EIS (Executive Information Systems).

Os focos da Automação Industrial: Controle e Informação. A Automação Industrial trata de sistemas dinâmicos e seu foco são o Controle e na Informação. O controle de processo e a coleta, tratamento e análise da informação são atividades corriqueiras dentro da industrial. Quando esses processos não são automatizados, sendo tratados manualmente, elas ficam dependentes da interferência e decisão humana e são ditos processos manuais. O Controle e a Informação quando tratadas manualmente sofrem o impacto da diferença na perspectiva, idéia e interpretação das pessoas responsáveis pela operação do processo. Sendo visível o impacto dessas diferenças tanto na qualidade quanto na produtividade de várias plantas. Esta inconsistência é um impulsionador crítico dos investimentos em automação pelas companhias, já que a Automação reduz os pontos de decisão humana, que podem ser a fonte de substancial inconsistência na produção. À medida que o papel da automação cresce na operação da planta, o papel do operador na sala de controle muda. Sem automação, os operadores dedicam uma quantidade significativa de tempo em manobras e ajustes de controle. Com automação, o operador primariamente monitora performance e busca por oportunidades de maximizar a performance da planta. Com a eliminação da necessidade frequente de manobras pelo operador, os operadores dedicam-se mais ao entendimento do processo. Como é dito pelos especialistas: o entendimento do processo é muito mais crítico para operadores, pois conforme eles aprendem mais sobre o processo de produção mais encontram oportunidades de empurrar a planta para seu potencial máximo. Contudo, isso não irá acontecer se os operadores dedicam boa parte de seu tempo a manobras e ajuste ou não têm um forte entendimento dos fundamentos do processo de controle e como eles podem associá-los a produtividade total da planta. Razões para utilização da Automação Industrial: -Garantia de repetibilidade (precisão e confiabilidade) assegurando a qualidade na produção; -Realização de tarefas impossíveis ou agressivas ao ser humano; -Rapidez de resposta ao atendimento da produção;

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-Redução de custos de produção; -Restabelecimento mais rápido do sistema produtivo. Os tipos de industrias e os segmentos industriais. A industria é normalmente classificadas em Manufatura ou Processo de acordo com as características de produção, da mesma forma, são agrupadas em segmentos de acordo com o que produzem. Os principais segmentos industriais são: Petróleo e Gás Químicos e Petroquímicos, Mineração, Siderurgia, automobilística, Alimentos e Bebidas, Cimento, Têxtil, Papel e Celulose, Couro e vestuário entre outros. Manufatura é geralmente uma industria de bens de consumo ou de montagem e pode ser do tipo job-shop ou flow-shop. Processo é geralmente uma industria de base, ou de transformação a exemplo de químicas, petroquímicas, cimenteiras. Está associada à transformação físico-química. Sistemas Dinâmicos. Entendemos por Sistemas Dinâmicos aqueles cujo fenômeno evolui no tempo. São sistemas regidos por equações diferencias ou de diferenças, em que o tempo é a variável independente. Por analogia, estende-se o termo dinâmico a todos os fenômenos térmicos, químicos, fisiológicos, ecológicos, etc, que também sejam regidos por equações do mesmo tipo. Um segundo significado, mais amplo para sistemas dinâmicos, tornou-se essencial nas últimas décadas, devido aos inúmeros e importantíssimos sistemas artificiais que não se podem descrever por equações diferenciais ou de diferenças. São as filas de serviço, os computadores, as manufaturas os sistemas de chaveamento manual ou automático. São estruturas que impõe principalmente regras lógicas, de causa e efeito, e seus sinais são números naturais representantes de quantidades de recursos ou entidades. São sistemas acionados por eventos, também poderiam ser chamados de logísticos. Os sistemas de maior interesse em Controle são os dinâmicos acionados pelo tempo. Em automação são os acionados a evento, especialmente a evento discreto. Um evento é por natureza discreto no tempo, mas justifica-se o nome de sistemas a evento discreto para salientar a idéia de evento de amplitude pertencentes a um conjunto discreto. Em inglês: Discrete Event Systems – DES. O engenheiro de automação precisa, antes de tudo, garantir consequências bem definidas, seguras em presença de eventos externos, sejam eles raros ou frequentes. Garantidas essas consequências, é analisado o desempenho econômico e de confiabilidade por meio de estatística e simulações.

Controle Dinâmico O controle dinâmico é o uso deliberado de medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, num esquema de realimentação ou feedback em torno do sistema original para o aperfeiçoamento do processo, seja em velocidade e precisão, seja em custo.

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Chama-se de realimentação negativa aquela em que, pelo menos numa faixa de frequência, o erro da saída do processo em relação ao seu valor ideal passa por uma inversão intencional de sinal algébrico antes de ser aplicado à entrada de forma a servir para controle. Quando o valor ideal é fixo o controle é dito regulatório. Realimentação positiva também é muito útil, mas não usualmente para fins de controle dinâmico. Outro princípio fundamental da técnica do controle dinâmico é a alimentação avante ou feedforward, que consiste em injetar na entrada do processo um sinal proporcional a alguma perturbação externa relevante, com polaridade tal que ajude a reduzir os efeitos da perturbação. O termo “avante” enfatiza que a ação é, de certa maneira, antecipativa. O algoritmo de controle proporcional, integral, derivativo (PID) não é o único disponível. Alem disso, nem todo problema que não é resolvido com PID requer Controle Avançado de Processo (APC), que muitos consideram sinônimo de controle multivariável. Encontramos várias opções entre esses dois extremos. Algumas estratégias comuns para controle regulatório avançado são: controle em cascata, controle com realimentação positiva, controle proporcional e controle compensado de temperatura e pressão. Existem problemas de controle complexos que só podem ser solucionados através da aplicação de APC. Muitas vezes estratégias avançadas de controle regulatório são ineficazes e nessas horas, é necessário construir blocos de programa para controle avançado e otimização. APC e otimização são compostas de vários componentes embutidos, mas não está limitados á controle multivariável, modelagem de processo, modelos inferências preditivos, controle transitório e otimização em tempo-real. A maior preocupação do Controle Dinâmico é evitar a instabilidade e a oscilação que podem resultar da aplicação de uma estratégia de controle inadequada. Controle Lógico Surgiu no início do século como necessidade prática, quando contatores, disjuntores, relés de proteção, chaves manuais etc, tinham de ser interligados de maneira a dar partida, proteger componentes e vigiar as condições de segurança no processo. Seus sinais são discretos em amplitude, em geral binários e as operações sobre eles são não-lineares. A maior preocupação do Controle Lógico é o conflito, ou seja, a parada total da evolução dos sinais. O controle lógico combinacional é auxiliado pela álgebra booleana ou lógica de boole, tem como ferramenta mais popular o mapa de Karnaugh, que atende perfeitamente as necessidades. O controle lógico sequencial, com memórias, temporizações, contadores e entradas em instantes aleatórios apresentam marcos teóricos recentes e geralmente imersos no tema de softwares dos computadores. Exatamente por não possuir ferramental que resolva satisfatoriamente as exigências práticas dos problemas de controle lógico seqüenciais é essa a parte mais crítica das soluções, onde algumas vezes falhas ocultas ficam embernadas nos sistemas só se manifestando esporadicamente ou algum tempo depois da implantação da solução. Controle Centralizado e Controle Distribuído. Do ponto de vista da Automação a solução definida para realizar a estratégia do controle dinâmico ou lógico pode ser classificada como centralizada ou distribuída, sendo chamada de controle centralizado ou controle distribuído respectivamente. O Controle Centralizado é um sistema de automação hierarquizado onde todo o controle de um processo inteiro é concentrado em um único processador O Controle Distribuído é um sistema em que cada controle ou função de controle é espalhado através da planta industrial. Múltiplos processadores manipulam o controle e funções de controle ou comando. É usada uma rede de comunicação industrial para integrar os diversos processadores do sistema. Engenharia de Software. Engenharia de Software é o conjunto de técnicas de análise e requisitos, especificação, projeto de estrutura, codificação, teste e manutenção dos programas dos sistemas computacionais. Os softwares para automação têm como requisito essencial a capacidade de administrar concorrências de tarefas e por isso são chamados de softwares de tempo real. Em automação o conceito de tempo real é muito importante e interfere direto no resultado, a depender do tempo de execução do programa o mesmo pode atender ou não a aplicação específica. Conceito de Tempo Real e sua importância. Podemos entender como tempo real o intervalo máximo de amostragem ou de execução do sistema de automação que permite consideramos o processo ou a solução de automação como sendo contínuo. Isso significa que não houve perda de informação ou houve lacuna no controle. O conceito de tempo real para automação industrial é relativo ao processo, variáveis e sinais em questão, podendo variar entre 1 ou 2 milésimos de segundos até 1 segundo ou pouco mais que isso. Essa dependência com relação ao tempo de execução gera uma diferença fundamental entre os softwares de automação e muitos dos softwares comerciais e científicos no que se refere a velocidade de execução e sua importância.

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A importância da velocidade para os programas comerciais e científicos encerra-se em si própria, não interferindo no resultado obtido pela execução do programa.Um programa comercial ou científico que desempenha corretamente a função para que foi desenvolvido numa máquina rápida também será correto numa máquina lenta e vice-versa, o que não é necessariamente verdade para um programa de automação. As diferentes soluções tecnológicas para Automação Industrial. Enquanto a área de Controle se preocupa com escolha da melhor estratégia e seus respectivos parâmetros de forma a garantir a produtividade e qualidade da produção e a Tecnologia da Informação se preocupa na seleção das informações relevantes, seu fluxo e confiabilidade. A Automação Industrial se preocupa com a definição da mais adequada tecnologia disponível para implementar as soluções e estratégias escolhidas e decididas tanto pela área de Controle tanto pela área de tecnologia da Informação de forma automática. As principais tecnologias utilizadas na implementação das soluções em Automação Industrial são: Transmissores e atuadores inteligentes;

Controladores de malha; Computador de vazão; Controlador Lógico Programável – CLP; Sistemas de Supervisão e Controle; Sistema Digital de Controle Distribuído – SDCD; Software Especialista; Softwares para solução de Manufacturing Execution System – MES; Softwares para solução de Process Information Management System – PIMS.

Transmissores e Atuadores Inteligentes. Os transmissores e atuadores são dispositivos indispensáveis ao controle de processo. Toda malha de controle necessariamente tem de ter um elemento capaz de medir a variável de processo que se deseja controlar e transmitir essa medição ao elemento seguinte da malha. Da mesma forma, toda malha de controle precisa de um elemento capaz de atuar sobre a variável de processo que se deseja manipular. Os transmissores e atuadores são dispositivos que integram esse dois grupos, respectivamente. Os transmissores estão são geralmente incorporados aos medidores formando um conjunto para medir a variável controlada ou simplesmente a variável medida. Já os atuadores, são integrados a válvulas de controle compondo o elemento final de controle para atuar sobre a variável manipulada. Como a troca de dados entre os diversos elementos de controle é intrinsecamente necessários ao processo de automação é indispensável para o correto funcionamento da automação que os dados trocados sigam uma padronização de maneira a garantir a integridade do processo de comunicação e consequentemente a correta operação do sistema. No início da automação a tecnologia disponível era baseada em soluções mecânicas e a troca de sinais ocorria de forma pneumática e assim foi definida uma faixa padrão de pressão de 3-15PSIs como sendo o padrão de transmissão correspondente a variável do processo independentemente da grandeza e da faixa de variação. Com a evolução da eletrônica as soluções baseadas em tecnologia pneumática ficaram obsoletas, passando a ser substituída pelas soluções baseadas em tecnologia eletrônica, da mesma forma que os sinais passaram a ser padronizados em faixa de tensão e corrente, onde a mais usual para tensão é a faixa de 1-5Vcc e para corrente é a faixa de 4-20mA. Os transmissores e atuadores foram ganhando novas funcionalidades com tempo de forma que alem de realizarem a função convencional para qual foram concebidos também passaram a ter recursos de diagnóstico e configuração remota, protocolo digital de comunicação, solução em rede e até realizar o controle. Para diferenciar essa nova geração dos anteriores foi feita a divisão em dois grupos: os convencionais e os inteligentes. Os dispositivos que apenas realizam a função para qual foram concebidos como transmitir a variável medida no caso dos transmissores são chamados de convencionais. Os que apresentam uma ou mais funcionalidades alem dessa são chamados de inteligentes. Não existe uma padronização com relação a que função ou conjunto delas é necessário para um dispositivo ser considerado inteligente, por isso temos dispositivos inteligentes mas que não apresentam os mesmos recursos funcionais. O protocolo de comunicação de campo Hart é um padrão global para instrumentação inteligente de processo muito popular para transmissores e a atuadores desenvolvido pela HART Communication Foundation (HCF). Quando os dispositivos possuem capacidade de comunicação Hart eles podem operar de duas formas. Na primeira e mais comum delas, o sinal da variável segue a padronização usual a corrente em 4 a 40mA e as informações referentes a diagnostico e configuração são sobre postas a esse sinal por meio de um protocolo digital de comunicação. Na segunda forma, tanto o sinal da variável como o diagnostico e configuração são todos transmitidos via o protocolo digital de comunicação. Dessa forma vários transmissores podem ser interligados através de um único par de fios formando uma rede de até 32 dispositivos. Para especificarmos um transmissor ou um atuador temos de definir uma série de características técnicas sobre sua operação e condições de operação, as mais comuns são: tipo de sinal, tipo de alimentação, faixa de

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operação da variável, sensibilidade de medição, tipo de conexão utilizada na montagem, considerações de montagem, variável de medição e suas características físico-químicas e temperatura de operação. Devido à diversidade de aplicações em que um desses dispositivos pode ser utilizado para sua correta operação é necessário realizar o ajuste de zero e ajuste de faixa para cada caso específico. Controladores de Malha. Uma malha de controle tem como objetivo realizar o controle de uma variável de processo e pode ser constituída de diversos dispositivos dos quais 03 elementos são básicos: sensor, controlador e elemento final. O Controlador de Malha ou simplesmente controlador pode ser definido como o dispositivo que compara o valor da variável medida, que é o seu sinal de entrada, com o valor desejado da mesma, que é um parâmetro de operação chamado de set point, e gera um sinal de saída, que é aplicado no elemento final de controle, de modo a manter a variável medida no valor desejado. Para gerar o sinal de saída o controlador utiliza em um algoritmo de solução para controle. O algoritmo mais simples e consequentemente mais grosseiro no aspecto de controle é o algoritmo on-off. O algoritmo mais comum e usual para controle de processo é o algoritmo PID e suas variações como controle em cascata, quando se utiliza dois ou mais PIDs em série de forma que o sinal de saída de um é o sinal de entrada do seguinte, ou controle split range entre outros. O controlador de malha precisa ser programado para atender as necessidades específicas da malha em que está sendo aplicado. A programação consiste basicamente da construção da solução de controle através de blocos de função ou blocos lógicos que representam os recursos disponíveis no controlador e podem ser interligados conforme a estratégia de controle definida pelo usuário.Os controladores possuem capacidade de programação temporal e seqüencial. Durante a programação do controlador tem de ser respeitado as limitações de recursos intrínsecos ao dispositivo, que geralmente são expressas pelo conjunto de blocos de função disponíveis e suas respectivas quantidades máximas de utilização. Para programar o controlador pode ser utilizado um software compatível com um sistema operacional padrão de mercado para microcomputador ou um terminal dedicado de programação. Necessariamente uma das duas ferramentas tem de ser disponibilizada pelo fabricante do controlador, sendo que muitas vezes as duas estão disponíveis cabendo ao usuário escolhe a que melhor se adequa as suas necessidades. Uma característica importante na escolha de um controlador é a quantidade de entradas e saídas físicas que possui já que para controlar uma malha de controle ele precisa de uma entrada para receber o sinal referente a variável medida do elemento sensor e uma saída para enviar o sinal para o elemento final atuar sobre a variável manipulada. No aspecto de programa para controlar uma malha de controle ele precisa de pelo menos duas instruções de entrada (AI), sendo uma para o sinal da variável medida e outra para o set point, uma instrução de saída (AO) para o sinal de controle e uma instrução do tipo PID para realizar o controle. No caso de controle em cascata o número de instruções PIDs aumentam conforme a aplicação. Quando um controlador só é capaz de controlar uma única malha de controle, seja qual for e limitação para isso, ele é chamado de controlador de malha simples ou do inglês single loop. Quando ele possui recursos suficientes para controlar mais de uma malha de controle ele é chamado de controlador multimalha ou do inglês multi loop. É importante salientar que na avaliação da quantidade de malhas que um controlador é capaz de controlar devemos considerar as suas características bem como a necessidade da aplicação. Pois o controlador tem de atender aos requisitos de entradas e saídas físicas para interligação dos sinais de campo e as necessidades de tipo de blocos de instruções e respectivas quantidades utilizadas na estratégia de controle definida para a aplicação. Ao especificar um controlador temos de considerar essas características alem do tipo de sinal, condições de montagem, características operacionais entre outras. Com o aumento do grau de automação fabril e redução do custo de tecnologias mais avançadas como CLPs e SDCDs o uso de controladores de malha tem reduzido e sua aplicação ficado limitada a plantas pequenas ou malhas isoladas que não viabilizam economicamente ou pode se justificar tecnicamente o uso de soluções com tecnologia mais sofisticada como CLP e SDCD. Computador de Vazão Os computadores de vazão são aplicados em sistemas de medição de vazão de líquidos e gases onde são exigidas características rígidas de precisão, certificação e normas em que são necessárias a compensação de temperatura, pressão e densidade. São exemplos desse tipo de sistemas as aplicações de transferência de custódia e medições fiscal. O computador de vazão é um dispositivo que realiza as funções de transmissão, totalização, indicação, armazenamento de dados e tratamento de alarmes. Devido a complexidade e diversidade das funções que realiza o computador de vazão tem um processo de programação composto por duas etapas. Na primeira etapa é onde se realiza a seleção das funções que serão utilizadas na aplicação e na segunda etapa cada uma das funções selecionadas são parametrizadas uma a uma conforme os ajustes requeridos. O computador de vazão é um dispositivo que tem entrada para receber do campo os sinais de pressão absoluta, pressão diferencial, temperatura e densidade e saídas para os sinais de alarme, totalização e registro de dados. Geralmente os computadores de vazão possuem porta de comunicação para serem conectados a

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microcomputadores, que podem ser utilizados para gerenciar os dados armazenados assim como os demais sinais gerados, e uma impressora para registro de alarmes e outros informes necessários Controlador Lógico Programável – CLP Histórico: Em 1969 surgiram os primeiros controladores baseados numa especificação de General Motors, resumida da seguinte forma: fácil programação, facilidade de manutenção, alta confiabilidade, dimensões menores que a dos painéis de relés, preço competitivo, expansão em módulos. O objetivo de criar o CLP era substituir os painéis de controle lógico baseados em componentes a relé. Na década de 70 os controladores passaram a ter microprocessadores, sendo então denominados de Controladores Programáveis (CP), passaram a ser reconhecidos pela industria como equipamentos robustos, confiáveis e flexíveis. Hoje são utilizados também para controle de processo e estão cada vez mais assumindo a totalidade destas aplicações não só dentro das aplicações em área industrial como também nas áreas de automação comercial e de serviço. O propósito do controlador programável (CP) é controlar os dispositivos interligados as suas saídas executando a estratégia de controle definida de acordo com as informações dos dispositivos interligados as suas entradas. É um computador especializado que permite a automação tanto do controle lógico quanto do controle dinâmico com grande simplicidade de ajuste, programação e reprogramação em máquinas e processos. As principais vantagens da utilização de soluções baseadas em tecnologia com CLP são: o baixo valor do investimento direto com aquisição do próprio equipamento, bem como o investimento necessário com projeto, comissionamento e partida e facilidade para efetuar reformas e ampliações. Principais elementos:

ENTRADAS: através das entradas o CLP recebe dados e informação do mundo exterior, são as entradas que fornecem ao CLP os valores das variáveis de processo e status de equipamentos, máquinas, plantas ou mesmo de um ser humano quando o mesmo pressiona uma botoeira, por exemplo. SAÍDAS: através das saídas o CLP envia dado e informação para o mundo exterior, são as saídas que permitem ao CLP comandar ou modificar os valores das variáveis de processo e status de equipamentos, máquinas, processo ou mesmo informar a um ser humano uma condição anormal acendendo uma sinaleira por exemplo CPU: a unidade central de processamento de um CLP é responsável pela realização de inúmeras tarefas necessárias para que o CLP execute corretamente o controle para que foi concebido. Além de executar o programa escrito pelo usuário a CPU gerencia as entradas e saídas do CLP É na CPU onde encontramos a memória do CLP. Para poder desempenhar sua função a CPU precisa de memória para armazenar o programa que é chamada memória de programa e precisa de memória para armazenar os dados manipulados pelo programa que é chamada memória de dados. A CPU e conseqüentemente o CLP pode tratar sua memória como um espaço contínuo que pode ser livremente alocado para armazenar dados ou programa. Outra opção é a CPU já ter previamente definido pelo fabricante uma porção pré-definida ou mesmo fixa para o armazenamento de dados ou para o armazenamento de programa ou até mesmo para ambas. A forma como CLP trata sua memória é uma característica diretamente associada a sua tecnologia, mais especificamente a tecnologia do microprocessador utilizado na fabricação da CPU. Os microprocessadores mais antigos obrigavam a uma definição prévia da aplicação da memória por faixas de memória, geralmente são processadores de 8 bits ou 16 bits. Os microprocessadores mais modernos são bem flexíveis com relação a aplicação da memória e dispensam a necessidade de definir previamente seu uso por faixa de endereçamento, geralmente são processadores de 32 bits ou superior. Também é a CPU do CLP quem define quais linguagens podem ser utilizadas para programação e qual é a biblioteca de comandos ou instruções disponíveis para utilização no programa em uma linguagem específica.

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Sempre que a nossa aplicação necessitar utilizar uma linguagem específica ou um determinado comando ou instrução tem de ser verificado se a CPU selecionada atende a essa especificação. O número máximo de entradas e saídas que o CLP pode ter é estabelecido pela capacidade de endereçamento do microprocessador utilizado pela CPU. Essa característica do CPU é tratada como sendo a capacidade de endereçamento de entradas e saídas (I/Os) da CLP. A capacidade de endereçamento é uma característica absoluta e seu quantitativo é fixo, já a capacidade de endereçamento de I/Os sofre a influencia de outros atributos como tipo de I/O utilizado, densidade do cartão de I/O, sendo portanto uma característica relativa e logo, não está completamente definida apenas pela sua quantidade numérica. Essa diferença entre capacidade de endereçamento e capacidade de I/O é importante e tem de ser levada em consideração durante a especificação da CPU. Outro ponto importante da característica do CLP determinado pela CPU é a sua velocidade de processamento. O tempo de execução do programa é função direta da velocidade de processamento da CPU. É preciso lembrar sempre que a CPU e conseqüentemente o CLP tem de ser rápido o suficiente para executar o programa dentro de um tempo inferior ou igual ao tempo real do processo, ou seja a CPU tem de ser rápido o suficiente para ler toda a sua memória, programa e dados, e executar todos os comandos armazenados em um tempo inferior ou igual ao tempo máximo aceitável para o controle do processo. Uma vez estabelecido o tempo real de um processo, elaborado o programa que realiza o controle desse processo e o volume de dados que será manipulado é possível determinar a velocidade de processamento mínima que a CPU deve ter. A velocidade de processamento tem seu valor normalmente expresso na unidade de Kbytes por milésimos de segundos (KBytes/ms). Tipicamente consideramos 100ms como um valor razoável para que a execução do programa seja considerada em tempo real para a grande maioria das aplicações onde aplicamos CLPs. COMUNICAÇÃO: a necessidade de se comunicar é intrínseca a concepção da solução de automação utilizando a tecnologia de CLPs pois o mesmo necessita de um programa, chamado geralmente de aplicativo, para executar a estratégia de controle definida e esse programa precisa ser inserido no CLP através de alguma forma de comunicação, já que na maioria esmagadora das situações é desenvolvido em um ambiente, hardware e software, diferente do CLP. O recurso de comunicação que inicialmente tinha sua aplicação restrita a programação do CLP, com o tempo foi evoluído e ampliando seu campo de aplicação sendo hoje um dos mais importantes dos elementos do CLP em função da necessidade de integração entre os elementos de automação que são inteligentes, de troca de dados entre os diversos setores de uma planta industrial ou mesmo entre a área industrial e as demais áreas coorporativas e passou a ser chamado de recursos de comunicação ou recursos de rede. Em uma linguagem mais objetiva, as redes de comunicação ou as portas de comunicação do CLP sevem para distribuir as entradas e saídas, concentrar as informações necessárias a operação, integrar dispositivos inteligentes e disponibilizar as informaç ões da planta em tempo real para todos os níveis coorporativos. FONTE DE ALIMENTAÇÃO: o CLP é um dispositivo eletrônico o que significa que todos os seus elementos precisam de uma fonte de alimentação para funcionar, mais especificamente uma fonte de tensão que atenda ao nível de tensão dos seus componentes e ao respectivo consumo requerido. Como a grande maioria dos dispositivos eletrônicos a tensão necessária ao funcionamento do CLP é de 5 volts contínuos ou 24 volts contínuos. A fonte de alimentação é o elemento do CLP que tem a função de adequar o sinal de alimentação disponível na instalação onde será utilizo o CLP a sua característica de nível de tensão e consumo de corrente. A fonte de alimentação do CLP é exclusiva para atender aos seus elementos, sendo especificada para esse fim. Para alimentar os dispositivos externos ao CLP, a exemplo dos dispositivos interligados as suas entradas e saídas, são necessárias a utilização de uma outra fonte de alimentação. BARRAMENTO: por ser composto de vários elementos o CLP necessita de um barramento de comunicação e alimentação para integrá-los. Esse barramento é uma via de dados com restrições de extensão que permite a comunicação em altíssima velocidade entre os elementos que estão integrados através dele. Todos os elementos que compõem o CLP estão interligados ao barramento seja diretamente ou indiretamente, via uma rede de comunicação. Os elementos que estão no mesmo barramento da CPU do CLP são chamados de elementos locais do CLP. O barramento pode ser um componente propriamente dito do CLP e neste caso é chamado de rack ou gaveta. Um rack é subdividido em slots ou ranhuras. Os slots são posições físicas onde são instaladas a CPU, entradas, saídas, recursos de comunicação e a própria fonte de alimentação. Alguns fabricantes costumam desconsiderar alguns dos componentes quando informam a quantidade de slots disponíveis um rack por considerar que sendo aquele elemento indispensável ao funcionamento do sistema e a sua quantidade unitária é desnecessário. Por exemplo, o slot destinado à fonte de alimentação é geralmente omitido da quantidade de slots informada pelo fabricante para um dado rack. O barramento pode não ser um componente propriamente dito do CLP, sendo formado simples pela junta posição dos elementos que dessa forma vão montando a via de dados necessária para a comunicação entre eles ou por cabo de interligação entre os elementos para a formação do barramento ou mesmo uma combinação entre esses dois métodos. Nesses casos, nos referimos aos elementos que integram um barramento como banco, a identificação dos elementos que compõem um banco é mais sutil do que no caso onde existem racks,

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no entanto são conceitos equivalentes no que é relativo ao funcionamento do CLP e interação entre os elementos. O Barramento local de um CLP pode ser composto de apenas um rack ou banco ao de uma associação de racks ou bancos. A principal diferença entre dois racks ou bancos associados em modo local e dois racks ou bancos associados em rede ou modo remoto é a ausência de comunicação em rede para troca de dados no modo local e a necessidade de comunicação em rede para troca de dados em modo remoto. Caso o barramento do CLP exija que um elemento controle a prioridade de acesso e o fluxo de comunicação esse barramento é definido como sendo do tipo mestre/escravo e o elemento que o controla é chamado de mestre do barramento, sendo seu posicionamento fixo e definido como sendo a primeira posição a esquerda do barramento. Geralmente o mestre do barramento é a CPU. Apesar da diferença conceitual entre rack e banco que foi enfatizada e esclarecida aqui, para simplificação usaremos de agora em diante a terminologia de rack mesmo que a mesma possa ser um banco. A simplificação não implica em perda de generalidade ou mesmo em erro conceitual já que como também foi dito anteriormente são conceitos equivalentes no que se refere ao funcionamento do CLP e a integração entre os elementos. Entradas e Saídas – I/Os As entradas e saídas de um CLP, ou simplesmente I/Os são subdivididas em dois grandes grupos: Digitais e Analógicas. Os I/Os são fabricados para comercialização em módulos ou cartões. A quantidade de entradas ou saídas de um dado módulo é chamada de densidade do módulo, sendo cada unidade de entrada ou saída que o compõe chamada de ponto ou canal. O mais comum é que os cartões sejam compostos só de entrada ou só de saídas. Porém nada impede que sejam utilizados cartões que possuam tanto entrada como saídas, esse cartões são chamados de cartões combinados. As entradas e saídas digitais, como o próprio nome sugere, são discretas e por principal característica podem assumir apenas dois estados. Esses estados são representados por valores ou faixas de valores fixos de tensão. Por exemplo os valores de tensão 24Vcc, 120Vac e 220Vac, assim como 120Vcc para aplicações voltadas para a área de geração e distribuição de energia são os mais comuns para indicação do estado ativo ou energizado. Particularmente as saídas digitais podem ser do tipo relé, de forma que o estado ativo ou energizado da saída é representado simplesmente pelo fechamento do contato do relé, quando é apelidada de saída a contato seco, ou pelo sinal de tensão aplicado a esses mesmos contatos, quando é apelidada de saída a contato molhado. As entradas e saídas analógicas têm como principais características poderem sofrer variações de valores dentro de uma faixa definida. As grandezas elétricas mais comuns para representar um sinal analógico são corrente e tensão. No entanto também é comum em alguns processos serem sinais de temperatura, mV ou termistores. Aos I/Os de um CLP são acrescidas funções de diagnóstico como: fio partido, ausência de carga, presença de alimentação de campo, fusível eletrônico para cada canal, pulso de teste para saídas, captura de falhas intermitentes, bem como a capacidade de emissão de relatório das falhas por modulo ou por canal com registro de data e hora da ocorrência. O que considerar na escolha de um CLP Na escolha de CLP é necessário atentar para todas as características de cada um de seus elementos que são necessárias para a aplicação específica, alem de assegurar a compatibilidade entre o CLP e todos os componentes da aplicação com o qual haverá interação. De uma forma resumida podemos fazer a seguinte relação: -Quantidade de entradas requeridas e seus respectivos valores de operação. -Quantidade de saídas requeridas e seus respectivos valores de operação. -Distribuição física dos I/Os caso a aplicação exija I/Os distribuídos. -Necessidade de Integração em rede. Caso exista a necessidade:

-Quais são os dispositivos que comporão a rede. -Que tipo de dados serão trocados na rede (supervisão, controle ou intertravamento). -Qual é a quantidade de dados envolvida na comunicação (tráfego).

-Fonte de alimentação. -Complexidade da solução de controle a ser implementada (linguagem de programação, instruções e velocidade de execução necessária). Com relação às características ambientais de funcionamento as mais importantes a serem consideradas são: -Temperatura de operação. -Umidade relativa e a existência ou não de condensação. Já com relação a montagem é necessário observar: -Espaçamento entre componentes para circulação de ar. -Proteção contra contaminação atmosférica (óleo, partículas em suspensão e vapor corrosivo). -Interferência Eletromagnética (EMI). -Interferência de Rádio Frequência (RFI). Endereçamento Todos os dados tratados e manipulados pelo CP ocupam espaço na memória de dados do processador e precisam de uma maneira de serem acessados. A forma de acessarmos os dados armazenados na memória do

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processador é através de um endereço, assim, sempre que queremos nos referir a um dado fazemos uso de seu endereço. É muito importante saber diferenciar o endereço de seu conteúdo. O endereço é como apontamos para uma posição da memória cujo conteúdo é o dado que queremos acessar. Utilizamos o endereço para representar o seu conteúdo pois o endereço da memória é fixo e o conteúdo da memória é dinâmico. Os dados relativos a entradas e saídas se diferenciam dos demais dados por estarem associados a dispositivos físicos de processo. Exatamente para enfatizar essa diferença são chamados de dados de I/Os enquanto os demais dados são chamados de dados de memória ou dados internos. Os dados de memória ou internos podem ser gerados a partir de dados de I/Os ou simplesmente serem criados a exemplos de parâmetros de processo. Para facilitar o endereçamento e otimizar o uso da memória de dados a mesma é organizada em tabelas. As tabelas destinadas a armazenar os dados de I/Os são chamadas de tabela imagem de entrada e tabela imagem de saída para armazenamento dos dados relativos a entradas e saídas, respectivamente. Os dados de memória também são armazenados em tabelas. Existem diferentes tipos de tabelas para os dados de memória para que haja um melhor entendimento das características do dado ou para que esteja de acordo com a finalidade a que se destina. Alem da diferenciação do tipo do endereço quanto ao dado que indica estar associado a um dispositivo físico, quanto é dito um endereço de I/O, ou não, quando é dito um endereço de memória, os endereços também se diferenciam quanto ao tamanho do dado. Se o dado é do tamanho de um bit o seu endereço é do tipo endereço de bit, se o dado é um número de 16 bits o seu endereço é do tipo endereço de palavra ou endereço de inteiro. Cada fabricante segue padrões próprios para definir outros tipos de endereços que não são necessariamente seguidos por outros fabricantes. Quando o endereço aponta para uma posição da memória ele é definido com endereçamento direto, que é a forma mais comum e usual de endereçamento. Outra forma de endereçamento é o endereçamento indireto, quando uma parte ou mais do endereço é composta pelo conteúdo de outro endereço. Alem desses, tem o endereço indexado composto por um ponteiro e um offset e o endereço simbólico onde um apelido substitui o endereço propriamente dito. O CP permite que o valor de uma entrada ou saída seja fixado pelo usuário em um valor fixo, esse recurso é denominado simplesmente de forçar ou force, em inglês. Quando é realizado um force o que ocorre na prática é uma escrita direta na tabela de dados de I/O no endereço especificado ao mesmo tempo em que o valor do referido endereço resultante da estratégia de controle ou do campo é simplesmente desconsiderado. Programação de CP O conjunto de instruções dadas ao computador para atender a uma determinada aplicação prática é chamada de software. Os softwares podem ser de 3 tipos básicos:

-Software de sistema ou firmware que são necessários para o funcionamento do hardware. -Software de programação e autoria API – Aplication Programing Interface, que apóiam o

desenvolvimento de aplicativos. -Software de aplicação e simulação que executam as tarefas desejadas propriamente.

O CP é um computador especializado e por isso é um equipamento fechado ou dedicado que implica em sistema operacional e um firmware proprietário desenvolvidos pelo fabricante. A programação do CP é desenvolvida pelo usuário utilizando um software API do próprio fabricante do CP e que por sua vez é compatível com microcomputadores e sistemas operacionais de mercado. O aplicativo de controle é de responsabilidade exclusiva do usuário do CP que deve escrever o programa aplicativo usando o software API e uma linguagem própria para programação de CP. É preciso relembrar que a boa prática de programação recomenda que antes de escrever o aplicativo, seja desenvolvido um algoritmo que descreva passo a passo a estratégia do controle do processo e na seqüência correta de execução. A linguagem de programação do CP deve seguir uma norma com o objetivo de padronizar a programação entre os diversos fabricantes através da especificação da sintaxe e semântica das linguagens de programação de forma a facilitar a intercambealidade, entendimento e manutenção para o usuário. A responsabilidade pela padronização das linguagens de programação dos controladores programáveis é da IEC – International Electrotechnical Committee através da norma IEC 61131-3 que trata de recomendada para a questão. A norma IEC 61131-3 ou simplesmente IEC 1131-3 é uma parte das cinco que compõem a IEC 61131. A IEC 61131-3 define a linguagem de Sequenciamento Gráfico de Funções – SFC ou Grafeset, usada para a estruturação do programa, e outras quatro linguagens interoperáveis entre si: Lista de Instruções (IL), Texto Estruturado (ST), Diagrama Ladder (LD) e Diagrama de Blocos de Função (FBD). As linguagens IL e ST são classificadas como textuais e a LD e FBD são classificadas como gráficas. SFC não é propriamente uma linguagem, pois precisa de uma segunda forma de desenvolvimento. Com SFC a estrutura sequencial do programa é representada graficamente com etapas e transições. As etapas do programa são compostas por passos, que são responsáveis pelas ações sobre o sistema automatizado. Já as transições representam uma barreira que é suprimida quando satisfeito um conjunto de condições e assim passa-se a próxima etapa.

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Linguagens de Programação IL - Lista de Instruções: consiste em uma sequência de comandos padronizados correspondentes a funções. Assemelha-se à linguagem Assembler na maneira como os códigos são escritos. ST - Texto Estruturado: é uma linguagem de alto nível em forma de texto que não impõe ordem de execução. Utiliza-se atribuindo novos valores às variáveis no lado esquerdo das instruções, como ocorre na linguagem Pascal e Basic. FBD – Diagrama de Blocos Funcionais: utiliza blocos da lógica booleana, com comandos padronizados bastante familiares para controle de processo. Sua utilização é muito difundida. LD - Diagrama de Contatos (Ladder): sua representação originou-se dos diagramas elétricos em escada, cujo princípio provém da lógica de Relés e Contatos. Graficamente, as suas regras básicas são:

-As instruções de saída sempre ficam totalmente a direita das linhas horizontais. -A execução da instrução de saída depende da afirmação lógica das instruções de entrada a sua esquerda. -A afirmação lógica da entrada é resultante da afirmação lógica de cada instrução e seu agrupamento em série, lógica aditiva (E), ou em paralelo, lógica alternativa (OU).

Funções básicas do CLP O CLP realiza as seguintes funções básicas:

-Ler os dados dos vários dispositivos de entrada. -Tomar decisão de controle via um programa com a estratégia a ser utilizada baseada nos dados dos dispositivos. -Ajustar os dispositivos de saída com os dados resultantes do programa executado.

O ciclo de operação do CLP é chamado de Varredura de Programa ou Scan de Programa. Na Varredura de Programa são realizadas 2 operações básicas que são a execução da lógica e a realização do Housekeeping. A porção da Varredura de Programa destinada a execução da lógica é denominada Varredura Lógica ou Scan Lógico. Durante a Varredura Lógica as entradas são lidas a partir da tabela Imagem de entrada e as saídas são escritas na tabela imagem de saída. A segunda porção da Varredura de Programa é denominada Housekeeping, quando é feita a atualização entre as tabelas imagens de I/Os e os I/Os físicos de campo e os cheques internos da CPU. Como a atualização dos I/Os físicos de campo ocorre de forma assíncrona e não sequencial com a execução da lógica, o CLP tem um ciclo de operação chamado Assíncrono. Durante a Varredura Lógica o processador pode executar instruções de leitura ou escrita imediatas que força uma leitura ou escrita de campo no exato momento da execução da instrução e faz com que o CLP tenha um comportamento síncrono, ao contrário de sua operação normal.

O CLP quando possui I/Os remotos, arquitetura que permite ao CLP controlar I/Os que não estão em modo local, realiza uma segunda operação que é a Varredura de I/O ou Scan de I/O. Na Varredura de I/O as entradas e

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saídas distribuídas são lidas e escritas no mapa de memória relativa aos I/Os remotos. A Varredura de I/O é independente e assíncrona em relação a Varredura de Programa, Durante o Housekeeping é feita a atualização da tabela imagem de I/Os e o mapa de memória de I/Os remotos.

Alguns fatores interferem no tempo de duração da Varredura de Programa, seja porque afetam a duração da Varredura Lógica seja porque afeta a duração do Housekeeping. Como esses fatores sofrem mudanças entre um ciclo e outro, a duração da Varredura de Programa também varia ciclo a ciclo. Alguns fatores que influenciam na duração da Varredura do Programa são:

-Quantidade de transições lógicas falsas e verdadeiras. As transições lógicas falsas são mais rápidas que transições verdadeiras. Uma transição falsa dura aproximadamente 1,4?s e uma transição verdadeira 410?s. -Tipos de instruções executadas durante a varredura. Instruções diferentes têm tempo de execução diferente. -Situação dos I/Os. Diferentes situações de I/Os geram execução de secções diferentes de programa, sub-rotinas diferentes com tipos de instruções diferentes e transições lógicas diferentes. -Interrupções geradas, a exemplo de escrita ou leitura imediata. -Edições do programa durante a execução do mesmo e a comunicação. Esse são fatores que alteram a duração do Housekeeping. O Housekeeping dura geralmente 3,5ms. O Throughput é um conceito muito importante para a validação dos sistemas de automação. Por definição o Throughput é o tempo decorrido entre a detecção de um evento na entrada do sistema e a atuação de uma saída do sistema, baseada na estratégia de controle. O throughput expressa a agilidade do sistema de automação, tem de ser compatível com o Tempo Real do mesmo e a melhor maneira de obter o seu valor é através de medição, no entanto, é passível de ser calculado Para o cálculo do Throughput temos de considerar os seguintes componentes:

-Atraso do modulo de entrada e saída, na faixa de 1 a 3ms cada. -Tempo de transferência do dado pelo barramento, no máximo 2ms. -Tempo de duração da Varredura de I/O. Esse componente só se aplica em casos onde exitem I/Os

distribuídos. Alem disso, a Varredura de I/O ocorre de forma assíncrona com a Varredura de Programa e pode sofre variações em sua duração entre ciclos. Por isso, se esse componente for aplicável no cálculo do Throughput a ser determinado, tem de ser avaliado em função do pior caso que é o tempo de duração de um ciclo completo da Varredura de I/O.

-Tempo de processamento, ou seja, duração da Varredura Lógica. Como existem fatores que afetam a duração da Varredura Lógica, esse componente tem de avaliado em função do pior caso que é o tempo máximo que uma varredura lógica do aplicativo utilizado no sistema pode ter. Com base nos componentes descritos e no ciclo de operação do CP, a expressão matemática para o cálculo do Throughput é a seguinte:

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Interfaces de Operação - IHMs Os sistemas automatizados necessitam de uma interface para facilitar a operação. É difícil avaliar ou analisar o que acontece no processo acompanhando diretamente no CLP ou outro dispositivo de controle. As IHMs permitem a monitoração, visualização e a supervisão. Quando necessário também é possível o comandar e controlar a planta através da IHM. Quanto ao tipo, as IHMs podem ser classificadas em três grupos: painel sinótipo, display de texto, display gráfico e software de supervisão. O painel sinótipo é a tecnologia mais antiga para solução de IHM, ela é composta de um desenho ilustrativo do processo ou equipamento onde são inseridos sinaleiras, lâmpadas, chaves e botoeiras para disponibilizar as funções de monitoração e visualização. Os displays de texto, também chamados de anunciadores de mensagens, são de uso restrito e destinam-se exclusivamente a exibição de mensagens para a operação. As mensagens exibidas podem ser para informar um objetivo atingido, uma mudança de estado, um estado anormal, a necessidade de uma ação ou suportar alguma decisão. São equipamentos que não possibilitam o comando, recursos de animação ou mesmo gráfico. Os displays gráficos podem ser subdivididos em monocromáticos ou coloridos, bem como de teclado, touch screen ou ambos. Essa tecnologia concilia desenhos, textos e comandos agregados a um hardware com características industriais, ou seja, são equipamentos desenvolvidos com características construtivas específicas para suportarem ambientes agressivos, com altas temperaturas, atmosferas corrosivas e vibração. O grau de sofisticação nas construções dos desenhos e animações gráficas é variável, podem ir de uma pura ilustração estática com textos e valores dinâmicos até movimentos de objetos, gráficos de tendência de variáveis e dados históricos de processo. Já o software de supervisão também é chamado de software de supervisão e controle ou software SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition. Nesse último caso em particular há o abuso de linguagem ao se confundir a aplicação de controle supervisório e aquisição de dados, popularmente conhecido como aplicação SCADA com o software de interface de operação da solução. Inclusive a solução para aplicações do tipo SCADA envolve o uso de outros elementos além do software de supervisão. A unidade de informação ou mensagem de uma IHM é o Tag. O Tag pode estar associado a um endereço de CLP de qualquer tipo, a um programa de computador, ou a um outro hardware ou software qualquer do sistema de automação. Quando se lida com IHMs dois ambientes estão envolvidos: o ambiente de desenvolvimento e o ambiente de execução ou operação. Para o melhor entendimento desses ambientes é importante enfatizar suas diferenças para as diferentes IHMs. Os displays são computadores especializados, com hardware e sistema operacional dedicado, onde é executado um aplicativo desenvolvido pelo usuário através do software API desenvolvido pelo fabricante do display. Assim, no caso dos displays de texto e displays gráficos o ambiente de desenvolvimento é o respectivo software API. O ambiente de execução e operação é o próprio display juntamente com o aplicativo desenvolvido pelo usuário. Também fica claro a necessidade de comunicação entre o ambiente de desenvolvimento de o display para transferência do programa aplicativo. O software de supervisão é um software que é executado em um hardware aberto, um computador. Por sua vez, o software supervisório executa um aplicativo desenvolvido pelo usuário. Assim, o desenvolvimento do programa aplicativo, sua execução e operação podem ser realizados em um único hardware que é o computador, mas ainda há uma divisão clara de duas fases: o desenvolvimento e a execução e operação. Alem disso, o ferramental necessário para desenvolver o aplicativo não se faze necessário para a sua execução e operação. Para o software supervisório os ambientes de desenvolvimento, execução e operação podem ser encapsulados em um único programa, deixando transparente para o usuário a passagem do ambiente de desenvolvimento para o ambiente de execução e operação e vice versa e consequentemente fazendo que o usuário menos atento se quer perceba a existência dos dois ambiente. Ou, o software supervisório pode ser composto de dois programas. Um programa para desenvolver o aplicativo e outro programa para execução e operação. Essa situação é mais usual quando são utilizados computadores distintos para cada função. Os dois componentes básicos de um sistema supervisório são os dados e as telas. O conjunto de dados forma a base de dados ou banco de dados da aplicação. Um computador que armazene os dados ou as telas de um supervisório é chamado de Servidor de dados ou Servidor de telas. Cliente é um computador utilizado para operar uma solução de automação com sistema supervisório, no entanto as telas e dados são obtidas a partir de um outro computador que é o Servidor da aplicação. O projeto de aplicação de um software supervisório exige um planejamento da arquitetura a ser utilizada. O projeto pode ser baseado em uma arquitetura com um único computador, chamada de arquitetura Stand Alone, ou com mais de um computador, chamada de arquitetura Distribuída. Na arquitetura Stand Alone os dados, as telas e a operação é toda centralizada em um computador, nesse caso não há consistência em se falar em Cliente e Servidor porque o software supervisório Stand Alone não possui esses elementos em sua estrutura. Essa diferença conceitual é fundamental, pois um supervisório Stand Alone

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funciona e é efetivamente diferente de um supervisório do tipo Cliente/Servidor onde os dois módulos são instalados em um único computador, mesmo que aparentemente o usuário não perceba a diferença. A arquitetura Distribuída pode ser baseada em um único Servidor e vários Clientes e nesse caso esse Servidor tem de ser um Servidor de dados e telas simultaneamente. A outra opção para uma arquitetura Distribuída é vários Servidores e vários Clientes e nesse caso um Servidor pode ser somente Servidor de dados ou somente Servidor de telas ou Servidor de dados e telas. Corporativa. Outro aspecto a considerar no projeto é a utilização ou não de redundância. A redundância em sistemas de supervisão consiste em armazenar o mesmo dado e a mesma tela em mais de um dispositivo de forma que se um desses dispositivos falhar o sistema continua operando de forma transparente para o usuário. A redundância envolve um alto grau de dificuldade envolvida a exemplo da necessidade de manter as diferentes bases de dados idênticas mesmo após a falha de um dos dispositivos e o sincronismo de registro como o armazenamento da mesma data e hora quando do reconhecimento de um evento nos dispositivos envolvidos na redundância.

As aplicações SCADAs são sistema para promover a comunicação entre uma ou mais estações remotas e a estação mestre e o computador central de forma que a estação mestre e o computador central possa periodicamente ler os dados das estações remotas, além de enviar dados quando necessário. Os componentes típicos de um SCADA são: computador central, rede local, estação mestre, rede de telemetria e estação remota. No computador central é executado o software de supervisão e controle responsável pela interface gráfica de operação, relatórios entre outras funções. Em alguns casos é recomendável a utilização de sistema de supervisão em redundância. A rede LAN é a rede responsável pela comunicação entre o computador ou computadores de supervisão e controle com a estação mestre. A rede de telemetria é a solução relativa à topologia de conexão, meio de comunicação, modo de transmissão, e protocolo de comunicação entre a estação mestre e as estações remotas. Geralmente são utilizados radio-modens na rede de telemetria quando as distâncias envolvidas entre as estações são na ordem de dezenas de centenas de metros ou outras condições adversas que inviabilizem uma rede de telemetria com cabo. A estação mestre e as estações remotas são baseadas em tecnologia de CLP, juntamente com inversores de frequência, gerenciadores de energia e outros dispositivos. Observa-se que do ponto de vista do software de supervisão uma aplicação do tipo SCADA não apresenta uma característica funcional específica. Se for possível destacar alguma particularidade essa fica por conta do uso de radio-modem em algumas situações, mas mesmo assim esse aspecto é impactante na troca de dados entre a estação mestre e as estações escravos do que com a troca de dados com o supervisório.

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Planejando um sistema Supervisório 1- Entendimento do processo: -Conhecer o processo e as etapas que o compõe. -Conhecer a operação da planta. -Documentação auxiliar: fluxograma de processo e diagrama de instrumentação. -Descobrir as informações necessárias para suportar as decisões. -Determinar as variáveis do processo que precisão ser monitoradas. Documentação auxiliar: lista de I/Os, lista de alarmes e lista de parâmetros. 2- Tomada de dados: -Definição das variáveis que serão os dados recebidos e enviados para o campo. -Documentação auxiliar: lista instrumentos com faixa de operação e unidades de engenharia. 3- Banco de dados: -Construção dos Tags relativos às variáveis de campo, variáveis internas e alarmes. -Definição das taxas de amostragens para determinação dos tempos de varreduras. -Definição dos nomes dos Tags e suas respectivas descrições. 3.1- Alarmes: -Chamar atenção para uma modificação de estado. -Sinalizar um objetivo atingido. -Sinalizar um estado anormal. -Tomar cuidado para o excesso de alarmes, a necessidade de intervenção e a hierarquia. 3.2- Registros: -Armazenar histórico das variáveis. -Armazenar condições operacionais, de controle e de configuração. 4- Planejamento das telas: -Construir uma estrutura hierárquica e sequência de navegação. -Definir grau de detalhamento do processo. -Construir tela de alarmes. -Construir tela de gráfico de tendência. -Construir tela de login. -Construir tela de configuração. -Construir telas padrões a exemplo de tela de diagnóstico de equipamento e controle PID. 4.1- Telas gráficas: -Elaborar desenho do processo. -Manter consistência de símbolos, cores e posição. -Manter consistência de nomes e referências. 5- Segurança: -Definir grupos de usuários.

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-Estabelecer nível de acesso para cada grupo de usuário. Redundância para Automação O terno redundância de uma forma geral se refere ao uso de excesso e para automação não é diferente. Particularmente em automação estamos nos referindo ao excesso de equipamentos para aumentar a disponibilidade e ou a confiabilidade de um sistema. A busca do aumento da disponibilidade está associada ao aumento da disponibilidade operacional ou em outras palavras, a continuidade operacional. Neste caso utiliza-se excesso de equipamentos de forma que mesmo se algum deles falhar não haja a interrupção do processo produtivo. As soluções de automação que mantêm a continuidade operacional mesmo ocorrendo à falha de um ou mais elementos de seu sistema é uma solução tolerante a falha. As soluções tolerantes a falhas mais conhecidas são o Hot Spare, o Hot Backup e a Tripla Redundância, que possuem diferentes graus de complexidade e consequentemente diferentes finalidades. O Hot Spare é a solução mais simples e de menor investimento, exige a ação humana para a troca entre os equipamentos redundantes. Essa solução só pode ser aplicada em sistemas que suportam a parada do sistema automático de controle bem como a suspensão do processo durante o tempo de troca. O Hot Backup é uma solução intermediária em termos de sofisticação tecnológica e necessidade de investimento, a troca entre os equipamentos redundantes é automática, não ocorre a parada do sistema de controle bem como do processo. A Tripla Redundância como o nome indica são utilizados três equipamentos em redundância onde a troca entre os equipamentos redundantes é automática, não ocorre a parada do sistema de controle bem como do processo. É a solução mais sofisticada e que requer o maior investimento de forma que seu uso só é viável em aplicações muito específicas. A confiabilidade de uma solução está associada à probabilidade de falha de um dos seus elementos durante a operação. A busca do aumento da confiabilidade geralmente envolve aspectos de segurança. Neste caso utiliza-se excesso de equipamentos de forma que a ação de controle seja de acordo com a estratégia de controle previamente definida e que não haja o risco do processo operar em condição insegura. As soluções de automação que mantêm o processo em condição segura mesmo ocorrendo à falha de um ou mais elementos de seu sistema é uma solução de falha segura. As soluções de falha segura são baseadas em sistemas de votação do tipo dois em três: 1oo3D (one out of three), ou em comparação de resultados entre dois: 1oo2D (one out of two), que indicam o grau de tolerância à falha do hardware (HFT) da solução.

Redundância voltada para segurança. As aplicações de redundância voltadas para segurança estão baseadas em normas internacionais como a norma 61508 de IEC, a norma V19250 da DIN e a norma S84.01 da ISA. Dessas a norma mais aceita de difundida mundialmente é a IEC 61508 “ Functional Safety of electrical/electronic/programmable electronic safety related system”.

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A norma IEC 61508 define e atribui quatro níveis de SIL, de 1 a 4, para os dispositivos de estado sólido. A título de informação a norma DIN V19250 define e atribui seis níveis AK, de 1 a 6. Embora SIL e AK sejam diferentes e não haja uma relação de conversão entre os dois, tanto SIL como AK expressão a robustez relativa a segurança do sistema aplicado. O que é nível de SIL? SIL é a abreviação de Safety Integrity Level, que traduzido para o português temos: Nível de integridade de segurança. E o que significa ou expressa o nível de SIL? O nível de SIL é o indicador de desempenho do Sistema Instrumentado de Segurança (SIS), medido pela probabilidade de uma falha em resposta a uma demanda (PFD). O SIS ou Segurança Funcional como se refere a norma IEC é parte do sistema de instrumentação ou automação da qual a segurança do meio ambiente, humana e das instalações depende da correta operação em resposta a suas entradas. Excluí-se do sistema de Segurança funcional as causas e efeitos não relacionados a segurança como no caso de procedimentos operacionais. É precisa identificar as malhas de segurança, classifica as malhas de segurança de acordo com a possibilidade de ocorrência de falha na demanda sobre os aspectos da consequência sobre a: meio ambiente, segurança pessoal, produção e equipamentos. Assim obtemos a classificação das malhas de segurança e consequentemente a classificação necessária para o executor da lógica de cada malha de segurança, respectivamente. Onde ocorrem as falhas? De acordo com dados da TÜV, instituição alemã de certificação com prestigio e reconhecimento internacional, 40% das falhas em uma malha de segurança ocorre no elemento sensor, 10% no elemento de controle e 50% no elemento final, mas mesmo assim o foco da norma 61508 é no controlador,embora este seja o componente menos provável de falhar. Um Sistema de Segurança é classificado como de Baixa Demanda ou de Alta Demanda, que também pode ser chamado de Modo Continuo. A IEC 61508 quantifica as operações do Controlador de Segurança como de Baixa Demanda se a frequência de demanda for menor ou igual a uma vez ao ano e de Alta Demanda se a frequência de demanda for maior que uma vez ao ano. O nível de SIL para sistemas relativos a segurança para Baixa Demanda estão relacionados a probabilidade de falha na demanda (PFD), enquanto que para Alta Demanda ou Modo Contínuo estão relacionados diretamente a probabilidade de falha perigosa por hora (PFH). Para aplicações de Baixa Demanda, um PLC é classificado como SIL 2 se tiver um PFD >10E-4 a 10E-3 assumindo 10% de PFD do Sistema de Segurança. Para aplicações de Alta Demanda, um PLC é classificado como SIL 2 se tiver um PFH >10E-8 to 10E -7 assumindo 10% de PFH do Sistema de Segurança Tanto no cálculo do PFD como da PFH são considerados os seguintes aspectos: MTBF, probabilidade de falha, taxa de falha, cobertura de diagnóstico, fração de falha segura (SFF), MTTR e tolerância a falha (HFT). Dentro da aplicação de segurança não é permitido implementar funções que não sejam relativas à segurança, assim uma malha de segurança só contem partes relacionadas à segurança. A TÜV ao aprovar um produto para um determinado nível de SIL para aplicações relativas a segurança o faz para um dado estado seguro que pode ser o energizado ou o desenergizado. Esse é um outro aspecto que precisa ser compatibilizado com a aplicação, que também tem o seu estado seguro. Juntamente com o certificado a TÜV gera um relatório com regras e orientações para aplicação do dispositivo para que a certificação seja validada. Este relatório é conhecido como Manual de Referencia para Aplicações Relativas de Segurança do Dispositivo. O usuário é responsável por seguir na integra as orientações contidas no manual para assegurar a implementação correta do sistema de acordo com SIL2, caso contrário a aplicação não tem o nível de SIL. SDCD São aplicados em sistemas com grande quantidade de variáveis analógicas e com estratégias de controle complexas. Pode ser aplicado em automação de processos contínuos ou de bateladas com predominância de sinais analógicos e funcionalidades específicas Não é um equipamento ou dispositivo e sim um sistema integrado. Os seus cinco principais componentes são: entradas e saídas também chamadas de unidades remotas de campo ou unidades coletoras de campo, controlador, rede de controle, sistema de visualização e estação de desenvolvimento ou estação de engenharia. Sistema Especialista São softwares que buscam substituir o especialista na dinâmica de interação com o processo. Para isso faz uso de uma base de conhecimento específico que é um de seus componentes principais. Alem da base de conhecimento a máquina de inferência é outro componente importante dentro de um sistema especialista. O funcionamento de um sistema especialista pode ser descrito como o recebimento de sinais, informações ou condições de entrada ou de inferência sobre o problema do usuário. Para as inferências recebidas o sistema pesquisa em sua base de conhecimento as regras, informações ou conteúdo que seja a melhor resposta a situação existente no momento. Assim, ele atua sobre as saídas ou informa ao usuário qual a melhor resposta ou ação a tomar.