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Desenvolvimento de um Sistema Supervisório para Rede PROFIBUS - Parte 1

Alexandre Baratella Lugli, Antônio Augusto Rodrigues de Camargo
e João Pedro Magalhães de Paula Paiva
Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL)
PICC/PITC (Centro de Competências) PROFIBUS Brasil

 
Resumo: Neste artigo, foi abordado um estudo da técnica de identificação de falhas em um escravo de forma automática, através do desenvolvimento de uma plataforma de supervisório dentro do protocolo industrial PROFIBUS. O objetivo é criar um sistema que gere ganhos consideráveis no gerenciamento da planta e no tempo de identificação e resolução dos possíveis problemas encontrados dentro dos processos industriais.
 
 
I. INTRODUÇÃO
A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional. [1]
 
Até a década de 80, a comunicação industrial era feita de maneira centralizada no Controlador Lógico Programável (CLP) com cada dispositivo de campo, como sensores e atuadores, conectados diretamente ao equipamento. As redes industriais surgiram para revolucionar e facilitar a comunicação entre os dispositivos de campo e os controladores. O seu propósito é estabelecer uma comunicação através de um único barramento, eliminando, assim, o excesso de cabos e conexões em um único equipamento.
 
A troca de informações entre os dispositivos de uma rede deve ser padronizada, ou seja, dispositivos de diferentes fabricantes devem estar aptos a se comunicar entre si. Logo, esta padronização é denominada protocolo e, somente ocorreu no final da década de 80, em que a ideia era criar um conjunto de normas e regras que não admitiria uma mudança brusca para passar confiança e estabilidade nas especificações. [2] 
 
No ramo industrial existem diferentes protocolos, e a escolha do tipo depende diretamente das características de cada aplicação, como, por exemplo, o número de dispositivos necessários, a distância entre os dispositivos e o nível de complexidade. Para o desenvolvimento deste trabalho, será usado o protocolo PROFIBUS, a ser detalhado adiante.
 
Portanto, o objetivo deste projeto é demonstrar a técnica de identificação de falhas em um escravo PROFIBUS DP, apresentando-a em um sistema supervisório, onde será possível fazer a análise para uma correção futura.
 
O artigo foi divido em sete seções, sendo elas:
  • Introdução;
  • Elementos de uma Rede Industrial;
  • Protocolo PROFIBUS;
  • Sistema Supervisório;
  • Aplicação Prática;
  • Resultados;
  • Conclusão.
 
 
II. ELEMENTOS DE UMA REDE INDUSTRIAL
Uma rede industrial deve, obrigatoriamente, conter um dispositivo controlador, denominado mestre, uma estação que realiza ações impostas pelo mestre, denominado escravo, e um meio físico que faz a comunicação entre os dispositivos. São exemplos de redes industriais AS-i, DeviceNet e PROFIBUS, sendo que cada uma tem sua particularidade quanto ao número máximo de mestres que podem ser configurados, ao número máximo de estações escravas que podem ser controladas por este(s) mestre(s), o comprimento máximo que a rede pode atingir e a quantidade de informação que pode ser transmitida em um mesmo telegrama. A Tabela I mostra um comparativo entre as redes citadas levando em consideração estes fatores.
 
Tabela I – Comparativo das características básicas entre algumas redes industriais. [3] e [4]
 
Rede Número máximo de Mestres Número máximo de Escravos Comprimento máximo (por segmento) Quantidade de informação em um mesmo telegrama
AS-i 1 64 100m 4 bytes
DeviceNet 1 63 500m 8 bytes
PROFIBUS 7 125 1200m 244 bytes
 
O mestre é o elemento responsável por controlar a rede, tendo como função a requisição de informações de entrada do processo e o envio dos estados que as saídas dos periféricos devem conter. Ele é, resumidamente, o responsável pela parametrização, configuração e leitura dos diagnósticos de uma estação escrava, bem como pelo armazenamento e atualização das variáveis do programa da aplicação. [1] São exemplos de mestres o CLP e o computador industrial. Na figura 1, é apresentado o CLP S7 1500 da Siemens, um exemplo de dispositivo que atua como mestre na rede industrial. 
 
S7-1500
 

Os escravos são dispositivos controlados e monitorados pelo mestre, como válvulas, sensores, inversores de frequência, robôs ou gateways – dispositivos que fazem a conversão entre protocolos de redes – recebendo requisições e executando ações correspondentes. Na Figura 2, é apresentado, como exemplo, um escravo de rede PROFIBUS DP do fabricante DLG, que tem a função de coletar dados de sensores e transmissores de campo, como temperatura e corrente, tornando-os acessíveis através do protocolo PROFIBUS DP.
 
XM-210=DP
 
 
A configuração da rede industrial e a programação da aplicação são feitas por meio de uma ferramenta computacional de interação, sendo que cada fabricante de dispositivos desenvolve a sua própria ferramenta, que abrange várias linguagens de programação, sendo as mais comuns Ladder, Structured Text e Function Block. Um exemplo de um aplicativo computacional de interação utilizado para configurar controladores da Siemens é o TIA (Totally Integrated Automation) Portal, mostrado na figura 3.
 
TIA Portal
 
 
III. PROTOCOLO PROFIBUS
O PROFIBUS (Process Fieldbus) é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação de manufatura e processos. [3] A criação desse padrão teve início em 1987 com a união de empresas e institutos de pesquisa, juntamente com o apoio do governo alemão, para desenvolver um projeto estratégico Fieldbus unindo o mesmo protocolo para a técnica de manufatura e automação de processos. [8]
 
A rede PROFIBUS é dividida entre dois perfis: o perfil PROFIBUS DP (Decentralized Periphery) e o perfil PROFIBUS PA (Process Automation) que possuem características de meio físico distintas, porém ambas utilizam a mesma estrutura de protocolo e são configuradas através do GSD (General Station Description), onde as características de comunicação e diagnósticos dos dispositivos são definidas. [3]
 
O protocolo PROFIBUS PA é utilizado para medir e controlar variáveis de processos utilizando apenas um par de fios, em que o mesmo par que transporta a alimentação do dispositivo transporta também a comunicação PROFIBUS. Seu funcionamento depende de um acoplador de segmentos, uma vez que o mestre PROFIBUS sempre opera utilizando o protocolo PROFIBUS DP e esse equipamento faz a conversão do meio físico DP para o meio físico PA. Sua aplicação é indicada para áreas onde há risco de explosões, na qual a energia utilizada no processo deve ser controlada.
 
O protocolo DP é indicado para a transferência de informações em alta velocidade no nível sensor/atuador, tornando sua utilização amplamente mais comum; os controladores comunicam com seus escravos ciclicamente por meio de um barramento, na qual seu comprimento máximo varia de acordo com a taxa de comunicação utilizada [3], conforme a tabela II adiante. Dentre as principais características, têm-se:
  • Alimentação – 24 VDC (19,2 VDC a 28,8 VDC);
  • Número máximo de endereços – 128 (endereço 126 e 127 são reservados, respectivamente, para um mestre Classe 2 e broadcast);
  • Número máximo de dispositivos – 126;
  • Meio físico – fibra óptica & RS-485;
  • Número máximo de segmentos - 4;
  • Possíveis topologias – Barramento (abaixo de 1500 kbps) & Ponto-a-Ponto.
 
Tabela II – Relação das taxas de comunicação. [3]
 
Taxa Distâncias
9,6/19,2/45,45/93,75 kbps Até 1200 m por trecho
187,5 kbps Até 1000 m por trecho
500 kbps Até 400 m por trecho
1500 kbps Até 200 m por trecho
3000/6000/12000 kbps Até 100 m por trecho
 
 
A. DIAGNÓSTICOS DE FALHAS
O protocolo PROFIBUS possui telegramas para diagnóstico de falhas, que são utilizados pelos fabricantes de equipamentos. No caso de problemas durante a operação, o escravo PROFIBUS pode indicar ao mestre que existe uma condição de diagnóstico. Com isto, no ciclo seguinte de troca de dados, o mestre pode solicitar informações de diagnóstico ao escravo que informou a ocorrência do problema, salvando-as e criando, então, uma possibilidade de serem utilizadas no programa (aplicação). [9]
O escravo DP possui dados de diagnóstico que são estruturados em conformidade com a norma EN 50 170 Volume 2, PROFIBUS. [10] Ele fornece este diagnóstico por meio de um buffer, que é retratado na Figura 4.
 
Telegrama DP
 
 
O frame é divido em quatro grupos diferentes, mas o primeiro bloco (diagnóstico padrão) é sempre transmitido, independente do escravo. Os demais grupos dependem diretamente do dispositivo PROFIBUS e são, na maioria das vezes, opcionais. A Tabela III mostra os dados detalhados dos bytes do bloco de diagnóstico padrão do escravo.
 
Tabela III – Funcionamento de cada byte do diagnóstico padrão. [10]
 
Byte Descrição
0 Status da estação 1
1 Status da estação 2
2 Status da estação 3
3 ID do mestre
4 ID do fabricante (byte mais significativo)
5 ID do fabricante (byte menos significativo)
6... Mais diagnósticos específicos do escravo
 
 
IV. SISTEMA SUPERVISÓRIO
Os sistemas supervisórios são sistemas que possuem diversas ferramentas que auxiliam no monitoramento e rastreamento de informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e, posteriormente, apresentadas ao usuário. [11]
 
No ramo industrial é indispensável o uso de HMIs (Human-Machine Interface), para monitorar e controlar os processos industriais. Dentre os sistemas supervisórios conhecidos, destaca-se o Elipse E3, que é uma ferramenta SCADA para monitoramento e controle de processos, oferecendo escalabilidade e constante evolução para diversos tipos de aplicações, desde simples interfaces HMI até complexos centros de operação em tempo real. [12]
Através do Elipse E3 é possível: 
  • Obter uma conexão com a maioria dos equipamentos (PLC’s, remotas, concentradores de dados) de mercado;
  • Redução no tempo de desenvolvimento e manutenção, através da padronização das aplicações com o uso de bibliotecas;
  • Integração com sistemas corporativos e de gestão.
 
Dentre as suas caraterísticas, destacam-se:
  • Multiusuários e multiprojetos: Permite editar e executar diversos projetos simultaneamente;
  • Redundância nativa com sincronismo de dados históricos e alarmes;
  • Bibliotecas de objetos gráficos e estruturas de dados reutilizáveis;
  • OPC (Open Platform Communications) Classic e UA (Unified Architecture);
  • Fácil gerenciamento da aplicação.
 
Sendo assim, o sistema é o responsável pela supervisão da planta industrial, e também do armazenamento das informações de campo registradas por instrumentos de medição, tomando, então, várias ações, como controle manual e acionamento de válvulas.



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