Projecto Com Twido

Universidade do Minho Escola de Engenharia

Tiago André Vieira Gonçalves PROJECTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA APLICAÇÃO DE PEQUENA REDE INDUSTRIAL PARA CONTROLO DE ETAR

Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação de: Professora Doutora Filomena Soares Engenheiro Paulo Mariano Guedes

Junho 2009

 

     

 

Resumo A evolução da indústria provocada pelo aumento da competitividade, da exigência na qualidade e na quantidade, obrigou a que os sistemas autónomos evoluíssem de forma a aumentar a rentabilidade das linhas de produção. Para tal, eram necessárias fórmulas de cálculo numérico mais complexas, obrigando a utilização de mais computadores ou autómatos com capacidade de cálculo superior mantendo a precisão e controlo na produção. Com isto, e atendendo a necessidade de interligar as diferentes áreas de produção foram criadas redes de comunicação industriais que possibilitassem a partilhada de informação entre os autómatos de cada área. Na sequência de todas as exigências da indústria, aparecerem soluções de diversos fabricantes e para diferentes aplicações. Nesta dissertação são abordados alguns tipos de redes industriais, com a aplicação prática de uma rede industrial para controlo de uma estação de tratamento de água residual. Na sequência da pesquisa de soluções e alternativas possíveis para a implementação do sistema, surgiram uma infinidade de produtos, tecnologias e protocolos. Esta dissertação começa por abordar algumas das alternativas para a implementação de um sistema deste tipo, referenciando especificações, tipos de aplicação, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens de produtos e tecnologias existentes no mercado. É dado a conhecer o cenário actual das redes de comunicação industriais referindo a sua aplicabilidade prática. Posteriormente é apresentado o trabalho prático, descrevendo as tecnologias, o equipamento utilizado e o processo a controlar. Por fim são apresentadas conclusões, referindo as vantagens e a relevância deste tipo de sistemas na indústria, e sugestões para evolução futura deste trabalho.

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Abstract   The evolution of the industry caused by the increasing competition and quality and quantity demand, led to the evolution of the autonomous systems in order to increase the profitability of production lines. To make these reality possible, more complex numerical formulas were necessary, requiring the use of more computers or automata capable of maintaining higher calculation capacity and production control. Given this, and adding the need to interconnect the different production areas, industrial communication networks were established in order to enable information sharing between automata in each area. All these industry demands led to the increasing appearance of several different solutions. In this thesis some theoretical types of industrial networks are studied and a practical application of an industrial network for control of a waste water treatment station is shown. The search for solutions and possible ways for the implementation of the system led to a vast variety of products, technologies and protocols. This thesis begins to address some implementation alternatives for the mentioned system, referencing specifications, types of applications, operating principles, market advantages and disadvantages of products and technologies. It is shown the current scenario of industrial communication networks with reference to their practical applicability. Then a practical application is exposed, describing the technology and equipment used and the monitored process. Finally conclusions are presented, indicating the advantages and importance of such systems for industry. Some suggestions for future development of this work are also explained.   iv   

Agradecimentos

O autor deseja manifestar o seu mais sincero agradecimento à instituição e a todas as pessoas que, com a sua valiosa colaboração, contribuíram para que a realização deste trabalho fosse possível. A minha família que para além de todo o apoio que me deu, permitiu-me a realização deste objectivo, dando-me todas as condições necessárias para que tudo isto fosse possível. A Professora Doutora Filomena Soares, tenho a agradecer a oportunidade concebida para realização desta dissertação. Ao Professor Doutor José Cabral tenho a agradecer a orientação científica e as sugestões ao longo da realização deste trabalho e do meu percurso académico. Ao Eng. Paulo Guedes pela oportunidade e pela confiança que depositou em mim para a realização deste e de outros trabalhos. A Scheneider Electric pela disponibilidade em esclarecer e ajudar em diversos assuntos técnicos. A todos os meus colegas que me acompanharam no meu percurso académico, que pela amizade, pela companhia durante as horas de trabalho e lazer passadas na universidade. 

   

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Índice  

Resumo .............................................................................................................................................. iii Abstract .............................................................................................................................................. iv Índice ................................................................................................................................................. vii Índice de Figuras ................................................................................................................................ ix Índice de Tabelas ............................................................................................................................. xiii Lista de Acrónimos ........................................................................................................................... xiv 1 - Introdução ................................................................................................................................... 17 1.1 – Enquadramento ................................................................................................................... 17 1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais .................................................................... 18 1.3 – Objectivos ............................................................................................................................ 19 1.3 – Redes de Comunicação Industrial ...................................................................................... 20 1.4 – Estrutura da dissertação ..................................................................................................... 21 2 – Fundamentos Teóricos............................................................................................................... 23 2.1 – Autómatos ........................................................................................................................... 23 2.1.1 – Evolução histórica ........................................................................................................ 23 2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos ......................................................................................... 24 2.1.3 – Classificação dos autómatos ....................................................................................... 34 2.1.4 – Vantagens dos autómatos............................................................................................ 35 2.1.5 – Linguagens de programação ....................................................................................... 35 2.2 – Redes industriais ................................................................................................................. 36 2.2.1– Níveis de uma rede Industrial........................................................................................ 37 2.2.2 – Topologias de rede....................................................................................................... 39 2.2.3 – Normas de comunicação.............................................................................................. 41 2.2.3 – Fibra Óptica .................................................................................................................. 44 2.2.5 – Modbus ......................................................................................................................... 55 2.2.6 – Profibus DP .................................................................................................................. 63

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2.2.7 – Controller Area Network (CAN) .................................................................................... 72 3 – Aplicação prática ........................................................................................................................ 85 3.1 – Organização e Funcionamento ........................................................................................... 85 3.1.1 – Casa de Comando ....................................................................................................... 88 3.1.2 – Estações Elevatórias .................................................................................................... 91 3.1.3 – Casa das Lamas .......................................................................................................... 94 3.2 – Arquitectura da rede ............................................................................................................ 96 3.3 – Equipamentos Utilizados ..................................................................................................... 97 3.3.1 – Equipamento de Campo............................................................................................... 97 3.3.2 – Equipamento de Comando......................................................................................... 108 3.4 – Programação ..................................................................................................................... 110 3.4.1 – Programação da comunicação entre autómatos ....................................................... 110 3.4.2 – Controlo dos equipamentos básicos da ETAR .......................................................... 119 3.4.3 – Controlo das Estações Elevatórias ............................................................................ 122 3.4.4 – Controlo da casa das lamas ....................................................................................... 126 3.4.5 – Programação da consola ........................................................................................... 127 3.5 – Parâmetros e configuração ............................................................................................... 128 3.5.1 – Funções da Consola .................................................................................................. 130 4 – Conclusão................................................................................................................................. 135 Bibliografia ...................................................................................................................................... 139 Anexos............................................................................................................................................ 141

 

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Índice de Figuras

Figura 1 – Estrutura de um autómato programável .................................................................... 25 Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353 ........... 26 Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável ........................ 27 Figura 4 – Diagrama de funcionamento de autómato programável em modo periódico ............ 28 Figura 5- Organização da memória de um autómato programável ............................................ 30 Figura 6– Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente ...................................... 33 Figura 7 – Autómato compacto Telemecanique Twido com alimentação 230V AC ................... 34 Figura 8– Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC .................................... 35 Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação...................... 36 Figura 10 – Pirâmide CIM ........................................................................................................... 37 Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento ......................................................................... 39 Figura 12– Topologia de Rede em Estrela ................................................................................. 39 Figura 13 – Topologia de Rede em Anel .................................................................................... 40 Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485 ............................ 41 Figura 15 – Exemplo de aplicação para gestão energética usando a norma RS485................. 43 Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica ........................................................... 44 Figura 17 – Fibra óptica monomodo e multimodo....................................................................... 44 Figura 18 – Conectores para fibra óptica .................................................................................... 45 Figura 19 – Exemplo de Switch’s com Ethernet e Fibra óptica .................................................. 46 Figura 20 – Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida. .......................................................... 48 Figura 21 – Tempo de transição no AS-i. ................................................................................... 50 Figura 22 – Estrutura de uma trama AS-I ................................................................................... 50 Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I ...................................................................................... 55 Figura 24 – Arquitectura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus........................ 56 Figura 25 – Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI ................................................... 58 Figura 26 – Trama de transmissão Modbus ASCII ..................................................................... 59

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Figura 27 – Trama de transmissão Modbus RTU ....................................................................... 59 Figura 28 – Formato da trama enviada pelo “mestre”................................................................. 60 Figura 29 – Formato da trama enviada pelo “mestre”................................................................. 60 Figura 30 – Formato da trama Modbus TCP/IP .......................................................................... 61 Figura 31 – Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus ............................................. 63 Figura 32 – Aproximação do Profibus a pilha OSI ...................................................................... 65 Figura 33 – Exemplo de uma rede Profibus DP.......................................................................... 66 Figura 34 – Formato das tramas profibus ................................................................................... 70 Figura 35 – Exemplo de aplicação dos ficheiros GDS ................................................................ 71 Figura 36 – Exemplo de Rede Profibus ...................................................................................... 71 Figura 37 – Tipos de conectores Profibus .................................................................................. 73 Figura 38 – Aproximação do CAN a pilha OSI............................................................................ 74 Figura 39 – Formato de uma trama CAN .................................................................................... 76 Figura 40 – Exemplo de uma aplicação usando o protocolo CAN ............................................. 78 Figura 41– Exemplo de uma aplicação usando Ethernet ........................................................... 83 Figura 42– Organização da Etar ................................................................................................. 87 Figura 43 – Casa de Comando ................................................................................................... 89 Figura 44 – Quadro Eléctrico QGBT ........................................................................................... 89 Figura 45 – Quadro Eléctrico QP03 ............................................................................................ 91 Figura 46 – Casa das Lamas ...................................................................................................... 94 Figura 47 – Quadro Eléctrico QP02 ............................................................................................ 95 Figura 48 – Arquitectura de Rede ............................................................................................... 97 Figura 49 – Grade Mecânica ....................................................................................................... 98 Figura 50 – Circuito de Comando ............................................................................................... 99 Figura 51 – Ponte raspadora....................................................................................................... 99 Figura 52 – Arejador .................................................................................................................. 100 Figura 53 – Válvulas modulantes .............................................................................................. 101 Figura 54 – Válvulas Pneumáticas ............................................................................................ 101 Figura 55 – Sensor de caudal ultrasonico................................................................................. 103 Figura 56 – Sensor de Caudal Electromagnético ..................................................................... 103

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Figura 57 – Controladores dos sensores de Oxigénio .............................................................. 104 Figura 58 – Poço de Bombagem............................................................................................... 105 Figura 59 – Prensa de Lamas ................................................................................................... 105 Figura 60 – Tapete transportador.............................................................................................. 106 Figura 61 – Estação de Dosagem ............................................................................................. 107 Figura 62 – Sensor do manto de lamas .................................................................................... 107 Figura 63 – Autómato Twido TWDLCAE40DRF ....................................................................... 108 Figura 64 – Consola Telemecanique XBTN200........................................................................ 109 Figura 65 – Janela do Twidosoft para configuração do endereço IP do PLC .......................... 110 Figura 66 – Janela do Twidosoft para configuração dos “escravos” ........................................ 111 Figura 67 – Janela do Twidosoft com o resumo de configuração da rede ............................... 111 Figura 68 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 1 ............. 114 Figura 69 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 2 ............. 115 Figura 70 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 1 ............ 116 Figura 71 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 2 ............ 117 Figura 72 – Grafcet do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” ................... 118 Figura 73 – Ladder do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos” .................... 119 Figura 74 – Modelo de um temporizado de funcionamento dos equipamentos ....................... 120 Figura 75 – Modelo de um temporizador de paragem dos equipamentos ............................... 120 Figura 76 – Ladder do controlo de funcionamento da grade mecânica.................................... 121 Figura 77 – Ladder do controlo do tempo de funcionamento da grade mecânica ................... 121 Figura 78 – Atribuição dos valores seleccionados na consola aos temporizadores ................ 121 Figura 79 – Representação do equipamento que constitui uma Estação Elevatória ............... 122 Figura 80 – Grafcet do funcionamento de uma Estação Elevatória ......................................... 124 Figura 81 – Ladder do funcionamento da Estação Elevatória de águas limpas....................... 126 Figura 82 – Temporizador responsável pelo tempo de ciclo da casa das Lamas .................... 126 Figura 83 – Configuração da Consola ...................................................................................... 127 Figura 84 – Página de configuração da consola como “mestre” .............................................. 127 Figura 85 – Configuração da primeira página da consola ........................................................ 128 Figura 86 – Página inicial da consola ....................................................................................... 130

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Figura 87 – Página de visualização do estado dos sensores de caudal 1 e 2 ......................... 130 Figura 88 – Página de visualização do estado do sensor de caudal 3 ..................................... 131 Figura 89 – Página de visualização do estado dos sensores de oxigenio ............................... 131 Figura 90 – Pagina inicial da consola ....................................................................................... 132 Figura 91 – Página para selecção do equipamento a configurar ............................................. 132 Figura 92 – Pagina que permite a configuração válvula VM2 .................................................. 133 Figura 93 – Menu de configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos ........... 133 Figura 94 – Página de configuração do tempo de funcionamento de um equipamento .......... 134

     

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Índice de Tabelas Tabela 1 – Mensagens AS-I [7]. ....................................................................................................... 52 Tabela 2 – Configurações de I/O, [7]. .............................................................................................. 53 Tabela 3 – Funções Modbus ............................................................................................................ 61 Tabela 4 – Comprimento do cabo em função da velocidade de transmissão ................................. 64 Tabela 5 – Tabela de serviços do profibus DP ................................................................................ 68 Tabela 6 – Serviços do PROFIBUS (nível 2). .................................................................................. 69 Tabela 7 – Relação entre velocidade e comprimento do cabo ........................................................ 73 Tabela 8 – Relação entre velocidade e tipo de cabo ....................................................................... 80 Tabela 9 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 1 .......... 112 Tabela 10 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 2 ........ 112 Tabela 11 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 1 ......... 113 Tabela 12 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 2 ......... 113

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Lista de Acrónimos

ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais PLC’s – Programmable Logic Controllers GSM – Global System for Mobile Communications CPU – Unidade central de processamento ROM – Read Only Memory EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM – Electrical Erasable Programmable Read Only Memory RAM – Random Access Memory ROM – Read Only Memory CIM – Computer Integrated Manufacturing PC’s – Personal Computers LAN – local area network WAN – Wide Area Network DTE – Data Terminal Equipment DTC – Data Communications Equipment LC – Lucent Connector ST – Straight Tip SC – Simplex Connector MT-RJ – Mechanical Transfer Registered Jack ATO – AS-i Trade Organization CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection HDLC – High Level Data Link Control OSI – Open Systems Interconnection CRC – Cyclic redundancy check LRC – Longitudinal Redundancy Checking   xiv   

RTU – Remote Terminal Unit ASCII – American Standard Code for Information Interchange ADU – Application Data Unit PDU – Protocol Data Unit MBAP Header – Modbus Application Protocol Header FDL – Fieldbus Data Link FMA – Fieldbus Management SDN – Send Data with no acknowledge SRD – Send and Request Data with reply SAP – Service Aces Points GDS – Generic Data Slave CiA – CAN in Automation DLC – Data Length Code HTML – HyperText Markup Language DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol FTP – File Transfer Protocol NTP – Network Time Protocol SMTP – Simple Mail Transfer Protocol SNMP – Simple Network Management Protocol COM/DCOM – Distributed Component Object Model FDR – Faulty Device Replacement

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Capítulo 1 1 - Introdução Neste capítulo, é apresentado o tema da dissertação, enumerando a motivação e enquadramento do trabalho. É feita uma introdução técnica, abordando o estado da arte, no sentido de referir soluções e alternativas para a aplicação prática em causa.

1.1 – Enquadramento O tema desta dissertação nasce por motivos profissionais, e consiste no primeiro trabalho proposto pela Empresa Ovava, Engenharia, Lda. Esta empresa dedica-se à concepção, fabrico e/ou Instalação de Equipamentos Electromecânicos associados à área do Ambiente, devidamente habilitada com o Alvará INCI nº 53662. Fundada em 1996, a Ovava, Engenharia, Lda possui um quadro técnico qualificado nas áreas das engenharias química, electrotécnica e ambiental, com experiência comprovada, capaz de implementar soluções-tipo, bem como de desenvolver soluções que respondam às necessidades específicas dos seus clientes. As áreas de intervenção no mercado são a concepção de Estações de Tratamento de Água (ETA’s), Estações de Tratamento de Águas Residuais (Etar’s) domésticas

e

industriais,

estações

elevatórias,

abastecimentos

de

água

e

saneamentos. Este trabalho, como em qualquer sistema automático, é constituído por duas partes: a parte operativa ou de potência, e a de comando. A parte de potência é a parte a automatizar através da parte de comando, ou seja, consiste no conjunto de actuadores e sensores que servirão para estabelecer a ligação à parte de comando. Os sensores (interruptores de nível, medidores de nível   17   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

ultra-sónicos, medidores de caudal, medidores de PH) fornecerão os perfis de variação da propriedade a medir para que a parte de comando active ou desactive os respectivos actuadores (Relés, Arrancadores Suaves, ou Contactores para comando de bombas ou válvulas).

1.2 – Estações de Tratamento de Águas Residuais As Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), tem como objectivo tratar as águas residuais de origem doméstica e/ou industrial, para posteriormente serem devolvidas ao meio ambiente, encaminhando-as para o mar ou rio com um nível de poluição aceitável. Numa ETAR as águas residuais passam por vários processos de tratamento com a finalidade de separar ou diminuir a quantidade da matéria poluente da água. De modo geral existem quatro tipos de tratamentos de um efluente. Porém a necessidade de os utilizar é dependente do tipo e processo de produção das águas a tratar. No tratamento preliminar, constituído por processos físico-químicos, é feita a remoção dos flutuantes através da utilização de grelhas e de crivos grossos, e a separação da água residual das areias a partir da utilização de canais de areia. O tratamento primário é também constituído por processos físico-químicos. Nesta etapa procede-se ao pré-arejamento, equalização do caudal, neutralização da carga do efluente a partir de um tanque de equalização e, seguidamente, procede-se à separação de partículas líquidas ou sólidas através de processos de floculação e sedimentação, utilizando um sedimentador. As lamas resultantes deste tratamento são sujeitas a um processo de digestão anaeróbio num digestor anaeróbio ou tanque séptico. O tratamento secundário é constituído por processos biológicos seguidos de processos físico-químicos.   18   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

No processo biológico podem ser utilizados dois tipos diferentes de tratamento: - aeróbios, onde se podem utilizar, dependendo da característica do efluente, tanque de lamas activadas (o ar é insuflado com um arejador de superfície), lagoas arejadas com macrófitos (microalgas), leitos percoladores ou biodiscos; - anaeróbio, podem ser utilizadas as lagoas ou digestores anaeróbios. O processo físico-químico é constituído por um ou mais sedimentadores secundários. Nesta etapa é feita a sedimentação dos flocos biológicos, saindo o líquido, depois deste tratamento, isento de sólidos ou flocos biológicos. As lamas resultantes deste tratamento são secas em leitos de secagem, sacos filtrantes ou filtros de prensa. O tratamento terciário é também constituído por processos físico-químicos. Nesta fase procede-se à remoção de microrganismos patogénicos através da utilização de lagoas de maturação e nitrificação. Finalmente, a água resultante é sujeita a desinfecção através da adsorção (com a utilização de carvão activado), e, se necessário, tratamento com cloro e ozono.

1.3 – Objectivos O objectivo principal deste trabalho é fazer com que o sistema de controlo e comando implementado garanta que a ETAR de forma autónoma, trate as águas residuais de forma eficiente permitindo que a mesma possa ser escoada no rio respeitando todas as obrigatoriedades legais. Esta obra, surge por concurso público, ganho pela Ovava, Engenharia, Lda. Os projectos de execução entregues previam alguns materiais tecnologicamente ultrapassados e comercialmente descontinuados, obrigando a uma adaptação a ferramentas e materiais mais modernos. Apesar de no projecto já estar previsto uma rede de comunicação industrial, visto que o sistema a automatizar era constituído por três áreas diferentes e   19   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

separadas fisicamente por uma distância considerável, foi necessário adaptar o projecto existente a tecnologias mais modernas e capazes de permitir a comunicação entre os autómatos, visto que a inicialmente projectada estava obsoleta. Desta forma, é possível garantir a recolha dos sinais de cada área distinta, processá-los e enviar os dados necessários ao autómato “mestre”. Atendendo à necessidade de seleccionar novos equipamentos, este trabalho conduziu à realização de um estudo de todas as tecnologias e equipamentos actuais de forma a seleccionar os mais convenientes a esta aplicação.

 

1.3 – Redes de Comunicação Industrial No sentido de responder as exigências cada vez maiores dos níveis de automação por parte das empresas, foram desenvolvidas várias soluções de redes de comunicação industrial com o objectivo de reduzir o número de cabos condutores e de integrar a informação das linhas de produção com os níveis superiores de gestão e supervisão. Atendendo a estas exigências, houve uma explosão de diferentes soluções de diversos fabricantes que resolveram muitos problemas. Actualmente, a variedade de equipamentos, de tecnologias, protocolos e tipos de comunicação é tão elevado que na fase de projecto, se torna difícil escolher a tecnologia a usar. Este é um problema não só para os níveis mais baixos, de sensores e actuadores, como para os níveis de controlo e gestão, onde é necessária a interligação de autómatos com os diversos tipos de software de supervisão e gestão. Existem variadas soluções para a interligação de sensores e actuadores num só cabo condutor, como o CAN ou AS-I, no entanto as diferentes tecnologias não são compatíveis entre elas e nem sempre existem soluções de sensores ou actuadores   20   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

compatíveis para uma determinada tecnologia. O mesmo acontece nos níveis superiores, de controlo e gestão, onde temos diversas soluções como o Modbus TCP/IP ou o Profinet. Como resultado da pesquisa necessária para a implementação deste trabalho, são apresentadas ao longo da dissertação, algumas das diferentes tecnologias de redes de comunicação industrial que ajudam a perceber quais as diferenças entre as principais tecnologias, as suas aplicações e limitações.    

1.4 – Estrutura da dissertação A dissertação está estruturada para que o leitor se vá familiarizando e percebendo os conceitos teóricos necessários para entender o trabalho prático. Com isto a dissertação esta divida em 6 capítulos, onde no primeiro é efectuado o enquadramento do trabalho, são definidos objectivos apresentados, o estado de arte e é definida a estrutura da dissertação. O segundo capítulo aborda os princípios teóricos da automação, indicando o princípio de funcionamento dos autómatos, a diferenciação entre eles, o tipo de entradas e saídas e os seus periféricos. Posteriormente, faz-se uma introdução às redes de comunicações industriais e de seguida referem-se alguns tipos de normas e redes mais utilizados, efectuando-se uma breve descrição de cada uma delas. No terceiro capítulo descreve-se o princípio de funcionamento do sistema usado para aplicação prática, indicando-se os materiais utilizados, nomeadamente os autómatos seleccionados, os tipos de sensores e actuadores, a arquitectura de rede. Este capítulo termina com a apresentação de alguns pormenores da implementação do sistema.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O quarto capítulo, conclui a dissertação onde são feitos os comentários aos resultados finais, descrevendo-se o que poderia ter sido feito de melhor e o trabalho futuro. Por último, são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas para a realização da dissertação.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Capítulo 2

2 – Fundamentos Teóricos   Este capítulo está dividido em duas partes. Na primeira é feita referência ao autómato, explicando o seu funcionamento, a sua evolução histórica e as suas aplicações e, na segunda, é abordado o tema: “Redes de comunicação industriais”, fazendo referência a algumas das redes mais utilizadas, explicando o meio físico utilizado, o modelo de comunicação, e um exemplo de aplicação de cada uma delas.  

2.1 – Autómatos   Neste subcapítulo é feita uma breve descrição da evolução dos autómatos, abordando o seu princípio de funcionamento, exemplificando as suas aplicações e referindo alguns acessórios e periféricos.  

2.1.1 – Evolução histórica Na década de 60, a necessidade de reduzir os custos com a frequente mudança nos sistemas de controlo industrial, incentivou o desenvolvimento de equipamentos mais flexíveis e capazes de diminuir os tempos de produção. No final da década de 60 surgem os primeiros autómatos programáveis ou também conhecidos por PLC’s (“Programmable Logic Controllers”) que logo começaram a demonstrar grandes vantagens em relação aos sistemas compostos por relés que necessitavam de mais espaço, eram menos fiáveis e tinham pouca ou nenhuma flexibilidade, não permitindo a alteração dos sistemas de controlo industrial de forma rápida e eficiente. Os primeiros autómatos eram constituídos por processadores cablados, baseados em circuitos integrados e memórias de ferrite.   23   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Em meados da década de 70 começam a ser utilizados microprocessadores nos autómatos programáveis, permitindo incorporar elementos de interface Homem Maquina, processamento de dados, realização de operações aritméticas e a comunicação com o computador [1],[2]. Ainda no fim da década de 70 aumentam a capacidade de memória, as entradas e saídas remotas, entradas e saídas analógicas e numéricas e a comunicação com periféricos, obrigando desta forma a que as linguagens de programação também evoluíssem. Na década de 80, com a evolução dos microprocessadores foi possível aumentar substancialmente a velocidade no tratamento de informação, introduzindo-se assim o controlo em tempo real. Esta evolução permitiu também a redução das dimensões dos autómatos, bem como o aumento do número de entradas e saídas. A par da evolução do hardware, vão evoluindo também as linguagens de programação para linguagens de alto nível, facilitando cada vez mais a programação dos autómatos. Na década de 90, aperfeiçoou-se a interface com o utilizador, desaparecendo as dispendiosas consolas de programação e surgindo ferramentas de programação para PC, inicialmente em DOS e posteriormente em Windows, com interfaces mais amigáveis de programação. Surgiram ainda novas interfaces de comunicação entre autómatos, nas quais falarei mais a frente. Actualmente, assiste-se a uma explosão das comunicações globais com a normalização dos protocolos. As vantagens desta evolução são evidentes, pois permitem o controlo e a monitorização remota de sistemas de controlo industrial, possibilitando a alteração remota dos parâmetros de um processo industrial, o envio de notificações, e a comunicação entre autómatos via GSM (Global System for Mobile Communications) [1],[2].

2.1.2 – Arquitectura dos Autómatos Os Autómatos programáveis são basicamente constituídos pelos seguintes elementos (Figura 1):   24   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Unidade Central de processamento • Memória • Entradas e saídas • Interface de comunicação  

• Alimentação

Figura 1 – Estrutura de um autómato programável

    Os parágrafos seguintes descrevem cada um dos elementos enumerados anteriormente.

2.1.2.1 – Unidade Central de Processamento (CPU) A unidade central de processamento ou microprocessador é o “cérebro” do autómato. É responsável pela aquisição dos valores das entradas presentes na memória, realiza todas as operações (lógicas, aritméticas e de controlo), consoante as instruções que constituem o programa, e actualiza na memória as saídas. Para além disto, tem ainda de gerir os periféricos e diagnosticar os defeitos que possam ocorrer internamente.   25   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Normalmente, tudo isto é feito de forma cíclica porque o tratamento de informação é feito sequencialmente. Existem alguns elementos susceptíveis de alterar a estrutura de ciclo, que é o caso da política de aquisição de dados, a utilização de instruções de salto e a presença de cálculos numéricos. A utilização de funções ou instruções deste tipo faz com que a estrutura do ciclo seja alterada consoante as necessidades do programa [1],[2]. Atendendo a esta forma de funcionamento, existe um factor que permite classificar o desempenho do processador e é definido como o tempo de exploração e consiste no tempo (em milissegundos) que este leva a processar mil instruções ms/k. Actualmente, existem autómatos constituídos por mais do que um processador tendo, para além do processador central, processadores dedicados aos interfaces de comunicação, ao cálculo, às entradas e saídas e a outras funções específicas (Figura 2).

Figura 2 – Processador central Siemens S7-314 e módulo de posicionamento FM 353

O funcionamento dos autómatos pode ser de 2 formas: - Cíclico - Periódico A configuração do modo de funcionamento é efectuada através do software fornecido pelos fabricantes.   26   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

No modo de funcionamento cíclico, o ciclo do autómato é composto por 4 fases: • Os processos internos (ex: gestão da temporização, comunicação), • Actualização das entradas, • O processamento do programa, • A actualização das saídas. Depois de efectuada a actualização das saídas (quarta fase da tarefa do ciclo), o sistema executa um determinado número de tarefas próprias e inicia imediatamente outra tarefa de ciclo.

Figura 3 – Diagrama do ciclo de funcionamento de um autómato programável

O ciclo do autómato é controlado por um watchdog que permite garantir a actualização das saídas num período de tempo máximo. O watchdog consiste num método de verificar a ocorrência de erros num determinado

programa

a

funcionar

num

determinado

microcontrolador

ou

microprocessador. Neste caso, o funcionamento do watchdog consiste em verificar o tempo que o autómato demora a executar um ciclo. Se o ciclo do autómato atingir o valor do watchdog, o autómato passa a HALT e requer: • Um comando INIT (comando necessário para reiniciar o autómato), • De corrigir a origem do problema   27   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• E de passar a RUN (O autómato quando está em modo de programação, está no estado de STOP, depois de feito o download da aplicação do utilizador, o autómato deve ser colocado no modo RUN) para reiniciar o processamento De referir que em modo HALT as saídas são forçadas ao seu estado de salvaguarda por defeito. No modo de funcionamento periódico, a aquisição das entradas, o processamento do programa da aplicação e a actualização das saídas são efectuadas de forma periódica de acordo com um intervalo definido durante a configuração (de 2 a 150 ms). O controlo em funcionamento periódico é feito por uma palavra e um bit do sistema. As palavras do sistema dos autómatos, no caso do Twido da Telemecanique, são representadas por %SW e os bits por %S. A palavra %SW0 contém o valor do período (0-150 ms) e pode ser configurado através do software. É inicializado sempre que se carrega uma nova aplicação ou por uma eventual falha de alimentação.

O bit %S19 indica que o período foi ultrapassado. É colocado a 1 pelo sistema quando a duração do processamento ultrapassa a tempo definido e tem de ser colocado a 0 pelo utilizador (Figura 4).

Figura 4 – Diagrama de funcionamento do autómato programável em modo periódico

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1.2.2 – Memória Existem dois tipos de memória, volátil e não volátil. A volátil só guarda os seus dados enquanto alimentada electricamente; a não volátil mesmo com a ausência de energia preserva os dados nela contidos. Nos autómatos existem os dois tipos, existe uma memória não volátil onde é guardado o sistema operativo do autómato e o programa criado pelo utilizador, e a memória não volátil onde ficam guardados os valores de variáveis e constantes que são adquiridas pelo funcionamento do programa. Desta forma, na classe das memórias não voláteis existem as seguintes memórias: - ROM (Read Only Memory), normalmente é programada pelo fabricante e que apenas pode ser lida; - EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), é programável e pode ser apagada por exposição a radiação ultravioleta; - EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory), idêntica a anterior, mas pode ser apagada por impulsos eléctricos; - FLASH-EPROM, são as mais recentes, de maior capacidade e menor dimensão. As memórias voláteis, são memórias do tipo RAM (Random Access Memory) de acesso rápido, que e permitem a leitura e escrita aleatória. Com o aparecimento das memórias de maior capacidade e mais económicas como as SD (Secure Digital), os autómatos ganharam mais capacidade de processamento e novas funcionalidades com a integração de WebServers capazes de armazenar e gerir paginas HTML (HyperText Markup Language). A organização da memória de um autómato programável é feita por áreas específicas de trabalho como se pode verificar na figura 5.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Sistema Operativo  Entradas/Saídas  Registo de Dados  Programa do utilizador 

Figura 5 – Organização da memória de um autómato programável

O sistema operativo fica numa zona não acessível ao utilizador e é normalmente apresentado em firmware (por exemplo em ROM). A zona de Entradas/Saídas corresponde a imagem dos pontos de entradas e saídas, para que seja possível processar os dados logicamente. O registo de dados é usado pelo CPU para guardar os valores associados a contadores, temporizadores ou outras variáveis auxiliares. A memória EEPROM dos autómatos usados permite a salvaguarda interna dos dados e do programa. Depois de uma perda de memória RAM (bateria descarregada), o conteúdo da memória EEPROM é reposto na memória RAM sem qualquer intervenção do utilizador. Para poder guardar o programa na memória EEPROM é necessário que o programa em RAM seja validado. Se esta condição for respeitada, a gravação é executada pelo software fornecido pelo fabricante [1],[2].

2.1.2.3 – Entradas e Saídas   Existem vários tipos de Entradas/Saídas. Neste subcapítulo é feita uma descrição de todos os tipos, referenciando as suas diferenças, e aplicações comuns.         30   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

- Módulos de E/S Digitais (Lógicas)   Os módulos de entradas digitais permitem que a unidade central de processamento (CPU) faça a leitura dos sinais externos do tipo lógico ligados ao módulo. Normalmente caracterizam-se pelo número de pontos de ligação que contém, sendo normalmente de 4, 8, 16, ou 32 entradas. Existem autómatos que possibilitam o uso das entradas digitais como contadores ou contadores rápidos. Os módulos de saída permitem ao autómato controlar os actuadores. Tais como os módulos de entrada são classificados pelo número de pontos de ligação, no entanto também podem ser classificados pelo tipo de saídas. Existem módulos de saída com reles ou transístores. Os módulos de saídas a relés para além do elevado isolamento que garantem entre o actuador e o autómato, permitem controlar circuitos de corrente alternada ou circuitos de corrente contínua. No entanto, são lentos e a sua bobine pode gerar correntes induzidas elevadas quando se fecha o seu circuito de comando. Os módulos de saídas a transístor são mais rápidas do que os módulos de saídas a relé e, como tal, permitem também o controlo por modulação de impulsos (PWM – Pulse Width Modulation). No entanto só podem ser usados em circuitos de comando DC, ou quando envolvidos em circuitos de comando AC, obrigam a utilização de relés externos para agir com os actuadores. Este tipo de módulos é o mais utilizado no ambiente industrial, sendo normalmente usados para recolher e actuar em sinais de campo tipo on/off, como fins de curso, bóias de nível, electro-válvulas, contactores de accionamento de motores, etc.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

- Módulos de E/S Analógicas   Este tipo de módulos são muito usados no meio industrial e são destinados à conversão de uma grandeza analógica (corrente ou tensão), num valor de uma grandeza física, ou vive versa. Nos módulos de entradas analógicas a conversão faz-se por conversores analógico-digitais (A/D) com resoluções de 10 a 15 bits. Na maioria dos casos estes módulos de entrada permitem a recolha de sinais analógicos em tensão ou corrente. Os valores em tensão são normalmente de 0-10V ou de (-5) a 5V. Em corrente, são entre 0-20mA ou 4-20mA. Este tipo de módulos é muito utilizado para recolher valores instantâneos de caudal, de nível, sensores de oxigénio, pH, entre outros. As saídas analógicas são em tensão ou corrente e compostas por conversores digital analógicos (D/A). São normalmente usadas para actuadores com este tipo de entradas como é comum nos variadores de velocidade ou válvulas motorizadas. Em alguns autómatos este tipo de entradas/saídas, permite o uso de funções de controlo PID a partir do software do fabricante.

- Módulos de Contagem   Este tipo de módulos consiste na detecção de impulsos (com flancos ascendentes ou descendentes de um sinal lógico) em conjunto com a determinação do intervalo de tempo decorrido entre impulsos consecutivos. Este tipo de módulos é normalmente usado para o controlo do número de produtos produzidos numa linha de montagem e outro tipo de grandezas como frequências, velocidades, distancias, entre outras.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1.2.4 – Módulos de Interface com o Utilizador   Os módulos de interface com o utilizador evoluíram bastante de forma a responder às necessidades da indústria. Cada vez mais existe a necessidade de alterar regularmente os parâmetros dos sistemas de automação e, desta forma, surgiram consolas de visualização e programação, que permitem a um utilizador comum alterar parâmetros de funcionamento sem ser necessário a programação de todo o sistema. Hoje, existem vários tipos de consolas, desde das mais económicas as mais evoluídas e caras. Existem consolas numéricas que apenas tem uma área de visualização de algumas linhas de texto, e permitem a criação de algumas páginas de texto com menus, para que o utilizador através das teclas existentes na mesma, possa alterar os valores das variáveis do programa. Mais recentemente surgiram as consolas gráficas e tácteis, que permitem a criação de páginas gráficas e animadas, capazes de criar um interface mais amigável com o utilizador (figura 6).

Figura 6 – Consolas Siemens TD200 e TP 177micro respectivamente  

 

2.1.2.5 – Fonte de alimentação   Grande parte dos autómatos de gama baixa dispensa o uso de uma fonte de alimentação externa, pois são de alimentação de 230V AC, e até tem na maioria dos

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

casos uma saída de 24V DC. No entanto, na maioria dos casos, os autómatos das gamas mais altas exigem a utilização de fontes de alimentação externas. Independentemente dos casos, sempre que se usam módulos de entradas e saídas auxiliares, estes normalmente exigem uma alimentação externa de 24V DC, nomeadamente os módulos de entradas/saídas analógicas. Os fabricantes disponibilizam normalmente várias fontes de alimentação para o mesmo equipamento, normalmente diferenciadas pela potência e com valores de corrente que variam dos 2 aos 10A. O dimensionamento das fontes de alimentação depende do número de equipamentos a alimentar, nomeadamente do número de módulos auxiliares que desejamos acrescentar ao modelo base do autómato.

2.1.3 – Classificação dos autómatos Os autómatos actualmente podem ser classificados por gama baixa ou gama alta. No entanto quase todos os modelos de autómatos de gama baixa são compactos, ou seja, são autómatos que integram de raiz o CPU, entradas e saídas e mais do que uma interface de comunicação (Figura 7). Os autómatos de gamas altas são autómatos modulares sendo constituídos por módulos, em que é necessário adquirir todas as partes constituintes do mesmo individualmente (Figura 8). Normalmente, tanto os compactos como os modulares permitem a adição de módulos de entradas e saídas.

Figura 7 – Autómato compacto Telemecanique Twido com alimentação 230V AC

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Figura 8 – Autómato modular Modicon M340 com alimentação 24V DC

 

2.1.4 – Vantagens dos autómatos   A competitividade de preços em todas as áreas da indústria obriga a que as empresas cada vez mais se dediquem à redução de custos, tanto em mão-de-obra como na flexibilização das suas linhas de produção e dos seus processos de fabrico. Desta forma, o autómato é a melhor solução, visto que é facilmente adaptado a qualquer circunstância, contém um conjunto de interfaces que permite a ligação de terminais de comando e, com revolução das telecomunicações, permite o controlo remoto de aplicações. Outra grande vantagem é a capacidade de expansão. Hoje em dia facilmente se interligam autómatos em rede, expandido a sua interligação, mesmo de fabricantes diferentes, numa indústria. Além de todas estas potencialidades, o preço dos autómatos e dos respectivos acessórios, está cada vez mais competitivo e, associado à fácil aplicação dos mesmos na indústria, torna-se um elemento essencial em qualquer aplicação autónoma que exija inteligência.

2.1.5 – Linguagens de programação   Actualmente não existe uma linguagem universal para todos os autómatos. Existem dois tipos de linguagens comuns que diferem ligeiramente de fabricante para fabricante, em que o conceito é exactamente o mesmo.   35   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Uma consiste num diagrama de contactos (ladder diagram), que é uma linguagem gráfica derivada da linguagem dos relés, e utiliza um conjunto de símbolos como os representados na figura seguinte para elaborar o programa. A outra linguagem comum é a lista de instruções (instruction list), que utiliza um conjunto instruções simples que permite a execução do programa.

Figura 9 – Extracto de um programa em diferentes linguagens de programação

2.2 – Redes industriais Nos sistemas industriais actuais existe uma grande tendência para a integração da comunicação e controlo de diferentes níveis dos processos de fabrico. A introdução nesses sistemas de arquitecturas de redes industriais pode melhorar a eficiência, a flexibilidade e a fiabilidade do sistema como um todo, reduzindo o tempo e os custos de instalação e manutenção. Existem no mercado uma variadíssima gama de conceitos e siglas que, muitas vezes, fazem com que os profissionais responsáveis pela implantação desta tecnologia se sintam retraídos quando da aplicação da mesma.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.1– Níveis de uma rede Industrial   O suporte de comunicação de um ambiente industrial típico é formado por diversos níveis hierárquicos, constituindo uma estrutura que envolve, desde as tarefas administrativas, até o controlo da operação das máquinas e equipamentos de produção. A integração e o intercâmbio de informações entre os níveis produtivos, dependem de recursos de comunicação adequados que devem levar em conta as diferentes restrições temporais e requisitos associados ao funcionamento das actividades características de cada um desses níveis. Desta forma surgiu a pirâmide CIM (Computer Integrated Manufacturing) ilustra a função dos diferentes níveis hierárquicos [3].

Figura 10 – Pirâmide CIM

2.2.1.1– Nível de Gestão   No nível mais elevado é centralizada toda a informação dos níveis mais baixos. Este nível é normalmente dedicado a tarefas de gestão, nomeadamente, controlo de

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

stocks, vendas, estatísticas de produção. Os controladores são normalmente servidores ou estações de trabalho (Personal Computers – PC’s). Os tipos de rede que se aplicam neste nível são as LAN (local area network) ou WAN (Wide Area Network).

 

2.2.1.2 – Nível de Controlo   Neste nível é feita a interligação entre as diferentes zonas de trabalho. Os tipos de equipamentos que surgem neste nível são autómatos de gama alta, computadores industriais, controlo de qualidade, etc. O tipo de rede neste nível também é LAN.

 

2.2.1.3 – Nível de Campo/Processo   A este nível encontram-se autómatos “mestre”, que controlam um pequeno número de autómatos “escravos”, integrando assim pequenos automatismos ou pequenas sub-redes. Aqui, podem aparecer vários tipos de rede, como por exemplo, Profibus (Process Field Bus) ou Modbus, que serão abordadas mais adiante.

2.2.1.4 – Nível de Entradas/Saídas   Este nível é onde se encontram os Actuadores e os Sensores, ou seja, são as “mãos” e os “olhos” do nível superior. Aqui podem ser usados alguns tipos de rede, como o AS-I (Actuator Sensor Interface), CAN (Controller area network), que também são abordados mais a frente.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.2 – Topologias de rede   As topologias de rede definem o tipo de implantação das cablagens. Existem várias topologias de rede, sendo as mais comuns em barramento, estrela e anel.

2.2.2.1 – Rede em Barramento Numa rede em barramento todos os dispositivos estão ligados directamente à linha por onde circulam os pacotes, pelo que todos os dispositivos da rede vêm os pacotes. Cada dispositivo de rede tem um endereço único que permite, através da análise dos pacotes, seleccionar os que lhe são destinados.

Figura 11 – Topologia de Rede em Barramento

2.2.2.2 – Rede em estrela   Neste tipo de topologia cada dispositivo é ligado por um cabo independente a um ponto central que normalmente é um Switch. Nesta topologia os pacotes são sempre direccionados para o destinatário através do dispositivo central.

Figura 12 – Topologia de Rede em Estrela

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.2.3 – Rede em anel   A topologia em anel consiste em ligações ponto-a-ponto entre pares de dispositivos que, no seu conjunto, formam um anel. Nesta topologia, cada dispositivo tem a sua vez para transmitir ou receber. Só transmite ou recebe o dispositivo que tem o testemunho (Token). Depois de transmitir passa o “Token” ao elemento seguinte, segunda uma direcção predefinida. Os pacotes que circulam na rede, para além dos dados a serem transmitidos, contem a informação sobre a origem da transmissão e o respectivo destinatário. Ao receber o pacote, cada dispositivo analisa a informação do destinatário e/ou o retira da rede ou o passa ao dispositivo seguinte. Graças a este protocolo de acesso ao meio, a fiabilidade da rede é assegurada, pois cada vez que o pacote é transmitido entre dois dispositivos o sinal é regenerado.

Figura 13 – Topologia de Rede em Anel

 

2.2.2.3 – Rede em Árvore   A topologia em árvore é uma mistura da topologia em barramento com a topologia em estrela, criando uma árvore

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.3 – Normas de comunicação   Na área de redes industriais as normas de comunicação série são as mais usadas, nomeadamente as RS232 ou RS485. Estas normas definem uma série de parâmetros eléctricos e mecânicos que garantem a ligação viável entre dispositivos de diferentes fabricantes. As normas de comunicação série estão presentes de raiz na maioria dos autómatos existentes no mercado e servem de interface para a maioria das redes industriais existentes. Ultimamente já existem alguns dispositivos de automação que também têm de raiz a norma RJ45, possibilitando a integração directa numa rede Ethernet.

Figura 14 – Aplicação usando as normas de comunicação RS232 e RS485

  Existe uma grande variedade de equipamentos que usam as normas de comunicação série para se interligar aos autómatos, nomeadamente modems, consolas de interface com o utilizador ou até mesmo analisadores de energia e variadores de velocidade. Cada autómato permite normalmente a utilização de duas   41   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

portas série (uma RS232 e uma RS485, ou duas RS232). Na figura 14 está representado um sistema muito utilizado na área das águas e saneamentos, visto que existem reservatórios de água ligados entre si com distâncias consideráveis e, onde se utiliza a comunicação GSM para partilhar informação entre eles, de forma a se conseguir fazer chegar a água de um reservatório para o outro sempre que seja necessário. Este tipo de sistema permite também o acesso remoto ao autómato e o envio de SMS’s com notificações de avaria para o técnico responsável.  

2.2.3.1 – Norma RS232   Esta norma apresenta-se em vários tipos de conectores, o DB9, DB25 (quase extinto), e o MINI DIN-9. Nos autómatos os mais comuns são o DB9 e o mini-Din9 (DB9 na Siemens e na OMRON, e o mini-DIN9 na SCHNEIDER). Esta norma apresenta velocidades de transmissão baixas (19,2kbps) e distâncias reduzidas (15m). Existem duas formas de ligar dispositivos RS232, DTE (“Data Terminal Equipment”) e DTC (“Data Communications Equipment”). O DTE define os dispositivos do tipo computadores ou impressoras, o DCE refere-se a equipamentos de comunicações do tipo modems, ou seja, recebe dados de um dispositivo DTE e retransmite-os para outro dispositivo de dados DCE.

2.2.3.2 – Norma RS485   Esta norma é das mais versáteis, pois permite criar uma rede de apenas 2 condutores com distâncias até 1200 metros, velocidades de 10Mbps e 32 nós na mesma linha de comunicação. Com a utilização de repetidores é possível chegar aos

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

256 nós na rede. No entanto, quanto maior for a distancia, menor é a velocidade de transmissão. O modo de operação desta norma diz-se diferencial porque, dependendo da diferença de potencial entre os dois fios tem-se o valor lógico 1 ou 0. Para exemplificar sendo um dos fios o A e o outro B e, sendo o A positivo e o B negativo, temos o nível lógico 1 e temos o nível lógico 0 quando o B é positivo e o A negativo. Outra das grandes vantagens é facilidade com que se converte a comunicação RS232 em RS485. Existem alguns equipamentos que habitualmente trazem este tipo de norma para ligação aos autómatos, nomeadamente, analisadores de energia, arrancadores suaves, variadores de velocidade. Este tipo de comunicação entre os equipamentos descritos anteriormente e o autómato, são importantes em diversos casos práticos, nomeadamente em domótica, controlo de equipamentos de força motriz e aplicações que exijam gestão energética (Figura 15), [5].

Figura 15 – Exemplo de aplicação para gestão energética usando a norma RS485

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.3 – Fibra Óptica A utilização de fibra óptica está cada vez mais banalizada. A sua aplicação já não se resume a grandes distâncias ou instalações e também já surge em projectos de menor dimensão e em aplicações mais específicas. A fibra óptica apresenta inúmeras vantagens relativamente as linhas de cobre, tem maior largura de banda, imunidade ao ruído, e permite a implementação de redes que atinjam distâncias consideráveis. A sua constituição resume-se basicamente a 3 elementos importantes, sendo o núcleo, revestimentos da fibra e o encapsulamento externo. A luz é transmitida pelo núcleo, e o primeiro revestimento tem como objectivo concentrar a reflexão de luz novamente no núcleo e o encapsulamento externo protege os revestimentos anteriores contra humidades e contactos mecânicos (Figura 16), [6].

Figura 16 – Constituição de um condutor de fibra óptica

Existem dois tipos de cabos de fibra óptica: • Multimodo • Monomodo As fibras monomodo possuem um núcleo muito mais fino (8 a 10 microns) do que as fibras multimodo (62.5 microns), (Figura 17).

Figura 17 – Fibra óptica monomodo e multimodo

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

As fibras multimodo são mais baratas, uma vez que o seu núcleo ao ser mais espesso também tem menor precisão, permitindo uma perda de sinal luminoso muito maior em relação às monomodo. As fibras monomodo permitem um maior alcance do que as fibras multimodo, considerando como exemplo uma aplicação em Gigabit Ethernet, as multimodo podem atingir um alcance de 550 metros, e as monomodo podem chegar aos 80 km. Existem vários tipos de conectores que podem diferir dependendo do tipo de fibra e do tipo de aplicações (Figura 18).

Conector LC

Conector ST

Conector SC

Conector MT-RJ

Figura 18 – Conectores para fibra óptica

O LC (Lucent Connector) é um conector muito pequeno que, como o nome sugere, foi originalmente desenvolvido pela Lucent. O ST (Straight Tip) é um conector mais antigo, muito popular para uso com fibras multimodo, que tem como desvantagem o seu tamanho que é quase duas vezes maior do que o LC. O SC (Simplex Connector) era dos mais populares até o aparecimento do LC. No entanto, apesar da suas simplicidade e eficiência, é muito grande quando comparado com o LC. Aparece com frequência em redes Gigabit, tanto com cabos multimodo como monomodo. O MT-RJ (Mechanical Transfer Registered Jack) é um padrão novo, que utiliza uma forma em quadrado, com dois orifícios para combinar as duas fibras num único conector, pouco maior que um conector RJ11.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Para fazer a interligação de uma rede em fibra óptica para uma rede em cobre, precisamos de um conversor capaz de converter os sinais ópticos em sinais eléctricos. Transceiver é o nome designado ao equipamento usado nas redes Ethernet para fazer essa conversão. Este tipo de equipamento disponibiliza uma ou mais portas de entrada com conectores de fibra óptica e uma ou mais portas de saída em RJ45, ou vice-versa. De salientar que neste tipo de redes (Ethernet), enquanto que o cabo de cobre, necessita de quatro condutores, o cabo de fibra óptica apenas necessita de duas fibras, uma para enviar e outra para receber. No entanto, o número de fibras depende sempre do tipo de rede a implementar. Existem alguns Switchs já com porta RJ45 e Portas SC, como acontece com o representado na figura seguinte.

Figura 19 – Exemplo de Switch’s com Ethernet e Fibra óptica

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.4 – AS-Interface

O AS-Interface é aplicado à camada mais baixa da pirâmide CIM. É uma das mais inovadoras soluções de rede ao nível de sensores/actuadores, ou seja, faz a interligação de todos os sensores e/ou actuadores através de um único cabo de dois condutores.

2.2.4.1 – Histórico A AS-International é a organização que apoia o AS-Interface, formou-se em 1991 através de um consórcio de 11 empresas europeias que desenvolveram a norma. Hoje, esta associação está aberta a qualquer fornecedor ou utilizador desta tecnologia, abrangendo 100 empresas em todo o mundo e oferecendo mais de 600 produtos e serviços. No mercado norte-americano, a AS-i Trade Organization (ATO) existe desde 1996. Através da ATO, os seus membros podem submeter produtos AS-Interface para testes de conformidade e certificação. Em 1990 criou-se a associação ASI Verein (Alemanha) sendo a Schneider um dos membros desta associação. Em 1997 inicia-se o desenvolvimento do A2S-Interface, que permite o dobro dos dispositivos (“escravos”), estando disponível o “chip” desde 1998.

Esta tecnologia foi desenvolvida como uma alternativa de baixo custo em relação às redes de cabos convencionais e, após vários anos de utilização em diversos sectores industriais, provou ser bastante fiável [7]. O objectivo é ligar entre si, sensores e actuadores de diversos fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.   47   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum, onde se podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” “escravo”, através do qual os sensores e actuadores se ligam ao cabo AS-Interface.

2.2.4.2 – Meio físico O cabo comum é composto por dois fios, tem um perfil que evita a inversão da polaridade quando conectado a um novo membro, e não tem qualquer blindagem que o proteja de interferências electromagnéticas. Transporta simultaneamente dados e alimentação para os elementos da rede. Este cabo é habitualmente designado como “Yellow flat cable”. Para aplicações que debitam potência maior, existem versões especiais diferenciadas por cores para alimentação auxiliar, como o cabo preto (“black flat cable”, fornecendo até 30V) e o vermelho (“red flat cable”, fornecendo até 230V AC). A conexão do cabo AS-i é rápida, feita geralmente através de conectores do tipo “vampiro” que perfuram o isolamento do cabo e estabelecem o contacto com os condutores. Em caso de modificação da instalação, ao retirar um elemento da rede o cabo retorna ao seu aspecto original, pois o seu isolamento é “auto-regenerativo”. Na Figura 20 é apresentado um corte de perfil no cabo AS-i amarelo.

Figura 20 - Tipos de cabos AS-i e sua conexão rápida.

Como o cabo AS-Interface não tem blindagem, a sua imunidade ao ruído é resolvida com a codificação dos dados digitais num sinal sinusoidal com uma pequena largura de banda. Existe um filtro que elimina as frequências fora dessa largura de   48   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

banda, o que permite que o AS-Interface possa operar em ambientes com ruído eléctrico, sem haver erros de transmissão. A Topologia deste tipo de rede é uma estrutura em árvore.

2.2.4.3 – Modelo de comunicação O sistema AS-Interface utiliza apenas um “mestre” por rede para controlar a troca de dados. O “mestre” chama cada “escravo” sequencialmente e aguarda pela sua resposta. Utilizando uma transmissão de formato fixo, o AS-Interface elimina a necessidade de processos complicados de controlo de transmissão. Assim, o “mestre” consegue interrogar os 31 “escravos” e actualizar as E/S em menos de 5ms. O “mestre” verifica também a tensão na rede e os dados transmitidos. Reconhece erros de transmissão e falhas dos “escravos” e reporta estes eventos ao controlador (PLC). É possível trocar ou adicionar “escravos” durante a operação normal, sem interferir com a comunicação com os outros nós. O comprimento máximo de cabo para cada “mestre” é de 100m, sem repetidores. Com repetidores, pode ir até 300m. Podem existir dois tipos de “escravos”: y O primeiro é um módulo que permite a ligação de actuadores e sensores comuns de 24 VDC. O módulo é responsável por integrar sensores comuns de 24 VDC em sistemas AS-I. Podem ser módulos IP67 ou IP20 (4 entradas e 4 saídas), para um total de 248 E/S num sistema.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

y O segundo tipo é o actuador ou sensor dedicado AS-Interface. Cada uma destas unidades gera 4 bits de entrada e 4 bits de saída. Cada um destes equipamentos tem um endereço único na rede. Como já foi referido anteriormente a troca de dados entre “mestre” e “escravo” no AS-i consiste sempre num pedido do “mestre”, seguido por uma pausa e uma posterior resposta do “escravo”, também seguida de uma pausa. A pausa do “mestre” tem que ser mantida e verificada pelo “escravo” depois de receber um pedido do “mestre” e apresenta duração de 18 a 60 µs. A pausa entre a resposta do “escravo” e o próximo pedido do “mestre” é a duração de tempo em que a rede estará livre após o fim de uma resposta do “escravo”. A especificação do “mestre” determina que a duração máxima desta pausa seja, de 12 µs em operação normal, assegurando que o tempo de ciclo será mantido. Levando-se em consideração a taxa de comunicação do AS-i (167kbit/s) e incluindo todas as pausas necessárias, chega-se a uma taxa liquida de 53.3kbit/s, gerando uma eficiência na transferência de 32%.

Figura 21 – Tempo de transição no AS-i.

  A duração desta pausa pode ser alongada até 500 μs desde de que o tempo de ciclo não exceda os 5 ms. O aumento do tempo de ciclo pode ser feito em sistemas com menos de 31 “escravos”, de forma que o “mestre” o utilize no processamento interno das funções de controlo. As tramas enviadas por “mestres” e “escravos” apresentam tamanhos diferentes, sendo que a trama do “mestre” contém 14 bits e a do “escravo” 7 bits. A estrutura destas tramas pode ser vista na Figura seguinte.

Figura 22 – Estrutura de uma trama AS-I

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

A descrição dos campos da trama de requisição do “mestre” é feita a seguir:

• ST (Start Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Tem sempre valor lógico 0.

• SB (Bit de controlo) - Identifica o tipo de comando, 0 para troca de dados, escrita de valores parâmetro ou atribuição do endereço, e 1 para comandos.

• A0 a A4 - Endereço; Deve conter o endereço do “escravo” a ser requisitado. • I0 a I4 - Dependendo o tipo da requisição do “mestre”, este campo pode conter até 5bits de informação.

• PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits “1”, excepto os bits de início e fim, deve ser par.

• EB (Stop bit) - Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1. Para o “escravo”, temos:

• ST (Star Bit) - Identifica o início do trama de requisição do “mestre”. Sempre valor lógico 0.

• I0 a I4 - Dados; Informação em 4bits, geralmente ligada a valores discretos de entrada ou saída. Para valores analógicos o valor obtido pelo A/D do “escravo” será repartido em várias partes e transmitido através de vários ciclos.

• PB (Bit de paridade) - A soma de todos os bits 1 deve ser par, sem contabilizar o start bit e o stop bit

• EB- Stop bit; Identifica o fim do trama. Sempre valor lógico 1. Existem nove tipos diferentes de mensagens AS-i, duas para dados e parâmetros, duas para ajustes ou mudança de endereços de “escravos” e cinco para   51   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

identificação de “escravos” ou para verificação do seu estado. Na Tabela 1 estão listados todos os tipos possíveis e combinação de códigos de requisições do “mestre”.

Tabela 1 – Mensagens AS-I [7].

A descrição das funções apresentadas na tabela é descrita a seguir: • Data Exchange: É o tipo mais comum de mensagem. Serve para transferir dados e solicitar valores de entrada de um “escravo”. • Write parameter: Configura o comportamento do “escravo” através da escrita em parâmetros internos.   52   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Assign Address: Permite que o “mestre” atribua um novo endereço a um “escravo”. Isto é possível porque os “escravos” entram na rede com endereço 0 ou são configurados para este endereço através do comando Delete Operating Address. • Reset: Reinicia o “escravo”, colocando-o no seu estado inicial. Este comando tem o mesmo efeito que um reset forçado que pode ser feito manualmente no pino de reset do chip AS-i do dispositivo “escravo”. • Delete Operating Address: Este comando é usado para apagar o endereço de operação de um “escravo” e é usado em conjunto com o comando Assign_Address. Após o “escravo” ter reconhecido o comando, ele passa a operar com o endereço 0. • Read I/O Configuration: É usada pelo “mestre” para ler a configuração de I/O de um dispositivo “escravo”. Esta configuração segue um dos padrões indicados na Tabela 2, onde IN é a entrada de dados do processo, OUT é o ajuste para saída do dispositivo, I/O é ajustado para ter um comportamento bidireccional de entrada e saída é, por fim, o TRI significa sem configuração. Tabela 2 – Configurações de I/O, [7].

• Read ID Code: Serve para ler o código do dispositivo. Este parâmetro é definido durante a fabricação do componente e não pode ser mais mudado. Ele define o perfil daquele dispositivo (profile). Estes perfis são definidos na especificação AS-i.   53   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Read Status: Lê o buffer de estado de um “escravo”, contendo duas flags, com a seguinte descrição: · S0 volatile_address: Indica que o “escravo” está realizar uma rotina interna para armazenar o endereço permanentemente. · S3 read_error_non_volatile_memory: Erro de leitura da memória não volátil durante o procedimento de reset. • Read and Reset Status: Lê e posteriormente apaga o buffer de estado de um “escravo”. Na nova especificação AS-i 2.1 a quantidade de “escravos” participantes na rede AS-i pode ser duplicada, atingindo até 62 “escravos” sob a coordenação de um mesmo “mestre”. Isto é possível pelo uso de endereçamento duplo, no qual um mesmo endereço é dividido em A e B. Por exemplo, o endereço 5 agora precisa de um identificador a mais para nomeá-lo como 5A ou 5B. Essa técnica é chamada de Técnica A/B. Isto é possível através da utilização do quarto bit da chamada do “mestre” (D3), que deve ser reservado e não pode ser usado como um bit de informação. Desta maneira, os “escravos” que utilizam este tipo de endereçamento podem processar somente três bits de informação. O tempo de ciclo cresce para 10 ms e deve ser usado um “mestre” que obedeça à especificação 2.1. Uma rede na especificação 2.0 pode também ser suportada caso um “mestre” que obedeça a especificação 2.1 seja utilizado. Em relação ao requisito segurança, a nova versão introduziu o conceito de Safety at Work, com o objectivo de adicionar funcionalidades relacionadas à segurança pessoal e de equipamentos. Com AS-i Safety Work é possível conectar componentes de segurança (safe components), tais como chaves de emergência e barreiras de segurança directamente à rede AS-i, sem a necessidade de trocas ou expansão do sistema existente (esta função não pode ser desempenhada pelo “mestre”). O monitor acompanha o tráfego da rede, sem interferir, utilizando-o para determinar o estado de segurança dos equipamentos. Desta forma, máquinas e plantas podem ser ajustadas para um estado seguro através das saídas do monitor de segurança em caso de falha [8].

  54   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.4.4 – Exemplo da topologia Um exemplo que ilustra a aplicabilidade do AS-i é apresentado na figura 23. O “mestre” tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações das redes de nível superior, tal como Modbus, Profibus, entre outros. Pode ser utilizada uma fonte de alimentação auxiliar de acordo com necessidades de alimentação extra para módulos de I/O ou outro equipamento específico [7].

Figura 23 – Exemplo de aplicação AS-I

2.2.5 – Modbus   O Modbus é um dos protocolos mais antigos e mais utilizados em redes de automação.

É

um

tipo

de

rede

que

normalmente

aparece

no

nível

de

Campo/Processo, podendo noutras variantes, aparecer nos níveis superiores como é o caso do Modbus TCP/IP.

  55   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.5.1 – História O protocolo Modbus foi criado em 1979 pela Modicon (hoje Schneider) com o objectivo de permitir a comunicação entre controladores. A Schneider apoiou o desenvolvimento de uma organização sem fins lucrativos de utilizadores e fornecedores chamada Modbus–IDA. A organização tem por objectivo desenvolver o protocolo modbus, evoluindo a arquitectura de endereçamento para sistemas de automação distribuídos em diferentes segmentos de mercado, partilhar a informação relativa aos protocolos e a certificação de dispositivos no sentido de simplificar a sua aplicação por parte dos utilizadores [7].

2.2.5.2 – Meio físico   O protocolo Modbus permite uma fácil implementação de comunicações em vários tipos de arquitecturas de rede. Podem ser utilizados vários meios físicos, tais como RS232, RS485 e Ethernet (Figura 24).

Figura 24 – Arquitectura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus

  56   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Atendendo aos diferentes meios físicos podemos dividir o protocolo Modbus em três vertentes: • MODBUS é usado para comunicação entre PLCs e destes, com os dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos electrónicos inteligentes como relés de protecção, controladores de processo, actuadores de válvulas, transdutores de energia entre. O meio físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo “mestre”-”escravo”. Esta vertente apenas permite um único “mestre” e vários “escravos”. • MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e autómatos. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão Ethernet com controlo de acesso ao meio por CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Permite utilizar vários “mestres” e vários “escravos”. • MODBUS PLUS (é propriedade da Schneider e não pertence a comunidade Modbus-Ida) é usado para comunicação de autómatos entre si, módulos de E/S, arrancadores suaves de motores, interfaces homem máquina, entre outros. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps, controlo de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control). Permite também a utilização de vários ““mestre”s” e vários “escravos”. A Topologia de rede também difere consoante a vertente, sendo que no MODBUS PADRÃO e no MODBUS PLUS a topologia usada é em barramento e no MODBUS TCP/IP a topologia é em estrela [9].

2.2.5.3 – Modelo de Comunicação

A aproximação Modbus ao modelo OSI (Open Systems Interconnection) aparece ao nível das camadas 1, 2 e 7, respectivamente camada física, ligação e aplicação:

  57   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Nível fisico (nível 1): Par entrançado, máximo de 19200 bits/s, RS232/RS485/Anel de corrente. • Ligação de dados (nível 2): Acesso à rede por mecanismo tipo “mestre”/”escravo”. Controlo de erros por CRC16 (Modo RTU). Num método de acesso tipo “mestre”/”escravo”, a iniciativa do envio de mensagens está restringida ao “mestre”. Se uma resposta fôr requerida, os “escravos” respondem à solicitação do “mestre”, ou então limitam-se a executar as acções pedidas pelo “mestre”. O “mestre” pode dirigir-se individualmente aos “escravos”, ou difundir mensagens dirigidas a todos os “escravos” (Broadcast), inserindo nas mensagens o endereço 00. • Aplicação (nível 7): definiram-se neste nível as funções de leitura e escrita de variáveis (bits, Words, E/S), diagnóstico e estatísticas de ocorrência da rede.

Figura 25 – Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI

O protocolo Modbus é baseado num modelo de comunicação “mestre””escravo”, onde um único dispositivo, o “mestre”, pode iniciar transacções denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (“escravos”) respondem, disponibilizando os dados requisitados pelo “mestre” ou executando uma acção por ele comandada. Geralmente o “mestre” é um sistema de supervisão ou um autómato de gama alta e os “escravos” são autómatos de gama igual ou inferior a do “mestre”.   58   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Quando se utiliza uma comunicação série, o “mestre” e os “escravos”, não podem alternar de funções, mas noutros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambas as funções, embora não simultaneamente, ou seja, um “mestre” pode passar a “escravo” e um “escravo” a “mestre”. O funcionamento é simples, o “mestre” envia uma ordem e espera uma resposta. Os “escravos” não podem dialogar simultaneamente e o polling é feito pelo utilizador. Existem duas normas para MODBUS: • RTU (Remote Terminal Unit) (o mais utilizado e com o melhor desempenho): Caracteres codificados com 8 bits + 1 bit de paridade • ASCll (American Standard Code for Information Interchange): Caracteres codificados em 7 bits + 1 bit de paridade O Formato das tramas é o descrito a seguir: • Modo ASCII Start 1 Carácter

Endereço 2 Caracteres

Função 2 Caracteres

Dados N Caracteres

LRC 2 Caracteres

End 2 Caracteres

Figura 26 – Trama de transmissão Modbus ASCII

• Modo RTU Start Silêncio

Endereço 2 Bytes

Função 2 Bytes

Dados N Bytes

CRC 2 Bytes

End 2 Bytes

Figura 27 – Trama de transmissão Modbus RTU

A ADU (apliccation data unit) é a trama criada pelo “mestre” que inicializa a comunicação e tem o formato apresentado na figura 28.

  59   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O “mestre” pode estabelecer uma comunicação de duas formas: • Unicast mode: O “mestre” envia uma mensagem para um determinado “escravos”. Após receber e tratar a mensagem o “escravo” envia uma resposta para o “mestre”. • Broadcast mode: O “mestre” envia uma mensagem para todos os “escravos” (Colocando o Nº do “escravo” = 0). Todos os “escravos” executam a mensagem mas não é enviada qualquer resposta para o “mestre”.

Os “escravos” podem ter endereços compreendidos entre 1 e 257, não podendo existir “escravos” com endereços repetidos. O “mestre” não possui endereço.

Nº do “escravo”

Código da Função

Informação

Controlo C.R.C.

1 Byte

1 Byte

N Bytes

2 Bytes

Å

Æ

ADU

Figura 28 – Formato da trama enviada pelo “mestre”

A trama de resposta é criada pelo “escravo” que foi solicitado e tem o formato apresentado na figura 29.

Nº do “escravo”

Código da Função

Informação

Controlo C.R.C.

1 Byte

1 Byte

N Bytes

2 Bytes

Å

PDU

Æ

Figura 29 – Formato da trama enviada pelo “mestre”

A verificação de erros no trama em RTU é feito através do método CRC (Cyclical Redundancy Checking) e no ASCII é o método LRC (Longitudinal Redundancy Checking).   60   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O tamanho da PDU (Protocol Data Unit) representa o código da função e a respectiva informação relativa a função requisitada pelo “mestre”, tendo um tamanho máximo de 256 Bytes. A lista de algumas das funções mais usadas no MODBUS está representada na tabela 3: Tabela 3 – Funções Modbus Nº da Função 1 ou 2 3 ou 4 5 6 7 8 11 12 15 16

Descrição Leitura de bits (1- Entradas, 2- Saídas) Leitura de palavras (3- Entradas, 4- Saídas) Escrita de bits Escrita de palavras Leitura rápida de 8 bits Diagnóstico de trocas Leitura contador de eventos Leitura Buffer Trace Escrita múltipla de bits Escrita múltipla de palavras

O MODBUS TCP/IP foi lançado em 1999, e foi o primeiro protocolo aberto a utilizar o TCP/IP sobre ethernet. O protocolo Modbus TCP/IP não é mais do que o protocolo Modbus RTU encapsulado numa trama TCP/IP. A construção da mensagem do protocolo Modbus em determinado meio físico é realizada com a introdução de campos adicionais ao PDU. O “mestre” que inicia a comunicação constrói a PDU ao qual adiciona os campos necessários à transmissão da mensagem no meio em questão.

Figura 30 – Formato da trama Modbus TCP/IP

  61   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Em Modbus TCP/IP um campo específico é acrescentado ao PDU do Modbus. Este campo tem o nome de “MBAP Header” (Modbus Application Protocol Header). No MBAP header, é incluída informação do comprimento da frame para que o receptor possa identificar os limites da mensagem mesmo que esta tenha sido dividida em vários pacotes. O endereço do “escravo” é substituído por um unit identifier no MBAP Header [9]. O MBAP header contém os seguintes campos: • Transaction Identifier. Identificação da request/response. Esta identificação é criada pelo “mestre” quando envia uma request. O “escravo”, na response, utiliza a mesma identificação da request. Este campo tem o tamanho de 2 bytes. • Protocol Identifier. Identificação do protocolo utilizado quando em sistemas complexos. O Modbus é identificado com 0 (zero). Campo com tamanho de 2 bytes. • Lenght. Número de bytes que se seguem a este campo. Inclui os campos Unit Identifier e data. Este campo tem o tamanho de 2 bytes. • Unit Identifier. Identificação do “escravo” ao qual se destina a mensagem caso este esteja conectada à rede através de uma gateway, isto é, ligada em suporte físico diferente do master. Este campo tem o tamanho de 1 (um) byte.

2.2.5.4 – Exemplo da topologia No exemplo ilustrado na figura 31 encontra-se uma rede com diferentes vertentes de Modbus, onde nos níveis de gestão e supervisão é usado o protocolo modbus TCP/IP no meio físico Ethernet e nos níveis inferiores de sensores/actuadores é usado o modbus RTU/ASCII usando como meio físico o RS485.   62   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Figura 31 – Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus

 

2.2.6 – Profibus DP O Profibus é um dos protocolos mais difundidos na Europa e na América. As suas capacidades em termos de velocidade, distância e gestão de dados são adequadas ao controlo de processos, linhas de montagem e manuseamento de materiais [7]. Na pirâmide CIM, este protocolo aplica-se no nível de campo/processo. No entanto como se vai verificar a seguir existem soluções Profibus para o nível de Entradas/Saídas e para o nível de Controlo.

2.2.6.1– Histórico A norma Profibus foi introduzida em 1987 como resultado de um projecto de pesquisa alemão envolvendo 21 empresas e institutos de pesquisa. Evoluiu para 3 implementações no início dos anos 90. PROFIBUS é acrónimo de Process FIeld BUS.   63   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

É um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Existem três perfis de Profibus e podem coexistir numa mesma rede. • Profibus FMS (Sistema de Mensagens de Campo) • Profibus DP (Periféricos Descentralizados) • Profibus PA (Automação de Processo) Para além destes podemos ainda considerar o ProfiNet que não é mais do que Profibus sobre Ethernet. No entanto, apenas se abordará o mais utilizado que é o perfil Profibus DP [7].

2.2.6.2 – Meio Físico O meio físico é baseado na norma RS485 usando um par trançado com blindagem em malha e as taxas de transmissão vão de 9600bps a 12Mbps. A topologia física é uma estrutura em barramento com terminadores. Cada segmento poderá ter até 32 dispositivos, e usando no máximo quatro repetidores, pode-se ter até 126 dispositivos. Importante salientar que a taxa de transmissão é inversamente proporcional ao comprimento do cabo como se verifica na tabela 4.       Tabela 4 – Comprimento do cabo em função da velocidade de transmissão Baud rate (kbit/s)

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

2000

Comprimento / Segmento (m)

1200

1200

1200

1000

400

200

100

  64   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.6.3 – Modelo de comunicação O Profibus DP é a versão com desempenho optimizado, especificamente dedicado

a

comunicação

entre

sistemas

de

automação

e

equipamentos

descentralizados. Tanto o Profibus DP como as outras variantes são baseados no modelo de comunicação de redes OSI (Open System Interconnection) em concordância com o padrão internacional ISO 7498. Devido aos requisitos de campo, somente os níveis 1 e 2 (Na vertente FMS também é implementado o nível 7) são implementados.

Figura 32 – Aproximação do Profibus à pilha OSI

Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos: • “Mestre” DP Classe 1 (DPM1) É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os “escravos”. Os controladores lógicos programáveis (CLPs) são exemplos desses dispositivos mestres. • “Mestre” DP Classe 2 (DPM2) São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou

  65   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

sistemas de supervisão como, por exemplo, Simatic PDM, CommuwinII, Pactware, etc. • “Escravo” Um “escravo” DP é um dispositivo periférico, tais como: dispositivos de I/O, actuadores, IHM, válvulas, transdutores, etc. Há também dispositivos que têm somente entrada, somente saída ou uma combinação de entradas e saídas. Aqui, ainda se pode citar os “escravos” PA, uma vez que são vistos pelo sistema com se fossem “escravos” DP.

Figura 33 – Exemplo de uma rede Profibus DP

O controlo de acesso ao meio pode ser feito de três formas: • TOKEN RING entre os “mestres” (classes 1 e 2). • “MESTRE”-”ESCRAVO” entre os “mestres” e os “escravos”. • Misto entre os dois referidos anteriormente Existem três versões do Profibus DP (DP-v0, DP-v1 e DP-v2), na DP-v0 o “mestre” pode estar em três estados de operação: • Operate (Ler entradas e Escrever saídas), • Clear (Ler entradas, saídas em condição segura), • Stop (Diagnósticos e ajuste de parâmetros).   66   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O estado pode ser controlado localmente ou pelo dispositivo de configuração (“mestre” classe 2). A comunicação entre o “mestre” e os seus “escravos” tem quatro funções: • Escrever as saídas dos “escravos” (até 244 bytes por escravo). • Ler as entradas dos “escravos” (até 244 bytes por “escravo”). • Escrever os parâmetros de configuração nos “escravos”. Por exemplo, definir se uma entrada analógica é de 4-20mA ou 0-10V. • Ler os diagnósticos dos “escravos”; por exemplo falha em uma entrada analógica por corrente igual a 0mA. O “mestre” envia ciclicamente uma mensagem para cada “escravo” e este devolve os valores das entradas lidas dos seus módulos de entradas. Sempre que é reposta a energia por alguma falha, os parâmetros de configuração são reescritos nos respectivos “escravos”. Quando um “escravo” tem diagnósticos para informar o “mestre”, é activado um bit na sua trama de resposta cíclica, permitindo assim ao “mestre” executar a leitura de diagnóstico na próxima oportunidade. Quando um “escravo” deixa de receber requisições do “mestre” por tempo superior ao watchdog, este altera o seu estado para “Clear”. A versão DP-v1 Inclui a capacidade de transmissão de dados esporádica (acíclicas) e a parametrização e calibração de dispositivos com a rede em funcionamento. Na versão Profibus DP-v2 é possível a comunicação entre “escravos” usando mensagens de “broadcast” sem a participação do “mestre” o que reduz tempo de resposta na rede em até 90%.

  67   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

A gestão da comunicação é feita pelas funções do nível 2, onde são especificadas tarefas de controlo de acesso ao barramento, as estruturas das tramas de dados, serviços básicos de comunicação e muitas outras funções. As tarefas do nível 2 são executadas pelo FDL (Fieldbus Data Link) e pelo FMA (Fieldbus Management), sendo que o primeiro é responsável pelas seguintes tarefas: • Controlo de acesso do barramento (MAC-Medium Access Control). • Estrutura dos telegramas, • Segurança dos dados, • Disponibilidade dos serviços de transmissão de dados: - SDN (Send Data with no acknowledge), - SRD (Send and Request Data with reply). O FMA prevê várias funções de gestão, como por exemplo: • Configuração de parâmetros de operação. • Relatório de eventos. • Activação dos pontos de acesso de serviços (SAPs). As SAP definem o tipo de serviço que, no caso do Profibus DP, usa apenas as SAP de 54 a 62 e a SAP Default, cuja a sua designação se pode ver na tabela 5. Tabela 5 – Tabela de serviços do profibus DP

SAP SAP default SAP54 SAP55 SAP56 SAP57 SAP58 SAP59 SAP60 SAP61 SAP62

Descrição troca de dados Comunicação “mestre”-”mestre” mudança de endereço de estação Leitura de entradas (Rd_Inp) Leitura de saídas (Rd_Out) Comandos de controlo para “escravo” DP Leitura de configuração (Get_Cfg) Leitura de diagnóstico (Slave_Diagnosis) Transmissão de parâmetros (Set_Prm) Verifica a configuração (Chk_Cfg)

  68   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O PROFIBUS utiliza subconjuntos diferentes dos serviços do nível 2 em cada um de seus perfis (DP, FMS, PA), como se pode verificar na tabela 6.

Tabela 6 – Serviços do PROFIBUS (nível 2). SERVIÇO SDA

SRD

SDN

FUNÇÃO Send Data with Acknowledge (Envia dados com confirmação) Send and Request Data with reply (Envia e recebe dados com resposta) Send Data with No acknowledge (Envia dados sem confirmação)

DP

FMS

PA

não

sim

não

sim

sim

sim

sim

sim

sim

não

sim

não

Cyclic Send and Request Data with reply CSRD

(Envia e recebe dados ciclicamente com resposta)

No entanto, como se pode verificar na tabela, no perfil DP apenas são usados os serviços SRD e SDN [10]. Como já foi referido o FDL (Fieldbus Data Link) é que define o tipo de tramas, podendo estas ser: • Tramas sem campos de dados (6 bytes de controlo); • Tramas com um campo de dados de comprimento fixo (8 bytes de dados e 6 de controlo); • Tramas com campo de dados variável (de 0 a 244 bytes de dados e de 9 a 11 de controlo); • Reconhecimento rápido (1 byte); • Trama de token para acesso ao barramento (3 bytes).

  69   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Figura 34 – Formato das tramas profibus

  Para controlar a rede, o “mestre” deve conhecer toda a informação sobre os equipamentos, os endereços, configuração de E/S e parâmetros de operação. Cada equipamento deve ter um ficheiro com a sua descrição única GDS (Generic Data Slave)

para

descrever

as

funcionalidades,

características

e parâmetros

de

configuração desse equipamento [7]. O ficheiro GDS contém a seguinte informação: • Número de identificação • Nome do fornecedor • Nome do equipamento • Parâmetros de “escravo” • Parâmetros de configuração de E/S • Velocidade de transmissão suportada • O utilizador precisa de especificar: • Endereço da estação • Configuração E/S • Parâmetros seleccionados • Velocidade de transmissão de dados

  70   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

É usada uma ferramenta de configuração para combinar o ficheiro GDS e a informação do utilizador numa base de dados “mestre” que é utilizada para estabelecer a comunicação e iniciar a troca de dados com os dispositivos “escravo” Profibus.  

Figura 35 – Exemplo de aplicação dos ficheiros GDS

2.2.6.4 – Exemplo da topologia   No exemplo seguinte está representado o exemplo de uma rede Profibus, com um “mestre” DP de classe 1, um “mestre” Profibus FMS, e um “mestre” DP de classe 2, com um conjunto de dispositivos “escravos” numa estrutura de rede em barramento, que inclui um repetidor para aumentar o seu comprimento.

Figura 36 – Exemplo de Rede Profibus

  71   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.7 – Controller Area Network (CAN) O CAN é um protocolo aberto, muito utilizado na indústria em geral, devido ao seu baixo custo. CAN é um bus de comunicação “multi-mestre”, em que a comunicação é feita por eventos, o que reduz o tráfego na rede. Possíveis conflitos são evitados através de uma definição de níveis de prioridade. Todos os participantes têm os mesmos direitos, por isso é possível configurar uma rede sem “mestre”. Existem algumas variantes do CAN, nomeadamente o CANopen, e o DeviceNet. É considerado por muitos, um protocolo nuclear, confirmado pelo crescente número de equipamentos que comunicam ou têm possibilidades de comunicar em CAN. É um protocolo muito interessante do ponto de vista de funcionalidades e desempenho. Na pirâmide CIM, o CAN situa-se no nível mais baixo da pirâmide, sendo um protocolo de aplicação no nível das Entradas/Saídas. É usado na interligação de sensores e actuadores, diminuindo consideravelmente o número de cabos condutores na instalação.

2.2.7.1 – Histórico A rede CAN surgiu na área Automóvel no âmbito da crescente necessidade da segurança, conforto, e na diminuição da poluição e consumo. Desta forma a Bosch em 1986, desenvolveu a tecnologia para interligar todos os sensores e actuadores constituintes do automóvel. As especificações da tecnologia foram publicadas em 1991. Em 1992 surgiu a associação CiA (CAN in Automation), que em 1995 criou o CANOpen, sendo uma versão melhorada do CAN.   72   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.7.2 – Meio Físico O CAN utiliza um cabo par entrançado, com dois pares (blindado ou não); CAN-H,CAN-L, CAN-GND. Suporta até 32 nós por barramento, beneficia de grande robustez, uma vez que funciona mesmo com um dos condutores corrompido. A sua topologia é em barramento com um sinal diferencial em dois condutores e um comum. O cabo pode incluir também 2 condutores extra para alimentação. A rede CAN suporta débitos até 1Mb/s num cabo com o comprimento máximo de 40 metros. Como nas redes anteriormente referidas, também aqui a velocidade é inversamente proporcional ao comprimento do cabo, como se pode verificar na tabela 7. Tabela 7 – Relação entre velocidade e comprimento do cabo Velocidade (kbit/s)

10

125

250

500

Comprimento

6000

500

200

100

Não existe nenhum tipo de conector normalizado, no entanto os mais usados são o SUB D de 9 pinos que é o proposto pela CiA e o Mini-C de 5 pinos, usado pela DeviceNet.

Figura 37 – Tipos de conectores CAN

  73   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.7.3 – Modelo de comunicação A aproximação CAN ao modelo OSI (Open Systems Interconnection) aparece ao nível das camadas 1 e 2.

Figura 38 – Aproximação do CAN à pilha OSI

Numa rede CAN quando são transmitidos dados, nenhuma estação é directamente endereçada. O endereçamento é orientado ao conteúdo, ou seja as mensagens são enviadas a todas as estações da rede e, cada estação é que determina se os dados enviados são ou não relevantes para si. Se os dados forem relevantes a estação faz o processamento dos mesmos, caso contrário, descarta os dados. Este tipo de endereçamento permite grande flexibilidade, uma vez que torna possível adicionar ou retirar qualquer elemento da rede sem qualquer alteração física ou conceptual. Como neste tipo de rede, todos podem ser “mestres” e “escravos” simultaneamente, são definidas prioridades, pois existem dados que variam mais   74   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

depressa do que outros, desta forma as prioridades são definidas durante a especificação do sistema, não podendo ser alteradas dinamicamente. As prioridades são escritas sob a forma de um valor binário onde o valor menor corresponde a maior prioridade. A comunicação de dados é feita através do método CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection), com Non-Destructive Bitwise Arbitration que soluciona os problemas de colisões. Através destes métodos, todas as mensagens são transmitidas com um bit recessivo e outro dominante. No caso de haver duas estações a enviar dados em simultâneo, será enviada a mensagem com maior prioridade, passando a segunda estação à escuta, no caso do destino da mensagem com maior prioridade ser para esta. Deste modo, após a linha estar livre, a segunda estação envia a sua mensagem, pois era a que possuía uma menor prioridade em relação à outra. No protocolo CAN existem duas versões, CAN 1.0 e o CAN 2.0, sendo o CAN2.0 completamente compatível com a versão 1.0. Na versão 2.0 existem duas variantes, sendo a 2.0A normalizada e a 2.0B estendida. Os identificadores são de 11 bits tanto na versão 1.0 como na versão 2.0A. Nas versões 2.0B os identificadores podem ter 29 bits (versão 2.0B activo) ou 11 bits (versão 2.0B passivo) para garantir a compatibilidade com as versões anteriores. Desta forma os dispositivos CAN do tipo 2.0B Activo podem receber e enviar tramas tanto do formato normalizado como do formato estendido. Os dispositivos com versões 2.0B passivos recebem tramas das versões normalizadas, e ignoram as tramas da versão estendida. Os dispositivos da versão 1.0 geram erros sempre que recebem uma trama do formato estendido [4]. A transferência de pacotes de dados sobre a rede CAN é realizada através de um conjunto de quatro tipos de tramas: • Trama de dados (Data Frame) – transporta pacotes de dados,   75   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Trama remota (Remote Frame) – esta Trama é emitida para pedir a transmissão de uma data Frame com o mesmo identificador. • Trama de erros (Error Frame) – transmitida por uma unidade que detecte um erro na rede, • Trama de sobrecarga (Overload Frame) – enviada para separar, tramas de dados remotas seguidas No entanto, como este é o mais importante, só é referido e ilustrado a trama de dados que está representada na figura seguinte.

Figura 39 – Formato de uma trama CAN

A trama é constituída por sete campos, os quais se descrevem a seguir: • Início de trama (Start of Frame – SOF) – este campo marca o início da trama e é composto um único bit. Todas as estações CAN devem-se sincronizar com a transição de recessivo a dominante deste bit. • Campo de arbitragem (Arbitration Field) – este campo está dividido em duas componentes. A primeira constitui o identificador que estabelece a prioridade e a sua identidade. A segunda componente é o bit de indicação de transmissão remota (Remote Transmit Request - RTR) (Uma trama remota é emitida sempre que um nó necessita de informação de outro e não contém qualquer informação no campo de dados). O estado dominante deste bit indica que a trama é de dados, se o estado for recessivo indica uma trama remota. • Campo de controlo (Control Field) – este campo da trama está dividido em três componentes. A primeira é formada pelo bit IDE1 (IDentifier Extension). Quando este bit toma o estado dominante indica uma trama na versão 2.0A; o   76   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

contrário indica uma trama da versão 2.0B. A segunda componente representa um bit reservado para futuras versões CAN. A terceira componente é o DLC (Data Length Code) que é composto por quatro bits, que indicam o número de bytes transportados no campo de dados. • Campo de dados (Data Field) – este campo contém os dados úteis à camada de aplicação. O número de bytes está compreendido entre 0 e 8. • Campo de CRC (CRC Field) – este campo é utilizado para validação das mensagens transmitidas e contém um CRC (Cyclic Redundancy Check) de 15 bits, terminando com um bit recessivo que o delimita. • Campo de confirmação (Acknowledged Field) – este campo é utilizado para o transmissor ser informado da correcta recepção, por uma ou mais estações pertencentes à rede. O procedimento desta operação consiste na imposição do estado dominante pelas estações receptoras no bit ACK, que é sempre transmitido no estado recessivo. Este campo é delimitado por um bit recessivo. • Fim da trama (End of Frame) – a trama de dados termina com uma sequência de sete bits recessivos sem stuff – bit (bit de sincronização durante as comunicações) [12].

 

2.2.7.3 – Exemplo da topologia   Meramente como exemplo segue-se uma possível aplicação, onde está representado um autómato Modicon Premium a utilizar o protocolo CAN na comunicação com dois variadores de velocidade, módulos de entradas/saídas e interfaces para ligação a sensores comuns [7].

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Figura 40 – Exemplo de uma aplicação usando o protocolo CAN

2.2.8 – Ethernet TCP/IP A popularidade, desempenho, baixo custo e a comunicação com os PC´s tornou a Ethernet [13] atractiva para aplicações industriais. Atendendo a extensão do protocolo Ethernet, apenas será feita uma breve referência a este protocolo, para que posteriormente seja possível perceber a aplicação prática.

2.2.8.1 – Histórico   A Ethernet teve origem em 1973, desenvolvida pela Xerox no centro de pesquisa Palo Alto Research Center [7]. Em 1979 deu-se o desenvolvimento das normas pelo consórcio DIX (consorcio criado em 1980 para o desenvolvimento de novas tecnologias), tendo posteriormente os seguintes desenvolvimentos:   78   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• 1980: especificação da Ethernet 10Mbps • 1982: norma Ethernet 802.3 • 1993: especificação da Ethernet 100Mbps • 1996: uso generalizado da Ethernet 100Mbps • 1998: normalização Gigabit Ethernet

 

2.2.8.2 – Meio Físico

A Ethernet Industrial é semelhante à Ethernet comum, mas desenhada para utilização em fábrica, ou seja, mais robusta em termos de componentes e testes, respeitando índices de protecção mecânica adequados a aplicações industriais. A ligação entre equipamentos pode ser feita através de diversos meios físicos, nomeadamente em cobre ou fibra óptica. Na tabela 8 apresentam-se os meios físicos possíveis, indicando-se o tipo de cabo, conectores e velocidades correspondentes [7]. Este tipo de rede pode ser utilizada em qualquer caso prático que exija redes entre PLC’s e sistemas de supervisão. De salientar que uma rede Ethernet industrial, que interliga sistemas de automação, não deve ser utilizada para outros fins, como redes de informática ou sistemas de vídeo vigilância, de forma a garantir a sua eficiência na transferência de dados entre autómatos, garantir a máxima segurança e para não sobrecarregar o meio físico. Para estruturar uma rede Ethernet são utilizados diversos componentes: • Hubs: são utilizados para interligar 2 ou mais segmentos ou equipamentos Ethernet. Podem também servir para aumentar a distância máxima do segmento (funciona como repetidor, amplificando o sinal). Um hub recebe qualquer sinal e retransmite-o a todas as portas.   79   

CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• Switches: fazem um encaminhamento inteligente das mensagens, dividindo a rede em domínios de colisão, o que vai permitir reduzir o tráfego na rede geral. Não retransmite as mensagens a todas as portas, mas apenas àquela onde estará o receptor da mensagem. • Routers: é um equipamento com duas ou mais interfaces para duas ou mais redes. Interligam diferentes LAN’s, filtrando as mensagens pelo seu endereço IP. Um router pode também ser um host (designa-se de host um computador com uma ou mais redes interligadas e que não tem a capacidade de fazer routing, isto é, não consegue fazer o transporte de um pacote IP de uma rede para outra). • Gateway: é uma porta de ligação entre diferentes sistemas, um equipamento intermédio geralmente destinado a interligar redes, separar domínios de colisão, ou mesmo traduzir protocolos. Uma gateway é também um host e pode ser um router. Tabela 8 – Relação entre velocidade e tipo de cabo Tipo

Velocidade

10BASE-T 100BASE-TX 1000BASE-T

10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s

10BASE-FL

10 Mbit/s

100BASE-FX

1000BASE-SX

1000BASE-LX

100 Mbit/s

1 Gbit/s

Velocidade Cabo (802.3) CAT 3-UTP CAT 5-UTP CAT 5-UTP Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm

Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou 50/125 ηm, 770 a 860 nm

1 Gbit/s

Cabo Recomendado CAT 5E-STP CAT 5E-STP CAT 5E-STP Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm, 1300nm Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou monomodo 9/125 ηm, 1300nm Fibra óptica multimodo 62.5/125 ηm ou 50/125 ηm, ou monomodo 9/125 ηm 770 a 860 nm

Ficha (802.3) RJ45 RJ45 RJ45 ST

ST SC como opção

SC LC como opção

LC

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O número máximo de equipamentos por rede (LAN) é de 1024 (ao utilizar um router pode criar novas redes).

2.2.8.3 – Modelo de comunicação Ethernet é uma rede em que o acesso ao meio é feito através do método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Se dois nós em diferentes localizações tentam enviar dados ao mesmo tempo, o resultado será uma colisão dentro do meio físico. Se existir essa colisão, as mensagens são destruídas e a cada nó é atribuído um período de espera até voltar a tentar a emissão da mensagem de novo. Existem regras para evitar conflitos na rede e proteger a integridade dos dados. Um nó pode “escutar” a rede para ver se outro nó está a transmitir e assim determinar se deve transmitir nesse instante. Algumas organizações desenvolveram, a partir dos seus protocolos, níveis de aplicação para Ethernet TCP/IP. Presentemente, os mais conhecidos são: • Modbus/TCP (Modbus sobre TCP/IP) • EtherNet/IP (ControlNet/DeviceNet sobre TCP/IP) • Foundation Fieldbus High Speed Ethernet • Profinet (Profibus sobre Ethernet)

Existem alguns serviços universais em Ethernet, dos quais se descrevem alguns a seguir: • HTTP “Hipertext Transfer Protocol”- Este serviço é utilizado para transmitir páginas Web entre um servidor e um browser. O Http é utilizado na Web desde 1990.

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

• DHCP “Dynamic Host Configuration Protocol”- Este serviço é utilizado para atribuir automaticamente endereços IP a equipamentos numa rede, evitando ter de gerir os endereços de cada equipamento individualmente. A Telemecanique utiliza este serviço para implementar o serviço FDR “ Faulty Device

Replacement”,

para

substituição

de

um

equipamento

automaticamente. • FTP “File Transfer Protocol”- Este serviço permite uma transferência básica de ficheiros. Muitos sistemas utilizam este serviço para troca de ficheiros entre equipamentos. • NTP “Network Time Protocol”- serviço utilizado para sincronizar relógios de alguns equipamentos de rede, com precisão na ordem dos milissegundos para uma LAN (Local Area Network) e das dezenas de milissegundos para uma WAN (Wide Area Network). • SMTP “Simple Mail Transfer Protocol”- Este serviço serve para transmissão de e-mail. É utilizado para enviar mensagens entre um emissor e um receptor via servidor de mail SMTP. • SNMP “Simple Network Management Protocol”- Este serviço permite gerir de forma simples os equipamentos de uma rede, através de um único sistema. Permite ao gestor da rede ver o estado da rede e equipamentos, modificar a sua configuração e ver os alarmes em caso de falha. • COM/DCOM “Distributed Component Object Model”- Tecnologia usada nos componentes Windows que lhes permite comunicar de modo transparente. Esta é a tecnologia utilizada no servidor de dados OPC. • Modbus TCP/IP- O Modbus TCP/IP, permite encapsular as tramas Modbus na Ethernet. Reconhecido mundialmente, foi-lhe atribuído um porto específico de serviço Ethernet: 502. É o protocolo de maior difusão Ethernet no meio industrial, sendo hoje já um protocolo normalizado. Permite a utilização de

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CAPITULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

anéis (redundância) com equipamento específico. É um protocolo totalmente livre, cujas especificações podem ser encontradas em www.modbus-ida.org . • IO Scanning- Este serviço é utilizado para gerir as trocas com E/S (entradas / saídas) distribuídas, numa rede Ethernet, sem necessidade de programação especial. • FDR “Faulty Device Replacement”- Utiliza o BOOTP/DHCP, com o objectivo de simplificar a manutenção dos equipamentos em Ethernet. Permite que um equipamento em falha seja substituído por um novo, garantindo a sua detecção, reconfiguração e inicialização automática do sistema, sem necessidade de intervenção manual. • Global Data- Este serviço assegura trocas de dados em tempo real entre os diversos equipamentos, que pertençam ao mesmo grupo. É utilizado para sincronizar aplicações remotas, ou partilhar uma base de dados comum entre diversas aplicações distribuídas.

2.2.8.4 – Exemplo de Aplicação Este exemplo consiste em 3 autómatos ligados em rede usando o protocolo Modbus TCP/IP, onde existe uma estação de trabalho a supervisionar o sistema e uma consola que permite a alteração de alguns parâmetros por parte de um operador.

Figura 41 – Exemplo de uma aplicação usando Ethernet

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3 – Aplicação prática A aplicação prática de alguns dos conceitos teóricos referidos anteriormente foi feita na implementação do sistema de automação da ETAR de Moldes. Neste capitulo é explicado o funcionamento do sistema, indicando quais os materiais utilizados, a arquitectura de rede, a implementação e colocação em funcionamento do sistema.

3.1 – Organização e Funcionamento Como já foi referido anteriormente, numa ETAR as águas residuais passam por vários processos de tratamento com a finalidade de separar ou diminuir a quantidade da matéria poluente da água.   Neste caso pratico ás águas residuais passam por dois processos, o tratamento preliminar, e o tratamento secundário. Como se pode verificar na figura 42, as águas residuais entram pela obra de entrada, onde é feita a primeira fase de tratamento, separando os sólidos grosseiros por intermédio de um crivo ou grade mecânica. Depois de passar pela obra de entrada, são encaminhadas para uma caixa, onde é possível, através de comportas, bloquear a passagem das mesmas para algum dos tanques de arejamento. Nos tanques de arejamento (tratamento aeróbico), é efectuada a segunda fase do tratamento, com o efluente retido temporariamente nos tanques de lamas activadas e em onde o ar é insuflado por meio de arejadores de superfície. Ao insuflar ar fornece-se oxigénio a água poluída e permite o desenvolvimento de organismos aeróbicos (lamas activadas) que se alimenta da matéria orgânica poluidora. Posteriormente, as águas são encaminhadas graviticamente para o decantador secundário, onde termina o tratamento.   85   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O decantador é responsável pela separação das lamas, dos sobrenadantes e da água tratada para descarregar no rio. As lamas e os sobrenadantes provenientes do decantador vão para a estação elevatória de lamas, e para a estação elevatória de sobrenadantes respectivamente. Da estação elevatória de Sobrenadantes, os respectivos são enviados através de bombagem para a caixa localizada a seguir a obra de entrada, de forma a passarem novamente pelas fazes cruciais de tratamento. Da estação elevatória de lamas, as lamas são enviadas para o espessador, e/ou para a mesma caixa onde são despejados os sobrenadantes, para fazerem a recirculação. Com isto, parte das lamas é desprezada, sendo enviadas para o espessador e a restante faz a recirculação, sendo despejadas novamente nos tanques para garantirem o tratamento aerobico. Na estação elevatória das águas de serviço armazena águas pluviais que serão usadas na rega, e no tratamento de lamas. Poderão também ser despejadas no decantador secundário para efectuar a ultima fase do tratamento ou despejadas directamente no rio. As lamas que são alojadas no espessador, são posteriormente submetidas a um tratamento na casa das lamas e colocadas num camião ou tractor para serem aproveitadas em actividades agrícolas. Electricamente a ETAR está dividida em três áreas de comando importantes: o Edifício de comando (QGBT), Casa das lamas (QP02) e as Estações elevatórias (QP03). Em cada uma das partes existe um Quadro eléctrico responsável pelo comando dos equipamentos que as constituem.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 42 – Organização da ETAR

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Os Quadros Eléctricos tem um conjunto de botoneiras que permitem ao funcionário responsável pela instalação, seleccionar o funcionamento em modo manual ou automático de cada um dos equipamentos. No funcionamento em manual, o equipamento funciona apenas por ordem do funcionário, sendo este responsável pelos tempos de funcionamento do equipamento. No modo de funcionamento automático, o sistema funciona de forma autónoma. Cada um dos quadros eléctricos contém um autómato responsável pelo funcionamento autónomo da área em que está inserido. No entanto como o funcionamento de alguns equipamentos depende dos sinais recolhidos de áreas diferentes, foi criada uma pequena rede industrial que interliga todas as áreas de forma a partilhar os sinais necessários entre os autómatos. No QGBT está uma consola que permite alterar alguns parâmetros do funcionamento autónomo da ETAR, possibilitando o ajuste do programa de controlo às diferentes circunstâncias de funcionamento.    

3.1.1 – Casa de Comando   Na casa de comando, representada na figura 43, o quadro eléctrico QGBT é responsável pelo comando dos seguintes equipamentos: • Electro-válvula de entrada (EV1) • Electro-Válvula de Saída (EV2) • Válvula modulante 1 (VM1) • Válvula modulante 2 (VM2) • Válvula motorizada 3 (VM3) • Agitador 1 • Agitador 2 • Ponte Raspadora (Decantador secundário) • Grade mecânica

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

 

Figura 43 – Casa de Comando

O funcionamento autónomo dos respectivos equipamentos depende do conjunto de sensores descritos a seguir: • Sensor de caudal da entrada (SQ1) • Sensor de caudal das lamas (SQ2) • Sensor de caudal das águas de serviço (SQ3) • Sensor de oxigénio do tanque de arejamento 1 (SO1) • Sensor de oxigénio do tanque de arejamento 2 (SO2) • Bóia de nível da caixa de saída 1 (BS1), nível baixo • Bóia de nível da caixa de saída 2 (BS2), nível alto Este conjunto de equipamentos (actuadores e sensores) é responsável pelo funcionamento básico da ETAR.

Figura 44 – Quadro Eléctrico QGBT

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

A EV1, quando aberta, permite a chegada das águas residuais á ETAR, e quando fechada as águas residuais vão directamente para o ribeiro. Tanto a EV1 como a EV2 só fecham quando o nível do ribeiro é superior ao nível da caixa de saída, ou seja, por actuação da BS2. Desta forma, evita-se que numa eventual cheia do ribeiro, a água entre pela caixa de saída na ETAR. As águas residuais vão passar por um tratamento preliminar onde serão removidos os sólidos grosseiros por gradagem mecânica. A grade mecânica funciona por temporização sendo o tempo de paragem e o tempo de funcionamento configurável na consola existente no QGBT. Após este processo segue-se a remoção de areias por passagem em desarenador gravítico a montante do qual existe um descarregador tipo Parshall, de 3”, em PRFV com medidor de caudal (SQ1) por sonda de ultra-sons. No SQ1 é medido o caudal de entrada instantâneo e totalizado. O efluente pré tratado passa a segunda fase do tratamento onde é encaminhado para os tanques de Arejamento 1 ou 2, consoante a posição das comportas de guilhotina na caixa localizada a jusante da obra de entrada. Nesta fase o tratamento consiste no princípio das lamas activadas, onde o tratamento é efectuado misturando e agitando as águas residuais brutas com lamas activadas líquidas, bacteriologicamente muito activas. A degradação aeróbia da matéria orgânica realizase pela actividade biológica de uma biomassa específica. Posteriormente o efluente é conduzido graviticamente para o decantador secundário onde se dá a separação das lamas biológicas do efluente tratado e dos sobrenadantes. Estando a EV2 aberta, o efluente tratado será enviado para a ribeira e/ou para a elevatória das águas de serviço, dependendo da posição das comportas de guilhotina localizadas na caixa de saída do decantador secundário. As lamas biológicas são encaminhadas para a Estação Elevatória de Lamas por pressão   90   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

hidrostática se a válvula VM5 estiver aberta. Os sobrenadantes recolhidos pela ponte raspadora serão despejados graviticamente na elevatória dos Sobrenadantes. A ponte raspadora em modo automático funciona por intervalos de tempo, que podem ser definidos e alterados na consola existente na porta no QGBT.

3.1.2 – Estações Elevatórias   Na figura 45, é indicado o quadro eléctrico QP03, servindo de comando, para controlo das três estações elevatórias: Estação elevatória de Lamas, Estação elevatória de Sobrenadantes, Estação elevatória de águas de serviço.

Figura 45 – Quadro Eléctrico QP03

No entanto, todas as estações elevatórias são constituídas por duas bombas e quatro bóias de nível, para o respectivo controlo:

• Nível mínimo; • Nível de alternância; • Nível de reforço; • Nível de alarme.   91   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

A bóia de nível mínimo é responsável por proteger as bombas, não permitindo que as mesmas funcionem sem água no poço. Cada vez que o nível do poço atinja a bóia de alternância, arranca uma das duas bombas alternadamente. A bóia de reforço faz com que arranque a segunda bomba, ficando a trabalhar em simultâneo com a primeira, até que o nível do poço atinja a bóia de mínimo.

3.1.2.1 – Estação Elevatória de Lamas O funcionamento da E.E. (estação elevatória) de Lamas é condicionado por temporização com a recirculação de lamas ao tanque de arejamento pelas válvulas VM1 e ao espessador pela VM2, e pelo sensor de turbidez localizado no Espessador de Lamas. Para que as Lamas entrem no poço da E.E. é necessário abrir a válvula VM5. Desta forma sempre que a elevatória atinge o nível mínimo a válvula VM5 abre de forma a repor o nível até a bóia de reforço. Se por algum motivo a poço atingir o nível máximo, é enviado um sinal de alarme para o QGBT. As válvulas VM1 e VM2 são responsáveis por definir a quantidade de lamas que volta aos tanques de arejamento e a que vai para o espessador, fazendo desta forma a recirculação das Lamas. No arranque, e dado que se pretende obter um IVL de 400ml/l, a recirculação ao espessador é fechada.

 

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.1.2.2 – Estação Elevatória de Sobrenadantes Esta E.E. é abastecida pelos sobrenadantes recolhidos pela ponte raspadora, pela casa das lamas ou pela casa de banho existente na casa de comando. Sempre que a E.E. atinge o nível de alternância, faz arrancar uma das bombas, enviando os sobrenadantes para a obra de entradas / tanques de arejamento. Na eventualidade do caudal de chegada ser superior ao caudal de saída, o nível do poço atingirá a bóia de nível de reforço e arrancará a segunda bomba. Se o nível do poço atingir a bóia de máximo é enviado um sinal de alarme ao QGBT.

3.1.2.3 – Estação Elevatória das águas de Serviço A E.E. (Estação Elevatória) é abastecida por efluente tratado vindo do Decantador Secundário e por drenagem pluvial. No entanto, para que esta possa ser abastecida por via do decantador secundário é necessário ter a comporta de guilhotina aberta na caixa de saída do mesmo. O funcionamento da E.E. é idêntico a anterior, no entanto esta possui dois passadores na saída das bombas, em que um deles permite que a água seja enviada para a casa das lamas, sendo utilizada na lavagem do filtro de banda, e o outro serve para enviar a água para a caixa de saída. Enviando as águas de serviço para a caixa de saída, também é possível fazer com que a mesma volte ao Decantador Secundário passando assim pela última fase do tratamento antes de ser descarregada na ribeira, abrindo ou fechando a válvula VM4 e uma válvula de borboleta manual localizados junto a caixa de saída.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.1.3 – Casa das Lamas O funcionamento da casa das lamas consiste em preparar as lamas para poderem ser transportadas, prensando-as e desidratando-as.

Figura 46 – Casa das Lamas

A casa das Lamas é constituída pelo seguinte equipamento: • Válvula motorizada VM3; • Bomba de parafuso excêntrico p/ Lamas; • Estação de dosagem de polímero; • Bomba de polímero; • Filtro de Banda; • Bomba de Lavagem do filtro e Electro-valvula; • Tapete transportador. O destino final das Lamas será para utilização com fins agrícolas e para tal é necessário a realização de análises físico-químicas periódicas que permitam concluir se as condições limites impostas para determinados elementos são respeitadas.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Figura 47 – Quadro Eléctrico QP02

Para que isto seja possível é necessário que o funcionamento de todos os elementos descritos anteriormente respeite uma sequência de inicio e uma sequência de finalização do processo. Para iniciar o ciclo a sequência deve ser a seguinte: 1º. Sinal do sensor de manto de lamas ou comando manual, Abrir VM3 2º. Ligar Bomba de Lamas 3º. Ligar Bomba de polímeros 4º. Ligar o filtro de banda 5º. Ligar Bomba em linha ou abrir EVL 6º. Ligar o tapete transportador Para terminar o ciclo deve-se temporizar o sistema com recurso à experiência acumulada, devendo respeitar a seguinte sequência: 1º. Fechar VM3 2º. Desligar bomba de Lamas 3º. Desligar bomba de polímero 4º. Desligar a Bomba em Linha ou fechar EVL 5º. Desligar o filtro de banda 6º. Desligar tapete transportador   95   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O comando deste processo pode ser feito de três formas: • Manual • Automático com relógios existentes no quadro QP03 • Automático gerido pelo autómato existente em QP03

3.2 – Arquitectura da rede

A arquitectura de rede prevista no projecto inicial, era bastante obsoleta e consistia numa rede RS232 entre os três autómatos com uma serie de tomadas de controlo remoto espalhadas pelas infra-estruturas do edifico para ligação de uma consola de programação. Desta forma a solução passou por alterar essa rede em RS232 por uma rede Ethernet, com uma topologia em estrela, usando dois switchs de forma a manter as tomadas de controlo remoto para futura ligação de um PC para ajustar ou reconfigurar o sistema. Neste caso prático, vamos usar apenas os dois níveis mais baixos da pirâmide CIM, o nível de Entradas/Saídas e o Nível de Campo, visto que não há gestão ou supervisão. O tipo de rede a ser implementado no Nível de Campo será o Modbus TCP/IP, e no nível mais baixo para os equipamentos do tipo ON/OFF usamos as Entradas/Saídas tradicionais do autómato e para os equipamentos analógicos usamos módulos auxiliares de entradas/saídas analógicas 4-20mA. Na figura 48 está representada a rede implementada entre os três autómatos e a consola. Foram usados dois switchs para permitir a ligação entre os três autómatos e de tomadas RJ45 localizadas na casa de comando e na casa das lamas.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Estas tomadas permitem a ligação futura de mais dispositivos e a ligação de um computador para configuração do sistema via ethernet.

Figura 48 – Arquitectura de Rede

3.3 – Equipamentos Utilizados Neste subcapítulo faz-se uma apresentação dos equipamentos utilizados, descrevendo o seu objectivo, tipos de alimentação e dados utilizados no sistema de controlo. Os equipamentos foram divididos em duas partes, sendo a primeira dedicada aos equipamentos de campo e a segunda ao equipamento de controlo.

3.3.1 – Equipamento de Campo O equipamento de campo é todo o equipamento que interfere directamente no funcionamento da ETAR, nomeadamente os sensores e actuadores.   97   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.3.1.1 – Grade Mecânica   A grade mecânica, representada na figura 49, é constituída por um motor de 380V AC 50Hz, 0,37kW de arranque directo feito por intermédio de um contactor de 24V AC.

Figura 49 – Grade Mecânica

Este equipamento por questões de segurança tem uma botoneira de emergência junto do mesmo, que através de uma bobine de disparo, faz desligar o interruptor diferencial, desligando o equipamento. O rearme só pode ser feito no interior do Quadro Eléctrico QGBT. O comando em automático é temporizado, estando disponível na consola de programação do utilizador o tempo de funcionamento e o tempo de paragem. O esquema de comando está representado na figura 50, onde esta representado os sinais que são enviados ao autómato, nomeadamente, o de avaria e funcionamento. O circuito de comando está isolado do circuito de potência através de um transformador de 230/24V AC. Para os outros equipamentos foi utilizado o mesmo esquema de comando.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Figura 50 – Circuito de Comando

 

3.3.1.2 – Ponte Raspadora   A ponte raspadora (figura 51), consiste num motor trifásico de 0,5kW, com o comando e sistema de emergência descrito anteriormente.

Figura 51 – Ponte raspadora

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O funcionamento em automático é igual ao equipamento anterior, onde através da consola existente no QGBT, é possível a programação do tempo de funcionamento e paragem.

3.3.1.3 – Arejador 1 e 2   O arejador, representado na figura 52, consiste num motor trifásico com potência de 15kW e com arranque por arrancador progressivo. O circuito de comando é idêntico ao dos equipamentos anteriores, incluindo também o mesmo sistema de paragem de emergência.

Figura 52 – Arejador

Em modo automático os arejadores funcionam por temporização como os equipamentos anteriores, podendo os tempos de funcionamento e paragem ser configurados através da consola.

3.3.1.4 – Válvulas VM1, VM2, VM3 e VM4   As válvulas são motorizadas, com alimentação monofásica e de comando analógico (4-20mA). Dependendo do valor de corrente, as válvulas abrem ou fecham, em que, para 4 mA estão totalmente fechadas e a 20mA estão totalmente abertas. O comando é feito a partir da consola de programação existente no QGBT, podendo a aposição de cada uma ser ajustada em percentagem.   100   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

   

Figura 53 – Válvulas modulantes

 

3.3.1.5 – Válvulas EV1 e EV2   As válvulas EV1 e EV2, representadas na figura 54, são válvulas de guilhotina de comando pneumático. Cada válvula contém um solenoide de 230V AC. O comando dos solenoides é feito por intermédio de relés de 24V AC.

Figura 54 – Válvulas Pneumáticas

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O Relé ao alimentar o solenoide, faz com que esta permita a passagem do ar comprimido, fazendo com que a válvula feche. O comando destas válvulas pode ser feito manualmente como os equipamentos anteriores. Em modo automático, a posição (Aberto/Fechado) destas válvulas, depende de duas bóias de nível localizadas na caixa de saída.

3.3.1.6 – Válvulas EV3 A válvula EV3 é idêntica às VM1 e VM2, no entanto o seu comando é ON/OFF. Não permite posições intermédias, o seu estado é aberto ou fechado. A alimentação é 230V AC, sendo controlada por relés de 24V AC. O funcionamento pode ser manual, a partir das botoneiras existentes no QGBT, e em automático, o seu funcionamento depende dos níveis da estação elevatória de lamas, sendo a bóia de nível máximo e mínimo fazem abrir ou fechar a válvula.    

3.3.1.7 – Sensor de caudal de entrada SQ1   Este sensor de caudal é do tipo ultrasonico, como indicado na figura 55, é responsável por medir o caudal instantâneo e totalizado de entrada. É um medidor de caudal por ultra sons colocado sobre um canal de parshall, em que o valor de caudal é obtido através da altura do líquido presente no canal. Este tipo de sensores normalmente permite a medir caudal e níveis, podendo ser configurada a sua aplicação no controlador. A sua alimentação é de 230V AC 50Hz, e apresenta uma saída 4-20mA correspondente ao valor de caudal instantâneo e duas saídas a relé configuráveis.

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 55 – Sensor de caudal ultrasonico

É possível através da consola existente no QGBT verificar o valor de caudal instantâneo. No display do controlador é possível verificar o caudal instantâneo e o caudal totalizado.

3.3.1.8 – Sensores de caudal SQ2 e SQ3   Estes sensores de caudal (figura 56), são caudalímetros electromagnéticos com alimentação a 230V AC e disponibilizam uma saída analógica 4-20mA com o valor do caudal instantâneo.

  Figura 56 – Sensor de Caudal Electromagnético

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CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

É possível verificar o caudal instantâneo na consola do QGBT e no próprio controlador. O caudal totalizado só é apresentado no display do controlador. Existem alguns modelos que tem uma saída de impulsos, que por contagem desses impulsos, permite obter o caudal totalizado.

3.3.1.9 – Sondas de Oxigénio   A figura 57 apresenta, as sondas de oxigénio, que estão dentro dos tanques de arejamento, ficando os respectivos controladores junto aos tanques dentro de um armário estanque. A alimentação dos respectivos controladores é 24 VDC, ficando a cargo de uma fonte de alimentação presente no QGBT.

Figura 57 – Controladores dos sensores de Oxigénio

  Para controlo, os controladores disponibilizam uma saída analógica 4-20mA que é ligada ao módulo de entradas analógicas do autómato “mestre”. Os valores presentes no autómato são apenas informativos, pois não influenciam no controlo da ETAR.   104   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.3.1.10 – Bombas das Estações elevatórias As bombas das estações elevatórias são trifásicas com alimentação a 380V AC 50Hz, e com comando a partir de contactores. O funcionamento das mesmas é condicionado pela posição das bóias de nível existentes em cada estação elevatória.  

  Figura 58 – Poço de Bombagem

3.3.1.11 – Electro-válvula EV4   A válvula VM4 permite o acesso da água da rede pública a prensa de lamas. O seu controlo é do tipo ON/OFF. A alimentação é de 230V AC.  

3.3.1.12 – Prensa de Lamas A prensa de lamas é de alimentação trifásica, usando um variador de velocidade para ajuste da velocidade de funcionamento.  

  Figura 59 – Prensa de Lamas

  105   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Possui duas botoneiras de emergência, e 4 sensores dentro da máquina para proteger os possíveis desvios das telas interiores. O comando fica a cargo do autómato “escravo” 2 presente na casa das lamas.

3.3.2.13 – Tapete Transportador   O tapete transportador encarrega-se de transportar as lamas para um atrelado de tractor localizado na parte exterior do edifício. É movido a partir de um motor trifásico, com variador de velocidade.  

  Figura 60 – Tapete transportador

O controlo do tapete transportador é efectuado através do autómato “escravo ” 2.

 

3.3.2.14 – Estação de Dosagem e Bomba de polimentos   A estação de dosagem é de funcionamento autónomo, limitando-se a preparar o polímero para posteriormente ser adicionado as lamas aquando o funcionamento da prensa. A bomba de polímeros tem como objectivo alimentar a prensa com o polímero preparado sempre que a mesma entra em funcionamento. A bomba é de 380V AC e de comando ON/OFF feito pelo autómato “escravo” 2.   106   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 61 – Estação de Dosagem

3.3.2.15 – Sensor do manto de lamas

O sensor do manto de lamas, indicado na figura 62, permite detectar o nível de concentração de lamas no interior do espessador. A ordem de funcionamento da casa das lamas é dada por este equipamento.

Figura 62 – Sensor do manto de lamas

  A alimentação é de 230V AC e permite o ajuste da sensibilidade no controlador. O tipo de sinal enviado ao “escravo” 2 é ON/OFF.   107   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.3.2 – Equipamento de Comando Depois da pesquisa de mercado e análise das soluções encontradas, optou-se por usar como base três autómatos Telemecanique Twido com a referência TWDLCAE40DRF. Para além do preço bastante competitivo, inclui de base 40 pontos de ligação, 24 entradas (2 canais de entrada para contagem rápida e 2 canais de entrada para posicionamento com funções de PWM) e 16 saídas (14 saídas a relé e 2 saídas a transístor), uma porta serie RS232, uma porta RJ45. Como utilitários de programação inclui de base 128 temporizadores, 128 contadores e um horadatador. Poderá ter ainda mais uma porta RS232/485, e 7 módulos de entradas e saídas.

Figura 63 – Autómato Twido TWDLCAE40DRF

3.3.2.1 – Autómato “mestre”   O autómato “mestre” para além da base referenciada anteriormente, possui os seguintes módulos de expansão:

• TWDAMI8HT – Modulo de oito entradas analógicas 0-20mA/0-10V • TWDAMM6HT – Modulo de 4 entradas analógicas e 2 saídas 420mA/0-10V

  108   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O primeiro módulo recebe os sinais analógicos dos sensores de caudal e oxigénio, o segundo é para comando das válvulas motorizadas, deixando duas entradas livres para futuras utilizações.

3.3.2.2 – Autómato “escravo” 1 O autómato “escravo” 1 tem o módulo de expansão TWDMO1HT, que é um módulo de uma saída analógica 4-20mA para comando da válvula motorizada VM4.

3.3.2.3 – Autómato “escravo” 2 Este autómato tem também um módulo igual ao anterior para comando da válvula motorizada VM3.

3.3.2.4 – Consola Em vez da consola obsoleta que o caderno de encargos referia, optou-se por uma Magellis XBTN200 da Telemecanique, que permite ao responsável pela instalação alterar alguns dos parâmetros da instalação.

Figura 64 – Consola Telemecanique XBTN200

  109   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.4 – Programação   Atendendo a extensão do programa de controlo da ETAR, apenas serão referidos extractos de código referente a comunicação modbus TC/IP, e ao controlo temporizado dos equipamentos base.

3.4.1 – Programação da comunicação entre autómatos   Para a implementação do sistema, começou-se por programar a rede entre os três autómatos. Para tal foram definidos os seguintes endereços IP por cada um dos autómatos: • “Mestre” – 192.168.2.101 • “Escravo” 1 – 192.168.2.102 • “Escravo” 2 – 192.168.2.103  

  Figura 65 – Janela do Twidosoft para configuração do endereço IP do PLC

  De salientar que para definir os endereços IP de cada autómato é necessário faze-lo usando a porta série. Só depois de configurados os endereços IP é que é possível trabalhar nos autómatos sobre a rede Ethernet.

  110   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

No autómato “mestre” deve designar-se quais os endereços IP dos “escravos”. Nestes, é apenas necessário definir o endereço do próprio autómato.

  Figura 66 – Janela do Twidosoft para configuração dos “escravos”

Depois de concluída a configuração no “mestre”, surge um resumo com as características básicas da rede, como demonstra a figura 67.

  Figura 67 – Janela do Twidosoft com o resumo de configuração da rede

  111   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Depois de definidos os endereços de cada um, foi implementada a comunicação entre eles usando o protocolo Modbus TCP/IP. No entanto primeiro é necessário definir em cada autómato as áreas de memória que vamos usar para alojar os dados a partilhar entre os três autómatos. Para a implementação do sistema apenas é preciso partilhar cinco dados de cada autómato. O “mestre” terá vinte áreas de memória reservadas, e cada “escravo” terá dez, onde cinco serão para ler o “mestre” e as outras cinco serão para o “mestre” escrever, como se pode verificar nas tabelas 9 a 12.   Tabela 9 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 1 “Mestre”

“Escravo” 1

%MW10

%MW10

%MW11

%MW11

%MW12

%MW12

%MW13

%MW13

%MW14

%MW14

Os valores colocados nas posições de memória do “mestre” estarão presentes no nas posições de memória indicadas do “escravo” 1

 

Tabela 10 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de escrita no “Escravo” 2 “Mestre”

“Escravo” 2

%MW20

%MW10

%MW21

%MW11

%MW22

%MW12

%MW23

%MW13

%MW24

%MW14

Os valores colocados nas posições de memória do “mestre” estarão presentes no nas posições de memória indicadas do “escravo” 2

    112   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Tabela 11 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 1 “Escravo” 1

“Mestre”

%MW0

%MW107

%MW1

%MW108

%MW2

%MW109

%MW3

%MW110

%MW4

%MW111

Os valores colocados nas posições de memória do “escravo” 1 estarão presentes nas posições de memória indicadas do “mestre”

Tabela 12 – Áreas de memória partilhadas para a comunicação de leitura no “Escravo” 2 “Escravo” 2

“Mestre”

%MW0

%MW127

%MW1

%MW128

%MW2

%MW129

%MW3

%MW130

%MW4

%MW131

Os valores colocados nas posições de memória do “escravo” 2 estarão presentes no nas posições de memória indicadas do “mestre”

  O código responsável pela gestão da comunicação fica no “mestre”, uma vez que é ele o responsável pela gestão da comunicação. Para se conseguir comunicar entre “mestre” e “escravo”, é preciso conhecer algumas funções importantes: • EXCH3 – É a função que escreve na porta Ethernet. • %MSG3 – É a função responsável pelo controlo da comunicação Ethernet. Sempre que se realize uma transferência de dados com sucesso, o bit MSG3.D toma o valor 1 (Um).

  113   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

É necessário definir uma tabela de palavras (%MWi:L) que contém os dados a enviar/receber e a informação necessária ao controlo da comunicação, em que %MWi é o endereço da primeira palavra a enviar/receber e L é o total de palavras a enviar/receber. O tamanho máximo das tramas enviadas/recebidas é de 128 bytes (64 palavras). A tabela de palavras associada à instrução EXCH3 é composta pelas tabelas de controlo, transmissão e recepção, de salientar que todos os valores a colocar nas tabelas devem ser em hexadecimal. Na figura 68 é possível ver a rede 0, que contém a tabela de dados usada para ler as posições de memória do “escravo” 1.

Figura 68 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 1

Nos primeiros dois ramos está definida a tabela de controlo, que se explica a seguir: • %MW100 := 16#106; 01-Index do “escravo” (neste caso é 1); 06-Comprimento da tabela transmissão • %MW101 :=16#300; 03 – Offset de Recepção; 00 - Offset de Transmissão.

  114   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

De seguida vem a tabela de Transmissão: • %MW102 :=16#0103; 01:Index “escravo” (neste caso é o “escravo” 1); 03:Código função Modbus • %MW103 := 0; 0 é o endereço da primeira palavra a ler do “escravo” 1 • %MW104 := 5; 5 é a quantidade de palavras a ler

Por ultimo a tabela de recepção: • %MW105 := 16#0103; 01:Index “escravo” (neste caso é o “escravo” 1); 03:Código função Modbus (os valores presentes nesta posição de memoria são desprezados) • %MW106 := 16#0008; 00:Byte adicionado pelo Offset de Recepção; 08:Nº de bytes recebidos (os valores presentes nesta posições de memoria são desprezados) • %MW107 := XXXX; em que a XXXX é o primeiro valor lido do “escravo” 1 … • %MW111 := XXXX; XXXX é o quinto valor lido do “escravo” 1

Figura 69 – Tabela de controlo e transmissão para leitura dos dados no “escravo” 2

  115   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Na figura 70 apresenta-se a tabela de escrita no “escravo” 1.

Figura 70 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 1

Desta forma nos primeiros dois ramos esta a tabela de controlo, em que:

• %MW140 :=16#112; 01- Transmissão/Recepção; 12- valor correspondente a 8+2*N (N é o numero de palavras a transmitir), neste caso N=5, logo 8+2*5=18 que em hexadecimal é 12.

• %MW141 :=16#7; 00- Offset de recepção; 07- Offset de transmissão Nos próximos ramos temos a tabela de transmissão:

• %MW142 :=16#110; 01- índex do “escravo” (neste caso é 01); 10- código do pedido que é 16 em decimal e 10 em hexadecimal

  116   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

• %MW143 :=16#A; A- Endereço da primeira posição de memória onde escrever os dados transmitidos, neste caso será na %MW10 do “escravo” 1

• %MW144 :=16#5; 5- É o numero de palavras a ser transmitidas (valor N) • %MW145 :=16#A; A- (2*N) É o numero de bytes a ser escrito no “escravo” 1, neste caso são 5 palavras que dão 10 bytes.

• %MW145:5 := %MW10:5; Transmissão das palavras presentes no “mestre” entre as posições de memoria %MW10 e %MW14 para as posições de memória do “escravo” compreendidas entre %MW10 e %MW14.

Figura 71 – Tabela de controlo e transmissão para escrita dos dados no “escravo” 2

Neste caso, e como já se pode ver anteriormente, definiu-se quatro tabelas de dados, duas de leitura e duas de escrita, em que da posição %MW100 a %MW119 é a tabela de dados referente a comunicação de leitura com o “escravo” 1, da %MW120 a %MW139 é referente a comunicação de leitura do “escravo” 2, da %MW140 a   117   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

%MW159 é da comunicação de escrita no “escravo” 1, e por ultimo da %MW160 a %MW179 é tabela de dados referente a comunicação de escrita no “escravo” 2. Depois de definidas as áreas de memória referentes aos dados a partilhar e ao controlo da comunicação é necessário criar uma palavra para controlo do “Polling” que gere a ligação, definindo uma ordem na comunicação dos “escravos” com o “mestre”. Para o “Polling” usou-se a palavra %MW99, que de cada vez que o MSG3.D toma o valor 1 é incrementado o “Polling” para que este passe a comunicar com outro “escravo”. Desta forma garante-se que só é feito o “Polling”, depois da comunicação concluída com o “escravo” actual. O grafcet da comunicação é apresentado na figura 72.

  Figura 72 – Grafcet do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos”

  118   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

O ladder da gestão da comunicação está ilustrado na figura 73.  

  Figura 73 – Ladder do controlo da comunicação do “mestre” com os “escravos”

  Por análise do ladder presente na figura 73 com a rede 4, é possível verificar que quando %MW99 := 0, o “mestre” transmite pela porta EXCH3 (Porta Ethernet) a tabela de dados correspondente a leitura de 5 palavras do “escravo” 1. O valor 20 foi utilizado para uma possível transferência de até 13 palavras.  

3.4.2 – Controlo dos equipamentos básicos da ETAR O comando dos equipamentos básicos da ETAR comandados a partir do QGBT instalado na Casa de comando é feito por temporização, desta forma para cada equipamento com este tipo de comando, foram criados dois temporizadores com bases de tempo em minutos, em que um deles é responsável pelo tempo de funcionamento e o outro é responsável pelo tempo de pausa. O primeiro é um temporizador por impulsos que através da consola é possível seleccionar o tempo do impulso, o impulso representa o tempo de funcionamento.   119   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 74 – Modelo de um temporizado de funcionamento dos equipamentos

O segundo temporizador é de atraso a operação e através da consola é possível seleccionar o tempo de atraso, que permite seleccionar e ajustar o tempo de paragem do equipamento em causa.

  Figura 75 – Modelo de um temporizador de paragem dos equipamentos

  Neste caso da grade mecânica, os bits usados para incrementar ou decrementar o tempo de funcionamento ou paragem através da consola foram: • %M20 - Incrementa o tempo de funcionamento da grade mecânica; • %M21: Decrementa o tempo de funcionamento da grade mecânica; • %M22: Incrementa o tempo de pausa da grade mecânica; • %M23 : Decrementa o tempo de pausa da grade mecânica.

Como se pode ver na figura 77, o tempo limite de desligado é 1440 minutos que corresponde a 24 horas.         120   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 76 – Ladder do controlo de funcionamento da grade mecânica

 

  Figura 77 – Ladder do controlo do tempo de funcionamento da grade mecânica

 

  Figura 78 – Atribuição dos valores seleccionados na consola aos temporizadores

  121   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.4.3 – Controlo das Estações Elevatórias   O controlo das Estações elevatórias de águas limpas e sobrenadantes é idêntico. Como já foi dito anteriormente, o controlo é feito por intermédio de 4 bóias de nível. O comando da estação elevatória de lamas é ligeiramente diferente visto que o seu funcionamento é idêntico aos equipamentos básicos da ETAR controlados pelo autómato “mestre”, ou seja, o seu funcionamento é por intervalos de tempo definidos na consola existente no QGBT. Como tal, apenas se faz referencia ao funcionamento das duas primeiras estações elevatórias e usando como exemplo a estação elevatória de águas limpas.

  Figura 79 – Representação do equipamento que constitui uma Estação Elevatória

Para que as bombas funcionem é necessário que o nível do poço esteja acima do nível da bóia de mínimo. O nível do poço atingindo a bóia de alternância faz ligar uma das bombas até que o nível atinja a bóia de mínimo. Da próxima vez que o nível atingir a bóia de alternância, funcionará a bomba 2, deixando a primeira em repouso. Caso o nível chegue a bóia de reforço liga a bomba que está em repouso, ajudando a bomba em funcionamento a repor os níveis do poço. Numa situação excepcional, em que por algum motivo o nível do poço atinja a bóia de alarme, é sinalizada uma avaria no quadro eléctrico local (QP02) e enviado um aviso ao Quadro eléctrico Geral (QGBT) indicando uma avaria nas elevatórias correspondentes. Para cada elevatória existem 3 avarias possíveis, avaria de térmico

  122   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

da bomba 1, avaria de térmico da bomba 2, ou avaria de ambas as bombas, atingindo o nível de alarme. Para executar a programação do sistema, definiram-se as entradas e saídas, e foi criado um grafcet com o funcionamento básico da estação elevatória. Como Entradas definiu-se: Bóia de mínimo – I0.7 Bóia de Alternaria – I0.6 Bóia de Reforço – I0.5 Bóia de Alarme – I0.4 E como Saídas foram definidas as seguintes portas: Bomba 1 – Q0.2 Bomba 2 – Q0.3   O estado M0, representa o início do sistema e as bombas estão desligadas, uma vez que o poço está vazio. O estado M1, representa o funcionamento da bomba 2, em que o tanque está ao nível da bóia de alternância, e o bit de alternância M10 é 1. O estado M2, representa o funcionamento da bomba 1, em que o tanque está ao nível da bóia de alternância, mas o bit de alternância M10 é 0. Tanto no estado M1 como no M2, sempre que o poço atinja a bóia de mínimo, as bombas são desligadas com o regresso do programa ao estado M0. Se por alguma razão, o poço atingir a bóia de reforço, é colocada em funcionamento a bomba que estiver em repouso. E neste estado, as bombas só deixaram de funcionar quando o nível do poço atingir a bóia de mínimo.

  123   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 80 – Grafcet do funcionamento de uma Estação Elevatória

Depois de criado ao grafcet tiram-se as equações que permitem a criação do ladder:

   

Nas figuras seguintes está representado o ladder resultante das equações, e

que se destina ao funcionamento da estação elevatória de águas limpas.   124   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

     

     

 

  125   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 81 - Ladder do funcionamento da Estação Elevatória de águas limpas

3.4.4 – Controlo da casa das lamas   O funcionamento da casa das lamas é sequencial, e o seu funcionamento é activo pelo sinal proveniente do sensor do manto de lamas. No entanto o ciclo depois de iniciado, só termina quando atingir o tempo que foi previamente configurado na consola presente no QGBT. O temporizador que determina o tempo de funcionamento é o %TM5 e recebe o tempo definido na consola através da palavra %MW13 do “escravo” 1. A palavra %MW13 no “escravo” 1 é a mesma que a % MW23 no “mestre”, onde é escrito o valor definido na consola pelo utilizador.

  Figura 82 – Temporizador responsável pelo tempo de ciclo da casa das Lamas

  126   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.4.5 – Programação da consola   Para a programação da consola utilizou-se o software XBT-L1000 V4.42 começando por se definir o modelo da consola, e configurando o tipo de comunicação como se pode ver na figura 83.  

  Figura 83 – Configuração da Consola

  De seguida é necessário definir a consola como “mestre”, e inicia-se a construção das páginas de configuração do sistema.

Figura 84 – Página de configuração da consola como “mestre”

Como o protocolo a usar com a consola é diferente do usado na comunicação com os “escravos”, define-se a consola como “mestre”. O protocolo usado na comunicação do autómato com a consola é o Modbus RTU.   127   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

  Figura 85 – Configuração da primeira página da consola

A programação da consola é simples, resumindo-se a criação de páginas de navegação que poderão apresentar o valor de uma variável da área de memória do autómato, ou permitir a sua alteração. Para tal é necessário definir a variável a visualizar, ou no caso de ser uma página de configuração, definir a variável a alterar e as respectivas acções das teclas necessárias.    

3.5 – Parâmetros e configuração

Como já foi dito anteriormente existe uma pequena consola no QGBT que permite alterar alguns parâmetros de funcionamento da ETAR, nomeadamente os tempos de funcionamento e paragem dos arejadores 1 e 2, da grade mecânica e do decantador secundário. A abertura das válvulas VM1, VM2 e VM3 também pode ser configurada num dos menus presentes na consola. A informação relativa aos parâmetros de funcionamento está distribuída por diversas páginas navegáveis, onde o utilizador percorrendo pagina a página pode visualizar os valores relativos aos parâmetros configuráveis, e aos valores recolhidos dos sensores. Na figura 86, está representado o diagrama de navegação da consola, em que a seguir se explica o objectivo de cada página que constitui o programa.   128   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

   

          

         

 

     

   

          

                                  

         

 

                          

 

                                                           

Figura 86 – Diagrama de navegação

  129   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

3.5.1 – Funções da Consola   Como se pode verificar na figura 87, a primeira pagina da consola contem dois menus, o da esquerda que permite verificar os valores de caudal e oxigenio provenientes dos respectivos sensores e o da direita que permite a alteração de uma serie de parametros importantes ao funcionamento da ETAR.

Figura 87 – Página inicial da consola

Seguindo o menu da esquerda (Carregando na tecla com a seta para baixo e posteriormente carregando na tecla para a esquerda) entramos num menu como o que consta na figura seguinte (Figura 88).

Figura 88 – Página de visualização do estado dos sensores de caudal 1 e 2

Neste menu é possivel verificar o valor dos sensores de caudal 1 e 2, e é possivel passar a pagina seguinte (Carregando na tecla com a seta para baixo e   130   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

posteriormente carregando na tecla para a direita), onde esta presente o valor actual do SQ3. Usando o procedimento descrito anteriormente é possível avançar a pagina seguinte (Figura 89) para visualizar os valores dos sensores de oxigénio 1 e 2 presentes nos respectivos tanques de arejamento indicado na figura 90.

Figura 89 – Página de visualização do estado do sensor de caudal 3

Figura 90 – Página de visualização do estado dos sensores de oxigenio

Para voltar para o menu principal é necessário carregar seguidamente na tecla “ESC” até recuar até a página pretendida. Voltando ao Menu principal e carregando na tecla para a direita encontramos um parâmetro que nos permite desligar todos os equipamentos de uma só vez (Grade Mecânica, Arejadores 1,2 e Decantador), carregando na tecla para cima e de seguida   131   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

ao carregar na tecla para a direita é possível alterar o valor de 0 para 1 (0-Desligado, 1-Ligado). Na linha inferior do display da consola, indicado na figura 91, encontra-se um sub-menu que permite a configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos em minutos ou configurar a abertura parcial das válvulas, sendo este valor representado em percentagem.

Figura 91 – Pagina inicial da consola

Entrando no sub-menu das Válvulas, como representado na figura 92 aparece a lista das respectivas válvulas permitindo a selecção da que queremos visualizar ou alterar a sua posição.

Figura 92 – Página para selecção do equipamento a configurar

Escolhendo qualquer uma das Válvulas apresentadas é possível visualizar a posição actual das válvulas e alterar o seu valor, como se verifica na figura 93.   132   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Figura 93 – Pagina que permite a configuração válvula VM2

Voltando ao Submenu representado na figura 91 e seleccionando a opção tempos, encontra-se a lista de equipamentos que permite a configuração dos tempos de funcionamento e paragem, como indicado na figura 94.

Figura 94 – Menu de configuração dos tempos de funcionamento dos equipamentos

Seleccionando qualquer um deles é apresentado um grupo de parametros configuraveis atraves das respectivas setas, que permite o incremento ou decremento dos tempos de funcionamento e/ou paragem em minutos, como se pode evidenciar na figura 95.   133   

CAPITULO 3 – APLICAÇÃO PRATICA

Figura 95 – Página de configuração do tempo de funcionamento de um equipamento

É importante referir que, em caso de falha de energia por tempo superior ao que os UPS (Uninterruptible power supply) são capazes de suportar, os valores dos tempos de funcionamento dos equipamentos e da abertura das válvulas são repostos para valores de defeito. Os tempos dos equipamentos é de 5 minutos de funcionamento e 15 de pausa, na recirculação de Lamas é de 30 minutos de funcionamento e 30 minutos de pausa e nas válvulas é 30% para a VM1, 70% a VM2 e 100% para a VM3.

  134   

CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

4 – Conclusão Atendendo a que o principal objectivo da ETAR é preservar o ecossistema, era de todo obrigatório que o seu funcionamento fosse perfeito para garantir que a água despejada no rio respeitasse todas as obrigatoriedades legais. O funcionamento básico da ETAR era composto por duas fases de tratamento, o preliminar e o secundário. Para garantir a eficácia do tratamento foi necessário que: −

Na fase preliminar do tratamento os sólidos fossem removidos

pela

grade mecânica, e que a mesma fosse periodicamente limpa; −

No tratamento secundário os arejadores de superfície dos tanques fornecessem periodicamente ar às lamas activadas garantindo a sobrevivência das mesmas;

−

A ponte raspadora removesse periodicamente os sobrenadantes;

−

A estação elevatória de lamas fizesse a recirculação das mesmas;

−

Os sobrenadantes fossem recolocados nos tanques de arejamento;

−

As lamas fossem enviadas para o espessador e posteriormente tratadas

para

poderem

ser

reutilizadas

em

outras

aplicações,

nomeadamente, na agricultura. O funcionamento da grade mecânica, dos arejadores e da ponte raspadora é temporizado, desta forma, foram implementados temporizadores para determinar o tempo de funcionamento e o tempo de paragem de cada um dos equipamentos. A estação elevatória de lamas, constituída por duas bombas, é de funcionamento periódico, como tal, para além da rotina de alternância entre as duas bombas foram também implementados temporizadores de funcionamento e paragem. O tratamento de lamas depende fulcralmente do filtro de banda (Prensa de Lamas). Desta forma, e uma vez que o funcionamento do filtro depende de outros equipamentos, nomeadamente da bomba de polímero, do fornecimento de água, e da abertura da válvula que permite o acesso das lamas ao filtro, foi necessário

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CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

implementar uma aplicação que, de forma sequencial, fosse ligando e desligando os respectivos equipamentos mediante as necessidades do filtro. Estando a ETAR dividida por três zonas cruciais, e com os processos de cada uma bem definidos, criaram-se as listas de sensores (Entradas) e actuadores (Saídas) correspondentes a cada um dos autómatos responsáveis pela respectiva zona. No entanto, e uma vez que é na casa de comando que fica colocado o sinóptico geral de funcionamento e avarias, foi necessário criar uma lista de variáveis que cada autómato “escravo”, forneceria ao autómato “mestre”, por forma a que este pudesse disponibilizar os sinais na casa de comando. Para a comunicação entre os autómatos, implementou-se uma rede Ethernet, usando como meio físico cabo UTP entre os três autómatos. O protocolo usado foi o Modbus TCP/IP. O sistema depois de testado e colocado em funcionamento, mostrou-se muito robusto e fiável. A consola colocada no QGBT, tornou todo o sistema mais versátil do ponto de vista do utilizador, uma vez que permite ao responsável pela instalação alterar alguns parâmetros de funcionamento de forma fácil e intuitiva. Com este tipo de sistemas de automação e controlo consegue obter-se maior rendimento das instalações e diminuir os consumos energéticos, uma vez que o funcionamento pode ser programado para horários de consumo em vazio ou super vazio, em que o preço da tarifa energética é mais económico. Depois de estabilizado o funcionamento da ETAR, e atendendo a que o sistema é cíclico, é bastante fácil para a entidade responsável pela exploração, elaborar planos de manutenção preventiva. As potencialidades deste tipo de sistemas são de tal ordem vastas que as ideias para o desenvolvimento deste sistema são intermináveis, desta forma, no futuro, o controlo de alguns dos equipamentos será optimizado, nomeadamente na grade   136   

CAPITULO 4 – CONCLUSÃO

mecânica, onde o funcionamento da mesma irá ficar condicionado ao valor do caudal de entrada, para que esta só funcione quando houver caudal, pois não faz sentido a grade mecânica funcionar de 30 em 30 minutos não havendo entrada de efluente. O funcionamento dos arejadores podia estar optimizado para só funcionar em função dos valores recolhidos pelos sensores de oxigénio colocados nos tanques. No entanto e uma vez que o tempo de vida útil dos sensores de oxigénio é demasiado curto e requer uma manutenção regular das sondas, era de todo arriscado utilizar os valores provenientes dos mesmos como referencia para o funcionamento dos arejadores, visto que ficariam em causa a sobrevivência das lamas.

Poderá aproveitar-se a segunda porta RS232 existente no autómato “mestre”, e através de um modem GSM, enviar mensagens SMS de alarme ao técnico responsável pelas instalações. Atendendo a que no município existem mais Estações de tratamento de águaes, poderá ser implementado em todas, um servidor Web com uma aplicação online capaz de permitir uma supervisão e controlo online, tornando assim possível um sistema centralizado de comando. A execução deste trabalho foi importante essencialmente na pesquisa de tecnologias. O resultado da pesquisa permite a familiarização com uma grande variedade de marcas e produtos existentes, ganhar a sensibilidade necessária para a escolha da tecnologia correcta para determinada aplicação e essencialmente a experiência para escolher as tecnologias e produtos mais económicos em função da aplicação sem por em causa o rendimento e/ou eficiência da mesma.

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CAPITULO 4 - CONCLUSÃO

 

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BIBLIOGRAFIA

Bibliografia [1] João R. Caldas Pinto, Técnicas de Automação, 2ª Edição, ETEP, Março de 2007. [2] António M. S. Francisco, Autómatos Programáveis, 4ª Edição, ETEP, Julho de 2007. [3] HENRIQUE HAAS, Emprego de Redes Ethernet como Suporte de Comunicação de Sistemas de Automação Industrial, 2005, disponível em http://gnoia.org/projetos/unioeste/4ano/tcc/medelin/www/mono.html [4] Bruno F. Marques, Apontamentos apresentados na pagina pessoal, Escola Superior de Tecnologia de Viseu, 2008, disponível em http://www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/bmarq/ensino/ri/ [5] Edgard Franco, Conceito Amplificado de Eficiência Energética, schneider electric brasil, 2007, disponivel em http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/23-052007/sala3/edgard_franco.pdf [6] Carlos E. Morimoto, Redes, Guia Prático, GDH Press e Sul Editores, Abril de 2008, disponível em http://www.gdhpress.com.br/redes/ [7] Fátima Borges (Engª), Redes de Comunicação Industrial, Centro de Formação da Schneider Electric Portugal, 2007, disponível em http://www.schneiderelectric.pt/paginas/Formacao/DOC_tecnicos/DOC_tecnicos/DocTecni co_redes.pdf [8] AS-Interface, Virtual Academy of AS-International Association, disponivel em http://www.as-interface.net/academy/content/tech/kap4/kap4_01.en.html [9] Adelino Silva e Mário Felgueiras, Sistemas e Planeamento Industrial – Redes de Campo e de Instrumentação, disponível em http://ave.dee.isep.ipp.pt/~malves/act_lect/RECIN/Trabalhos%20200708/RECIN_Modbus.pdf~ [10] Eng. César Cassiolato, Eng. Leandro Henrique B. Torres, Eng. Paulo Roberto Camargo, PROFIBUS – Descrição Técnica, disponível em http://www.profibus.org.br/artigos/PROFIBUS_DESC_TEC_2006.pdf [11] José A. Fonseca, Redes de Comunicação em Ambientes Industriais, Setembro de 1999, http://www.ieeta.pt/~jaf/RCAI/Acetatos/red_4.PDF [12] Http://www.freepatentsonline.com/5638411.html, data (22 de Abril de 2009)

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BIBLIOGRAFIA

[13] http://www.cisco.com/en/US/docs/internetworking/technology/handbook/Ethernet.html, data (22 de Abril de 2009). [14] Larry Jordan e Bruce Churchill, Communications and networking for the IBM PC and compatibles, 4º Edition, Brady, 1992. [15] Dougles M., Proccess/Industrial instruments and controls handbook, 4ª Edição, Mc Graw Hill international editions, 1993. [16] Dougles M., Standard Handbook of industrial automation, Chapman and Hall, 1986.

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ANEXOS

Anexos

Anexo 1: Programa de controlo do Autómato “mestre”

Anexo 2: Programa de Controlo do “escravo” 1

Anexo 3: Programa de controlo do “escravo” 2

Anexo 4: Programa da consola

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