Neste artigo, analisaremos os níveis de supervisão e de gestão em arquiteturas de sistemas da automação utilizando Controladores Lógicos Programáveis (CLPs)
Para estudar a arquitetura de sistemas de automação de forma sistemática utilizamos o recurso de dividir a mesma em níveis.
Nível 0: É o nível de aquisição e atuação diretamente no processo. Neste nível estão os elementos sensores e atuadores como sensores de nível, pressão, temperatura, fins de curso, válvulas, inversores de freqüência, multimedidores de grandezas elétricas, etc...
Nível 1: Neste nível estão os Controladores Programáveis recebendo informações do nível 0.
Nível 2: Chamaremos de nível 2 as estações de supervisão e controle que são computadores executando softwares de supervisão que se comunicam com os CLP’s através de redes de comunicação industriais.
Nível 3: Este é nível onde fica o sistema corporativo de gestão da planta.
Nosso objetivo neste artigo é analisar os níveis 2 e 3 da arquitetura típica de um sistema de automação baseado em CLP’s.
Nível 2: Sistemas de Supervisão e Controle
Os Sistemas de supervisão e controle comumente chamados de sistemas SCADA - Supervisory Control and Data Aquisition - são programas configuráveis, destinados à supervisão, controle e aquisição de dados de plantas industriais, possuindo custo menor que os SDCD (Sistemas Digitais de Controle Distribuído) e, por esta razão,
se popularizaram nas indústrias. A interação do operador com o processo é garantida através de interfaces gráficas que permitem uma interação amigável. A base de hardware pode ser um PC comum e isso facilita e barateia os custos com hardware. Estes sistemas possibilitam configurar os arquivos de alarmes e eventos além de relatórios e interfaces para controle de receitas e funções avançadas através da escrita de “scripts”, que são trechos de programas que permitem ampliar as funcionalidades inerentes do produto. Na figura 1 é apresentado um sistema SCADA fazendo a aquisição de dados de dois CLPs.
Os sistemas SCADAs utilizam dois modos de comunicação: comunicação por polling e comunicação por interrupção, normalmente designada por Report by Exception.
Comunicação por Polling
Neste modo de comunicação, também designado por Master/Slave, a estação central (Master) tem o controle absoluto das comunicações efetuando seqüencialmente o polling dos dados de cada estação remota (Slave), que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em half-duplex.
Cada estação remota é identificada por um endereço único. Se uma estação remota não responder durante um período de tempo pré-determinado às solicitações que lhe são dirigidas, a estação central efetua novas tentativas de polling antes de retornar time-out e avançar para a próxima estação.
Vantagens
• Simplicidade no processo de aquisição de dados;
• Inexistência de colisões no tráfego da rede;
• Permite, devido ao seu caráter determinístico, calcular a largura de banda utilizada pelas comunicações e garantir tempos de resposta;
• Facilidade na detecção de falhas de ligação;
• Permite o uso de estações remotas não inteligentes.
Desvantagens
• Incapacidade, por parte das estações remotas, de comunicar situações que requeiram tratamento imediato por parte da estação central;
• O aumento do número de estações remotas tem impactos negativos no tempo de espera;
• A comunicação entre estações remotas tem obrigatoriamente que passar pela estação central.
Comunicação por interrupção
Neste modo de comunicação, a estação remota monitora os seus valores de entrada e, quando detecta alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos, inicia a comunicação com a estação central e a conseqüente transferência de dados. O sistema é implementado de modo a permitir a detecção de erros e recuperação de colisões.
Antes de iniciar a transmissão, a estação remota verifica se o meio está ocupado por outra estação, aguardando um tempo programado antes de efetuar nova tentativa de transmissão. Em caso de colisões excessivas em que o sistema é gravemente afetado, a estação remota cancela a transmissão aguardando que a estação central proceda a leitura dos seus valores através de polling.
Vantagens
• Evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego na rede;
• Permite uma rápida detecção de informação urgente;
• Permite comunicação entre estações remotas, slave-to-slave.
Desvantagens
• A estação central apenas consegue detectar falhas na ligação após um determinado período de tempo, ou seja, quando efetua polling ao sistema;
• É necessária a existência de ação por parte do operador para obter os valores atualizados.
O sistema da figura 1 é típico para controle de pequenos processos ou máquinas. Para o controle de grandes processos industriais é necessária uma arquitetura mais robusta com disponibilização dos dados de processo, formatados e manipulados de modo a assegurar a qualidade da informação para os diversos sistemas de controle, planejamento e acompanhamento da produção (democratização da informação).
Para atingirmos este objetivo, é preciso que no nível 2 da arquitetura sejam analisados os diversos dados que vêm do processo para distinguir os usuários que precisarão de cada um deles, ou seja, os dados que vão para cada profissional capacitado da planta como, por exemplo, o gerente de manutenção, o gerente de qualidade, o supervisor de produção, o gerente industrial, o pessoal da contabilidade e os acionistas.
Para que o acesso às informações do sistema SCADA sejam “democratizadas”, este sistema precisa alimentar um banco de dados organizado com estas informações e,portanto, é fundamental que o sistema SCADA possa disponibilizar suas informações em um formato que outros aplicativos possam utilizar. A forma mais utilizada
é o sistema SCADA abastecer um banco de dados relacional como por exemplo SQL server, Oracle, informix, sybase, entre outros e, a partir disto, as informações podem ser utilizadas em tempo real e disponibilizadas para outros softwares do sistema de gestão da empresa.
Para grandes aplicações, onde vários computadores operam a planta, existe a necessidade de se estabelecer um critério de como será feita a aquisição de dados dos CLPs, remotas, e demais equipamentos inteligentes do chão de fábrica e a forma como estes dados serão repassados para as várias interfaces IHMs. Uma maneira simples de fazer isso é colocar todas as interfaces homem-máquina para se comunicar com os equipamentos inteligentes do chão-de-fábrica, porém, isto terá uma desvantagem imediata que será a baixa performance de comunicação, uma vez que todos os computadores precisam aquisitar os dados ao mesmo tempo e nunca terão uma base de dados exatamente igual.
Outra forma que apresenta uma melhor performance de rede é termos um sistema SCADA aquisitando os dados dos CLPs e disponibilizando-os para os outros sistemas através de uma rede entre os computadores totalmente independente da rede dos CLPs. Esta transferência de dados entre computadores é feita à grande velocidade empregando rede Ethernet e a filosofia cliente/servidor. A máquina que aquisita os dados do CLP passa a ser o servidor de dados para as demais que funcionam como clientes. Uma máquina que apenas monitora os dados e não executa comando recebe uma versão mais barata do software denominada “vista”. Em geral, em uma máquina vista é possível ter todas as funcionalidades de uma máquina SCADA exceto dar comandos (realizar escritas nos CLPs). A figura 2 mostra esta arquitetura.
Na queda do SCADA 1 o SCADA 2 poderá ativar seu driver de comunicação e começar a fazer a leitura dos dados dos CLPs. Esta arquitetura possibilita que os nós SCADA 1 e SCADA 2 trabalhem em regime de redundância a quente ou hot stand by. O “nó vista” lê os dados do nó SCADA que estiver ativo. O nó SCADA 3 está aquisitando os dados do CLP 3 e pode repassar estes dados para os demais através da rede entre computadores. Separar a rede dos computadores da rede dos CLPs melhora a performance da comunicação com o chão-de-fábrica.
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