Normalizado Sistemas Digitais de Controle

SENAI - CETIND

SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE

SENAI - CETIND

SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE

Lauro de Freitas 2007

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SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE

Lauro de Freitas 2007

Copyright 2007 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados TECNOLOGIA DE PROCESSOS (TEP) Elaboração: Ildefonso Martins dos Santos Engenheiro Eletricista Revisão Técnica: Luís Cláudio da Silva e Silva Jadson Aragão Rezende Filho Revisão Pedagógica: Janaildes Maria dos Santos Normalização: Talita Batista de Brito

Catalogação na Fonte (NIT – Núcleo de Informação Tecnológica) ______________________________________________________________ SENAI- DR BA. Sistemas digitais de controle. –  Lauro de Freitas: CETIND, 2007. 68 p., il. (Rev.00)

1. Sistemas Digitais de Controle I. Título

2. Controladores

3. Transmissores

CDD 621.398 1 ______________________________________________________________

SENAI - SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CETIND - CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PEDRO RIBEIRO Av. Luis Tarquínio Pontes, 938 - Aracuí - Lauro de Freitas - Bahia Tel: (71) 3379-8200 Fax: (71) 3379-8299/ 49 www.cetind.fieb.org.br

SUMÁRIO

APRESENTAÇÃO 1 EVOLUÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE ......................................... 5 1.1 ERA PNEUMÁTICA................................................................................................... 5 1.2 ERA ELETRÔNICA.................................................................................................... 6 1.3 ERA FIELDBUS.......................................................................................................... 9 2 TRANSMISSORES INTELIGENTES .................................................................... 11 2.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 11 2.2 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR .......................................................... 11 2.3 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES.................................................................. 12 2.4 FUNCIONAMENTO................................................................................................... 13 2.5 OPERAÇÃO ................................................................................................................ 14 2.6 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO .................................................. 16 2.7 DESCRIÇÃO FUNCIONAL DO SOFTWARE.......................................................... 19 3 CONTROLADORES DIGITAIS ............................................................................. 33 3.1 HISTÓRICO................................................................................................................. 33 3.2 CONCEITO.................................................................................................................. 34 3.3 CONTROLADORES................................................................................................... 35 3.4 CONTROLADOR DIGITAL CD 600......................................................................... 36 3.4.1 Introdução..................................................................................................................... 36 3.4.2 Operação do CD600 ..................................................................................................... 37 4 SISTEMA SUPERVISÓRIO .................................................................................... 40 4.1 SISTEMA SUPERVISÓRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS................... 41 5 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD) ......................... 45 5.1 CONCEITOS DE REDUNDÂNCIA NOS DIVERSOS NÍVEIS ............................... 55 5.2 PROTOCOLO HART .................................................................................................. 56 6 PARTE EXPERIMENTAL ....................................................................................... 63 6.1 EXPERIÊNCIA N0 1 ................................................................................................... 63 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 65 GLOSSÁRIO .............................................................................................................. 67

APRESENTAÇÃO

Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação profissional e superior, além de prestar serviços técnicos e tecnológicos. Essas atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho. Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. É um meio que possibilita, de forma eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do conteúdo apresentado no módulo.

1 EVOLUÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE CONTROLE 1.1 ERA PNEUMÁTICA Como podemos observar na figura 1, os instrumentos pneumáticos depois que foram normalizados (definição da faixa de alimentação e de transmissão de sinal tiveram um grande desenvolvimento no tocante a realização de funções como a extração de raiz quadrada, multiplicadores, somadores, relés, etc., entretanto (geralmente) cada instrumento realizava apenas uma função).

Figura 1 - Era pneumática

Devemos destacar que estes instrumentos são de grande durabilidade (muitos funcionam e controlam plantas até hoje), são verdadeiros retratos de engenhosidade da engenharia mecânica com seus foles, relés piloto, engrenagens..., porém seu tempo de resposta, sua precisão, seu tamanho físico e principalmente a falta de um preço competitivo em relação às novas tecnologias (inicialmente eletrônica analógica e a seguir eletrônica digital), fizeram 5

com que viessem a perder espaço rapidamente nos novos projetos. É importante destacar neste esquemático, a característica de leitura simplificada e também a facilidade de diagnosticar eventuais problemas do sistema. Certamente para os saudosistas são características que os sistemas modernos precisam cada vez mais se espelhar. 1.2 ERA ELETRÔNICA Com o desenvolvimento dos semicondutores, inicialmente o transistor e depois os circuitos integrados, a eletrônica começou a oferecer para os projetistas de equipamentos o seu baixo consumo e suas condições de custo/tamanho físico cada vez mais competitivos em relação aos instrumentos pneumáticos. Para o usuário, o aumento de confiabilidade em relação à eletrônica com válvulas e as características já descritas de custo/tamanho físico tornaram a opção pela era eletrônica inquestionável. Com o advento dos microprocessadores ganhou-se a possibilidade de se ter equipamentos programáveis, na realidade, verdadeiros computadores levados à miniaturização extrema, e assim, a possibilidade de se ter várias funções realizadas por um mesmo instrumento. A relação custo/benefício também caiu e com o desenvolvimento desta tecnologia aumentou a facilidade de configuração/programação que, no início, era um ponto crítico. Podemos, entretanto, verificar que na figura 2 temos um controlador, que por ser microprocessado (tem CPU, memórias, é programável) é um computador, ao lado do transmissor, que sendo inteligente, também é um computador (possui CPU, memória é programável), portanto temos dois computadores, um no campo em contato com o processo, enviando a informação de uma variável já devidamente tratada, e numa Sala de Controle o outro computador recebendo a informação do processo, realizando uma função de controle e depois enviando para o campo uma variável manipulada num range de 4-20 mA para, por exemplo, posicionar uma válvula de controle.

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Figura 2 - Controlador

É lógico que esta explicação anterior não tem nenhuma novidade para quem é do ramo de instrumentação e controle de processos, mas talvez um detalhe tenha passado desapercebido: os dois computadores, o controlador de processo e o transmissor inteligente, conversam através de um protocolo analógico (os 4 a 20 mA) que sabemos não é a maneira mais eficaz de dois computadores conversarem, além de que só podemos enviar uma única informação do transmissor para o controlador e também um único sentido de direção. Com o surgimento dos Sistemas Supervisórios passamos então a conviver com dois patamares distintos de tecnologia. Na figura 3 observamos na parte de baixo os Transmissores Inteligentes enviando sua informação para os Controladores Microprocessados através do protocolo 4-20 mA. Na parte superior da figura, o nível moderno da informática com uma rede de comunicação interligando distintos computadores, tais como os controladores, os controladores lógicos programáveis (PLC's) e os computadores clássicos (aqueles que tem telas, teclados convencionais, saídas para impressoras). Nesta rede de computadores estamos no mundo atual, em se tratando de comunicação digital entre computadores (bi-direcional, com conversação tipo pergunta-resposta). Na parte inferior ainda o protocolo da era da eletrônica analógica com as deficiências já citadas anteriormente.

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Figura 3 - Transmissores Inteligentes enviando sua informação para os Controladores Microprocessados

Mesmo nos Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCD's) figura 4 ainda temos esta convivência. O Sistema tem seus cartões de controle interligados por uma rede de comunicação digital (neste caso um protocolo proprietário), mas a comunicação entre os transmissores e os cartões controladores do SDCD é feito com o protocolo analógico 4 a 20mA. Outro detalhe muito importante deve ser destacado nos Sistemas Digitais de Controle Distribuído, é que a palavra, distribuído, se refere aos diversos cartões de controle que compõem o Sistema (praticamente um cartão de controle por malha de controle), mas na realidade apesar da existência dos transmissores inteligentes, alguns deles com capacidade de controle, esta característica não é explorada e, portanto temos um sistema centralizado na disposição dos cartões de controle e não se utiliza a distribuição do controle no campo.

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Figura 4 - Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCD)

1.3 ERA FIELDBUS A definição mais conhecida do FIELDBUS é a substituição do protocolo de comunicação analógico (4 a 20 mA) por um protocolo digital de comunicação entre os instrumentos do campo e os da sala de controle. Entretanto, esta parte conceitual é muito mais abrangente. Podemos começar destacando e pegando as partes boas das diversas tecnologias de controle, desde a pneumática, onde tínhamos o controle realizado no campo, sem que o sinal tivesse que ir até a Sala de Controle e depois retornar para o elemento final de controle no campo. Da era da eletrônica microprocessada, podemos utilizar os instrumentos inteligentes, sua capacidade de controle e a tecnologia de rede de comunicação digital entre computadores. Na figura 5, vamos iniciar destacando uma vantagem do FIELDBUS ainda não citada até aqui. Neste exemplo, com o uso da comunicação somente digital e da tecnologia de rede de computadores, só precisamos de um par de fios para interligar os transmissores/controladores FT-103, FT-102, o Transdutor de FB/P (Fieldbus/Pressão) da Válvula FCV-102 e o computador também chamado IHM (lnterface Homem-máquina) ou Workstation ou simplesmente PC. Portanto podemos notar já neste instante a grande economia de custos de fiação, bandejas, e mão-de-obra de instalação dos Sistemas de Controle Fieldbus para os sistemas mais antigos (aqueles que usam protocolo analógico 4 a 20 mA, e um par de fios para cada instrumento). Sob o ponto de vista da instrumentação clássica, seria levado a pensar que o transmissor/controlador FT-102 está fazendo o controle atuando na válvula FCV-102. Agora na era Fieldbus, já não é mais possível pensar somente desta maneira, pois podemos ter outras possibilidades de controle:

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Figura 5 - FIELDBUS • •

•

O Transmissor/controlador FT-103 fazendo o controle atuando na válvula FCV-102; O Transmissor/controlador FT-102 adquirindo a informação de fluxo da tubulação “A” através do transmissor FT-103 e fazendo um controle de "Ratio" e atuando na válvula; O Transdutor de FB/pressão que pode ter também a capacidade de controle adquirindo as informações de fluxo dos transmissores FT-102 e FT-103 e ele realizando o controle tipo "Ratio" e atuando na válvula.

Estas são algumas das possibilidades, pois ainda poderíamos explorar a capacidade de controle da placa controladora instalada no PC, e neste caso, estar realizando um algoritmo de controle mais complexo ou até alguma otimização num outro computador num nível mais acima; ou somente utilizar o PC para visualizarmos o que está acontecendo no processo através de sua tela. Veremos mais informações sobre Fieldbus em material complementar.

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2 TRANSMISSORES INTELIGENTES 2.1 INTRODUÇÃO O engenheiro de instrumentação e controle de processos encontra, hoje, disponível no mercado uma enorme variedade de sistemas de controle. Os fabricantes de equipamentos procuram superar seus concorrentes com lançamentos que oferecem maior flexibilidade para modificações, maior facilidade para implantação de sistemas de controle avançado, melhor interface homem-máquina, menor custo e maior precisão no tratamento das informações. Estas características fizeram com que as variáveis de controle oscilassem em torno do valor desejado dentro de margens muito mais estreitas, permitindo a otimização destes valores, com conseqüente economia de matéria-prima e de energia. Porém, o enorme avanço alcançado pelos sistemas de controle nos últimos quinze anos não foi devidamente acompanhado pela instrumentação de campo. Os sensores e transmissores não sofreram modificações tão significativas como a instrumentação de painel. A precisão e os recursos que os instrumentos de campo ofereciam eram bastante limitados, se comparados à flexibilidade e à precisão dos sistemas aos quais estavam ligados. Recentemente uma nova geração de instrumentos de campo surgiu para suprir esta falta: os transmissores inteligentes. Este artigo abordará o conceito e as principais características destes instrumentos. 2.2 CONCEITO DE SENSOR E TRANSMISSOR O instrumento que transforma a variável medida (pressão, nível, temperatura) em um sinal padronizado para transmissão (4-20 mA, 3-15 psi) é chamado de transmissor. O transmissor, em geral, consiste de duas partes principais - o transdutor ou sensor que, no caso dos transmissores eletrônicos, transforma a variável medida em um sinal elétrico mensurável, e o transmissor propriamente dito, que transforma este sinal em um sinal padronizado de 4 a 20 mA. O transdutor ou sensor deveria apresentar uma correspondência linear entre a variável medida e o sinal de saída, conforme indicado na Figura 6 como "curva ideal". Para a maioria dos sensores esta correspondência linear só existe, nos limites aceitáveis pela eletrônica convencional, dentro de uma certa faixa de medição (a faixa útil do transmissor). Nesta faixa, a diferença entre o valor lido na curva ideal e o valor real pode ser superada ou conduzida a níveis toleráveis de erros pela eletrônica. O sensor mede fora da faixa, mas a não linearidade do sinal provoca um erro inadmissível. Ao valor da variável V, por exemplo, corresponderá o valor de sinal S, que seria lido no transmissor como V’. A faixa do transmissor é escolhida de tal modo que a não linearidade possa ser compensada pelo circuito eletrônico e caia dentro dos limites de precisão do instrumento.

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Figura 6 - curva ideal

2.3 OS TRANSMISSORES INTELIGENTES Com a popularização do uso dos microprocessadores, era inevitável a sua utilização nos instrumentos de campo. A capacidade de armazenar centenas de dados e realizar cálculos complicados eram qualidades importantes demais para serem ignoradas por quem estivesse buscando para os transmissores uma precisão maior, facilidade de operação e utilização mais ampla. Então, há cerca de nove anos, surgiu nos EUA o primeiro transmissor "inteligente". As vantagens alegadas pelo fabricante eram consideráveis: maior precisão, maior rangeabilidade, maior facilidade de manutenção e melhor desempenho operacional. Em contrapartida apresentava um preço que era quase o dobro do transmissor convencional. As vantagens alegadas eram consideráveis, mas não chegaram a justificar a diferença de preço para a maioria dos usuários americanos. Mas a situação foi se modificando. Os transmissores inteligentes passaram por uma fase de apresentação ao mercado para realmente ir para competição. O ano de 1986 foi marcado pelo lançamento, por vários fabricantes, de transmissores inteligentes para quase todos os tipos de medição. A diferença de preço em relação aos transmissores convencionais diminuiu. O próprio fabricante pioneiro lançou um novo modelo muito parecido com o primeiro, porém com um preço bem mais baixo. As dificuldades técnicas iniciais foram superadas e algumas 12

vantagens adicionais foram incorporadas, fazendo com que houvesse uma maior aceitação destes transmissores. Convém ressaltar que a fatia do mercado ocupada por estes instrumentos é ainda insignificante se comparada com a dos instrumentos convencionais. Mas, do mesmo modo que aconteceu com instrumentos digitais em outras áreas, a situação deve se reverter nos próximos anos. Assim sendo, é importante para o técnico brasileiro acompanhar a implantação desta tecnologia e por esta razão serão apresentadas, a seguir, as noções básicas de funcionamento dos transmissores inteligentes, suas características gerais e os recursos oferecidos. 2.4 FUNCIONAMENTO Na sua versão mais simples, o transmissor inteligente funciona como um transmissor convencional: a medição é transformada em um sinal analógico de 4 a 20 mA. Nos transmissores eletrônicos convencionais o sinal passa por um tratamento totalmente analógico, i.e. as funções de linearização, extração de raiz quadrada, limitação de saída, burnout  etc, são implementadas por meio de amplificadores operacionais e componentes associados. As características destes componentes limitam a utilização do circuito aos trechos mais lineares da curva do sensor e, dentro deste trecho, o instrumento ainda apresenta limitações de ganho que determinam a sua rangeabilidade (alcance máximo / alcance mínimo). A Figura 7a mostra esquematicamente o que ocorre.

Figura 7a - Transmissor eletrônico analógico

Figura 7b - Transmissor inteligente

Nos transmissores inteligentes, o tratamento do sinal é totalmente digital, pois o microprocessador apresenta uma enorme flexibilidade para a implementação de funções matemáticas, armazenamento de dados etc. A Figura 7b mostra que o sinal do sensor é transformado, em um dado instante, em um número binário. Este número binário é a "leitura" de sinal do sensor. Como foi mostrado na Figura 6, a curva do sinal do sensor em função do valor da variável de processo, em geral, não 13

é linear. Esta curva pode ser dividida em uma porção de segmentos lineares e as coordenadas destes segmentos podem ser armazenadas em uma memória programável só de leitura (PROM). Agindo desta forma é possível fazer corresponder ao número binário, que representa o sinal do sensor, um número binário correspondente ao valor da medição. Este pequeno artifício aumenta consideravelmente a precisão da medida, assim como amplia a faixa útil do sensor. Utilizando os mesmos recursos, a compensação de temperatura ambiente pode ser feita de maneira muito mais efetiva nos transmissores inteligentes, aumentando ainda mais a precisão. O transmissor tem agora um número binário que corresponde à medida, e este número pode ser transformado em um sinal analógico através de um conversar D/A. A calibração é realizada fazendo corresponder respectivamente aos números que representam o início e o fim da escala, os sinais de 4 a 20mA. Esta característica, associada à ampliação da faixa útil do sensor, confere ao transmissor inteligente uma rangeabilidade maior do que a dos transmissores analógicos. 2.5 OPERAÇÃO Até aqui o transmissor inteligente se parece com um transmissor analógico de alto desempenho, mas ele pode ainda oferecer uma série de recursos através de uma característica importantíssima dos instrumentos digitais: a comunicação digital de dados. Através da comunicação digital é possível, entre outras coisas, ler diretamente a variável, sem necessidade de passar pelo conversor D/A, e o eventual A/D do instrumento receptor. Isto aumenta ainda mais a precisão e a confiabilidade da leitura. Através da comunicação, e usando os recursos do microprocessador, é possível configurar uma série de funções no transmissor: • • • • • • •

Tipo de sensor (no caso de transmissor de temperatura, termopar tipo J, K, S etc); Extração de raiz quadrada com cutoff variável; Amortecimento variável; Tipo de burnout; Sinal fixo; Calibração de zero e span; Ação direto/reverso para o sinal analógico.

Da mesma forma é possível obter informações como: • • • • •

Tag do instrumento; Número de série; Faixa útil; Faixa calibrada; Leitura da variável em unidades de engenharia (à escolha do usuário) leitura da temperatura ambiente; 14

• •

Data da última calibração; Diagnóstico de defeitos.

Estes dados podem ser lidos e configurados através de um computador pessoal, de um sistema digital de controle ou de terminais de programação. Estes últimos receberam o apelido de “chave de fenda eletrônica". Nos transmissores inteligentes disponíveis no mercado internacional existem três tipos básicos de acesso à comunicação digital:  Através de um conector especial - O instrumento tem um par de terminais para a alimentação e sinal, como nos transmissores convencionais, e um conector para programação. Como o instrumento e o programador são intrinsecamente seguros, a calibração pode ser feita no campo. (Figura 8).

Figura 8 - Comunicação digital através de um conector especial

 Através da simultaneidade do sinal digital com o analógico - A mesma linha que alimenta e transmite o sinal analógico serve também para a comunicação digital (Figura 9). Normalmente, uma não interfere com a outra. Alguns fabricantes, porém, atestam que em seus instrumentos, quando a comunicação digital está sendo usada, o sinal analógico sofre um desvio de, aproximadamente, +/ - 1 %.

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Figura 9 - Comunicação digital através da simultaneidade do sinal digital com o analógico

  A comunicação é exclusivamente digital - Um fabricante está ofertando instrumentos com duas possibilidades de comunicação: como descrito no item anterior ou com comunicação exclusivamente digital. Neste último caso o instrumento "fala" digitalmente com unidades de campo digitais, que recebem informações e alimentam eletricamente um certo número de transmissores. As informações destes transmissores são "empacotadas" pela unidade de campo e colocadas à disposição do sistema de controle em linhas de comunicação de alta velocidade, inclusive com fibra ótica.

2.6 TEORIA DE FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO

Transmissor de Pressão Diferencial LD 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda) O Diagrama de blocos do transmissor LD 301, como mostra a Figura 10 ilustra esquematicamente o funcionamento do circuito. •

Oscilador

Este oscilador gera uma freqüência, que é função da capacitância do sensor. •

Isolador de Sinais

Os sinais de controle da CPU são transferidos através do acoplador óptico, e os sinais do oscilador através de um transformador.

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•

Unidade Central de Processamento (CPU) e PROM

A unidade central de processamento (CPU) é a parte inteligente do transmissor responsável pelo gerenciamento e operação dos outros blocos, linearização e comunicação. O programa é armazenado em uma memória PROM. Para armazenamento temporário dos dados, a CPU tem uma memória RAM interna. Caso falte energia, estes dados armazenados na RAM são perdidos. A CPU possui uma memória interna não volátil (EEPROM) onde dados que devem ser retidos são armazenados. Exemplos de tais dados: calibração, configuração e identificação de dados. A EEPROM permite 10.000 gravações na mesma posição de memória. •

EEPROM

A outra EEPROM está localizada na placa do sensor. Ela contém dados pertencentes às características do sensor para diferentes pressões e temperaturas. Como cada sensor é caracterizado na fábrica, os dados gravados são específicos de cada sensor. •

Conversor D/A

Converte os dados digitais da CPU para sinais analógicos com 14 bits de resolução.

Figura 10 - Sensor X Placa principal •

Saída

Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Funciona como uma carga resistiva variável, cujo valor depende da tensão proveniente do conversor D/A. 17

•

Modem

A função deste sistema é tornar possível a troca de informações entre o configurador e o transmissor, através de comunicação digital do tipo Mestre-Escravo. Sendo assim, o transmissor demodula da linha de corrente a informação transmitida serialmente pelo configurador e, após tratá-la adequadamente, modula na linha a resposta a ser enviada. O “1” representa 1200Hz e “0” representa 2200Hz. O sinal de freqüência é simétrico e não afeta o nível DC na saída de 4-20mA. •

Fonte de Alimentação

Para alimentar o circuito do transmissor, utilize a linha de transmissão do sinal (sistema a 2 fios). O consumo quiescente do transmissor é de 3,6 mA e durante a operação o consumo poderá alcançar até 21 mA, dependendo do estado da medida e do sensor. O LD-301, em modo transmissor, apresenta indicação de falha em 3,6 mA quando configurado para falha baixa; 21 mA, quando configurado para falha alta; 3,8 mA quando ocorrer saturação baixa; 20.5 mA quando ocorrer saturação alta e medições proporcionais à pressão aplicada na faixa de 3,8 mA a 20,5 mA. O 4 mA corresponde a 0% da faixa de trabalho e o 20 mA a 100 % da faixa de trabalho. •

Isolação da Fonte

O circuito de alimentação do sensor é isolado do circuito principal por este módulo. •

Controlador de Display

Recebe os dados da CPU ligando os segmentos do Display de cristal líquido. O controlador ativa o backplane e os sinais de controle de cada segmento. •

Ajuste Local

São duas chaves magnéticas da placa principal que são ativadas magneticamente pela inserção do cabo magnético, em um dos furos no topo da carcaça, sem nenhum contato externo com elas.

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2.7 DESCRIÇÃO FUNCIONAL DO SOFTWARE A figura 11, diagrama de blocos do software mostra o fluxo da informação pelo software e temos abaixo a descrição dos blocos. •

Caracterização de Fábrica

Calcula a pressão real através das leituras de capacitância e temperatura obtidas do sensor, considerando os dados de caracterização de fábrica armazenados na EEPROM do sensor. •

Filtro Digital

O filtro digital é do tipo passa baixa com constante de tempo ajustável. Ele é usado para suavizar sinais ruidosos. O valor do amortecimento é o tempo necessário para a saída atingir 63,2% para uma entrada em degrau de 100%. Este valor em segundos pode ser livremente configurado pelo usuário. •

Linearização do Usuário

Este bloco contém cinco pontos (P1 a P5) que são usados para uma eventual linearização. •

Trim de Pressão

Os valores de pressão obtidos no TRIM de valor inferior e de valor superior são usados para corrigir desvio de pressão do transmissor que pode ser por deslocamento de zero ou span causado por sobrepressão, sobre-temperatura ou posição de montagem. •

Calibração

É usado para fixar os valores de pressão correspondentes à saída de 4-20 mA. No modo transmissor, o VALOR INFERIOR é o ponto correspondente a 4 mA e o VALOR SUPERIOR o ponto correspondente a 20 mA. No modo controlador, o VALOR INFERIOR corresponde a MV=0% e o VALOR SUPERIOR corresponde a MV=100%. •

Função

Dependendo da aplicação e conforme a pressão aplicada, a saída do transmissor ou a PV do controlador podem ter as seguintes características: Linear (para a medição de pressão, pressão diferencial e nível), Quadrático (para a medição de vazão), Quadrático de Terceira ou Quinta Potência (para medição de vazão em canais abertos). A função é selecionada em FUNÇÃO.

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Tabela de Pontos

Este bloco relaciona a saída (4-20 mA) com a entrada (pressão aplicada) de acordo com uma tabela de 16 pontos. A saída é calculada através da interpolação destes pontos. Os pontos são determinados na função TABELA, em porcentagem de faixa (Xi) e em porcentagem de saída (Yi). Ela pode ser usada para converter, por exemplo, uma medição de nível em volume ou massa. Na medição de vazão ela pode ser usada para corrigir a variação do “Número de Reynolds”. •

Set-point

É o valor desejado da variável de processo quando o controlador está ativado. É ajustado pelo operador, na opção \CONTR\INDIC. •

PID

Primeiro é calculado o erro: PV-SP (AÇÃO DIRETA) ou SP-PV (AÇÃO REVERSA), em seguida é feito o cálculo da MV (variável manipulada) de acordo com o algoritmo do tipo de PID. O sinal de saída do PID pode seguir uma curva determinada pelo usuário em até 16 pontos, livremente configuráveis. Se a tabela estiver habilitada haverá uma indicação no display com o seguinte caractere F(X). •

Auto/Manual

O modo Auto/Manual é configurado no item \CONTR\ INDIC. Com o PID no modo manual, a MV pode ser ajustada pelo operador. A faixa de ajuste é limitada pelo valor INFERIOR e valor SUPERIOR (definidos pelo usuário na opção \CONTR\LIM.-SEG). A opção POWER-ON é usada para configurar o modo de operação (AUTO ou MANUAL) em que retornará o controlador, após uma falha na alimentação. •

Limites

Este bloco assegura que a MV não ultrapasse os limites máximo e mínimo estabelecidos através do LIMITE SUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Também assegura que a velocidade não exceda o valor ajustado em SAÍDA/SEG. •

Saída

Calcula a corrente proporcional à variável de processo ou à variável manipulada, para ser transmitida na saída de 4-20 mA, dependendo da configuração no MODO-OPER. Este bloco contém também a função corrente constante configurada em SAÍDA. A saída é fisicamente limitada de 3,6 a 21 mA.

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•

Trim de Corrente

O ajuste (TRIM) de 4 mA e de 20 mA é usado para aferir o circuito de saída do transmissor quando necessário. •

Unidade do Usuário

Converte o 0 a 100% da variável de processo para uma leitura de saída em unidade de engenharia disponível para o display e a comunicação. É usado, por exemplo, para obter uma indicação de vazão e ou volume de uma medida de pressão diferencial ou nível, respectivamente. Uma unidade para a variável pode também ser selecionada. •

Totalizador

Usado em aplicações de vazão para totalizar a vazão acumulada desde o último reset, obtendo assim o volume ou a massa transferida. O valor totalizado é mantido, podendo continuar a totalização mesmo após uma queda de energia. Apenas o valor residual da totalização é desprezado. •

Display

Pode alternar até duas indicações de variáveis, como configurado em DISPLAY.

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Figura 11 - Diagrama de blocos do software: fluxo da informação pelo software 22

Transmissor de Temperatura TT 301 (Smar Equipamentos Industriais Ltda)

O TT-301 aceita sinais de geradores de mV, tal como termopares ou sensores resistivos, tais como RTD's. Para isso é necessário que o sinal esteja dentro da faixa de entrada. Para mV, a faixa é de -50 a 500 mV e para a resistência, 0 a 2000 Ohms.  Descrição Funcional - Circuito

Refira-se ao diagrama de bloco (Fig.12).

Figura 12 - Diagrama de bloco: Descrição Funcional - Circuito •

Multiplexador – MUX

O MUX multiplexa o sinal dos terminais do sensor para a seção condicionadora de forma a otimizar o circuito eletrônico. •

Condicionador do Sinal

Sua função é aplicar o ganho correto aos sinais de entrada para fazê-los adaptarem ao conversor A/D. •

Conversor A/D

O conversor A/D transforma o sinal de entrada analógico em um formato digital para a CPU.

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•

Isolador

Sua função é isolar o sinal de dados e de controle entre a entrada e a CPU. •

CPU - Unidade Central de Processamento e PROM

A CPU é a parte inteligente do transmissor, sendo responsável pelo gerenciamento e operação de todos os outros blocos: linearização, compensação de junta fria e comunicação. O programa é armazenado na PROM assim como os dados de linearização para os sensores de temperatura. Para armazenagem temporária de dados, a CPU tem uma RAM interna. Os dados na RAM são perdidos se a alimentação for desligada. Entretanto, a CPU, também, tem uma EEPROM interna não volátil onde os dados que devem ser mantidos são armazenados. Exemplos de cada dados são: dados de calibração, configuração e identificação. •

Conversor D/A

Converte o dado de saída digital da CPU para um sinal analógico. •

Saída

Controla a corrente na linha que alimenta o transmissor. Ela funciona como uma carga resistiva variável, cujo valor é controlado pelo conversor D/A. •

Modem

Modula um sinal de comunicação na linha de corrente. O "1" é representado por 1200 Hz e o "0" por 2200 Hz. Estes sinais são simétricos e não afetam o nível continuo do sinal de 4-20 mA. •

Fonte de Alimentação

Utilize a linha de transmissão do sinal (sistema a 2 fios) para alimentar o circuito do transmissor. Este necessita de no mínimo 3,9 mA para funcionar corretamente. •

Isolação da Fonte

Sua função é isolar a fonte de alimentação entre a entrada e a CPU. •

Controlador do Display

Recebe os dados da CPU informando que segmentos do Display de Cristal líquido devem ser ligados.

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•

Ajuste Local

São duas chaves que são ativadas magneticamente. Elas podem ser ativadas pela chave de fenda magnética sem contatos mecânicos ou elétricos.  Descrição Funcional - Software

A função de cada bloco é descrita abaixo e demonstrado na figura 13. •

Entrada

Calcula o valor real em Ohm ou mV proporcional ao valor, medido pelo circuito de entrada.

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Figura 13 - Descrição Funcional - Software

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•

Filtro Digital

O filtro digital é um filtro passa baixa com uma constante de tempo ajustável. É usado para atenuar os sinais de ruído. O valor do Amortecimento é o tempo necessário para a saída atingir 63,2% para um degrau de entrada de 100%. •

Trim de Entrada

É utilizado para corrigir o valor da leitura de entrada do transmissor devido a um desvio ao longo do tempo. •

Compensação e Linearização Padrão do Sensor

A medida de mV ou Ohm é linearizada e compensada (junta fria) de acordo com as características armazenadas na CPU. A CPU contém dados a respeito da maioria dos sensores padrões disponíveis. •

Sensor Especial

A medida de mV ou Ohm pode ser linearizada de acordo com uma tabela especificada pelo cliente, onde é especificado o tipo de sensor, conexão, valor superior e inferior de calibração, span mínimo e unidade do sensor. •

Calibração

É usado para ajustar os valores de processo correspondente à saída de 4 a 20 mA no modo transmissor ou a variável de processo de 0 e 100% no modo PID. No modo transmissor o VALORINFERIOR é o ponto correspondente a 4 mA, e o VALOR-SUPERIOR é o ponto correspondente a 20mA. No modo PID, o VALOR INFERIOR corresponde a PV = 0% e o VALOR SUPERIOR corresponde a PV = 100%. •

Gerador de Tempo

Gera o tempo a ser usado pela função geradora de set-point. Pode ser interrompido usando PAUSE e reinicializado usando RESET. •

Set-point

O set-point pode ser ajustado ou ser gerado automaticamente através do gerador de SP. Ao funcionar, o gerador de set-point faz com que o SP siga valores de acordo com uma tabela pré-configurada.

PID Primeiro é calculado o erro PV-SP ou SP-PV, dependendo de qual ação (direta ou reversa) está configurado o item AÇÃO. •

   

 MV  = KP e +

dPV   1 edt  Td  . +  Tr  ∫  dt    27

•

Tabela de Pontos

Este bloco relaciona a saída (%) com a entrada (%) de acordo com uma tabela de 16 pontos. A saída é calculada através da interpolação destes pontos. •

Auto/Manual

No modo Manual a MV pode ser ajustada pelo operador. A opção POWER-ON é usada para configurar o modo de operação (AUTO/MANUAL) em que retornará o controlador, após uma falha na alimentação. •

Limites

Este bloco assegura que a MV não ultrapasse os limites mínimo e máximo estabelecidos pelo LIMITESUPERIOR e LIMITE INFERIOR. Também certifica se a variação de saída não exceda o valor ajustado em taxa de saída. Estes valores são ajustados na opção LIMITES DE SEGURANÇA. •

Saída

Calcula a corrente proporcional à variável de processo ou à variável manipulada para ser transmitida na saída de 4-20 mA, dependendo da configuração no MODO_OPER. Este bloco, também, contém a função corrente constante configurada em OUTPUT. •

Trim de Corrente

O ajuste de corrente (TRIM) de 4 mA e de 20 mA é usado para aferir o circuito de saída do transmissor quando necessário. •

Display

Alterna entre as duas indicações, configuradas no item DISPLAY. A unidade de engenharia para a variável de processo pode ser selecionada em UNID. •

Sensores de Temperatura

O TT-301, como explicado anteriormente, aceita vários tipos de sensores. O TT-301 é especialmente projetado para medir temperatura usando termopares ou termo-resistências (RTD's). Alguns conceitos básicos a respeito desses sensores são apresentados abaixo.

28

•

Termopares

Os termopares são os sensores mais largamente usados na medida de temperatura nas indústrias. Os termopares consistem de dois fios de metais ou ligas diferentes unidas em um extremo, chamado de junção de medida. A junção de medida deve ser colocada no ponto de medição. O outro extremo do termopar é aberto e conectado ao transmissor de temperatura. Este ponto é chamado junção de referência ou junta fria. Para a maioria das aplicações, o efeito Seebeck é suficiente para explicar o funcionamento do termopar. •

Como o Termopar Trabalha

Quando há uma diferença de temperatura ao longo de um fio de metal, surgirá um pequeno potencial elétrico, peculiar a cada liga. Este fenômeno é chamado efeito Seebeck. Quando dois metais de materiais diferentes são unidos em uma extremidade, deixando aberto a outra, uma diferença de temperatura entre as duas extremidades resultará numa tensão desde que os potenciais gerados em cada um dos materiais sejam desiguais e não se cancelem reciprocamente. Assim sendo, duas coisas importantes podem ser observadas. Primeiro: a tensão gerada pelo termopar é proporcional à diferença de temperatura entre a junção de medição e à junção de junta fria. Portanto, a temperatura na junção de referência deve ser adicionada à temperatura da junta fria, para encontrar a temperatura medida. Isto é chamado de compensação de junta fria, e é realizado automaticamente pelo TT-301, que tem um sensor de temperatura no terminal do sensor para este propósito. Segundo: fios de compensação ou extensão do termopar devem ser usados até os terminais do transmissor, onde é medida a temperatura da junta de referência. A milivoltagem gerada com relação à temperatura medida na junção está relacionada em tabelas padrões de calibração para cada tipo de termopar, com a temperatura de referência 0°C. Os termopares padrões que são comercialmente usados, cujas tabelas estão armazenadas na memória do TT-301, são os seguintes:    NBS (B, E, J, K, N, R, S e T)    DIN (L, U)

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•

Termoresistências (RTDS)

Os sensores de temperatura resistivos, mais comumente conhecidos como RTD’s são baseados no princípio que a resistência do metal aumenta com o aumento de sua temperatura. Os RTD’s padronizados, cujas tabelas estão armazenados na memória do TT-301, são os seguintes:    JIS [1604-81] (Pt50 e Pt100)    IEC, DIN, JIS [1604-89] (Pt50, Pt100, Pt500 e Pt1000)    GE (Cu 10)    DIN (Ni 120)

Para uma correta medida de temperatura com o RTD, é necessário eliminar o efeito da resistência dos fios de conexão do sensor com o circuito de medição. Em algumas aplicações industriais, estes fios podem ter extensões de centenas de metros. Isto é particularmente importante em locais onde a temperatura ambiente muda bastante. O TT-301 permite uma conexão a 2-fios que pode causar erros nas medidas, dependendo do comprimento dos fios de conexão e da temperatura na qual eles estão expostos (veja Figura 14). Em uma conexão a 2-fios, a tensão V2 é proporcional à soma das resistências do RTD e dos fios.

Figura 14 - Conexão a 2-fios

Para evitar o efeito da resistência dos fios de conexão, é recomendado usar uma conexão a 3fios (veja Fig. 15) ou uma conexão a 4-fios (veja Fig. 16). Em uma conexão tipo 3-fios, a corrente "I" não percorre o terminal 3 (3-fios) que é de alta impedância. Desta forma, fazendo V2-V1, anula-se o efeito da queda de tensão na resistência de linha entre os terminais 2 e 3. 30

Figura 15 - Conexão a 3-fios

Em uma conexão a 4-fios, os terminais 2 e 3 tem alta impedância de entrada. Conseqüentemente, nenhuma corrente flui através destes fios e não há queda de tensão. A resistência dos outros dois fios não tem influência na medição, que é feita entre os terminais 2 e 3. Conseqüentemente a tensão V2 é diretamente proporcional a resistência do RTD (V2 = RTD x I).

Figura 16 - Conexão a 4-fios

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Uma conexão diferencial é similar à conexão a 2-fios e fornece o mesmo problema (veja a Fig. 17). A resistência dos outros dois fios serão medidas e não se cancelam, pois a linearização afeta-os diferentemente.

Figura 17 - Conexão diferencial

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3 CONTROLADORES DIGITAIS 3.1 HISTÓRICO A história do controle automático é muito antiga e o desejo do homem sempre foi executar tarefas onde ele pudesse acompanhar e efetuar algumas alterações, convenientes, para que o produto final atingisse uma performance considerada mais adequada para uso. Define-se que o controle industrial tem como finalidade controlar processos e que um processo é um conjunto de operações destinadas a modificar material ou energia. Essa associação de idéias levou James Watt à invenção do regulador de bolas em 1788 e, segundo os, historiadores, ele é considerado como o precursor da técnica de controle à realimentação (feedback). Foi o primeiro invento industrial de um sistema de realimentação negativa e consistia em variar a vazão de vapor (Vm) em função da velocidade do eixo da turbina (Vc) por meio de um controlador constituído por um conjunto móvel submetido à força centrífuga e ao jogo de alavancas. O valor desejado ou set-point (SP) é representado pelas molas que reúnem as bolas. A figura l8 demonstra um regulador de bolas idealizado por Watt.

Figura 18 - Regulador de bolas idealizado por Watt

Outro exemplo considerado tão antigo quanto o regulador de bolas é o moinho de vento. Era um dispositivo destinado a trabalhos de moendas de grãos que normalmente eram operados por animais (bois, cavalos etc.) ou por escravos. Consistia de uma única pequena pá que mantinha o ventilador do moinho direcionado ao vento. São reconhecidas como técnicas realmente elaboradas para controle por realimentação os esforços de Nyquist em 1932 (teoria da regeneração) e Hazen em 1934 (teoria dos servomecanismos que se utilizaram de teorias desenvolvidas por Laplace antes de 1930).

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O maior dos passos da teoria de controle foi atingido durante a 2a Guerra Mundial, onde as técnicas de servomecanismos foram desenvolvidas, para sistemas que direcionavam de maneira rápida e precisa armas pesadas e pilotos automáticos. No final da guerra as técnicas desenvolvidas foram utilizadas para fins pacíficos e contribuíram para o aparecimento da teoria de controle dos sistemas lineares e suas aplicações em sistemas gerais. 3.2 CONCEITO A função de um controlador em uma cadeia de controle é manter a variável controlada (Vc) no valor desejado (SP), apesar das variações de carga ou de alimentação ou de demanda. As funções clássicas de um controlador são: executar sua função seguindo os passos de reconhecer a medição da variável, comparar com o valor desejado ou set-point previamente estabelecido, executar uma fase de computação que se resume em ações de controle do tipo proporcional, integral e derivativo (PID) e gerar um sinal de correção que tenderia a manter a variável controlada dentro dos limites estipulados. A figura 19 ilustra esses passos em um trocador de calor.

Figura 19 - Passos em um trocador de calor

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3.3 CONTROLADORES Os controladores após uma fase de mecânica pura, foram padronizados em sinais de entrada e de saída pneumáticos, cujos componentes principais eram o amplificador bico/palheta e os foles de realimentação e de ações de controle. Os primeiros controladores eram conhecidos como “caixa grande" que tinham dimensões aproximadas de 30 cm x 40 cm. Com a utilização de salas de controle, os controladores foram diminuindo de tamanho e chegaram a dimensões de 3 in. x 6 in. ou 72 cm x 144 cm, cujo reinado durou mais de 15 anos. Os chamados controladores atuais são reconhecidos como sendo "controladores convencionais analógicos" ou "controladores digitais single loop ou multi loop". A diferença fundamental entre eles é que o "analógico" processa informações de forma analógica, e o "digital" processa informações por meio de componentes microprocessados associados a circuitos binários. A Figura 20 mostra um diagrama de blocos de um controlador convencional analógico. Cada função é executada continuamente por um circuito analógico composto por componentes passivos, tais como resistores, capacitores, transistores, amplificadores operacionais etc. O sinal de entrada é o mesmo que está sendo processado e que gera o sinal de saída.

Figura 20 - Diagrama de blocos: controlador convencional analógico

A Figura 21 mostra um diagrama de blocos de um controlador digital, que é formado, basicamente, por circuitos condicionadores de sinal de entrada, cuja função é padronizar o sinal de entrada no circuito conversor analógico/digital (A/D), uma via de dados, unidade central de processamento (UCP), memórias EPROM, ROM e RAM, cuja função é executar os algoritmos de controle, um circuito conversor D/A e um circuito amplificador de saída compatíveis com os instrumentos a ele acoplados e uma interface de comunicação para acoplamento a redes de sistemas hierarquicamente superiores. 35

Figura 21 - Diagrama de blocos: controlador digital

3.4 CONTROLADOR DIGITAL CD 600 3.4.1 Introdução O controlador Digital Multi-Loop, CD600, é uma estação de controle que combina a confiabilidade de um controle de malha simples, com a flexibilidade, a compactação e a economia do controle Multi-Malha. Para o engenheiro projetista, o CD600 oferece o conceito de Bloco de Função que combina, no mesmo bloco, várias funções inter-relacionadas. Estes blocos de função oferecem todas as funções computacionais e de controle necessárias para estratégias avançadas de controle, em uma forma muito fácil de serem usadas. Uma grande variedade de estratégias préconfiguradas de controle, é disponível em memórias do tipo “plug-in”ou em disquetes. Novas estratégias de controle são de fácil implementação. Para os operadores, o CD600 oferece um painel de controle amigável com botões individuais, um display de 8 caracteres alfanuméricos e um hardware confiável. Se o controlador deve ser configurado ou se ocorrer uma falha eventual, as saídas do controlador são automaticamente chaveadas para a estação de backup independente.

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Para o pessoal da manutenção, o CD600 oferece a qualidade assegurada pelos procedimentos da norma ISO 9000. Seu projeto modular permite que o pessoal de manutenção retire todas as peças eletrônicas sem retirar a carcaça do controlador para fora do painel de controle, e sem desmanchar a fiação de campo. E para o gerenciamento da planta, o CD600 oferece uma modularidade eficaz de custo, informação para gerenciamento através da comunicação digital e integração da planta através de estações de operação ou SDCD’s. 3.4.2 Operação do CD600 O painel frontal do CD600, Figura 22 apresenta 3 barras de LED's, um display alfanumérico, um grupo de teclas para ajustes e controle, e led's para sinalização. BARRAS GRÁFICAS SP

PV MV

DESCRIÇÃO Indicação do Set-point do loop monitorado. Esta indicação é obtida na barra gráfica de 101 led’s, na cor verde. Indicação da Variável de Processo do loop monitorado. Esta indicação é obtida na barra gráfica de 101 led’s, na cor vermelha. Indicação da Variável Manipulada. Esta indicação é obtida na barra gráfica de 41 led’s, na cor vermelha.

Quadro 1 - Descrição do Painel Frontal

Como a visualização de cada loop é livremente configurável pelo usuário, as três barras gráficas podem ter finalidades distintas das indicadas acima.

Figura 22 - Painel frontal do CD600 37

TECLAS

DESCRIÇÃO Seleciona a Variável a ser mostrada no display alfanumérico. Seleciona o Loop a ser mostrado no painel frontal. Aumenta o valor da Variável mostrada no display. Diminui o valor da Variável mostrada no display. Seleciona Set-point Local ou Set-point Remoto, do loop monitorado. Reconhecimento de Alarme. Seleciona modo Automático ou Manual do loop monitorado. Aumenta o valor de MV, quando o controle está em Manual. Quando pressionada, mostra o valor da saída no display. Diminui o valor de MV, quando o controle está em Manual. Quando pressionada, mostra o valor da saída no display. Quando aceso, indica que o controlador está em situação de falha. Pisca a cada 10 ciclos, durante o ajuste do tempo do ciclo (ver seção 8 - comunicação). Quando aceso, indica que a variável, que está sendo mostrada no display, pode ter seu valor alterado pelas teclas <∆> e < >. 1, 2, 3 ou 4- Quando aceso, indica que as variáveis mostradas nas barras gráficas e no display referem-se ao respectivo loop. L - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando com Set-point Local. L apagado significa que o loop está em Set-point Remoto. M - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando no modo Manual. M apagado significa operação em Automático. ou - Quando acesos, indicam a ocorrência de alarmes de alto e baixo •

Quadro 2 - Descrição das Teclas

Seleção de Loops Um toque rápido na tecla faz com que o display mostre, por alguns segundos, o TAG do loop que está sendo monitorado. Um toque mais demorado na tecla transfere a monitoração para o loop seguinte, e o display mostra inicialmente o TAG do novo loop monitorado, e depois de alguns segundos uma de suas variáveis.

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Reconhecimento de Alarmes Independente do loop selecionado e da variável que esteja sendo mostrada no display, acontecendo qualquer alarme que tenha sido programado para indicar no frontal, o display passa a mostrar alternadamente a informação da variável e a informação "*ALARM". Além disso, um dos led’s ou , do loop correspondente, passa a piscar. Tão logo o operador pressione a tecla pela primeira vez, aparece no display o tag que identifica a configuração, seguido da mensagem mnemônica do alarme. A mensagem ficará piscando até que o operador pressione, novamente, a tecla , reconhecendo o alarme. Após o reconhecimento, a mensagem e o led param de piscar, mas se a condição de alarme persistir, a mensagem permanecerá. Quando a condição de alarme deixar de existir o display passa a indicar a mensagem "NO ALARM" e o led apaga. O reconhecimento de alarme também pode ser feito automaticamente, ou seja, ao sair da condição de alarme a mensagem desaparece, não sendo necessário o reconhecimento, pelo operador, na tecla . Enquanto o alarme está presente, a mensagem de alarme fica armazenada numa memória de pilha, com capacidade para até 36 mensagens de alarme. Através das teclas <∆> e < >, o operador pode rodar as informações contidas na memória, checando se existe ou não outros alarmes presentes. Dentre as mensagens de alarme que podem ser visualizadas no display, 8 podem ser escritas pelo usuário e as demais são mensagens fixas.

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4 SISTEMA SUPERVISÓRIO A importância dos sistemas digitais de supervisão e controle de processos aumenta a cada dia, e seu uso já atinge todos os tipos de indústria. Desde o chão de fábrica até as mesas de gerentes e diretores, o acesso a informações atualizadas e precisas sobre o processo produtivo, apresentadas de forma coerente com as necessidades de cada usuário, é hoje um fator decisivo na melhoria da qualidade e eficiência das empresas. A introdução dos microcomputadores provocou uma verdadeira revolução no mercado de controle de processos, alterando a postura de grandes Fabricantes e trazendo incontáveis benefícios para os usuários finais. Mesmo empresas de pequeno porte contam hoje com sistemas abertos, flexíveis de baixo custo e alta performance, que permitem integrar equipamentos e produtos de diversos fornecedores, assegurando a competitividade de preços e a independência do usuário. A disseminação desses sistemas nas indústrias trouxe consigo um novo desafio para os engenheiros e técnicos: conhecer e dominar o software de supervisão e controle, além de serem responsáveis pela escolha do software a ser utilizado. Essa escolha nem sempre é simples, uma vez que o software é mais difícil de caracterizar, especificar e avaliar que um sensor, uma válvula ou um computador. No entanto, o software é tão ou mais importante para o sucesso de um sistema quanto o hardware associado. A maioria desses programas é modular, permitindo ao usuário adquirir apenas os módulos necessários a cada aplicação, reservada a possibilidade de expansão futura. Numa instalação industrial, junto com o programa aplicativo, pode-se instalar o sistema supervisório na sala de controle. Neste supervisório tem-se um microcomputador, com o sinótico do processo desenhado na tela do monitor. O sistema supervisório faz a aquisição de dados nos dispositivos de entrada (PLC’s, controladores single e multi-loop, etc), transferindo o status de operação de cada dispositivo para a tela do monitor. Através do teclado, deste microcomputador, pode-se ligar ou desligar equipamentos, alterar abertura de válvulas de controle, etc. O sistema supervisório faz uma atuação no PLC ou controlador, transferindo os dados para cada equipamento que está no programa do destes. O operador liga/desliga equipamentos através do teclado, altera set-point, arquiva relatórios e gráficos relativos à produção. Os programas de supervisão e controle são utilizados em salas de controle, permitindo aos operadores supervisionar e controlar toda uma área de processo, ou, em alguns casos, até mesmo toda a fábrica. Apresentam as seguintes características: • •

• • • •

interface gráfica sofisticada, com recursos para simular um painel de controle através do micro (botoeiras, gráficos de barra, mostradores, registradores gráficos, etc. ); facilidade de operação, uma vez que são destinados aos operadores no chão de fábrica. Em geral, este tipo de programa roda em micros industriais e são operados em teclados dedicados de membrana ou do tipo "touch screen"; tempo de resposta rápido, da ordem de um segundo; capacidade de processamento dos dados adquiridos, permitindo cálculos sofisticados, otimizações e simulações de processo; emissão de relatórios configuráveis pelo usuário; grande capacidade de registro histórico das variáveis; 40

• •

módulos para controle estatístico de processo, programação de set-point, gerenciamento de receitas, etc. capacidade de ligação em rede local para troca de dados em tempo real com outros sistemas.

4.1 SISTEMA SUPERVISÓRIO DA PLANTA PILOTO DE PROCESSOS O AIMAX-WIN (A-WIN) é um software robusto e poderoso de Interface Homem-Máquina (IHM). Ele continuamente coleta e integra dados a partir de múltiplas fontes. As interfaces são disponíveis para uma gama de controladores programáveis, controladores single e multiloop e uma variedade de dispositivos de entrada e saída. O sistema de supervisão e controle da planta está configurado como ilustrado na figura 23.

PENTIUM

Impressor

Interface

RS 232 RS ECL

ECL

ECL

ECL

ECL

Figura 23 - Sistema de supervisão e controle da planta

ECL'S 1, 2, 3, 4 e 5 - Controladores multi-loop CD 600. As figuras 24 a 29 ilustram as telas normalmente utilizadas em sistemas supervisórios. 41

Figura 24 - Tela de sinótico

Figura 25 - Tela de grupo

42

Figura 26 - Tela de ponto (sintonia)

Figura 27 - Tela de ponto (sintonia)

43

Figura 28 - Tela de alarme

Figura 29 - Tela de alarme

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5 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUIDO (SDCD) O termo "distribuído" aplica-se às funções do Sistema (distribuição funcional), sem excluir a distribuição física dos componentes do sistema. Ao contrário, enfatizando-a. Os SDCD's figura 30. São compostos de quatro subsistemas: • • • •

Subsistema de Controle Local; Subsistema de Supervisão e Otimização; Subsistema de Monitoração e Operação; Subsistema de Comunicação Local.

Figura 30 - SDCD's

De uma maneira geral, as funções exercidas por um SDCD podem ser estruturadas de maneira hierárquica, sendo definidos diversos níveis de atividades. Estes níveis são identificados de forma a permitir a realização das funções de controle integrado, tirando proveito das características de distribuição de módulos autônomos e com finalidade de restringir a complexidade das funções implementadas por um determinado nível. Esta mesma estrutura hierárquica é responsável em grande parte, pela grande modularidade e expansibilidade dos sistemas. Pode-se identificar na figura 31 cinco níveis de atividades presentes em um SDCD: Nível 0: - aquisição de dados e atuação Nível 1: - regulação de malha única e funções de intertravamento Nível 2: - regulação de malhas múltiplas e funções de controle de seqüência de eventos Nível 3: - otimização Nível 4: - sistema de gerenciamento de informações. 45

Figura 31 - Estrutura hierárquica de um sistema de controle de processos

De modo a caracterizar um SDCD, vamos agrupar os elementos que o compõem em quatro subsistemas de acordo com as suas características funcionais, e mostrar como o atendimento aos níveis hierárquicos acima se coaduna com a caracterização proposta. Veja figura 32. O primeiro subsistema é aquele que está diretamente ligado ao processo, a que denominamos Subsistema de Aquisição de Dados e Controle. A sua principal finalidade é a realização das funções de controle, que são exercidas pelas Estações de Controle Local (ECL, Níveis 0, l e 2). O segundo subsistema é denominado de Subsistema de Monitoração e Operação. Nele se concentra a maior parte das funções de interface homem-máquina (nível 3). Ao terceiro subsistema denominamos de Subsistema de Supervisão e Otimização. É onde são realizadas as funções de otimização e gerenciamento de informações (níveis 3 e 4). Para que seja possível a realização de um controle integrado, é necessário que exista uma infra-estrutura de comunicação entre os diversos subsistemas. O quarto grupo de componentes é denominado de Subsistema de Comunicação, necessário à integração dos diversos módulos autônomos do sistema.

46

Figura 32 - Modelo de referência de um SDCD •

Subsistema de Aquisição de Dados e Controle (SADC)

O objetivo deste grupo de elementos é promover a interface direta com o processo e realizar as funções de controle local. É importante ressaltar a característica de autonomia destes módulos, pois mesmo na ausência das funções de níveis superiores ele deve continuar operando as funções de controle, embora podendo estar degradado segundo algum aspecto específico. Este subsistema apresenta, na maioria dos SDCD’s disponíveis no mercado, além dos algoritmos de controle do tipo P-I-D, disponíveis na instrumentação analógica convencional, uma variada gama de funções que inclui, por exemplo: • • • • • • • • • • • •

Controle multivariável; Algoritmos de nível superior; Controle "feed-forward"; Controle de seqüência; Controle lógico; Intertravamento; Soma, subtração, multiplicação e divisão; Raiz quadrada; Logaritmo; Alarmes; "Logging"; Etc. 47

Dele também fazem parte os cartões de interface de entrada e saída com o processo, tais como: Entradas e saídas analógicas Entradas e saídas digitais Entradas de pulsos Multiplexadores Conversores A/D e D/A Etc.

• • • • • •

Este subsistema contém também as placas de memória que armazenam os microprogramas das funções executáveis, das rotinas de diagnósticos de falha, das rotinas de "back-up", etc..., as placas de módulos para redundância parcial ou total e os circuitos necessários à segurança intrínseca. No nível deste subsistema poderá ou não haver um subsistema de monitoração e operação local simplificado, conforme mostrado no modelo de referência. Este subsistema interfaceiase com os subsistemas de comunicação e com um eventual subsistema simplificado de monitoração e operação local. •

Subsistema de Comunicação

O Subsistema de Comunicação é uma rede local de comunicações (RL) necessária para estabelecer a intercomunicação dos demais subsistemas. Mais precisamente, considera-se que uma rede é "local" em função de dois parâmetros: distância máxima entre os seus nós e velocidade de transmissão. De acordo com a definição do Comitê de Normalização de Redes Locais do IEEE/Projeto 802, "RL é aquela em que as distâncias entre os nós vão desde os l00m até l0km e a velocidade de transmissão está entre 100 kbps e 20 Mbps. Adota-se neste trabalho uma definição rigorosamente igual à do IEEE no tocante à distância entre os nós mas, mais tolerante a velocidade superiores a 20 Mbps, já que esta é uma área em rápido desenvolvimento, tanto nos meios de transmissão (fibras óticas, etc.) como nos componentes eletrônicos. Uma RL apresenta as seguintes vantagens: • •

• •

Baixo custo de transmissão para altas velocidades de comunicação digital, em comparação com os altos custos de transmissão em uma rede pública; Baixo custo do meio de transmissão, já que esta é uma linha privada (um simples par trançado pode atingir velocidade de comunicação ponto-a-ponto de até l0 Mbps em distâncias de alguns quilômetros entre repetidores); Comunicação típica em banda-base, em contraste com a portadora modulada das redes públicas; Estratégia de controle de acesso à rede e protocolo de comunicação extremamente simplificados, em relação às estratégias e protocolos tipo X.25 das redes públicas; 48

•

Processamento paralelo em relação a sistemas centralizados e distribuição do processamento para os locais físicos onde ele é necessário, como, por exemplo, junto ao usuário ou processo.

São elementos básicos de uma RL: •

Arquitetura ou padrão de interconexão de seus nós, que normalmente resume-se a: estrela, anel, barramento e combinações múltiplas;

•

O meio de transmissão, que pode ser par trançado, cabo coaxial, cabo CATV ou fibra ótica, e o tipo de transmissão mais adequado dentre banda-base e faixa larga ("broadband");

•

A estratégia de controle de acesso, mais implementada em anéis e em barramento, acabou consagrando por questões de custo e simplicidade as estratégias de barramento com contenção, barramento com passagem de marca e barramento com controle centralizado, as duas últimas em Controle de Processos;

•

A interface da rede com as estações locais, responsável por todas as funções do sistema de comunicação, como: transmissão e recepção de mensagens, armazenamento intermediário, e detecção e recuperação de erros é também a interface que implementa os níveis mais baixos do protocolo de comunicação;

•

O protocolo de comunicação, normalmente estruturado em sete níveis segundo a recomendação ISO: controle físico, controle de enlace, controle da rede, transporte, seção, apresentação e aplicação. Prefere-se neste trabalho adotar a estrutura da recomendação ISO em contraste com outras propostas, como o PROWAY, por exemplo, por ser esta a estrutura mais aceita e implementada na comunidade de informática, da qual faz parte o setor de Controle de Processos. O PROWAY é um padrão universal de comunicações para controle de processos, atualmente em elaboração pelo IEC com a participação das associações de normas técnicas de todos os paises-membros, dentre eles o Brasil.

Em alguns dos SDCD disponíveis no mercado os subsistemas de comunicação apresentam meio de comunicação redundante, com transferência automática para a rede de "back-up" em caso de falha da principal. •

Subsistema de Monitoração e Operação

Este subsistema trata especificamente da interface homem-máquina. Por interface homem-máquina entendemos os dispositivos de "Hardware" que fornecem ao operador um maior controle e um melhor nível de informação sobre a condição de operação da planta, reduzindo o seu esforço através da simplificação dos procedimentos operacionais.

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São características normalmente existentes num subsistema de operação e monitoração: •

•

Fornecer ao operador um conjunto de informações sobre o estado de operação da planta, através de um número de estações de operação suficiente para atender a todas as variáveis de interesse do processo; Fornecer ao operador em tempo hábil, informações num formato que evidencie a ocorrência de condições excepcionais de operação ("gerência por exceção"), para que providências imediatas possam ser tomadas;

•

Permitir que variáveis de processo sejam agrupadas de maneira que o operador possa realizar uma análise comparativa entre variáveis constituintes de cada grupo;

•

Permitir ao operador a visualização de informações em detalhe crescente, dependendo do quanto ele precisa saber ou do quanto ele precisa mudar para corrigir as falhas do processo;

•

Possibilitar o uso simultâneo de várias estações de operação para que todas as funções disponíveis possam ser utilizadas em todas as estações de operação e estas possam ser instaladas em locais diferentes.

"Encapsular" procedimentos de operação de forma que seja mais segura e veloz a resposta do operador à ocorrência de uma irregularidade na planta. “Encapsulamento” consiste basicamente da utilização de técnicas funcionais. Essas teclas determinam, quando pressionadas, o acionamento de procedimentos de operação, de sorte que toda uma seqüência de operações possa ser substituída por apenas uma operação. Como teclas funcionais normalmente disponíveis num SDCD, citamos: Teclas de Controle • • • • • •

Transferência de modo operação manual/computador dos "loops" de controle; Ajuste de "set-point" lento e rápido; Aumento/decréscimo de "set-point" ou de variáveis manipuladas; Confirmação de operação efetuada; Fechamento de "loop" em cascata; cancelamento de operação efetuada; Etc...

Tecias de Operação • • • • • • • • •

Solicitação de impressão de relatórios; Reconhecimento de alarmes/silenciamento de campainha; Seleção de telas; Cancelamento de relatórios e de telas; Posicionamento do cursor; Entrada de dados; Mudança de página para frente e para trás; Exibição de trechos de fluxogramas de processo; Criação/alteração/cancelamento de trechos de fluxogramas de processo; 50

• • • • • • • • • •

Exibição/ajuste de data e hora; Seleção e exibição de grupos de variáveis; Seleção de tela de ajuste de parâmetros de controle de um "loop"; Seleção de tela de alarmes; Solicitação de "Hard-copy"; Tabulação; Calibração de variáveis durante a manutenção; Solicitação de tela de tendência de variáveis; Associação de registradores gráficos a variáveis; Etc...

Teclas de Manutenção • • • • • •

Reativação de estação de controle e aquisição após parada para manutenção; Carregamento de informação em estação de controle e aquisição situada no campo; Armazenamento de informação de estação de controle e aquisição situada no campo; Seleção de estação de controle e aquisição situada no campo; Parar/ativar uma estação de controle e aquisição; Etc...

Além destas, existem teclas de manutenção utilizadas somente para sinalização indicando situações de alarme diversas tais como: falha do sistema, falha de uma estação de controle e aquisição qualquer, falha de comunicação com o subsistema de comunicação local, etc... Normalmente, os SDCD´S utilizam uma filosofia de gerência por exceção, mostrando informações suficientes para o operador saber que tudo corre bem. Quando as condições saem do normal, maiores detalhes podem ser mostrados ou solicitados. As informações são apresentadas sob a forma de telas gráficas e relatórios. As telas e relatórios são claras e sucintas. O acúmulo de informações na tela pode prejudicar a visualização das condições excepcionais. As características básicas em termos de telas são as seguintes: •

Tela de situação geral: Mostra um painel de controle simulado a uma distância de 3 a 5 metros, apresentando de forma bastante simplificada um total de, no máximo, cerca de 300 controladores/indicadores, dispostos em grupos lógicos, arranjados de forma a que o operador identifique facilmente a condição normal.

•

Tela de grupos lógicos -. Mostra um painel a uma distância simulada de l a 2 metros, apresentando um grupo lógico de até 8 controladores/indicadores, permitindo ao operador verificar mais em detalhe uma seção da planta que precisa atenção, mostrando mais informações dos "instrumentos" no vídeo.

Ex: "set-point", valor de processo, saída para válvula, desvios do "set-point" e dos valores de alarme.

51

•

Tela de "loop" individual: Apresenta um único "loop" de controle, mostrando informações adicionais e permitindo ao operador ajustar os parâmetros da variável, tais como, limites de alarme, "set-point", modo de operação (manual ou automático) e parâmetros de controle.

•

Tela de tendência tempo-real: Mostra, numa representação gráfica e sempre atualizada, a tendência das variáveis de processo nos últimos 10 a 20 minutos. É desejável que possam ser mostrados simultaneamente os gráficos de tendência de mais de uma variável do processo.

•

Tela de tendência histórica: Mostra, numa representação gráfica, a tendência das variáveis de processo ao longo de períodos maiores tais como, horas, dias e meses. São apresentados os valores médios nos períodos em questão e o gráfico não é atualizado no tempo.

•

Telas de trechos de fluxogramas de processo: Mostram graficamente seções de um fluxograma com os valores das variáveis de processo e "set-points", atualizados continuamente. Os fluxogramas podem apresentar características adicionais que possibilitem um melhor entendimento dos mesmos, tais como indicação de variações de nível e indicação de alarmes, através da alteração da cor de porções do gráfico.

•

Tela de sumário de alarmes: Tabela alfanumérica contendo os alarmes ativos, seus estados, reconhecidos ou não, e sua condição de alarme, crítico ou não.

Condições de alarmes também podem ser visualizados nas telas de situação geral, grupo lógico e "loop" individual. Quaisquer métodos poderão ser utilizados para notificar o operador da ocorrência de alarmes, como por exemplo: • • •

Sinais sonoros; Uso de simbologia diferenciada; Alteração de cores de regiões da tela.

Em termos de relatórios, normalmente estão disponíveis os seguintes: •

Momentâneo: Emitido a pedido do operador, apresentando as variáveis de processo, seus "tags", valores e situação do "loop".

•

Registro de alarmes e de eventos de operação: Impressão automática das ocorrências de alarme em variáveis de processo, mudanças de situação em "loops" de controle, alterações de parâmetros realizadas pelo operador ou anormalidades no sistema.

•

"Logging" de variáveis do processo: Emitidos automaticamente ou a pedido, incluem informações sobre variáveis num período considerado, que pode ser de uma hora, um turno, um dia ou um mês. Em alguns casos o seu conteúdo pode ser especificado pelo usuário.

•

Cópias de telas: Emitidas a pedido do operador. 52

•

Relatório de Alarmes pendentes: Apresenta todos os alarmes pendentes e a sua situação.

Outro importante elemento do subsistema de operação e monitoração é o modo configuração, através do qual é montado e alterado, quando necessário, o conjunto de informações que serão utilizadas no funcionamento do Sistema Digital de Controle Distribuído. O modo configuração é indispensável num Subsistema de Monitoração e Operação e suas características normais são as seguintes: •

Modo de operação interativo, possibilitando ao operador, através do terminal de vídeo com teclado, interagir com o sistema através de linguagem do tipo "fill-in-the-blanks".

•

Possibilidade de definição e de alteração da configuração de cada indicador e "loop" de controle, incluindo: endereço da variável de entrada; velocidade de varredura; variáveis com controle ou cálculo; endereço da saída das válvulas; "set-points" e parâmetros de controle; tipos e valores de alarme; algoritmos de controle e cálculo (Cascata, "FeedForward", Relação, Seleção de sinal, Adição/Subtração, Multiplicação/Divisão)

•

Possibilidade de definição do sequenciamento de operações de processos em batelada;

•

Possibilidade de definição e de geração de trechos de fluxogramas de processo através de linguagens específicas ou de utilização da própria tela para geração dos desenhos. No caso de utilização da própria tela como ferramenta de especificação de fluxograma, será necessário um teclado com indicação de caracteres gráficos. Esse teclado deverá fornecer ao operador a possibilidade de criar um fluxograma, especificando cores e outros atributos dos símbolos que constituirão o fluxograma e símbolos da biblioteca de símbolos a serem inseridos no fluxograma.

•

Subsistema de Supervisão e Otimização (SSO)

O Subsistema de Supervisão e Otimização (uso opcional), consiste de um minicomputador capaz de executar as funções de supervisão total do sistema, otimização do processo e a geração de relatórios gerenciais. Suas principais funções e características são as seguintes: •

Formatar e mostrar nas telas dos consoles de vídeo as informações necessárias para o operador conhecer o estado da planta;

•

Formatar e indicar condições de alarme nos consoles de vídeo e imprimi-las numa impressora de alarmes, se necessário;

•

Coletar dados através dos subsistemas de controle e aquisição e registrá-los em meios magnéticos, tais como memórias de tambor ou disco, para mostrá-los instantânea ou posteriormente nos consoles de vídeo ou imprimi-los nas impressoras de logging;

•

Formatar e mostrar desenhos gráficos similares aos fluxogramas de processos; Realizar cálculos para atingir um ou mais objetivos de otimização da planta ou de consumo de energia e analisar a performance da planta ou equipamentos. 53

A exceção desta última, todas as demais funções podem já estar presentes no subsistema de monitoração e operação. Neste caso, o subsistema de supervisão e otimização reservará maior capacidade para os programas de aplicação do usuário, tais como alguns relatórios especiais, balanços de massa energia, otimizações, etc. As características básicas do "Hardware" do Subsistema de Supervisão e Otimização são: • • • • • • •

Adequabilidade em termos de recursos para aplicações e tempo-real; Possibilidade de conexão ao Sistema via subsistema de comunicação (comunicação serial de alta velocidade); Utilização de tecnologias MSI, LSI ou VLSI nos seus principais circuitos; Tamanho de palavra de, no mínimo 16 bits; Relógio de tempo real com erro menor que 15 seg/por dia; Disponibilidade de recursos para interrupção externa por "Hardware"; Disponibilidade de recursos para partida automática após falha e normalização da alimentação ("automatic power-on, restart);

O "Software" de um subsistema de supervisão e otimização, pode ser subdividido em 3 tipos: • • •

Sistema operacional; "Software" de Controle de Processos (em linguagem "Suilding Slocks"); "Software" de Aplicação (em linguagem de alto nível, tipo FORTRAN, EXCEL, etc.).

Normalmente, o subsistema de supervisão e otimização permite o desenvolvimento de "Software" de aplicação ou mesmo, de "Software" de Controle de Processo em "background", sem interrupção do Sistema de Controle, facilitando a alteração de configurações de controle, cálculos de performance, equações de balanço material e de energia, etc. •

Vantagens

Selecionamos aqui algumas vantagens apontadas por usuários de sistemas digitais de controle distribuído. Elevada confiabilidade, garantida por: • • •

Um subsistema de comunicação redundante; Disponibilidade de módulos de "backup", "on-line" ou "spare" (baixo custo dos microprocessadores); Rotina de autodiagnóstico.

Elevada flexibilidade de configuração e reconfiguração: • • •

Baixo custo de reconfiguração (engenharia, instalação, etc.); Facilidade de alteração da estratégia de controle; Utilização de consoles de vídeo com linguagem interativa.

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Interface homem-máquina de alto nível: Uso de consoles de vídeo semigráficos a cores, tecias funcionais, linguagem interativa; Fácil aprendizado pelos operadores; Telas padronizadas de fácil compreensão e manipulação; Relatórios impressos; Acesso a maior número de informações e execução de maior número de funções.

• • • • •

Menores custos de instalação: Custos de fiação drasticamente reduzidos; Menores painéis e salas de controle; Menores problemas com interferência por indução em sinais DC de baixo nível.

• • •

Maior facilidade de interligação com computadores digitais: Interface facilitada pelo uso de um "data highway"; Alivia carga de CPU do computador na medida em que as funções encontram-se distribuídas nos microcomputadores.

• •

Menores custos de desenvolvimento de "Software": Grande número de funções previamente programadas em "firmware".

•

5.1 CONCEITOS DE REDUNDÂNCIA NOS DIVERSOS NÍVEIS •

Redundância para Estação de Operação

Normalmente não existe redundância da unidade eletrônica em si. O que se via são duas Estações de Operação com aplicações distintas, porém internamente com a mesma configuração, inibindo as funções de uma aplicação numa das Estações e vice-versa, e habilitando-se, em caso de falha. numa das Estações. A capacidade de Base de Dados de cada Estação deve atender às duas aplicações. Alguns fornecedores possuem a Estação de Operação dividida em dois módulos independentes onde esse segundo módulo funciona como um módulo partilhado por diversas Estações de Operação. Neste caso, dependendo dos requisitos de redundância deve-se duplicar esse modulo. No conceito de 2 Estações funcionalmente redundantes deve-se também duplicar elementos de armazenamento de dados (unidades de disco e fita) e impressora de alarmes. •

Redundância para Via de Dados

No nível de Via de Dados, interligando Estações de Operação e Controladores, normalmente essa via é padrão obrigatório ser redundante. No caso de vias de dados interligando cartões 55

de E/S locais ou remotos ao controlador, essa via de comunicação pode ou não ser redundante dependendo da necessidade. Barramentos de campo, quando disponíveis, ligando instrumentos a cartões de E/S, não são redundantes. Interfaces de comunicação geral e redes de nível superior (tipo ETHERNET), normalmente não são e nem podem ser redundantes. •

Redundância para Controlador

O controlador pode apresentar redundância em diferentes níveis: •

CPU - Pode ser redundante e com chaveamento automático sem causar perturbação ao processo.

•

Fonte de Alimentação - Podem ser redundantes e normalmente trabalham em paralelo.

•

Cartões de E/S - Podem ser redundantes, porém dependendo do fornecedor a redundância é ou não transparente ao nível de fiação de campo aos cartões e em nível de configuração. Normalmente este tipo de redundância é aplicável somente a casos específicos, visto que também deveriam ser duplicados os instrumentos de campo para total segurança.

5.2 PROTOCOLO HART Introdução O protocolo de comunicação HART® é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, 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 4-20mA, 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 4-20mA existentes. Este informativo traz uma visão resumida sobre o protocolo HART® e os benefícios disponíveis através desta importante tecnologia. 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 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo. O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle 56

analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. O protocolo HART® promove uma significativa inovação na instrumentação de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®, que significa “Highway Addressable Remote Transducer”. O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. Tanto o sinal analógico 420mA 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 transmitidos pelo 4-20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais tecnologias de comunicação digitais “abertas” para instrumentação de processos, o HART® é compatível com os sistemas existentes. 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 4-20mA. 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 4-20mA. A lógica “1” é representada por uma freqüência de 1200Hz e a lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200Hz, como mostrado nas figuras 33 e 34. 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 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo.

Figura 33 - Lógica “1” é representada por uma freqüência de 1200Hz

Figura 34 - Lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200Hz

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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) podem 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. Uma instalação típica com dois mestres é mostrada na figura 35.

Figura 35 - Instalação típica com dois mestres (Sinal analógico + Comunicação digital)

O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes a controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20mA é a mais comum. Este modo, descrito na figura 36, permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.

Figura 36 - Mestre/Escravo ou Resposta por Varredura

58

Uma modalidade opcional de comunicação, que pose ser vista na Figura 37, 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 37 - Modo Burst ou Broadcast (publicação)

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”, como mostrado na figura 38. 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.

Figura 38 - Modo Burst ou Broadcast (publicação) 59

Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos convencionais de 4-20mA 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.

Comandos poderosos 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 (Ver figura 39). 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.

Figura 39 - Comandos universais

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 a 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. 60

Os comandos práticos permitem acessar funções que são implementadas em alguns instrumentos, mas não necessariamente em todos. Esses comandos são opcionais, mas se implementados, devem atender as especificações da norma. Os comandos específicos dos instrumentos permitem o acesso a características exclusivas do instrumento e geralmente são usados para configurar os parâmetros de um instrumento. Por exemplo, estes permitem escrever um novo “set-point” de um algoritmo PID disponível no instrumento. As informações de diagnóstico do instrumento está disponível em todas as respostas aos comandos HART®, garantindo uma elevada integridade do sistema para malhas críticas. Os bits que representam o estado do instrumento em cada mensagem de resposta, indicam o mau funcionamento ou outros problemas, tais como: saída analógica saturada, variável fora de faixa ou erros de comunicação. Alguns instrumentos compatíveis com HART® podem monitorar continuamente estes bits do instrumento e permitem a geração de alarmes ou mesmo o seu desligamento se problemas forem detectados.

A Linguagem de Descrição do Instrumento (DDL) A Linguagem de Descrição do Dispositivo (instrumento) estende a interoperabilidade entre os comandos universais e práticos. Um fabricante de instrumento de campo (escravo) usa a linguagem DDL para criar um arquivo de software, a “device description” (DD) que contém todas as características relevantes do instrumento, possibilitando que o “mestre” tenha total capacidade de comunicação com o instrumento “escravo”. Um arquivo de descrição do instrumento (DD) para um instrumento HART® é semelhante a um driver de impressora no ambiente dos microcomputadores, onde o driver habilita uma aplicação para a impressora, assim como, imprime adequadamente uma página. Terminais portáteis de programação são capazes de configurar qualquer instrumento HART® através da DD deste instrumento disponibilizada pelo seu fabricante. Outras aplicações do tipo “host” que aceitam a linguagem DDL estão surgindo. Uma biblioteca central de todas as descrições de instrumentos HART® (DD) é administrada pela HART Communication Foundation, que mantém o controle de registro e distribuição dos mesmos.

Exemplo de Aplicação Inovadora A flexibilidade do Protocolo HART® é evidente no diagrama de controle da Figura 40. Essa aplicação inovadora usa a capacidade inerente ao Protocolo HART® de transmitir tanto sinais 4-20mA analógicos como sinais digitais de comunicação simultaneamente pela mesma fiação. Nessa aplicação, o transmissor HART® tem um algoritmo interno de controle PID. O instrumento é configurado de modo que o loop de corrente 4-20mA seja proporcional à saída de controle PID, executado no instrumento (e não à variável medida, como por exemplo, a pressão, como na maioria das aplicações de instrumentos de campo). Uma vez que o loop de corrente é controlado pela saída de controle do PID, este é utilizado para alimentar diretamente o posicionador da válvula de controle.

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A malha de controle é executada inteiramente no campo, entre o transmissor (com PID) e a válvula. A ação de controle é contínua como no sistema tradicional; o sinal analógico de 420mA comanda a válvula. Através da comunicação digital HART o operador pode mudar o set-point da malha de controle e ler a variável primária ou a saída para o posicionador da válvula. Uma economia substancial pode ser obtida através dessa inovadora arquitetura de controle.

Figura 40 - Exemplo de Aplicação Inovadora

Melhor Solução O Protocolo HART® permite aos seus usuários o melhor caminho de migração para usufruir os benefícios da comunicação digital para a instrumentação inteligente. Nenhuma outra tecnologia de comunicação pode igualar a estrutura de suporte ou a grande variedade de instrumentos disponíveis com tecnologia HART® hoje. A tecnologia permite o uso fácil dos produtos compatíveis com HART® que estão disponíveis no mercado pela maioria dos fornecedores de instrumentação e que atendem virtualmente todas as medições de processo ou aplicações de controle. O surgimento do fieldbus não reduzirá o HART® em novas aplicações ou nas existentes. O HART® possibilita aos seus usuários grande parte dos mesmos benefícios, ao mesmo tempo em que mantém a compatibilidade e a familiaridade com os sistemas existentes de 4-20 mA. O HART® permite os benefícios econômicos da comunicação remota, a flexibilidade e a precisão da comunicação de dados digital, o diagnóstico dos instrumentos de campo e o uso de poderosos instrumentos com múltiplas variáveis, sem que haja a necessidade de trocar sistemas inteiros. A conexão com redes de plantas atuais e futuras é assegurada pela capacidade de comunicação digital e a larga base instalada (mais de 5.000.000 de instalações e crescendo rapidamente). O suporte oferecido pela HART Communication Foundation assegura que a tecnologia continuará a servir as necessidades da instrumentação inteligente de hoje e do amanhã. 62

6 PARTE EXPERIMENTAL 6.1 EXPERIÊNCIA N 0 1 TÍTULO: TRANSMISSORES INTELIGENTES

Objetivo Comprovar o funcionamento do transmissor inteligente através do estudo de sua programação. Utilizar o transmissor como gerador de corrente para fazer loop teste em malha de controle. Fundamentação Teórica A programação do transmissor inteligente, consiste em através de um programador dedicado (Hand held) entrar os valores necessários à sua configuração, para que este possa desempenhar corretamente sua função numa aplicação específica. Utiliza-se o programador para configurar, calibrar, checar e simular sinal de saída no transmissor. Nossa prática será utilizar o programador para obter os dados de configuração do transmissor e simular sinal de saída em corrente para um receptor. Equipamento Transmissor de temperatura SMAR, transmissor de pressão diferencial SMAR. Material Necessário Transmissor inteligente, cabos de ligação, fonte de alimentação, multímetro digital, resistor de 250Ω, programador, etc. Procedimento Ver manual do transmissor. Resultados e Cálculos a) Anote os parâmetros de configuração do transmissor. b) Simule os valores da tabela e anote os valores obtidos no receptor. VALOR APLICADO(%)

VALOR NO RECEPTOR (%)

0 25 50 75 100 63

Avaliação Compare o transmissor inteligente com o convencional e identifique as diferenças.

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REFERÊNCIAS ANDERSON, Norman A. Instrumentation for process measurement and control. 3. ed. Pensilvânia: Chilton, 1980. ANDREW, W. G.; WILLIAMS, H. B. Applied instrumentation in the process industries: a survey. 2. ed. Houston: Gulf, 1980. v. 1. ______. Applied instrumentation in the process industries: practical guidelines. 2. ed. Houston: Gulf, 1980. v. 2. BEGA, Egídio. Instrumentação aplicada ao controle de caldeiras. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. BOLTON, William. Instrumentação e controle. São Paulo: Hemus, [19--?]. CHRISTOV, Juvenal. Como comprar controladores digitais. Revista Instec, [São Paulo], n. 44, jun. 1991. CONTROLADORES digitais. Revista Instec, [São Paulo], n. 44, p. 10-18, jun. 1991. FIELDBUS a nova era da automação industrial. In: SEMINÁRIO DE INSTRUMENTAÇÃO DO IBP, 10., 1993, Porto Alegre. Anais... Porto Alegre: IBP, 1993. p. 45-48. INSTITUTO BRASILEIRO DE PETRÓLEO (IBP). Comissão de Instrumentação. Manual de instrumentação: computadores e sistemas digitais de controle. Rio de Janeiro: IBP/INST, 1988. LIPTÁK, Béla G. (Ed.). Instrumentation engineers handbook. Filadélfia: Chilton, 1972. v. 1-2. RIBEIRO, Marco Antônio. Instrumentação e controle. Salvador: TEK Treinamento & Consultoria, 1992. SANTOS, Ildefonso Martins dos; REZENDE FILHO, Jadson Aragão. Instrumentação básica. Lauro de Freitas: SENAI/CETIND, 2001. SIGHIERI, Luciano; NISHINARI, Akiyoshi. Controle automático de processos industriais: instrumentação. 2. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1973. SIMÕES FILHO, Nelson. Instrumentação para automatização em caldeiras. [S.l.: s.n.], [199-?]. SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS. Controlador Multi Loop - CD 600. Manual de Instruções, Operação e Manutenção, [Sertãozinho, SP], Versão 2, mar. 2003. ______. Transmissor inteligente de pressão com controle PID Incorporado - LD301. Manual de Instruções, Operação e Manutenção, [Sertãozinho, SP], Versão 5, out. 2005. 65

______. ______. Manual de Instruções, Operação e Manutenção, [Sertãozinho, SP], Versão 6, out. 2005. ______. Transmissor inteligente de pressão com controle PID Incorporado - TT301. Manual de Instruções, Operação e Manutenção, [Sertãozinho, SP], Versão 3, nov. 2006. SOISSON, Harold E. Instrumentação industrial. São Paulo: Hemus, [19--?]. TRANSMISSORES inteligentes. Revista Instec, [São Paulo], n. 10, p. 14-18, abr. 1988. WIKIMEDIA FOUNDATION. Telemetria. Disponível em: . Acesso em: 21 dez. 2006.

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GLOSSÁRIO BURNOUT - Circuito utilizado para checar continuidade de fiação em transmissores e termoelementos. Quando ocorre a condição de circuito aberto, a saída do transmissor pode assumir 0 ou 100% de sinal de acordo com a configuração selecionada.

CPU - Central Única de Processamento, parte do microprocessador onde se realiza todas as tarefas: lógicas, aritméticas, controle e endereçamento. CUTOFF - Função utilizada nos transmissores de vazão por pressão diferencial para eliminar o erro no início da faixa de medição. FIELDBUS - Padrão para troca de dados entre instrumentos de campo (sensores e atuadores) e de Interface Homem-Máquina. HOT STAND BY - Equipamento ou sistema reserva, energizado e pronto para entrar em operação, em caso de falha do equipamento ou sistema principal. IHM - Interface Homem-Máquina. Qualquer recurso de hardware e/ou software que permite a interação do operador com o processo controlado. INTRINSECAMENTE SEGURO - Designação dada aos equipamentos que possuem todos os circuitos intrinsecamente seguros, ou seja, os equipamentos de campo transmissores de corrente, posicionadores, válvulas solenóides, sensores de proximidade, etc. Estes equipamentos devem ser certificados para verificar os requisitos das normas, visando confirmar a quantidade máxima de energia que seguramente se podem manipular, além de quantificar o armazenamento de energia nos circuitos internos, o que permite sua instalação dentro da atmosfera explosiva.

MULTI-LOOP - Sistema digital dedicado que realiza funções de controle, simultaneamente, de duas ou mais malhas de controle analógicas. PC - Sigla para Personal Computer. Computador de uso pessoal.

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