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Ricardo Alves de Siqueira
AUTOMAÇÃO DE UMA UNIDADE
GERADORA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA
Taubaté - SP
2004
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Ricardo Alves de Siqueira
AUTOMAÇÃO DE UMA UNIDADE
GERADORA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA
Dissertação apresentada para obtenção do
Certificado de Título de Mestre em Engenharia
Mecânica, pelo Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade de Taubaté,
Área de Concentração: Automação e
Controle Industrial
Orientador: Prof. Dr. Luiz Octávio
Mattos dos Reis
Co-Orientador: Prof. Dr. Germano
Lambert Torres
Taubaté - SP
2004
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3
Autor: Ricardo Alves de Siqueira
Título: AUTOMAÇÃO DE UMA UNIDADE GERADORA
DE UMA USINA HIDRELÉTRICA
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ, TAUBATÉ, SP
Data: 20 / 03 / 2004
Resultado:
.......................................................
COMISSÃO JULGADORA
Prof. Dr.:
............................................................................................................
Instituição: ............................................................................................................
Assinatura: ...........................................................................................................
Prof. Dr.:
............................................................................................................
Instituição:
............................................................................................................
Assinatura: ...........................................................................................................
Prof. Dr.:
............................................................................................................
Instituição:
............................................................................................................
Assinatura: ...........................................................................................................
Prof. Dr.:
............................................................................................................
Instituição:
............................................................................................................
Assinatura: ...........................................................................................................
Prof. Dr.:
............................................................................................................
Instituição:
............................................................................................................
Assinatura: ...........................................................................................................
4
Dedicatória
Para Heitor Ricardo e Ana Beatriz.
5
Agradecimentos
Ao Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis, pela habilidade com que orientou
nosso trabalho.
À minha família, pelo apoio e incentivo.
À Voith Siemens, pela experiência e oportunidade profissional.
Ao Senhor, que permitiu que tudo isto acontecesse.
6
Resumo
SIQUEIRA, Ricardo Alves de. Automação de uma Unidade Geradora
de uma Usina Hidrelétrica. 2004. 83 f. Dissertação de Mestrado, Área de
Concentração: Automação e Controle Industrial, Curso de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica pelo Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Taubaté, Taubaté - S.P.
A proposta é apresentar a solução implantada na automação de uma das
Unidades Geradoras de uma Usina Hidrelétrica, composta de uma turbina
Kaplan de eixo vertical e gerador síncrono de potência próxima a 50 MVA,
considerada uma Usina Hidrelétrica de médio porte.
A ênfase deste trabalho tem foco na Automação, com a integração de seus
sistemas auxiliares mecânicos e elétricos e descreve a filosofia de controle e
operação, a configuração do Sistema Digital de Supervisão e Controle (SDSC),
software e hardware, e, também, os principais ganhos esperados e obtidos,
do ponto de vista da Operação e da Manutenção da Planta.
Sob a óptica da teoria de Controle de Sistemas a Eventos Discretos (SED) este
trabalho aborda desde a teoria de Sistemas e Controle a SED, o levantamento,
a análise e a definição das necessidades da planta existente e projeto e
desenvolvimento do Software de Controle e Supervisão, com ênfase na
filosofia de controle adotada.
O modelo de Sistema de Automação implantado trouxe principalmente os
seguintes benefícios:
. Controle Digital centralizado em dois pontos distintos e independentes,
um na Sala de Controle e outro no Painel de Controle e Supervisão
Convencional Local, permitindo a continuidade de operação segura da
Unidade Geradora em qualquer um dos pontos.
. Grande Flexibilidade operativa na partida e parada da Unidade, nos
modos automático e passo-a-passo através do CLP Principal e somente passo-
a-passo através do CLP Retaguarda, permitindo o acompanhamento, = da
máquina em cada estado estável de operação.
Partida automática da Unidade com um simples acionamento de mouse,
através de uma das Estações de Operação na Sala de Controle, leva-se a
Unidade da condição de Máquina Parada até Máquina Sincronizada no
Sistema, com carga mínima, em um tempo médio de 3 minutos, com toda a
supervisão detalhada das etapas e cumprimento das pré-condições estáticas e
dinâmicas de partida.
7
Palavras-Chave:
.
SED - Sistemas a Eventos Discretos
. SDSC - Sistema Digital de Supervisão e Controle
. Filosofia de Automação e Controle
. CLP – Controlador Lógico Programável
.
Sistema Supervisório.
8
Abstract
The proposal is to show the solution implanted on the automation of one of the
Generating Units of a power plant, this is a Kaplan turbine of synchronous
vertical and generating axle near 50 MVA, considered a MSH – Medium Size
Hydro.
The emphasis of this work has focus in the Automation, with the integration of
its mechanical and electric systems auxiliary, it describes the philosophy of
control and operation, the configuration of the SCADA- Supervisory Control
and Data Acquisition System, concerning software and the hardware and also
the main waited and gotten profits, regarding Operation and Maintenance
Plant.
Based on the Discrete Events Systems Control Theory, this work approaches
since the survey, analysis and definition of plant necessities and also project
and development Control and Supervision Software.
The Automation System model implanted brought the following benefits
mainly:
. Centered Digital control in two distinct and independent points, one into
the Control Room and another one on the Local Control Panel allowing the
continuity of safe operation of Generating Unit in any one of the two points.
. Great flexibility to operate the Unit on the automatic and step-by-step
way through the Main PLC and step-by-step through the Auxiliary PLC,
allowing the machine accompaniment in each operation steady state.
. Automatic turn Unit on with mouse click only, through Unit to one of
the operation steady state geting the Unit from Machine Stopped to Machine
Synchronized taking three minutes of average time.
Keywords:
.
Discrete Events Systems.
.
Philosophy of Automation and Control.
. PLC – Programmable Logical Controller.
. SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition System.
9
Sumário
1. Introdução..............................................................................................13
2. Apresentação dos Conceitos Básicos de Engenharia de Controle
com Foco em SED..............................................................................17
2.1. Histórico..................................................................................................17
2.2. Sistemas – Uma apresentação da Teoria Geral.....................................20
2.3. SED – Sistemas a Eventos Discretos – Conceitos Fundamentais.........25
2.4. Principais Termos Utilizados em Controle..............................................36
3. Descrição do Problema........................................................................57
3.1 . Apresentação da Usina e da Unidade Geradora em Questão................57
3.2 . Identificação dos Problemas e Pontos de Melhorias..............................62
4. Solução Implantada..............................................................................63
4.1. Plano de Trabalho...................................................................................63
4.2. Configuração e Filosofia de Controle e Supervisão................................65
4.3. Diagramas de Transição.........................................................................66
4.4. Arquitetura de Rede do SDSC................................................................71
4.5. Descrição dos Equipamentos e Programas...........................................73
5. Conclusões............................................................................................79
6. Referências Bibliográficas...................................................................82
7. Anexos...................................................................................................83
10
Lista de Tabelas
Tabela 01 – Condições estabelecidas pela GMC (USA), em 1968, para
novos controladores...................................................................18
Tabela 02 – Visão dos níveis hierárquicos dos sistemas..............................21
Tabela 03 – Comparativo das duas classes de controle automático............25
Tabela 04 – Principais Dispositivos utilizados em controle de SED..............32
Tabela 05 – Sistemas da Usina.....................................................................64
LEGENDA
CLP - Controlador Lógico Programável
CPU - “Central Processing Unit”
CSMA / CD - “Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection”
DB - “Data Block”
DP - “Decentralized Periphery”
FB - “Function Block”
FBD - “Function Block Diagram”
FMS - “Field Messaging Specification”
GMC - “General Motors Company”
IEC - “Instituition of Electrical Execution”
IHM - Interface Homem-Máquina
IL - “Instruction List”
ISO - “International Standartization Organization”
LAN - “Local Área Network”
LD - “Ladder Diagram”
MMI - “Man Machine Interface”
MPI - “Mult Point Interface”
OB - “Organization Block”
SED - Sistemas a Eventos Discretos
SDSC - Sistema Digital de Supervisão e Controle
SFC - “Sequential Flow Chart“
ST - “Structured Text”
SVC - Sistemas a Variáveis Contínuas
UG - Unidade Geradora
11
Lista de Figuras
Figura 01 - Configuração de um controle de SED na década de 40...............17
Figura 02 - Configuração de um controle de SED na década de 50...............17
Figura 03 - Modelo geral para um sistema aberto...........................................22
Figura 04 - Diagrama conceitual básico de controle de SVC..........................26
Figura 05 - Diagrama de blocos do sistema de controle linear contínuo no
tempo representado em espaço de estados................................27
Figura 06 - Diagrama conceitual básico de controle de SEDC........................30
Figura 07 - Estrutura das funções básicas de controle de SED......................31
Figura 08 - Modelo do objeto de controle no controle de SED........................33
Figura 09 - Exemplo de sistema distribuído e hierárquico...............................35
Figura 10 - Principais tipos de comandos binários..........................................37
Figura 11 - Modelo Funcional do CLP, de acordo com a IEC61131-3............38
Figura 12 - Diagrama funcional de Blocos simplificado do CLP.......................39
Figura 13 - CLP SIMATIC S7-400 da SIEMENS..............................................39
Figura 14 – Tipos de linguagem de programação de acordo com a IEC..........42
Figura 15 – Exemplo de programação em linguagem ST.................................42
Figura 16 – Exemplo de Programação em IL....................................................43
Figura 17 - Exemplo de Programação em FBD.................................................43
Figura 18 - Exemplo de Programação em LD...................................................44
Figura 19 - Exemplo de Programação em SFC.................................................44
Figura 20 – Ciclo de Execução do Programa na CPU do CLP..........................45
Figura 21 – Utilização de Interrupções na Execução de um Programa na CPU
do CLP..........................................................................................45
12
Figura 22 - Faixas de Utilização dos Principais Tipos de Redes de
Comunicação..................................................................................47
Figura 23 - Tipos de sinais representativos de grandezas físicas.....................50
Figura 24 - Hierarquia do Sistema Digital de Supervisão e Controle –
SDSC..............................................................................................52
Figura 25 - IHM convencional: anunciadores de alarmes, botoeiras e chaves de
comando e sinótico.........................................................................54
Figura 26 - IHM digital, modelo MP270 da SIEMENS.......................................55
Figura 27 – Unidade Geradora de eixo vertical UG-1.....................................59
Figura 28 – Planta Baixa da Casa de Força da Usina............ ..........................60
Figura 29 – Corte transversal da Casa de Força da Usina................................60
Figura 30 – Foto do Painel original de comando e controle da Unidade 1........61
Figura 31– Etapas de desenvolvimento do sistema de controle implantado.....63
Figura 32 – Filosofia do SDSC..........................................................................67
Figura 33 – Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Principal............68
Figura 34 – Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Retaguarda.......70
Figura 35 – Arquitetura de Rede do SDSC........................................................71
Figura 36 – Diagrama Elétrico de Interligação de Rede do SDSC....................72
Figura 37 – Vista frontal do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1-
Projeto.............................................................................................77
Figura 38 – Foto do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1.................. 77
Figura 39 – Foto da Sala de Operação após a implantação da automação......78
13
1. INTRODUÇÃO
A proposta deste trabalho é apresentar a solução de automação, em termos
de filosofia de controle, para uma das Unidades Geradoras de uma Usina
Hidrelétrica de médio porte em funcionamento há mais de 40 anos, com a
integração dos seus sistemas auxiliares elétricos e mecânicos. Esta Usina é
composta principalmente de 03 Unidades Geradoras com turbinas do tipo
Kaplan e geradores do tipo síncrono em 13,8 kV, de pólos salientes, com eixo
motriz na posição vertical e Subestação Elevadora 13,8 / 138 kV interligada
ao sistema de potência da região. Esta Usina pertencia a CESP, atualmente é
de propriedade da AES e está localizada no rio Tietê, próxima ao município
de Bariri.
Ao deparar-se com a situação de automatizar uma das Unidades Geradoras de
uma Usina Hidrelétrica em funcionamento, constata-se que os problemas e
pontos de melhorias a serem identificados e solucionados não são poucos,
como também não são poucas as exigências de conhecimento das teorias de
sistemas e controle envolvidas, do processo de geração de energia elétrica,
das soluções tecnológicas atuais disponíveis e também, além de alguma
experiência anterior, de uma boa dose de bom senso e critério de julgamento
para definição da melhor solução a ser adotada dentro de um “limite de
controle” onde devem prevalecer principalmente o cumprimento dos requisitos
de normas técnicas e de segurança aplicáveis, dos custos planejados, as
exigências contratuais e a satisfação dos clientes internos e externos.
Antes de identificar o problema e descrever a solução implantada, torna-se
necessário, dentro da proposta deste trabalho, uma breve apresentação dos
conceitos básicos de Engenharia de Controle os quais devem sustentar a
forma da condução do desenvolvimento da solução adotada na automação
desta Unidade Geradora.
Sendo assim, aborda-se inicialmente o histórico do controle de SED – Sistemas
a Eventos Discretos, citam-se alguns fatos históricos relevantes, como a
primeira Máquina de Tear de cartões perfurados inventada por Jacquard, em
1804, quando, acredita-se, deu-se o início ao controle de sistemas seqüenciais,
os quais são uma divisão, um tipo de SED, até a primeira calculadora
eletrônica a base de relés, em 1936, desenvolvida por Stiblitz, a evolução dos
tipos de configuração de controle de SED ao longo das décadas anteriores, até
o advento do CLP (Controlador Lógico Programável) e Redes de Petri.
Faz-se uma apresentação da teoria geral de Sistemas, descrevem-se sua
importância e conceitos básicos que se relacionam e convergem para a teoria
de Sistemas de Controle e sua aplicação neste trabalho, conforme descrito no
capítulo 4 “Solução Implantada”, onde a Usina, para melhor compreensão e
identificação dos pontos de inter-relação com o SDSC (Sistema Digital de
Supervisão e Controle), foi dividida em Sistemas e a partir deste ponto foi
desenvolvido todo o trabalho de automação.
14
Esclarecem-se os conceitos fundamentais e estruturas básicas dos controles
de SED - Sistemas a Eventos Discretos e SVC – Sistemas a Variáveis
Contínuas.
Ressaltam-se também as diferenças fundamentais entre os dois sistemas,
como por exemplo, no controle de SVC, utiliza-se como técnica para sua
implementação o Controle Quantitativo, onde o objeto de controle trabalha
normalmente com variáveis contínuas, analógicas enquanto no controle de
SED, utiliza-se como técnica para sua implementação o Controle Qualitativo
onde o objeto de controle trabalha com estados e eventos discretos, manipula
informações discretas.
Nesta proposta de solução de automação de uma Unidade Geradora de uma
Usina Hidrelétrica, têm-se os dois tipos de sistemas de controle, SED e SVC,
sendo que no controle de SVC, as variáveis de controle normalmente são
discretizadas, isto é, as variáveis analógicas são transformadas em variáveis
digitais (através de conversores A/D), para depois serem manipuladas no
programa do CLP (Controlador Lógico Programável), como por exemplo, a
entrada analógica do CLP Principal - PIW286 – “Pressão do Acumulador
Principal APP”, sendo que o transdutor de pressão envia o sinal de 4-20 mA
para o cartão de entrada analógica do CLP, onde o sinal é digitalizado para 0-
4095 bits (resolução de 12 bits), o que equivale proporcionalmente ao “range”
de 0-60 Bar no processo.
São descritos os conceitos e as definições dos principais termos utilizados na
área e neste trabalho principalmente, após se fazerem algumas pesquisas em
diferentes literaturas, e nivelar as interpretações. Tomou-se o cuidado de
estender um pouco mais a descrição, torná-la um pouco mais completa, nos
termos de maior interesse deste trabalho, como por exemplo: CLP (Controlador
Lógico Programável), Linguagens de Programação para CLP´s, SDSC,
Sistema Supervisório, dentre outros.
Faz-se uma breve descrição da Usina em questão, descrevem-se as
características técnicas principais da Turbina e do Gerador, com ilustrações da
Casa de Força, Planta e Corte da UG-1(Unidade Geradora -1), do Diagrama
Unifilar Geral da Usina, identifica-se a UG-1 no diagrama e também há uma
foto do painel de comando e controle original da UG-1, foco deste trabalho.
Identificam-se sob o ponto de vista da Automação, os principais problemas e
pontos de melhorias, como por exemplo, o excesso de tempo gasto na
identificação de problemas de manutenção ou intertravamentos normais de
segurança do processo, que impedem a partida da UG, a falta de uma
interface homem-máquina amigável, eficiente e localizada para supervisão da
UG, nos vários modos de operação e também de seus sistemas auxiliares
mecânicos e elétricos.
Faz-se uma breve citação das etapas de desenvolvimento para implantação do
sistema de controle com uma ilustração do fluxograma de trabalho,
identificam-se as etapas da fase de desenvolvimento e da fase de implantação,
conforme ilustrado na figura 32.
15
Também, com base na Teoria Geral de Sistemas, descrita no item 2.2.,
adaptada para a situação e cultura local da Usina, faz-se uma divisão em
sistemas, com o objetivo de melhor conhecer estes sistemas, suas inter-
relações e seus vários equipamentos existentes e também tornar os trabalhos
da Automação mais precisos.
De acordo com a tabela 5 “Sistemas da Usina”, identificam-se 31 sistemas
distintos, os quais integram-se ao SDSC, dentro da operação e supervisão da
Usina. A partir desta compreensão mais detalhada dos sistemas envolvidos na
produção de energia elétrica, foram desenvolvidos os trabalhos de implantação
do sistema de controle proposto.
Dá-se ênfase à “Planilha de Integração do SDSC”, que reuni em um único
documento, para cada sistema envolvido, as seguintes informações, em
relação a cada ponto de entrada e saída dos CLP´s Principal e Retaguarda:
identificação, tipo e endereço de hardware; endereços de memória de eventos,
endereços dos alarmes e endereços de dinamização de telas para o Sistema
Supervisório; valor e correspondência lógica de cada variável de controle;
descrição do elemento final de controle ou de aquisição de sinal, incluindo a
atuação das proteções e alarmes da Unidade Geradora 1.
No item “Configuração e Filosofia de Controle e Supervisão”, descreve-se a
solução adotada e implantada, em termos de filosofia, para o SDSC – Sistema
Digital de Supervisão e Controle.
Com o objetivo de garantir a continuidade do processo, quanto à ação de
controle, no caso de falha no CLP Principal, tem-se também o CLP
Retaguarda, com transferência automática e manual.
Quanto à operação e supervisão, tem-se a operação remota através das
estações de operação na Sala de Controle e a operação local através da IHM e
painel local QG1 na Casa de Força, para o caso de eventual perda ou falha nas
duas Estações de Operação (MTA-1 e MTA-2) ou rede Ethernet Industrial.
Neste painel local, QG1, foram agrupadas todas as interfaces de operação,
supervisão e controle. Em síntese, têm-se dois pontos distintos e
intercambiáveis de controle e dois pontos distintos e intercambiáveis de
supervisão e operação.
No item “Diagramas de Transição”, detalham-se as Máquinas de Estados
quando a ação de controle é feita pelo CLP Principal, com operação e
supervisão pelas estações na Sala de Controle e quando é feita pelo CLP
Retaguarda, com operação e supervisão pela IHM e painel QG1 na Casa de
Força; ilustram-se, descrevem-se os Diagramas de Transição de Estados e
detalham-se as seqüências de partida e parada da Unidade Geradora 1, nos
modos Automático e Passo-a-Passo.
No item “Arquitetura de Rede do SDSC”, apresenta-se a configuração da
comunicação em rede das Estações de Operação na Sala de Controle, entre
os CLP´s Principal e Retaguarda, IHM Local, os Controladores-Indicadores
16
Digitais de Temperatura (TUG´s), o CLP do Sistema de Regulação de
Velocidade Digital e os Indicadores Digitais de Variáveis Elétricas (SIMEAS-P),
utilizando-se redes do tipo Ethernet Industrial em fibra óptica, MPI e Profibus-
DP em par trançado elétrico.
No item “Descrição de Hardware e Software”, descrevem-se o hardware e
software utilizados para esta solução, com ilustrações do painel QG-1 e da
Sala de Operação após a implantação do sistema, onde se observam
claramente duas gerações de sistema de controle na mesma foto, conforme
figura 46, onde se vê atrás das Estações de Operação e Supervisão da
Unidade Geradora 1 os painéis antigos das outras duas Unidades Geradoras,
que ainda não foram automatizadas.
Após este item, apresenta-se a conclusão do sistema de controle implantado,
onde se ressalta a redução significativa do tempo de partida automática da
Unidade, isto é, com um simples acionar de mouse, através de uma das
Estações de Operação na Sala de Controle, leva-se a Unidade da condição
de Máquina Parada até Máquina Sincronizada no Sistema, com carga mínima,
em um tempo médio de três minutos, com toda a supervisão detalhada das
etapas e cumprimento das pré-condições estáticas e dinâmicas de partida.
Apresenta-se ainda, a bibliografia consultada para a execução deste trabalho.
No anexo 1, tem-se o Artigo “Modernização de uma Usina com Integração dos
Sistemas Auxiliares”, trabalho que foi aprovado e apresentado no XVII
SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia
Elétrica, 2003 - Grupo I Geração Hidráulica, em Uberlândia – MG, o qual é um
breve resumo desta dissertação.
17
2. APRESENTAÇÃO DOS CONCEITOS BÁSICOS DE ENGENHARIA DE
CONTROLE
2.1. Histórico
De acordo com alguns pesquisadores, quando em 1804 foi inventada a
Máquina de Tear com cartões perfurados por Jacquard, deu-se o início do
controle de sistemas seqüenciais, os quais são uma divisão, um tipo de SED –
Sistemas a Eventos Discretos. Anterior a isto, no século XVIII já existiam
registros de uma máquina de tear automática com cartões perfurados
(~1790 – 1801) e de uma moenda automática por esteiras (~ 1791).
Sabe-se que o dispositivo de controle por realimentação, o Regulador de Watt,
o qual marca o início do controle de SVC – Sistemas de Variáveis Contínuas,
foi desenvolvido em ~1784. Pode-se afirmar que o controle de SED possui uma
história tão antiga quanto o controle de SVC.
Em ~1824, Sturgeon desenvolveu o eletro-imã, que permitiu a Henry construir o
relé eletro-magnético em ~1836. A Álgebra de Boole, que é uma das bases
matemáticas do controle de SED, foi proposta por Boole em 1854 e em 1936
foi Stiblitz quem desenvolveu a primeira calculadora eletrônica a base de relés.
Sobre estas teorias e tecnologias descritas, o Controle de SED é estruturado.
Na década de 40, o controle de SED possuía a configuração ilustrada na figura
1, a seguir.
Fig. 01 – Configuração de um controle de SED, na década de 40
A partir da década de 50, com a introdução do conceito de monitoração e
controle remoto, o controle de SED, foi modificado para a seguinte
configuração ilustrada na figura 2.
Fig. 02 – Configuração de um controle de SED, na década de 50
OPERADOR
DISPOSITIVO DE
CONTROLE
OBJETO DE
CONTROLE
OPERADOR
OBJETO DE
CONTROLE
DISPOSITIVO
DE
MONITORAÇÃO
DISPOSITIVO
DE CONTROLE
DISPOSITIVO
DE ATUAÇÃO
18
Foi então feita a divisão entre as funções de “Monitoração” e “Atuação” do
Sistema de Controle, sendo que a primeira é responsável pelas funções de
interface com o operador e a segunda, pelas funções de atuação no objeto de
controle. A partir deste ponto, a evolução para sistemas centralizados e de
grande porte foi muito rápida (décadas de 60 e 70).
Com o advento da tecnologia eletrônica, a partir da década de 60, houve o
desenvolvimento de circuitos eletrônicos e chaves eletrônicas sem contacto
físico, isto é, os transistores. Conseqüentemente os dispositivos de controle
ficaram mais confiáveis e menores. Os circuitos integrados (CI), no fim da
década de 60 e início da década de 70, permitiram o desenvolvimento de mini-
computadores, os quais foram utilizados para o controle de processos
industriais, com grande impacto no controle de SED.
O impacto mais relevante que os computadores introduziram no controle de
SED foi uma especificação técnica divulgada pela General Motors (Estados
Unidos) em 1968, descrita a seguir, na Tabela 1:
Item Descrição
1 Deve ser fácil de ser programado, isto é, as operações seqüenciais
devem ser facilmente alteráveis, mesmo na própria planta.
2 Deve ser de fácil manutenção, se possível deveria ser baseado
totalmente em um conceito “plug in”.
3 Deve possuir características operacionais de alta confiabilidade (bem
maior que os dispositivos a relés) considerando-se o ambiente
industrial.
4 Deve possuir dimensões menores que os painéis a relés, para redução
do custo do espaço físico.
5 Deve ter capacidade de enviar dados para um sistema central.
6 Deve ter preço competitivo em relação aos atuais dispositivos a relés
e/ou eletrônicos.
Tabela 1 – Condições estabelecidas pela GMC (1968), para novos
Controladores
Em 1969 surgiram os primeiros controladores baseados nesta especificação da
GMC.
A partir da década de 70, os novos controladores multiplicaram suas funções,
com a introdução dos microprocessadores. Esses então foram denominados –
Controladores Lógicos Programáveis (CLP). No fim da década de 70, com o
desenvolvimento de microprocessadores de 16 bits, e tecnologia de multi-
processamento, um único CLP incorporou todos os tipos de funções
necessárias para a ralização do controle de SED.
O CLP era então definido como um dispositivo eletrônico para aplicações
industriais que, para execução de funções como operações lógicas,
19
seqüencialização, temporização e computação numérica, possui uma memória
onde ficam armazenadas, na forma de uma lista de palavras de comando, que
é o procedimento de controle. Baseado no conteúdo desta memória, a
operação das máquinas e/ou processos é controlada através dos sinais de
saída e entrada digitais e/ou analógicos.
A partir de 1980, as funções de comunicação do CLP foram aperfeiçoadas,
permitindo sua aplicação dentro de um sistema de controle em rede, onde são
integradas as técnicas de SED, controle de SVC e processamento de
informações para gerenciamento industrial, utilizando o controle lógico
eletrônico.
Pode-se afirmar que o controle lógico não se beneficiou dos avanços teóricos
do controle dinâmico, devido a certas diferenças fundamentais: os sinais são
sempre discretos em amplitude, em geral binários e as operações sobre eles
são não-lineares. Enquanto em controle dinâmico o perigo maior é a
instabilidade, geralmente associada ao crescimento ilimitado de sinais, em
controle lógico o perigo é o conflito, o “deadlock”, a parada total da evolução
dos sinais.
Pode-se dizer que o programa de um CLP tendo como base o controle lógico é
uma combinação de redes lógicas combinatórias e redes lógicas seqüenciais.
Ao projetar redes lógicas combinatórias (ou seja, sem memórias nem
temporizações), dispõe-se do auxílio da álgebra booleana (do matemático G.
Boole, 1715-64) para descrever, analisar e simplificar as redes, sempre em
conjunto com algumas técnicas de “organização do raciocínio” e “registro
padronizado e compacto” Quanto às redes lógicas seqüenciais (com memórias,
temporizações e entradas em instantes aleatórios) e aos sistemas movidos a
eventos em geral, os marcos teóricos são muito recentes, estando geralmente
imersos no tema do projeto do software dos computadores e/ou CLP, podendo
estar ainda um pouco distante do nível de resultados existentes em controle
dinâmico. Ainda que a Teoria dos Autômatos Finitos exista desde 1960, o
problema do controle de Sistemas a Eventos Discretos só veio a ser
conceituado com rigor teórico por W. M. Wonham, em 1989.
Também atualmente, têm sido muito úteis as Redes de Petri (1962) pela sua
grande capacidade de modelagem e por permitirem busca analítica de algumas
propriedades importantes. A Rede de Petri é um modelo matemático com
representação gráfica que vem sendo amplamente utilizada, há mais de 30
anos, em vários domínios de atuação como sistemas de manufatura, de
comunicação, de transporte, logísticos e, de forma geral, todos os Sistemas a
Eventos Discretos; especificar, analisar o comportamento lógico, avaliar o
desempenho e implementar estes tipos de sistemas são as principais
motivações para o uso da Rede de Petri. (CARDOSO J., VALLETE R., 1997.)
20
2.2. Sistemas – Uma Apresentação da Teoria Geral
Pode-se afirmar que o maior patrimônio da humanidade é o conhecimento e
que um dos propósitos da “creação” do homem por Deus é sua evolução,
crescimento e aperfeiçoamento. Este, em busca por compreender e explicar os
princípios que regem o universo e sua própria natureza, acumulou ao longo de
sua existência uma grande quantidade de conhecimento técnico, científico e
cultural.
Com a expansão da atividade industrial iniciada nos últimos séculos, suportada
principalmente por informações tecnológicas, o homem necessitou criar
metodologias adequadas a administração de tais conhecimentos. Tal
comportamento deu condições à humanidade de aprofundar-se em diversas
áreas científico-tecnológicas.
Esta realidade pode ser comprovada pelo elevado grau de especialização
alcançado pelos cientistas e equipes de desenvolvimento tecnológicos do
século XX, e que se reflete diretamente em termos industriais, nas técnicas e
modelos de linhas de produção em série, na maioria das vezes complexas e
cada vez mais controladas.
Este aprofundamento, nas mais variadas áreas da ciência e tecnologia, levou
os cientistas e pesquisadores a confrontarem-se com problemas de natureza
comum a todos.
Em todas estas áreas, sentiu-se a necessidade de postular leis de caráter mais
abrangente, que permitissem convergir as conclusões de um determinado
estudo para outra área de conhecimento, a princípio desconexa, sem inter-
relações.
Esta convergência na busca pelo desenvolvimento de tal conhecimento, é
muito bem apresentada na obra “General System Theory”, de Bertalanfly,
1968; o qual é um expoente histórico e referência introdutória àqueles que
buscam compreender esta nova Ciência.
A busca do entendimento fiel dos fenômenos como um inter-relacionamento
das partes do todo, é sua essência, de acordo com a citação de Bertalanfly, a
qual transcreve-se a seguir:
“São complexas as raízes desta evolução. Um de seus aspectos é a passagem
da engenharia de produção de energia – isto é, libertação de grandes
quantidades de energia, tal como acontece nas máquinas a vapor ou elétricas
– para a engenharia de controle, que dirige processos empregando dispositivos
de baixa potência e conduziu aos computadores e a Automação.”
Ainda segundo esta teoria, os sistemas são agrupados em níveis hierárquicos
de acordo com o modelo utilizado para sua representação. A tabela 2, a seguir,
ilustra uma representação destes níveis hierárquicos.
21
Tabela 2 – Visão dos níveis hierárquicos dos Sistemas
Existe um grande interesse direcionado ao estudo dos sistemas abertos, visto
que eles representam um elo importante de ligação entre sistemas descritos
por teorias e modelos matematicamente comprovados com sistemas de níveis
superiores, como por exemplo, no estudo recente em Sistemas Autônomos
22
Descentralizados (ADS) para automação industrial baseado em analogias entre
engenharia e os seres vivos.
Em relação a teoria geral de sistemas, um de seus objetivos é a melhor
compreensão dos problemas de relações, de estrutura e de interdependência
das partes de um todo. A descrição do que é essencial em suas formas,
aspectos e funções permite explicar seus efeitos e eficácia, além de dar
subsídios para aplicar tal conhecimento introduzindo modificações
significativas, tornando-as mais propícias e receptivas às necessidades
humanas. E é neste sentido que o conhecimento de características dos
sistemas abertos propicia ao projetista tecnológico uma visão mais abrangente
da situação à vista dos problemas que surgirem.
Fig. 03 – Modelo geral para um sistema aberto
O estudo matemático de sistemas fechados é comum nos diversos ramos da
engenharia. Os modelos utilizados para sua representação são, de certa
maneira, bastante similares àquele utilizado na representação de um sistema
aberto. Algumas características específicas definem todos os sistemas abertos,
as quais descrevemos em seguida:
a) Importação de Energia: os sistemas abertos importam alguma forma de
energia do ambiente externo. Ao contrário dos sistemas fechados que
tendem a atingir uma situação de equilíbrio após exaurirem suas fontes
de energia, nos sistemas abertos há o estabelecimento de um equilíbrio
de natureza dinâmica com relação ao nível de energia. Em um sistema
de produção industrial, por exemplo, são insumos, além da energia
térmica ou elétrica, a força de trabalho humano dos operários, a matéria
prima a ser processada, a engenharia, o capital dos investidores, etc.
Cabe ao projetista de sistemas identificar claramente quais e quantas
são as formas de energia utilizadas pelo sistema estudado. É uma das
metas deste projetista, racionalizar o uso destas formas de energia
utilizadas, buscar e descobrir fontes alternativas constantemente.
b) Transformação: Normalmente, a energia disponível em um sistema
aberto é transformada. A programação de produção em uma fábrica, por
exemplo, vai gerar instruções de alteração na matéria prima de entrada.
Essas atividades acarretam alguma reorganização dos insumos, então
um trabalho no sistema é executado. Estes processos de transformação
INSUMOS
PROCESSOS
PRODUTOS
REALIMENTAÇÃO
23
se tornam o principal fator de sobrevivência do sistema. Esta função
justifica a continuidade do mesmo no macrossistema.
c) Produto: os sistemas abertos exportam certos produtos para meio
ambiente. A inter-relação de sistemas abertos é efetuada em grande
parte por processos de trocas entre produto exportado e energia
importada, de forma a garantir a sobrevivência do sistema. É
principalmente o impacto causado por esses produtos que vai depender
a perpetuação, ou não, do sistema aberto. No caso de uma indústria, ela
poderá fornecer bens manufaturados importantes para a comunidade,
porém se os detritos gerados causarem danos e poluição ao meio
ambiente, inevitavelmente se chegará a um ponto que será exigida a
sua descontinuidade.
d) Sistemas como Ciclos de Eventos: A compreensão de que seu
comportamento é dado pela contínua execução de ciclos, é uma
característica importante de sistemas abertos. Apesar de suas partes
estarem inter-relacionadas, são os eventos que mais definem sua
estruturação. Um método simples para a identificação de ciclos é seguir
o fluxo de energia dos eventos, a partir de seus insumos, por meio de
sua transformação, até o ponto de fechamento de ciclo. Uma cadeia de
eventos pode envolver diversos holones (elemento primeiro sobre o qual
está construído o sistema quando esse é complexo, como o corpo
humano e a célula, ou como uma comunidade e suas famílias, por
exemplo), mas seu comportamento pode ser caracterizado pela
demonstração de estrutura somente quando existe um certo fechamento
da cadeia, por um regresso a seu ponto de origem.
e) Entropia Negativa: Todo sistema aberto é constituído de entropia
negativa, ou seja, é composto por um certo nível de organização entre
as partes. Deve ser compreendida, neste sentido, entropia como sendo
o grau de medida de desordem e entropia negativa conseqüentemente
como informação. No estudo de sistemas vivos, busca-se a
compreensão da complexidade de como se relacionam seus elementos.
Em noossistemas (organizações criadas artificialmente pelo ser
humano), a grande preocupação é pela modelagem e simulação de seu
comportamento antes de qualquer implementação. Uma nova usina
hidrelétrica, por exemplo, deve ser totalmente compreendida antes de
iniciar suas operações, para que não haja riscos de acidentes graves.
Todavia, em algumas situações não é possível controlar o nível
entrópico de um sistema, como por exemplo, o trânsito de algumas
grandes cidades, tal que em algumas circunstâncias nenhum
departamento de trânsito ou autoridade pode interferir em seu
comportamento caótico.
f) Realimentação Negativa: Como já visto antes, os sistemas abertos
necessitam de insumos. Esses insumos, porém, não são apenas de
natureza material ou energética; há também os insumos do tipo
informação. Dentre as formas de informação existentes em um sistema
aberto, a realimentação negativa é a mais expressiva na manutenção da
24
sobrevivência do sistema. A realimentação negativa, tem como objetivo
corrigir os desvios de comportamento do sistema diante das suas metas
inicialmente definidas. Essa informação é utilizada pelo mecanismo de
controle interno a fim de trazer o sistema à normalidade.
g) Homeostase Dinâmica: É característica dos sistemas abertos,
manterem-se em uma posição de equilíbrio. Tal equilíbrio, tem um
caráter dinâmico. Contrariamente aos sistemas fechados que atingem
estados de equilíbrio estático. O ponto de equilíbrio desejado é definido
em termos da busca por um estado firme. Tal é o comportamento
observado, por exemplo, dos dados obtidos em mecanismos de
regulação da qualidade em sistemas estatísticos de controle da
produção. Em outros casos, como em sistemas de maiores níveis de
complexidade, tal estado firme pode ser representado pela preservação
do caráter do sistema e sua manutenção expressa pela constante busca
de crescimento e expansão do sistema. É o caso de uma empresa
recém-iniciada, por exemplo, que passará por altos e baixos durante os
primeiros anos de sua existência, mas que após atingir um certo
patamar de estabilidade procurará ampliar seu mercado de atuação
como forma de preservar seu caráter e seus objetivos.
h) Diferenciação: Os sistemas abertos tendem a uma mecanização
progressiva, há uma tendência para maiores níveis de elaboração e
diferenciação entre as partes. Os padrões difusos e globais são
paulatinamente substituídos por funções mais especializadas. Essa
característica é muito notória nos casos de organizações sociais ou
ainda nos processos de seleção e aprimoramento das espécies.
i) Eqüifinalidade: Um sistema aberto pode alcançar, por uma variedade de
caminhos, o mesmo estado final, a partir de diferentes condições
iniciais. Tal comportamento pode ser comparado aos modelos de
controle adaptativo, em que alterações de estratégia ou de parâmetros
internos garantem o cumprimento do objetivo final do sistema. Em
organizações e outros sistemas superiores, esta característica é
garantida pelos princípios de teologia em conjunto com a realimentação
negativa.
Entende-se que o conhecimento acumulado da humanidade aumentou
substancialmente, tanto em gênero como em número, em função do
desenvolvimento de uma teoria geral para os sistemas. O surgimento de uma
nova forma de abordar os problemas resultou na criação de inúmeras outras
teorias e ciências. A Automação Industrial é um exemplo importante e típico
desta conseqüência.
Pela abrangência desta Teoria Geral, os princípios que regem sistemas
automatizados são, eles próprios explicados em termos desta mesma teoria. A
identificação ou especificação de sistemas abertos é um ponto importante a ser
considerado quando no estudo de problemas sob a óptica sistêmica. Através
das principais características dos sistemas abertos, pode-se identificar nos
sistemas de produção industrial um caso no qual a aplicação das técnicas de
25
automatização eleve seu nível hierárquico, à luz da Teoria Geral de Sistemas.
(SILVEIRA, P.R.,SANTOS W. E, 2002.)
2.3. SED - Sistemas a Eventos Discretos – Conceitos Fundamentais
Inicialmente, deve-se esclarecer as principais diferenças entre os conceitos de
controle de SED – Sistemas a Eventos Discretos (foco deste trabalho) e
controle de SVC – Sistemas de Varáveis Contínuas.
Para apresentar a teoria de SED – Sistemas a Eventos Discretos, tem-se como
referência Myagi, P.E., 1997.
Para apresentar parte da teoria introdutória de de SVC – Sistemas de Varáveis
Contínuas, tem-se como referência Ogata K. 1993.
Para atender as inúmeras exigências e evolução tecnológica em relação ao
produto, às instalações produtivas, à operação, enfim às necessidades da
sociedade, foi desenvolvida a automação. A base científica e tecnológica para
a realização da automação é o Controle Automático.
O Controle Automático, pode ser dividido em duas classes principais:
. Controle Quantitativo Æ técnica para implementação do controle de SVC
. Controle Qualitativo Æ técnica para implementação do controle de SED
Apresenta-se a seguir, a Tabela 03 a qual resume as características das duas
classes principais de Controle Automático:
Tabela 03 – Comparativo das duas classes de controle automático
26
Entende-se atualmente que no controle de SVC - Sistemas de Varáveis
Contínuas, as teorias de Controle Robusto e Controle Moderno estão bastante
desenvolvidas e aplicadas, principalmente nas áreas de Controle Ótimo,
análise e estrutura de sistemas de controle e análise do comportamento
dinâmico, além das técnicas de Controle Tradicional.
Pode-se resumidamente afirmar que o principal objetivo no controle de SVC,
consiste em igualar o valor de uma certa variável física (variável de controle) a
um valor de referência. A seguir, apresentamos o seu diagrama conceitual,
conforme figura 04.
Figura 04 – Diagrama conceitual básico de controle de SVC
Esta técnica de Controle Quantitativo, na qual é usado o controle de SVC para
sua implementação, é utilizada para controlar sistemas que possam ser
governados através de valores mensuráveis, variáveis analógicas, como a
velocidade de rotação de um servomecanismo, a vazão ou a temperatura de
um processo químico, a pressão ou o nível de um líquido em um tanque, etc.
Neste tipo de controle o valor real (atual) da variável é constantemente
comparada ao valor de referência para que a variável física analógica
(pressão, velocidade, vazão, temperatura, pressão diferencial, posição, torque,
nível, força, etc) atinja e mantenha um valor pré-ajustado.
A teoria de controle de SVC é largamente aplicada, pois muitos objetos de
controle podem ser considerados de natureza contínua e linear ou linearizados
dentro de uma faixa aceitável de trabalho.
No controle de SVC a maioria dos vários conceitos e teorias já foram
desenvolvidas e validadas, como por exemplo o modelamento matemático de
sistemas dinâmicos, as ações de controle básicas para controladores
automáticos industriais (PID), análise de resposta transitória e análise de erros
em regime estacionário, análise no lugar das raízes, análise de resposta em
freqüência, técnicas de projeto e compensação, análise de sistemas de
controle não-lineares por função descritiva, análise de sistemas de controle por
espaços de estados, etc.
27
Para representar o modelo do objeto de controle no controle de SVC, a luz da
Teoria de Controle Moderno (a qual é aplicável a sistemas de entradas
múltiplas e saídas múltiplas, que podem ser lineares ou não-lineares,
invariantes ou variantes no tempo, baseada no conceito de estado) ilustra-se, a
seguir, o Diagrama de Blocos do Sistema de Controle Linear Contínuo no
Tempo representado em Espaço de Estados:
Figura 05 – Diagrama de blocos do sistema de controle linear contínuo
no tempo representado em espaço de estados
Neste sistema a saída y(t) para t > t
1
depende do valor de y(t
1
) e da entrada
u(t) para t > t
1
. O sistema dinâmico envolve elementos que memorizam os
valores da entrada para t > t
1
.
Os integradores em um sistema de controle contínuo no tempo servem como
dispositivos de memória, as saídas de tais integradores podem ser
consideradas como variáveis que definem o estado interno do sistema
dinâmico. Assim as saídas dos Integradores servem como variáveis de estado.
O número de variáveis de estado para definir completamente a dinâmica do
sistema é igual ao número de integradores envolvidos no sistema.
Pode-se admitir que um sistema de entradas múltiplas e saídas múltiplas
envolve n integradores. Admitir também que há r entradas u
1
(t), u
2
(t), ... , u
r
(t) e
m saídas y
1
(t), y
2
(t), ... , y
m
(t).
Definir n saídas dos integradores como variáveis de estado: x
1
(t), x
2
(t), ... , x
n
(t)
Então o sistema pode ser descrito por:
x‘
1
(t) = f
1
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
x‘
2
(t) = f
2
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
.
. (1.1)
.
x‘
n
(t) = f
n
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
28
As saídas y
1
(t), y
2
(t), ... , y
m
(t) podem ser dadas por:
y
1
(t) = g
1
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
y
2
(t) = g
2
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
.
. (1.2)
.
y
m
(t) = g
m
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
Se definirmos:
u(t) = = vetor coluna das entradas (1.3)
x(t) = = vetor coluna das variáveis de estado internos (1.4)
y(t) = = vetor coluna das saídas (1.5)
f(x, u, t) = (1.6)
u
1
(t)
u
2
(t)
.
.
.
u
r
(t)
x
1
(t)
x
2
(t)
.
.
.
x
n
(t)
y
1
(t)
y
2
(t)
.
.
.
y
m
(t)
f
1
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
f
2
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
.
.
.
f
n
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
29
g(x, u, t) = (1.7)
Então as equações (1.1) e (1.2) ficam:
x‘ (t) = f(x,u,t) - (Equação de Estado) (1.8)
y(t) = g(x,u,t) - (Equação de Saída) (1.9)
Se as funções vetoriais f e g envolvem tempo t explicitamente, então o
sistema é chamado Sistema Variante no Tempo.
Se as equações (1.8) e (1.9) são linearizadas sobre o estado de operação,
então temos a seguinte equação de estado linearizada e a equação de saída:
x‘ (t) = A(t) x(t) + B(t) u(t) (1.10)
y(t) = C(t) x(t) + D(t) u(t) (1.11)
onde,
A(t) = Matriz de Estado
B(t) = Matriz de Entrada
C(t) = Matriz de Saída
D(t) = Matriz de Transmissão Direta
Se as funções vetoriais f e g não envolvem tempo t explicitamente, então o
sistema é chamado Sistema Invariante no Tempo, portanto as equações (1.8) e
(1.9) são simplificadas para:
x‘ (t) = f(x,u) - (Equação de Estado) (1.12)
y(t) = g(x,u) - (Equação de Saída) (1.13)
g
1
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
g
2
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
.
.
.
g
m
(x
1,
x
2,
. . . , x
n
; u
1
, u
2
, . . . , u
r
; t)
30
Também as equações (1.10) e (1.11) podem ser linearizadas em torno do
estado de operação, ficando:
x‘ (t) = A x(t) + B u(t) (1.14)
y(t) = C x(t) + D u(t) (1.15)
As equações acima, (1.14) e (1.15), são as equação de estado e equação de
saída de um Sistema Linear Invariante no Tempo (SLIT).
No caso de controle de SED – Sistemas a Eventos Discretos, seu objetivo
principal corresponde a execução de operações conforme um procedimento
pré-estabelecido, programado ou baseado em uma lógica fixa a qual
estabelecida em um procedimento, deve executar ordenadamente cada etapa
do controle.
A seguir, apresentamos o seu diagrama conceitual, conforme figura 06.
Figura 06 – Diagrama conceitual básico de controle de SED
Neste sistema, não há o conceito de valor de referência, o qual é substituído
pelo comando da tarefa, sendo este um valor discreto (qualitativo), assim como
o estado identificado e a saída do processador.
As funções do controle de SED, são então estruturadas conforme a figura 07, a
seguir.
31
Figura 07 – Estrutura das funções básicas de controle de SED
Normalmente, o objeto de controle é composto de vários elementos e seus
estados. Estes estados podem ser representados por valores finitos dentro de
um conjunto de “estado de variáveis”.
O objeto de controle é formado por m elementos, sendo que estes elementos
possuem N
1
, ... , N
m
estados respectivamente. A combinação N
t
destas
variáveis de estado do objeto de controle, teoricamente é representada pela
fórmula a seguir:
Em geral o valor N
i
não é muito grande, porém o valor de m (quantidade de
objetos de controle) é alto. Todavia, o valor N
r
(combinações que as variáveis
de estado de um objeto de controle pode assumir durante sua operação
normal) é muito menor que N
t .
Cada uma destas combinações das variáveis de estado N
r
representam uma
etapa do processo do controle de SED. De acordo com a definição de controle
de SED, tem-se que cada passo do processo ocorre conforme regras pré-
estabelecidas. A evolução dos passos do processo é resultante do atendimento
de todas as condições destas regras.
As condições que regulam esta evolução definem dois tipos básicos de
controle de SED:
. “time driven” - dependente do tempo onde as condições para a
evolução podem ser totalmente representadas
através de uma função no tempo.
. “external event driven” - dependente de eventos externos onde as
condições para evolução podem ser representadas
através de sinais de entrada externos.
(1.16)
32
Pode-se considerar que a evolução dos passos de um processo ocorre de
forma instantânea (a constante de tempo do sistema de controle deve ser muito
menor que as constantes de tempo envolvidas no processo a ser controlado).
E, como o número de estados de um objeto de controle pode ser representado
por um valor finito, pode-se utilizar uma representação por valores discretos.
A dinâmica dos passos de um processo tem natureza assíncrona, pois
depende exclusivamente da satisfação das condições da evolução.
Também, normalmente o sistema de controle de SED é formado por vários
sub-sistemas, sendo que cada um destes é um SED, e a evolução dos passos
em cada um ocorre de forma paralela e independente.
Então, o sistema de controle de SED pode ser estudado como um sistema
caracterizado pelo assincronismo e paralelismo.
A tabela 04, a seguir, apresenta um exemplo dos principais dispositivos
utilizados no controle de SED.
Tabela 04 – Principais dispositivos utilizados em controle de SED
Então a técnica mais representativa para implementação do controle qualitativo
é o controle de SED. Nesta técnica, considera-se que os vários elementos
(estruturais) que compõem o objeto de controle possuem um número finito de
estados que podem assumir, como por exemplo: ligar/desligar um dispositivo,
abrir/fechar uma válvula, energizar/desenergizar um relé, etc., isto é,
normalmente todas as variáveis são descontínuas no tempo e no espaço e
assumem apenas valores discretos.
33
Estes elementos podem ser todos representados por um conjunto definido e
limitado de estados. É chamado de passo (“step”) o conjunto dos estados dos
elementos estruturais do objeto de controle do processo de controle. Então,
para modelar o objeto de controle deve-se definir como os estados dos
elementos estruturais devem evoluir ou responder em função das entradas e
como combinar os estados destes elementos para resultar nos passos de saída
desejados.
Os objetos de controle para o controle de SED, também podem ser
representados por equações de estado e de saída, conforme descrito a seguir:
z (k+1) = h {z (k), v (k)} (1.16)
w (k) = q {z (k), v (k)} (1.17)
onde:
z = vetor dos n estados dos m elementos estruturais
w = variável vetorial de saída, combinação dos m elementos
estruturais e n estados assumidos pos estes
v = vetor dos sinais de entradas de atuação sobre os m elementos
estruturais
h e q = funções matriciais
A equação (1.16) afirma que o estado interno de um elemento estrutural em um
passo seguinte depende do estado presente do próprio elemento e do sinal de
entrada presente.
A equação (1.17) afirma que a saída depende do estado atual e da entrada
atual do elemento.
A seguir, na figura 08, está representada a relação entre as equações (1.16) e
(1.17).
(a) (b)
Figura 08 – Modelo do objeto de controle no controle de SED
34
Importante salietar que no controle de SED, devido as instalações e os
equipamentos, que são os objetos de controle, serem uma estrutura resultante
da composição de muitos elementos independentes e que possuem uma
interface com o ser humano, pode-se projetar diferentes tipos de solução para
o mesmo problema proposto.
Portanto, para se atingir a melhor solução, a mais viável sob o ponto de vista
técnico-econômico, é imprescindível compreender muito bem os objetivos
desejados e os objetos a serem controlados.
No objeto de controle existem as entradas de atuação e as saídas possuem
alguma relação de causa e efeito com estas.
Se a saída no instante t for dependente somente do valor da entrada no
mesmo instante, o sistema é dito Instantâneo (de memória nula). Se a saída
num instante t for dependente das entradas atuais (presentes) e as entradas
anteriores (passadas) ou ainda de condições iniciais, o sistema é chamado de
Dinâmico (com memória).
Um sistema de produção onde as peças geralmente sofrem várias operações
(ou processos) numa única máquina, é um exemplo típico de sistema dinâmico
pois não é possível identificar qual é a etapa corrente ou estado de
funcionamento das máquinas, conhecendo-se somente a situação das
entradas atuais.
Além disso, o estudo e realização do controle envolve a correta abstração do
objeto de controle, isto é, a concepção do seu modelo. Assim, nos objetos de
controle considerados como sistemas dinâmicos, são necessários registros de
entradas passadas ou modelos dos estados internos do objeto.
No caso em que se considera como objeto as entidades físicas que variam
continuamente (quando se trata de SVC) como por exemplo, posição,
velocidade, aceleração, etc. a utilização de equações integro-diferenciais são
efetivas e geralmente são apresentadas sob a forma de equações de estado.
Entretanto, o objeto de controle de SED no caso de sistemas produtivos, é
geralmente um sistema que é composto por muitos elementos que se
relacionam de modo complexo entre si. Para modelá-lo, considera-se que cada
um dos elementos que compõem o objeto de controle são independentes entre
si e que cada um possui estados próprios.
Os estados dos elementos podem evoluir de duas maneiras:
. Dependendo apenas da entrada presente
. Dependendo das entradas e dos estados passados
Tanto uma como a outra possuem evoluções (transições) de estado que
dependem de um evento, o sinal de entrada, e por isso são chamadas de
sistemas dirigidos por eventos. Além disso, considerando-se que cada
elemento do sistema é independente, a evolução dos estados de cada
componente ocorre assincronamente e paralelamente.
35
Na prática estão cada vez ficando mais freqüentes os sistema de controle que
tratam em conjunto estas duas classes de controle, de SVC e de SED. Além
disso, graças ao decréscimo do custo do CP (Controlador Programável) e a
evolução das técnicas de transmissões de dados, estão sendo concebidos
sistemas de grande porte com funções distribuídas em níveis de planejamento
(gerenciamento) e níveis de operação (automática/manual). Nestes sistemas
distribuídos, as funções são hierarquizadas para assegurar a segurança e a
manutenção, como por exemplo, na automação de uma Usina Hidrelétrica.
Os dispositivos que controlam as instalações e as máquinas diretamente são
chamados de dispositivos de controle distribuído e estes são interligados em
rede através de sistemas de comunicação de alta velocidade onde também
está instalado o controlador de nível superior.
Podemos associar aos dispositivos de controle distribuído os operadores locais
e ao controlador superior os serviços de gerenciamento. Neste tipo de sistema
de controle distribuído de funções hierarquizadas, as ordens de produção,
montagem, etc. são enviadas dos níveis superiores aos inferiores e as
respostas (relatórios, avisos, etc.) percorrem o caminho inverso. No nível
inferior, ou seja, entre os dispositivos de controle distribuído existem trocas de
informações de estado, intertravamentos, etc. Assim, assegura-se a efetiva
supervisão geral do sistema durante seu funcionamento (garantia de
qualidade), ao mesmo tempo em que podem ser executados estudos para
melhorar (otimizar) a produção (alta produtividade).
A seguir, a figura 09 apresenta uma ilustração de sistema distribuído e
hierárquico.
Figura 09 - Exemplo de sistema distribuído e hierárquico
36
2.4. Principais Termos Utilizados em Controle
Com o objetivo de nivelar as informações, a seguir descrevem-se os principais
conceitos e definições técnicas utilizados na área de Automação.
Em alguns termos de maior interesse e aplicação a este trabalho, a descrição
tende a ser um pouco mais completa, como por exemplo: CLP´s, Linguagens
de Programação, e outros.
. Automação
A palavra “Automation” foi inventada pelo marketing da indústria de
equipamentos na década de 60. O neologismo, sem dúvida sonoro, buscava
enfatizar a participação do computador no controle automático industrial.
Hoje se entende por Automação, qualquer sistema apoiado em computadores,
que substitua o trabalho humano e que vise a soluções rápidas e econômicas
para atingir os complexos objetivos das indústrias e dos serviços.
Os pequenos computadores especializados e dedicados, os CLPs –
Controladores Lógicos Programáveis, permitem tanto o controle lógico quanto o
controle dinâmico, com a vantagem de permitir ajustes mediante simples
reprogramações, na própria instalação.
No contexto econômico industrial, a Automação implica a implantação de
sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo
sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os
operadores na operação e manutenção do processo.
. Comandos Binários
Comandos binários são os sistemas de comando que funcionam
predominantemente com sinais binários.
Os comandos binários são compostos por funções lógicas, tais como SIM,
NÃO, E, OU, NÃO E, NÃO OU, OU EXCLUSIVO, E EXCLUSIVO e
MEMÓRIAS, bem como também de componentes eletrônicos com saídas
binárias tais como os temporizadores e os contatores.
Os comandos binários podem ser síncronos ou assíncronos. A diferença entre
eles é que no caso do comando assíncrono este não é ativado por um sinal
cíclico de um “clock” interno, mas sim, apenas por sinais de entrada.
Os comandos binários se dividem basicamente em Combinatórios e
Seqüenciais, conforme mostra a figura 10, a seguir:
37
Figura 10 – Principais tipos de comandos binários
Comandos Combinatórios: ou combinacionais, os sinais de saída S ocorrem
unicamente em função de uma determinada combinação lógica de sinais de
entrada:
S = f (E) (1.18)
Estas combinações lógicas podem ser definidas pelas funções booleanas.
Comandos Seqüenciais: são comandos que produzem uma seqüência pré-
determinada de ações, em que a passagem de uma para a outra se dá em
função do cumprimento de condições de prosseguimento, de acordo com a
programação estabelecida.
Estas condições de prosseguimento são sinais de entrada E externos, como
também grandezas internas I do próprio sistema. Assim, para cada ação de
seqüência, a saída S será dada por:
S = f (E, I) (1.19)
. Controle Lógico
É um outro importante meio de automatização. Surgiu como necessidade
prática, quando contatores, disjuntores, relés de proteção, chaves manuais,
etc., tinham de ser interligados de maneira a dar partida, proteger
componentes e vigiar dia e noite as condições de segurança da planta ou do
processo. O controle lógico realiza-se por meio de circuitos (elétricos,
eletrônicos, hidráulicos, pneumáticos, etc) em que as variáveis são binárias
(valor 0 ou 1); esses circuitos podem ser chamados genericamente de redes
lógicas.
COMANDOS BINÁRIOS
COMBINATÓRIOS SEQÜENCIAIS
DE TRAJETÓRIA
PROGRAMADA
DE TEMPO
PROGRAMADO
38
. Controlador Lógico Programável - CLP
O Controlador Lógico Programável – CLP ou PLC (“Programmable Logic
Controller”), pode ser definido como um dispositivo de estado sólido, um
computador industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de
funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem por exemplo),
além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e
comunicação em rede, sendo utilizado no controle de sistemas automatizados.
De acordo com a IEC1131-3 ilustramos na figura 11, a seguir, o modelo
funcional do CLP.
Figura 11 – Modelo Funcional do CLP, de acordo com a IEC61131-3
Os CLP´s são a base do desenvolvimento do SDSC (Sistema Digital de
Supervisão e Controle). São equipamentos robustos, adequados para uso em
ambiente industrial, modulares e flexíveis, permitindo o desenvolvimento,
através de linguagem de programação normalizada, dos programas aplicativos
para cada área funcional da instalação.
Os CLPs são compostos basicamente por:
− rack ou trilho normalizado;
− fonte de alimentação;
− módulo de processamento central (CPU) com cartões de memória
FEPROM ou RAM;
− cartões de interface para entradas e saídas digitais e analógicas (centrais
ou distribuídos);
− módulos processadores de comunicação;
− módulos processadores para funções especiais.
39
Figura 12 - Diagrama funcional de Blocos simplificado do CLP
Figura 13 - CLP SIMATIC S7-400 da SIEMENS
A seguir, uma breve descrição de cada divisão do CLP:
. Racks:
Os racks ou trilhos são utilizados para fixação mecânica dos módulos e, em
alguns casos, proporcionam um ou mais barramentos de comunicação para
troca de dados entre a CPU, módulos de E/S e os módulos de comunicação.
40
. Fontes de Alimentação:
A fonte de alimentação é utilizada para converter a tensão disponível no painel
de controle em níveis de tensão compatíveis com a eletrônica. A fonte conta
usualmente com baterias para manutenção da alimentação do CLP e
preservação do conteúdo de memórias durante falhas na tensão de
alimentação externa. Em função da disponibilidade desejada, as fontes de
alimentação do CLP podem ser redundantes.
. CPU ou Unidade de Processamento Central:
A CPU é o principal módulo do CLP. É nela que está armazenado,
normalmente em memórias tipo EEPROM ou FEPROM, o programa aplicativo,
executado tipicamente de maneira cíclica.
As CPUs desempenham as seguintes funções principais:
− atualização das imagens das entradas e saídas, permitindo que os valores
das entradas digitais e analógicas sejam lidos no início de cada ciclo do
programa e que os resultados sejam transferidos ao processo através da
atuação das saídas digitais (comandos) e saídas analógicas (set-points);
− execução de operações lógicas e aritméticas;
− comunicação e atualização do conteúdo das memórias RAM e ROM;
− comunicação com aparelhos de programação para carregamento e
alterações do software aplicativo.
. Módulos de Periferia / Cartões de E/S:
Os cartões de entradas e saídas digitais e analógicas são a interface entre o
CLP e o processo.
Os níveis de tensão típicos para entradas digitais são: 24VCC, 125VCC e
120VCA. Por não possuir grande rigidez dielétrica e capacidade de condução
de corrente / interrupção de cargas indutivas, as entradas e saídas digitais são
conectadas ao processo através de relés de interposição.
Existem módulos especiais capazes de suportar níveis mais elevados de
tensão aplicada (p.e. 2,5 kVcc) , porém estes não são usualmente encontrados
em aplicações industriais.
Os cartões de entradas e saídas analógicas normalmente podem ser
configurados para leitura de sinais em 0(4)-20mA, +10 a -10V ou sinais de
resistência (termopares), entre outros.
41
. Módulos de Comunicação:
Os módulos de comunicação são responsáveis pela troca de dados entre o
CLP e os demais níveis hierárquicos do SDSC (Sistema Digital de Supervisão
e Controle), organizando os dados nos telegramas característicos de cada
protocolo de comunicação. São módulos sofisticados, freqüentemente com
processador próprio, independente da CPU.
Dentre os módulos de comunicação destacam-se:
− módulos de comunicação para rede LAN – Ethernet ou TCP/IP;
− módulos de comunicação para redes de campo – Profibus-DP ou MODBUS;
− módulos de comunicação para redes de processo – Profibus-PA, Fieldbus
Foundation, CanBus, etc.
. Linguagens de Programação para CLP´s
O software aplicativo, o qual é instalado na CPU de cada CLP, pode ser
desenvolvido utilizando-se diferentes linguagens de programação.
No passado, o software era escrito apenas na linguagem ladder ou lista de
instruções, sendo que cada fabricante possuia uma linguagem de programação
proprietária, gerando grandes dificuldades para as equipes de desenvolvimento
e manutenção.
A norma IEC61131-3 – “Programmable Languages, PLC Software Structure,
Languages and Programm Execution”, (LEWIS R. W.; Programming Industrial
Control Systems using IEC 1131-3, Revised Edition. United Kingdon, London:
The Instituition of Electrical Engineers, 1998.) especifica diversos critérios para
o software dos PLCs, dentre os quais algumas linguagens de programação,
conforme descrito na figura 14.
Nesta norma os padrões são definidos, porém dá uma certa abertura para
estabelecer as especificações mínimas para serem respeitadas e as regras
para futuras expansões.
As especificações das linguagens são baseadas na estrutura de linguagens
usualmente utilizadas e conhecidas como o Pascal, de modo a preservar sua
portabilidade para equipamentos de diferentes fabricantes e/ou fornecedores.
42
Figura 14 – Tipos de linguagem de programação de acordo com a IEC
Assim, as linguagens de programação, de acordo com o tipo, são divididas em
Linguagem Gráfica e Linguagem de Textos.
. Linguagem de Textos:
− texto estruturado (ST – structured text), uma linguagem de alto nível com
sintaxe similar ao PASCAL, que suporta uma ampla variedade de
operandos e funções padronizadas;
Figura 15 – Exemplo de programação em linguagem ST
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5)
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5)
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5)
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
O10:=I1 & NOT I2 & (I3&NOTI4 OR I5&I6) &
I17 OR I8 &I9 & (I4&NOTI1 OR I7&I5)
43
− lista de instruções (IL – instruction list), uma linguagem de baixo nível, com
estrutura similar ao Assembler. É uma lista, na vertical com comandos
correspondentes as funções lógicas e códigos das entradas e saídas,
dispostos numa seqüência correspondente a sua ordem de execução.
Figura 16 – Exemplo de Programação em IL
. Linguagem Gráfica:
− diagrama de blocos de funções (FBD – function block diagram), uma
linguagem gráfica, utilizada para representar fluxo de dados e sinais com
base em blocos lógicos padronizados, comumente utilizada para
programação de lógicas e intertravamentos, também é comumente
chamada de Diagrama de Circuitos Lógicos.
Figura 17 - Exemplo de Programação em FBD
44
− ladder (LD – ladder diagram), uma linguagem gráfica que repete a estrutura
de um diagrama de contatos convencional, ou diagrama de relés. Na IEC,
esta linguagem é detalhadamente definida, permitindo a inclusão de
elementos de outras linguagens, como blocos fundionais ou blocos de
funções.
Figura 18 - Exemplo de Programação em LD
− sequential flow chart (SFC), uma linguagem gráfica utilizada para programar
seqüências que se repetem no tempo ou que são desencadeadas por
eventos do processo. É caracterizada por “steps” (passos, condições) e
“transitions” (transições, eventos). Foi desenvolvida a partir das Redes de
Petri. É uma linguagem bastante adequada para o controle de SED.
Na IEC, o SFC não é considerado uma linguagem padronizada
Independente, mas sim um elemento de descrição da lógica de controle.
Figura 19 - Exemplo de Programação em SFC
Os fabricantes de CLPs também desenvolvem algumas linguagens gráficas de
alto-nível, baseadas nas linguagens acima, tornando a programação de seus
equipamentos mais amigável.
45
O programa do CLP é normalmente executado de maneira cíclica, ou seja, as
variáveis são lidas, as instruções são processadas e os resultados são
transferidos ao processo em intervalos fixos e dependentes do tamanho do
programa e da performance da CPU.
Figura 20 – Ciclo de Execução do Programa na CPU do CLP
Em alguns casos surge a necessidade de se atuar no processo antes do
término do ciclo do programa. Nesses casos, pode-se utilizar do artifício da
interrupção, ou seja, partes do programa podem ser acionadas somente no
caso de um evento importante e não freqüente do processo, que demande
ação imediata.
Figura 21 – Utilização de Interrupções na Execução de um Programa na CPU
do CLP
46
O software dos CLPs geralmente é desenvolvido com base em funções
padronizadas, dentre as quais destacam-se:
Blocos organizacionais (OB):
são a interface do programa aplicativo com o sistema operacional. São
acessados pelo sistema operacional para gerenciar tarefas cíclicas e
interrupções, bem como a inicialização do sistema e o tratamento de erros.
Resumindo, pode se dizer que a utilização dos OBs define a reação da CPU.
Funções específicas do programa:
são desenvolvidas para cada aplicação, podem ser programadas em FBs e
FCs. As FCs não possuem memória, ou seja, cada vez que é utilizada é
necessário indicar os parâmetros que serão utilizados. As FBs são funções
com memórias, ou seja, possuem um bloco de dados (DB) associado, onde
seus parâmetros são lidos e os resultados armazenados.
Algumas funções são partes integrantes do sistema operacional (funções de
sistema), podendo ser acessadas pelo programa aplicativo ao longo de seu
ciclo de execução. Estas funções geralmente são utilizadas para acessar os
módulos de hardware, tratar erros, gerenciar a comunicação, verificar o
funcionamento de hardware e software, etc.
Blocos de Dados (DBs):
são partes do programa sem instruções lógicas, ou seja, apenas armazenam
parâmetros e variáveis, podendo ser associados a uma instância (instance data
blocks) ou seja a uma ou mais função (one instance, multiple instance).
. Processos
O Merriam-Webster Dictionary define um “processo” como sendo uma
operação ou desenvolvimento natural, que evolui progressivamente,
caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem, uma em
relação às outras, de um modo relativamente fixo e conduzindo a um resultado
ou uma finalidade particular; ou uma operação artificial ou voluntária, que evolui
progressivamente e que consiste em uma série de ações controladas ou
movimentos sistematicamente dirigidos objetivando um resultado ou finalidade
particular. Neste trabalho designaremos qualquer ação a ser controlada como
processo.
. Redes de Comunicação Industriais
As redes de comunicação são utilizadas para interligar os diferentes níveis
hierárquicos do sistema de supervisão e controle. Suas características
principais são: topologia, meio físico, modo de acesso, velocidade e protocolo,
entre outras.
A comunicação entre dois equipamentos em rede deve obedecer uma série de
quesitos, tais como um protocolo e um modo de acesso à rede idênticos. Para
organizar e estabelecer critérios para a comunicação em rede, a ISO –
Internation Standartization Organization – estabeleceu um modelo composto
47
por 7 camadas. Cada camada diz respeito a um quesito da comunicação de
dados, desde a definição do meio físico, modo de acesso à rede, verificação de
erros, etc..
A topologia de uma rede pode ser em barramento, estrela, anel ou árvore,
redundante ou não. O meio físico pode ser cabo metálico (coaxial, par
trançado) ou óptico (fibra de vidro ou plástico). A velocidade da rede depende
do meio físico e do modo de acesso, podendo variar de alguns kBps
(comunicação serial) até 1000MBps (giga-ethernet).
Os principais componentes utilizados para comunicação em rede e entre redes
são: repetidores, bridges (pontes), roteadores e gateways.
Freqüentemente encontram-se redes de área local (LAN) nos padrões
ETHERNET (inclusive TCP-IP) para comunicação entre os níveis de controle
local e centralizado e redes de processo / campo nos padrões PROFIBUS-DP,
MODBUS, INTERBUS ou similares na comunicação entre os níveis de controle
local e individual.
. Rede Ethernet Industrial
As redes Ethernet são normalizadas pela IEEE 802.3 e foram desenvolvidas
inicialmente pela Xerox em 1972. Caracterizam-se pelo protocolo CSMA / CD –
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – ou seja, as estações
da rede que desejam enviar um telegrama aguardam uma brecha para enviar
seus dados (carrier sensing), porém, como existem mais de uma estação na
rede, pode ocorrer de mais de uma estação enviar seus dados
simultaneamente (multiple access), causando uma colisão. Neste caso, a
colisão é detectada pelas estações que passam a contar um tempo aleatório
para retransmitir seus dados (collision detection).
Figura 22 - Faixas de Utilização dos Principais Tipos de Redes de
Comunicação
48
. Rede MPI
“ Mult Point Interface“ – É uma rede serial RS-485, utilizada para comunicação
de dados diretamente entre CLPS (SIEMENS), com taxa de transmissão de
187,5 kBaud, podendo ser utilizada em distäncias até 50 m ou até 9100 m com
repetidores. A interface MPI da SIEMENS, suporta displays, painéis de
operação e terminais de programação. A MPI oferece as seguintes
possibilidades:
- programação de CPU´s e módulos inteligentes
- funções de monitoração do sistema e funções de informações
- troca de dados entre CLP´s
- troca de programas entre CPU e terminal de programação
(SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de Treinamento,
Programação Básica SIMATIC S7 ST-7PRO1; São Paulo, 2002)
. Rede Profibus DP
As redes padrão Profibus são utilizadas na comunicação entre equipamentos
do processo. Estão normalizadas através da IEC61158 / EN60170. São redes
abertas e robustas, permitindo a conexão de equipamentos de diferentes
fabricantes.
O Profibus é um processo padronizado para a transmissão das informações, de
acordo com um protocolo padronizado/normatizado no nível do processo, chão
de fábrica.
O Profibus tem mais de 300.000 nós no mundo, mais de 240 fabricantes de
equipamentos com mais de 500 produtos compatíveis, com empresas como
Siemens, Motorola, Intel, Philips.
O Profibus é uma família formada por:
- Profibus FMS (Field Messaging Specification): padronizado desde
1989, proporciona transparência no desenvolvimento da comunicação
industrial através de CLP´s e controladores de alto nível.
- Profibus DP (Decentralized Periphery): distribui alta performance de
comunicação entre os equipamentos de campo (sensores, atuadores,
outros controladores, etc) no chão de fábrica. É utilizado nas aplicações
que necessitam de tempo de resposta rápido e que não tëm uma grande
quantidade de dados, gravando os sinais de entrada e saída.
As principais características do Profibus DP, são:
- A rede opera segundo o princípio de mestre / escravo e de token
passing (passagem do bastão). O mestre da rede PROFIBUS interroga
ciclicamente todos os participantes (escravos) que enviam suas
49
informações, são configurados tempos máximos de ciclo e tempos para
cada um dos participantes enviar seus dados.
- A velocidade da rede depende do meio físico (elétrico ou óptico),
podendo variar de 9,6 kbps a 12 Mbps, permitindo tempos de reação
curtos.
- Boa imunidade a ruídos, segurança intrínsica.
- Comportamento determinístico inerente (tempo real).
- Compatibilidade de desenvolvimento do protocolo e aplicações
disponíveis via circuitos integrados de prateleira (baixo custo)
- Capas de trocar mensagens em uma topologia de rede transparente
estendendo-se desde o chão de fábrica até LAN´s e WAN´s.
- alcance de até 9 km, utilizando par trançado de fios, ou 23 km
utilizando fibra óptica, dependendo da quantidade de dados a ser
transmitida.
- Conexão de até 126 equipamentos em rede.
- É capaz de transmitir informações de status, diagnósticos de erros,
além da transmissão de dados. Se um nó falha o restante do sistema
pode permanecer ativo, dependendo do problema.
. Sensor
Sensor pode ser definido como um dispositivo sensível a um fenômeno físico,
tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta
sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e
fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle.
. Servossistemas
Um servossistema ou servomecanismo é um sistema de controle realimentado
em que a saída é alguma posição mecânica, velocidade ou aceleração.
Portanto os termos servossistema, e sistema de controle de posição (ou de
velocidade, ou de aceleração) são sinônimos.
. Sinais Analógicos, Digitais e Binários
O Sinal Analógico pode assumir valores contínuos dentro de um determinado
intervalo de atuação. Cada um dos infinitos valores que podem existir na faixa
de trabalho poderá ser um sinal de ação do sistema. Exemplos de sinais
analógicos são: a temperatura medida com termo-pares, a pressão medida
50
com transdutores de pressão ou manômetros, a tensão elétrica, a corrente
elétrica, etc. O Sinal Digital é discreto quando o mesmo só pode assumir um
número discreto de valores, variando aos saltos, como ocorre em contadores
ou mostradores numéricos de instrumentos de medição.
Os Sinais Binários são sinais digitais que podem assumir dois valores, ou dois
estados, como por exemplo:
Ligado – desligado
24 V – 0 V
acionado – não acionado
1 – 0
Figura 23 – Tipos de sinais representativos de grandezas físicas
(BOLLMANN A, 1997.)
. Sistemas
Pode-se definir um sistema, como sendo simplesmente uma combinação de
componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Um
sistema não está limitado a algo físico. O conceito de sistema pode ser
aplicado a fenômenos abstratos, dinâmicos, tais como os encontrados na
economia, na biologia, na química, etc, conforme descrito no item 2.2.
Especificamente na abordagem deste trabalho, para a usina hidrelétrica em
questão, entende-se um Sistema como:
um circuito onde circula um determinado fluído, sendo composto de, além das
linhas de transporte, os equipamentos, os instrumentos de medição, de
aquisição da variável controlada, transdutores e controladores, com um
determinado objetivo comum; também um serviço de fornecimento em uma
determinada tensão ou um grupo de equipamentos e/ou instrumentos
interligados em uma malha de controle, com um objetivo específico do ponto
51
de vista de operação, automação e no processo de produção de energia
elétrica, no contexto da Usina Hidrlétrica.
. Sistema de Controle de Processos
Um sistema regulador automático no qual a saída é uma variável analógica, tal
como temperatura, pressão, fluxo, nível de líquido ou pH, é denominado um
sistema de controle de processo.
. Sistema de Controle em Malha Aberta
São aqueles sistemas em que a saída não tem nenhum efeito sobre a ação de
controle. Em sistema deste tipo, a saída não é medida nem realimentada para
comparação com a entrada. Em qualquer sistema de controle de malha aberta
a saída não é comparada com a entrada de referência, assim, a cada entrada
de referência corresponde uma operação de condição fixa; em conseqüência a
precisão do sistema depende de uma calibração. Na presença de
perturbações, um sistema deste tipo não desempenhará a tarefa desejada.
Notar que qualquer sistema de controle que opere em uma base de tempo é de
malha aberta.
. Sistema de Controle em Malha Fechada
Os sistemas de controle realimentados são as vezes chamados de sistemas de
controle em malha fechada. Na prática, os termos controle realimentado e
controle em malha fechada são utilizados intercambiavelmente. Em um sistema
de controle em malha fechada o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o
sinal de entrada e o sinal realimentado (que pode ser o próprio sinal de saída
ou uma função do sinal de saída e suas derivadas), é induzido no controlador
de modo a reduzir o erro e trazer a saída do sistema a um valor desejado. O
termo controle de malha fechada sempre implica o uso da ação de controle
realimentado a fim de reduzir o erro do sistema.
. Sistema Digital de Supervisão e Controle – SDSC
O sistema digital de supervisão e controle (SDSC) pode ser considerado como
o maestro da usina. É ele que concentra as interfaces dos diversos sistemas
que compõem a automação da instalação, processando as informações e
distribuindo os comandos.
Os sistemas de supervisão e controle são tipicamente organizados
hierarquicamente como ilustrado na figura abaixo:
52
Figura 24 – Hierarquia do Sistema Digital de Supervisão e Controle - SDSC
No primeiro nível da hierarquia encontra-se o controle individual, composto
pelos equipamentos do processo e seus recursos de supervisão (instrumentos)
e controle (atuadores).
Em alguns casos, como veremos mais adiante, pode-se distribuir alguns
recursos do nível imediatamente superior nos quadros de controle localíssimos
dos equipamentos, permitindo comando e supervisão local e distribuída de
sistemas vitais para o funcionamento da instalação.
No nível imediatamente superior encontra-se o controle local, dividido por áreas
funcionais da instalação. Este nível é caracterizado pelos quadros de controle
com os controladores lógicos programáveis (CLPs) e seus acessórios. Em um
projeto tradicional, é neste nível que se processam os automatismos,
intertravamentos, controle de seqüências e proteções mecânicas dos
equipamentos.
O terceiro nível da hierarquia é a sala de controle com os equipamentos
necessários ao controle centralizado da instalação. É aqui que são encontradas
as estações de operação e engenharia, os servidores, os computadores para
arquivo histórico (base de dados), processadores de comunicação (gateways)
com outros sistemas. A interface com o operador (IHM) é desenvolvida com
ferramentas apropriadas, normalmente encontradas em aplicativos de mercado
(software supervisório).
Nos casos onde exista a necessidade de se operar à distância uma instalação
ou conjunto delas, pode-se encontrar um quarto nível hierárquico – o controle
remoto.
Os diferentes níveis hierárquicos são interligados através de redes de
diferentes padrões, segundo diferentes normas, as quais serão analisadas
posteriormente, permitindo a troca de informações com a qualidade e
confiabilidade adequadas e nos tempos necessários à operação segura da
53
instalação. (SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de
Treinamento, Sistema Supervisório WINCC, CP WINCC; São Paulo, 2002)
. Sistemas Discretos
De um modo geral, um sistema discreto é um sistema no qual as mudanças de
estado ocorrem em instantes precisos. Costuma-se situar os sistemas discretos
em oposição aos sistemas contínuos. Esta classificação depende do ponto de
vista em que se coloca o observador e depende do grau de abstração
desejado.
Em síntese, sistemas discretos são sistemas para os quais os valores das
variáveis de estado, ou ao menos de algumas delas, variam bruscamente a
certos instantes. Entretanto estes instantes não podem necessariamente ser
previstos e o conhecimento do estado a um instante dado não permite que,
sem cálculo, se conheça o estado seguinte.
. Sistemas Discretizados
São sistemas estudados somente em instantes precisos. Trata-se, portanto, de
sistemas contínuos observados em instantes discretos (sistemas amostrados).
As variáveis de estado evoluem de maneira contínua, sem mudança brusca de
comportamento, mas é somente a instantes discretos do tempo que há
interesse em conhecer o seu valor.
. Sistemas Reguladores Automáticos
Um sistema regulador automático é um sistema de controle realimentado em
que a entrada de referência ou a saída desejada ou é uma constante ou varia
lentamente com o tempo, em que a tarefa principal consiste em manter a saída
real no valor desejado na presença de perturbações.
Há muitos exemplos de sistemas reguladores automáticos, alguns dos quais
são o regulador centrífugo ou regulador de bolas de Watt, a regulação
automática de tensão e a regulação automática de potência ativa gerada em
uma usina hidrelétrica.
. Sistema Supervisório e IHM
Quando se trabalha com sistemas automatizados e complexos, surge a
necessidade de se criar uma interface de maneira a facilitar o trabalho da
equipe encarregada da operação da planta ou do processo, também nos
trabalhos de comissionamento e testes é muito difícil analisar o que está
acontecendo diretamente pelo programa do CLP. Assim surgiu a necessidade
da criação de uma interface amigável (eficiente e ergonômica) que o mercado
tem designado IHM - Interface Homem-Máquina ou MMI “Man Machine
54
Interface”. Então, pode-se definir que o Sistema Supervisório é o software, o
programa que é instalado e configurado na IHM e a IHM é o hardware; ambos
trabalham em conjunto e por muitas vezes, na prática, são chamados pelo
mesmo nome, Sistema Supervisório ou IHM.
Seu objetivo é permitir a operação, supervisão e comando remoto ou local, da
planta ou processo.
A IHM pode ser um dispositivo eletrônico com display e teclas de comando e
com o CLP incorporado, instalado diretamente no painel elétrico ou um micro-
computador instalado na Sala de Controle e Operação. Esta recebe e envia
sinais do CLP e recebe “inputs” do operador via teclado ou no próprio display
ou tela, quando se tratar de telas tipo “touch-screen”. Normalmente, quem faz o
controle da planta ou processo é o CLP, baseado na programação existente
em seu interior e em comandos do operador. A interface homem-máquina
permite a operação do processo através do quadro de controle. Então ela pode
ser convencional ou digital.
Uma IHM convencional pode ser composta por:
− chaves seletoras;
− botoeiras;
− sinalizadores;
− sinótico;
− anunciadores de alarmes;
− instrumentos indicadores analógicos (voltímetros, amperímetros, coluna de
sincronismo), etc.
Fig. 25 – IHM convencional: anunciadores de alarmes, botoeiras e chaves de
comando e sinótico.
Em resumo, na IHM pode-se:
− comandar equipamentos individualmente (bombas, freios, válvulas,
disjuntores e seccionadoras);
− visualizar estados e alarmes;
− visualizar os valores das principais grandezas elétricas (tensão, corrente,
potência ativa, potência reativa, etc.) e mecânicas (níveis, pressões,
temperaturas);
55
− comandar ajustes de valores de referência dos reguladores de tensão e
velocidade;
− sincronizar a unidade geradora.
Com o avanço tecnológico, passou-se a utilizar IHMs digitais, baseadas em
painéis de operação ou PCs industriais. As IHMs digitais possuem os mesmos
recursos de uma IHM convencional, com maior flexibilidade em sua
configuração. Além disso, torna-se possível disponibilizar localmente alguns
dos recursos do nível hierárquico superior (relatórios, listas de alarmes e
eventos, visualização de curvas, controle de seqüências, etc.).
As IHMs digitais podem comunicar-se com o CLP local através de rede de
processo ou conexão ponto-a-ponto ou, através da rede LAN, com os
servidores da sala de controle.
Figura 26 - IHM digital, modelo MP270 da SIEMENS
. Transdutor
Um transdutor se caracteriza por um dispositivo capaz de responder a um
fenômeno físico, ou estímulo de forma a converter sua magnitude em um sinal
elétrico conhecido, proporcional a amplitude deste estímulo. Os transdutores
também são conhecidos como Conversores de Sinais.
. Variável Controlada, Variável Manipulada e Controle
Variável Controlada é a grandeza física ou condição que é medida e
controlada.
Variável Manipulada é a grandeza física ou condição que é variada pelo
controlador de modo a afetar o valor da variável controlada. Normalmente a
variável controlada é a saída do controlador.
56
Controle significa a medição do valor da variável controlada do sistema e
aplicação da variável manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do
valor medido de um valor desejado.
57
3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
3.1. Apresentação da Usina e da Unidade Geradora em Questão
Esta Usina Hidrelétrica está localizada no rio Tietê, distando
aproximadamente 350 km de São Paulo (SP). O início de sua construção
ocorreu em 1960 e a sua inauguração ocorreu no ano de 1965.
Em termos de construção civil, pode-se dizer que esta Usina é composta,
principalmente, das seguintes partes:
. Vertedouros
. Casa de Força
. Subestação
É composta de 03 unidades Geradoras, com turbinas do tipo Kaplan e
geradores do tipo síncrono em 13,8 kV, de pólos salientes, com eixo motriz
na posição vertical. Considerada uma Usina de médio porte, seu Gerador
Auxiliar é hidraulicamente acoplado ao eixo do Gerador Principal.
Tem também uma Subestação Elevadora 13,8 / 138 kV, localizada a jusante,
na margem esquerda, abrangendo uma área de 160 x 45 m. Possui
transformadores elevadores (TR´s 1,2 e 3) respectivos das UG´s 1, 2 e 3,
possui também um transformador abaixador de tensão (TR-4) para os
serviços auxiliares da usina, e seis linhas de transmissão interligadas ao
Sistema Elétrico da região.
A seguir, descrevem-se as características técnicas principais do “bay” da UG-
1, Unidade Geradora 1, o qual é o foco deste trabalho.
. Turbina
Fabricante CKD
Tipo Kaplan de eixo vertical
Potência 82 MW (61.200 CV)
Vazão 240 m3/s
Rotação 112,5 rpm
. Gerador principal
Fabricante: GE
Potência nominal contínua:
46 MVA
Tensão nominal: 13,8 kV
Fator de potência nominal: 0,9
Freqüência nominal: 60 Hz
Número de pólos: 64
Velocidade de rotação nominal: 112,5 rpm
58
Regime de operação: contínuo
Tensão de excitação: 250 V
Corrente de excitação: 1180 A
Número de circuitos paralelos por fase: 8
Número de ranhuras: 432
Tipo de Enrolamento Imbricado
Classe de isolamento do estator: B
Diâmetro interno do núcleo: 8.962 mm
Diâmetro externo do núcleo: 9.165 mm
Altura do núcleo: 1.290 mm
Entreferro nominal: 15 mm
. Gerador Auxiliar
Fabricante GE
Tipo ATB
Potência nominal 700 kVA
Tensão nominal 440 V
Corrente de excitação 75 A
Tensão de excitação 250 V
. Transformador Elevador - 1
Fabricante BROWN BOVERI S/A
Tipo T 53 000 /144 – 6
Potência 53 MVA
Corrente 1675 (2219)/ 167,5
(221,9) A
Tensão 13.8 / 138 kV ± 2 x 2,5 %
kV
. Regulador de Tensão GP
Fabricante ABB
Tipo Unitrol-M-UNK-4806
Regulador modular de tensão
Corrente nominal 3200 Acc
Tensão nominal 1000 Vcc
Coeficiente da ponte
3 ∅ (ext)
59
A figura 27 apresenta, uma gravura ilustrativa da Unidade Geradora de eixo
vertical, com gerador síncrono e turbina tipo Kaplan.
Figura 27 – Unidade Geradora de eixo vertical UG-1
A seguir, através das figuras 28, 29 e 30, apresentam-se o Diagrama unifilar
geral da Usina com identificação do “bay” da UG-1 (foco deste trabalho), a
Planta da Casa de Força e o Corte transversal da Casa de Força,
respectivamente.
60
Figura 28 – Planta Baixa da Casa de Força da Usina
Figura 29 – Corte Transversal da Casa de Força da Usina
61
Originalmente, a UG-1 e as outras duas unidades geradoras eram
comandadas e supervisionadas por painéis antigos, com sistema de comando
e controle a relés, conforme a figura 31, a qual ilustra a foto do painel de
comando e controle da Unidade Geradora 1.
Figura 30 – Foto do Painel original de comando e controle da Unidade 1
62
3.2. Identificação dos Problemas e Pontos de Melhoria
Sob o ponto de vista de automação, identificam-se a seguir os principais
problemas e pontos de melhorias:
1. Tempo longo para partida da Unidade Geradora (UG), devido a
acionamentos manuais e procedimentos passo-a-passo. Normalmente,
uma partida, após todas as condições estáticas e dinâmicas satisfeitas,
isto é, após todos os sistemas auxiliares ligados e em ordem, leva em
torno de 10 a 15 minutos para sincronização da UG, em condições
normais.
2. Falta de uma interface homem-máquina amigável, eficiente e localizada
para supervisão da UG, nos vários modos de operação e também de
seus sistemas auxiliares mecânicos e elétricos.
3. Excesso de tempo gasto na identificação de problemas de manutenção
ou intertravamentos normais de segurança do processo, que impedem a
partida da UG.
4. Falta de relatórios de alarmes e eventos de forma dinâmica durante a
operação da UG, para tomada de decisão em tempo hábil e também
posterior avaliação dos pontos de melhorias de performance .
5. Necessidade de atualização tecnológica das instalações elétricas de
comando e controle, uma vez que datam do ano de 1965, quando da
inauguração oficial da Usina.
6. Vários pontos de melhorias na lógica de intertravamento do processo de
produção de energia, nos aspectos de proteção e confiabilidade
operacional.
63
4. SOLUÇÃO IMPLANTADA
4.1. Plano de Trabalho
Apesar desta unidade passar por uma reforma, tanto no gerador quanto na
turbina, a ênfase deste trabalho dá-se à Automação, aborda-se a integração
com seus sistemas auxiliares, filosofia de controle e configuração do SDSC -
Sistema Digital de Supervisão e Controle.
Para a implantação deste trabalho, no que diz respeito à automação, foi
composta a seguinte equipe:
. 01 Eng
o
. Coordenador
. 02 técnicos contratados para execução do projeto dos painéis e projeto de
interligação
. 02 técnicos contratados, com experiência em programação de CLP e Sistema
Supervisório Siemens, para execução dos programas
. 01 empresa contratada para fabricação dos painéis
Para implementação do sistema de controle, à luz dos conceitos de controle de
SED, embora existam também alguns sistemas com controle de SVC –
Sistemas a Variáveis Contínuas (como por exemplo o Sistema Digital de
Regulação de Velocidade) os quais trocam informações com o SDSC, foram
seguidas as etapas apresentadas na figura 31, a seguir.
Figura 31 – Etapas de desenvolvimento do sistema de controle implantado
64
Na fase de desenvolvimento, dentro do item 3, conforme figura 31, com o
objetivo de melhor conhecer os sistemas, suas inter-relações e seus vários
equipamentos existentes e também tornar os trabalhos da Automação mais
precisos, destaca-se a interpretação e divisão das instalações em sistemas.
Neste caso particular, como já explicado anteriormente, define-se um sistema
como um circuito onde circula um determinado fluído, sendo composto de,
além das linhas de transporte, equipamentos, instrumentos de medição,
transdutores e controladores, com um determinado objetivo comum; também
pode ser um serviço de fornecimento em uma determinada tensão ou um grupo
de equipamentos e/ou instrumentos interligados em uma malha de controle,
dentro do contexto da Usina e sob uma ótica de operação dos vários sistemas
e da própria Usina.
Nesta premissa, identificam-se os seguintes sistemas, de acordo com a tabela
05 a seguir, os quais interagem com a Unidade Geradora 1 e foram integrados
no Sistema Digital de Supervisão e Controle, através de pontos digitais e
analógicos de entrada e saída do CLP e também através das telas do sistema
supervisório das estações de operação na Sala de Controle.
Tabela 05 – Sistemas da Usina
65
Para cada um dos Sistemas descritos anteriormente, foram criadas ou
atualizadas as seguintes documentações, utilizadas como base de
informações, para a implantação e integração do SDSC, nesta ordem:
- Diagrama Unifilar de Proteção e Medição.
- Diagrama Funcional de Comando e Proteção
- Diagrama de Processo e Instrumentação.
- Planilha de Integração do SDSC.
- Descritivo Lógico de Funcionamento
Especificamente esta Planilha de Integração do SDSC, conforme apresentado,
reuni em um único documento, para cada Sistema, as seguintes informações,
em relação a cada ponto de entrada e saída dos CLP´s Principal e Retagurada:
identificação, tipo e endereço de hardware; endereços de memória de eventos,
endereço dos alarmes e endereço de dinamização de telas para o Sistema
Supervisório; valor e correspondência lógica de cada variável de controle;
descrição do elemento final de controle ou de aquisição de sinal e a atuação
das proteções e alarmes da Unidade Geradora 1.
Este documento sintetiza e integra as informações do projeto Elétrico, do
SDSC e atuação das proteções, também é útil para a validação do
comissionamento e para fonte futura de informações, o que proporcia uma
manutenção mais rápida e precisa do Sistema, quando necessário.
4.2. Configuração e Filosofia de Controle e Supervisão
A filosofia do SDSC, além de atender a solução dos pontos descritos no item
3.2., Identificação dos Problemas e Pontos de Melhoria, descrito
anteriormente, também deve atender os seguintes requisitos:
. Aproveitamento máximo do lay-out existente e instrumentos e
equipamentos instalados, assim como respeito à cultura local de
operação já existente.
. Previsão futura de automatizar as outras 02 Unidades existentes,
sem perda do que está sendo implantado.
. Integração dos Sistemas Auxiliares da Unidade Geradora e da Planta
ao novo sistema de automação.
. Atendimento das várias necessidades de Operação e Manutenção e
melhoria nos procedimentos.
O Sistema Digital de Supervisão e Controle para a Unidade Geradora 1 tem
a seguinte filosofia, conforme apresentado na figura 33:
66
1. Quanto à Operação e Supervisão
. Remota: na Sala de Controle através das Estações de
Operação (EO), podendo ser esta operação Passo-
a-Passo ou Automática, sob ação de controle do
PLC Principal.
. Local: na Casa de Força através da IHM no painel de
controle QG1-1, sendo esta operação somente
passo-a-passo, sob ação de controle do PLC
Retaguarda.
Com transferência manual do modo de Operação, localizada na IHM
Local.
2. Quanto à Ação de Controle
. CLP Principal: na Casa de Força no painel de controle QG1-3
. CLP Retaguarda: na Casa de Força no painel de controle QG1-1.
Com transferência automática do CLP Principal para o CLP
Retaguarda
Tem-se, então, as seguintes condições, quando da Unidade em operação:
. Perda do CLP Principal quando em operação: ocorrerá a transferência
automática para o CLP Retaguarda, sem a parada da Unidade, com a
condição de o CLP Retaguarda estar em condições normais de operação e
a UG estar estabilizada em algum dos estados estáveis.
. Perda do CLP Retaguarda quando em operação: ocorrerá a transferência
automática, sem a parada da UG; com a condição do CLP Principal estar em
condições normais de operação e a UG estar estabilizada em algum dos
estados estáveis.
. Transferência Manual: comandada a partir da IHM Local do CLP Retaguarda,
podendo ser do CLP Principal para o Retaguarda e vice-versa.
. Através da IHM do CLP Retaguarda, o Operador também tem condições de
partir e parar a Unidade em modo passo-a-passo e supervisionar as paradas
automáticas por atuação das proteções mecânicas e elétricas da Unidade.
. A operação e supervisão da Unidade se dão somente através do PLC
Principal ou através do PLC Retaguarda.
4.3. Diagramas de Transição
Para atender aos vários modos de partida e parada da UG, em atendimento às
necessidades de operação e manutenção, tëm-se dois Diagramas de Estados,
ou Máquina de Estados (adotaremos o termo Diagrama de Estados) um com
ação de controle pelo CLP Principal com operação remota pelas Estações de
Operação na Sala de Controle e outro com ação de controle pelo CLP
Retaguarda com operação local pela IHM na Casa de Força, conforme descrito
a seguir:
. Ação de Controle pelo CLP Principal
Criaram-se 21 seqüências de partida e parada automática e 09 estados
estáveis. Esta configuração de máquina de estados permite partir e parar a
Unidade, nos modos Automático e passo-a-passo, conforme figura 33 a seguir.
Figura 32 – Filosofia do SDSC
67
68
Figura 33 – Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Principal
Nomenclatura dos Estados:
M P O - Máquina Parada
U P P - Unidade Pronta para Partir (não é um estado)
U P P - O M - U P P em Operação Manual Passo-a-Passo
U P P - V N - U P P em Pré-Partida Estática – Velocidade Nominal
U P P - V N E - U P P em Pré-Partida Estática – Velocidade Nominal
Excitada
U P P - V N S A - U P P em Pré-Partida Estática em Velocidade Nominal,
Excitada e Sincronizada no Sistema
M V O - Máquina em Velocidade Nominal sem Excitação
M V E - Máquina em Velocidade Nominal e Excitada
69
M V S - Máquina pronta para Sincronização
M S S - Máquina Sincronizada no Sistema
Nomenclatura das Transições:
SEQ 01 – Pré-Partida Estática – Operação Manual Passo-a-Passo
SEQ 02 – Desfazer Pré-Partida Estática
SEQ 03 – Partida até a Velocidade Nominal
SEQ 04 – Parada Normal de UG sem Excitação
SEQ 05 – Excitação Gerador Principal e Auxiliar
SEQ 06 – Desexcitação Gerador Principal e Auxiliar
SEQ 07 – Unidade pronta para Sincronização
SEQ 08 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo Excitada
SEQ 09 – Sincronização da UG no Sistema
SEQ 10 – Parada Normal da UG, com Excitação Ligada
SEQ 11 – Pré-Partida Estática – Velocidade Nominal
SEQ 12 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo em
Velocidade Nominal
SEQ 13 – Partida de Unidade em V.N. (Velociadade Nominal)
SEQ 14 – Parada da UG com Redução de Carga e abertura do
Disjuntor de 138 kV
SEQ 15 – Pré-Partida Estática – Velocidade Nominal e Excitada
SEQ 16 – Parada da UG por Atuação da Proteção Elétrica e/ou
Parada da UG por Atuação da Proteção Mecânica
SEQ 17 – Partida da UG com Sincronismo Manual ou Automático
SEQ 18 – UG Excitada com as Seccionadoras de 138 kV Abertas
SEQ 19 – Pré-Partida Estática com Sincronismo Automático
SEQ 21 – Partida da UG com Sincronismo Automático
. Ação de Controle pelo CLP Retaguarda
Têm-se 14 seqüências de partida e parada automática e 06 estados
estáveis. Esta configuração de máquina de estados, permite partir e parar a
Unidade, somente no modo passo-a-passo, conforme figura 34, a seguir.
70
Figura 34– Diagrama de Transição dos Estados para o CLP Retaguarda
Nomenclatura dos Estados:
M P O - Máquina Parada
U P P - Unidade Pronta para Partir (não é um estado)
U P P - O M - U P P em Operação Manual Passo-a-Passo
M V O - Máquina em Velocidade Nominal sem Excitação
M V E - Máquina em Velocidade Nominal e Excitada
M V S - Máquina pronta para Sincronização
M S S - Máquina Sincronizada no Sistema
Nomenclatura das Transições:
SEQ 01 – Pré-Partida Estática – Operação Manual Passo-a-Passo
SEQ 02 – Desfazer Pré-Partida Estática
SEQ 03 – Partida até a Velocidade Nominal
SEQ 04 – Parada Normal de UG sem Excitação
SEQ 05 – Excitação Gerador Principal e Auxiliar
SEQ 06 – Desexcitação Gerador Principal e Auxiliar
71
SEQ 07 – Unidade pronta para Sincronização
SEQ 08 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo Excitada
SEQ 09 – Sincronização da UG no Sistema
SEQ 10 – Parada Normal da UG, com Excitação Ligada
SEQ 12 – Retirada da UG do Sistema, permanecendo em
Velocidade Nominal
SEQ 14 – Parada da UG com Redução de Carga e abertura do
Disjuntor de 138 kV
SEQ 16 – Parada da UG por Atuação da Proteção Elétrica e/ou
Parada da UG por Atuação da Proteção Mecânica
As seqüências passo-a-passo e de parada do CLP Retaguarda são as mesmas
do CLP Principal.
4.4. Arquitetura de Rede do SDSC
Esta arquitetura de rede, para a automação da Unidade Geradora 1 e os
Serviços Auxiliares tem a seguinte configuração:
Duas Estações de Operação (EO) da Sala de Controle, as quais estão
interligadas entre si, através de placas de rede Ethernet e interligadas com o
CLP-Principal, através de OLM’s (Optical Link Module) e cabos de Fibra Ótica.
Os Controladores Indicadores de Temperatura, os Indicadores de Variáveis
Elétricas e o CLP do Regulador Digital de Velocidade, foram interligados
através de rede ProfiBus-DP, assim como o CLP Retaguarda com sua IHM
(Interface-Homem-Máquina), conforme ilustrado na figura 35, a seguir.
Figura 35 – Arquitetura de Rede do SDSC
Internet Industrial - Par Trançado
Internet industrial – Fibra Óptica
ProfiBus DP – Par Trançado
72
LCDLCD
Legenda
QG1-4QG1-3
QG1-2
ELEKTRONIK
MURRMURR
ELEKTRONIK
SALA DE PAINÉIS DE PROTEÇÃO/CONTROLE
SALA DE OPERAÇÃO
Siemens
Figura 36 – Diagrama Elétrico de Interligação de Rede do SDSC
73
4.5. Descrição dos Equipamentos e Programas
Descrevem-se a seguir, os principais materiais de “hardware” e “software”
utilizados na implantação deste projeto:
Descrição Fabricante Un. Qtd.
Estação de operação OS77 WinCC, baseada
no microcomputador SIEMENS SCENIC PRO
M7 com:
− processador Pentium III 650MHz ou
superior; 256MB RAM; HDD 10,0GB; FDD
3,5” 1,44MB; placa de vídeo MATROX GL
8MB VRAM; placa de comunicação com a
rede Industrial Ethernet CP1413 e 3COM
XL;
− pacote de operação e desenvolvimento do
software SCADA SIMATIC WinCC (RC128);
− pacotes opcionais do software SCADA
SIMATIC WinCC (powerpack RCmáx,
redundancy, server, basic process control e
storage).
− teclado alfanumérico IBM-AT compatível,
101 teclas;
− mouse;
− monitor SVGA 21”
SIEMENS pç 1
Estação de operação OS77 WinCC, baseada
no microcomputador SIEMENS SCENIC PRO
M7 com:
− processador Pentium III 650MHz ou
superior; 256MB RAM; HDD 10,0GB; FDD
3,5” 1,44MB; placa de vídeo MATROX GL
8MB VRAM; placa de comunicação com a
rede Industrial Ethernet CP1413 e 3COM
XL;
− pacote de operação do software SCADA
SIMATIC WinCC (RT128);
− pacotes opcionais do software SCADA
SIMATIC WinCC (powerpack RTmáx,
redundancy, server, basic process control e
storage);
− teclado alfanumérico IBM-AT compatível,
101 teclas;
− mouse;
− monitor SVGA 21”
SIEMENS pç 1
Fonte UPS, 1 kVA, alimentação 220V
CA
, 60Hz,
saída 220V
CA
, 60Hz, autonomia 1 hora.
SATURNIA
pç 2
74
Receptor de GPS
Descrição Fabricante Un. Qtd.
Receptor de satélite GPS com antena, cabo de
antena e saídas seriais para telegrama de
horário, a ser montado em painel localizado na
sala de comando da Usina, permitindo a
expansão futura do SDSC com acréscimo de
módulos para os demais CLPs
HOPF
pç 01
Terminal Portátil de Programação
Rede de comunicação da usina
Unidade de Aquisição e Controle - UAC para a Unidade Geradora.
Descrição Fabricante Un. Qtd.
Rack Universal UR1 para 18 placas
SIEMENS
pç 3
Módulo Fonte PS405, 24V
CC
-24V
CC
-5V
CC
,10A
SIEMENS
pç 2
Bateria de retaguarda de Lítio, AA,1,9Ah
SIEMENS
pç 4
Módulo CPU 416-1, RAM 512kByte
SIEMENS
pç 1
Módulo de memória para CPU, Flash-EPROM
1 MByte.
SIEMENS
pç 1
Módulo de interface IM 460-0, sem 5V, para
bastidor central.
SIEMENS
pç 1
Módulo de interface IM 461-0, sem 5V, para
bastidor de expansão
SIEMENS
pç 1
Descrição Fabricante Un. Qtd.
Microcomputador portátil para programação
PG740 PIII com:
− processador Pentium III 450MHz, 128MB
RAM, HDD 6,4GB, monitor XGA-TFT 13,3”,
FDD 3.5 1,44MB, CD-ROM
− pacote de programação e diagnóstico
STEP7 V5.01
SIEMENS
pç 01
Descrição Fabricante Un. Qtd.
Módulo transceptor OLM para conexão à rede
Industrial Ethernet
SIEMENS
pç 3
Cabo de conexão do transceptor ao módulo de
comunicação do SIMATIC S7
SIEMENS
pç 3
Cabo ótico com 4 vias.
SIEMENS
m 100
75
Cabo de conexão entre bastidores, IM 468-1,
0,75m
SIEMENS
pç 1
Módulo de entrada digital, 6MD1021 (1ms), 32
x 125V
CC
SIEMENS
pç 7
Módulo de saída digital, 6MD1022, 32 x 24V
CC
SIEMENS
pç 5
Módulo de entrada Digital, SM421 32 x 24
VCC
SIEMENS
pç 6
Módulo de entrada analógica, 6ES7 16 x 4-
20mA
SIEMENS
pç 4
Conector frontal 48 pinos c/ parafusos
SIEMENS
pç 17
Módulo de comunicação CP443-1 para
conexão do CLP à rede Industrial Ethernet
SIEMENS
pç 1
Módulo de comunicação CP443-5 extended
para conexão dos medidores de temperatura
TÜG, SIMEAS P, regulador de tensão e de
velocidade através de rede local PROFIBUS-
DP
SIEMENS
pç 1
Fonte DC/DC com saída de 24Vcc, para a
alimentação dos módulos eletrônicos e dos
sinais de entrada
MURR
pç 2
Medidor digital SIMEAS P para os sinais de
corrente e tensão, com interface PROFIBUS-
DP
SIEMENS
pç 1
Sinótico com representação dos equipamentos
de manobra de alta tensão (disjuntores e
seccionadoras)
SIEMENS
cj 1
Interface Homem Máquina (IHM), linha
SIMATIC HMI, com comunicação em ProfiBus
DP - MP-270 - SIEMENS
SIEMENS pç 1
* Custo aproximado dos principais materiais listados (valor atual):
= US$ 60.000,00 x R$ 3,68 = R$220.800,00
US$1,00
76
Na Sala de Controle, conforme ilustrado na figura 46, têm-se:
. 01 Estação de operação OS77 WinCC, baseada no microcomputador
SIEMENS SCENIC PRO M7 com comunicação para rede Industrial Ethernet e
pacote de operação do software SCADA e softwares auxiliares para controle
de processo e gerenciamento de banco de dados.
. Mais 01 Estação de operação e Desenvolvimento OS77 WinCC, nos mesmos
requisitos da estação anterior, porém com mais o pacote de desenvolvimento
do software SCADA SIMATIC WinCC, da SIEMENS.
No Painel de Controle e Supervisão Convencional Local, têm-se:
. Receptor de satélite GPS com antena, cabo de antena e saídas seriais para
telegrama de horário, permitindo a expansão futura do SDSC com acréscimo
de módulos para os demais CLPs.
. CLP – Principal: foi utilizado o PLC S7 400 da SIEMENS, com os devidos
módulos de entrada e saída digitais, CPU e módulos de comunicação.
. CLP – Retaguarda: foi utilizado o PLC S7 300 da SIEMENS, com os devidos
módulos de entrada e saída digitais, CPU e módulos de comunicação e IHM
local, com o software ProTool, como sofware de supervisão e controle.
. Casa de Força:
. Painel de Controle e Supervisão Convencional Local denominado Quadro
Geral da Unidade 1 (QG1), é composto com os módulos descritos abaixo,
conforme figuras 38 e 39.
QG1-1: Unidade de Aquisição e Controle 1- Retaguarda (UAC1-R) e IHM local
para Partida e Parada da UG Passo-a-Passo e Operação Automática
Degradada – figura 40
QG1-2: Comando, Sincronismo e Medição do Gerador Principal – figura 41
QG1-3: Comando e Medição do Gerador Auxiliar – figura 42
QG1-4: Supervisão Temperatura e Vibração do Gerador Principal – figura 43
QG1-5: Regulador de Velocidade Digital – figura 44
QG1-6: Proteção do Gerador Principal e do Gerador Auxiliar – figura 45
77
SMI 32.01 SMI 32.0 1
SAÍDA DC
Sistema Digital de
Monitoraçao e Análise
Controle de
Vibrações
Industriais S.A.
TESTE
LEDS
MÓDULO DE
ALIMENTAÇÃO
SIDMASIDMA
MÓDULO
INDICADOR
SELECTOR
GA
CCM1
1
ENTER
SIEMENS
4
5
ENTER
SIEMENS
GP
2
CALIBR.
OK
OK
CANAL
CALIBR.
CALIBR.
POSIÇÃO
M.O.
OK
CANAL
CANAL
CALIBR.
POSIÇÃO
POSIÇÃO
V C
MÓDULO DE
ORBITAÇÃO
CANAL
OK
POSIÇÃO
G1-1 QG1-2 QG1-3 QG1-4 QG1-5 G1- 6
Figura 37 – Vista frontal do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1 -
Projeto
Figura 38 – Foto do Painel de Controle e Supervisão Local - QG1
78
Figura 39 – Foto da Sala de Operação após a implantação da automação
79
5. CONCLUSÕES
Pode-se afirmar que o modelo de Sistema de Automação implantado, na
modernização da Unidade Geradora 1 desta Usina, trouxe os seguintes
benefícios:
1. Controle Digital centralizado em dois pontos distintos e independentes,
um na Sala de Controle e outro no Painel de Controle e Supervisão
Convencional Local, permitindo a continuidade de operação segura da
Unidade Geradora em qualquer um dos pontos.
2. Grande Flexibilidade operativa na partida e parada da Unidade, nos
modos automático e passo-a-passo na UAC–Principal e somente passo-
a-passo na UAC-Retaguarda, permitindo o acompanhamento, quando
necessário, da máquina em cada estado estável de operação, pelo
tempo que for necessário; como por exemplo em situações de testes de
validação, depois de paradas de manutenção e comissionamentos.
3. Partida automática da Unidade, com um simples acionar de mouse,
através de uma das Estações de Operação na Sala de Controle, leva-se
a Unidade, da condição de Máquina Parada até Máquina Sincronizada
no Sistema, com carga mínima, em um tempo médio de 3 minutos, com
toda a supervisão detalhada das etapas e cumprimento das pré-
condições estáticas e dinâmicas.
4. Na ocorrência da falha do CLP Principal, rede de comunicação ou
Estações de Supervisão na Sala de Controle, ainda será possível operar
a Unidade Geradora (partir, parar, variar carga/tensão) e executar
paradas de emergência pelo PLC Retaguarda, com indicação da
proteção que atuou.
5. Maior flexibilidade para retornos de manutenção, permitindo
acionamentos independentes e locais, através do Painel de Controle e
Supervisão Convencional Local, nos equipamentos dos vários Sistemas
Auxiliares.
6. Centralização da Operação e Tomada de Decisão, juntamente com
Despacho de Carga.
7. Identificação e isolamento dos possíveis problemas, em tempo hábil,
proporcionando maior agilidade na solução dos mesmos.
8. Maior sinergia e integração entre a Operação e a Manutenção.
9. Possibilidade de interação de aplicativos de Gerenciamento de
Manutenção com o SDSC, com o monitoramento das variáveis de
controle, em tempo real, como por exemplo: temperatura dos mancais.
10. Disponibilidade e previsão de configuração da rede Ethernet Industrial
em anel, quando da automação das outras duas Unidades Geradoras,
80
aumentando a confiabilidade do sistema.
11. Com respeito ao desempenho do SDSC, de acordo com a Arquitetura
utilizada, isto é:
. Dois CLP’s, sendo um CLP Principal e um CLP Retaguarda com IHM
Local
. Chaveamento Perfeito , isto é , no evento de falha de um CLP
(Principal) , o outro CLP (Retaguarda) assume o processamento sem
causar qualquer alteração ao sistema
. Detecção de Erro e Localização da Falhas
. Reparo durante a Operação
. Duas Estações de Operação em paralelo
. Rede Ethernet Industrial em Fibra Óptica comunicando duas Estações
de Operação em paralelo ao CLP Principal
Teremos os seguintes Índices de desempenho, calculados teoricamente:
- Confiabilidade do Sistema: A = 99,9980 %
- Indisponibilidade do Sistema: U = 1,999989 x10
-5
= 10,5 (min/ano)
Onde:
A
= e
1/MTBF
U = MTTR____
MTTR + MTBF
MTBF = “Mean Time Betwen Failure” – Tempo Médio entre falhas
MTTR = “Mean Time to Repair” – Tempo Médio para Reparos
Na prática, após 01 ano da implantação, não houve ocorrência de
falhas no Sistema Digital que pudesse causar a parada da máquina.
12. Ganhos obtidos:
De acordo com informações da Administração da Usina, tem-se os
seguintes dados:
. Custo da hora parada da Unidade (para qualquer uma das Unidades):
R$80,00/hora x (Energia Assegurada) = R$80,00/MW x 20 MW =
R$1.600,00 / hora de Unidade parada
. Infelizmente, não há registros de históricos anteriores de parada da
Unidade 1, porém tem-se um registro de horas de parada da
Unidade 2 no período de 01/07/03 à 08/12/03, a qual não foi feita a
81
implantação da Automação, cuja condição é similar a Unidade 1 antes
de sua automação: 239,63 horas de máquina parada.
. A um custo de R$1.600,00 / hora de Unidade parada, tem-se uma
perda no período de: R$1.600,00 x 239,63 = R$383.408,00, para um
período de 05 meses aproximadamente.
. Analogamente, pode-se afirmar, que o custo dos materiais utilizados na
automação da Unidade 1, conforme descrito no item 4.5., isto é,
R$220.800,00 é abaixo do custo de paradas que ocorreu na
Unidade 2 que foi de R$383.408,00, para um período de 05 meses
aproximadamente.
82
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(01) BERTALANFFY, L.V. General System Theory. 1a. Edição. New York:
George Braziller, 1968.
(02) BOLLMANN A.; Fundamentos da Automação Industrial Pneutrônica,
Projeto de Comandos Binários Eletropneumáticos. São Paulo: ABHP,
1997.
(03) CARDOSO J., VALLETE R.; Redes de Petri. Florianópolis: Ed. Da UFSC,
1997.
(04) LEWIS R. W.; Programming Industrial Control Systems using IEC 1131-3,
Revised Edition. United Kingdon, London: The Instituition of Electrical
Engineers, 1998.
(05) MIYAGI, P.E.; Controle Programável, Fundamentos do Controle de
Sistemas a Eventos Discretos, São Paulo: Edgard Blücher, 1997.
(06) OGATA K.; Engenharia de Controle Moderno, 2ª. Edição. Rio de Janeiro:
Prentice Hall do Brasil Ltda, 1993.
(07) SILVEIRA, P.R.,SANTOS W. E.; Automação e Controle Discreto, 4ª.
Edição; São Paulo: Érica, 2002.
(08) SIQUEIRA, R. A.; Modernização de uma Usina com Integração dos
Sistemas Auxiliares, Grupo I Geração Hidráulica. Minas Gerais,
Uberlândia: XVII SNPTE – Seminário Nacional de Produção e
Transmissão de Energia Elétrica, 2003
(09) SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de Treinamento,
Sistema Supervisório WINCC, CP WINCC; São Paulo, 2002
(10) SIEMENS, Soluções Tecnológicas Integradas, Centro de Treinamento,
Programação Básica SIMATIC S7 ST-7PRO1; São Paulo, 2002
83
7. ANEXOS
1. Artigo “Modernização de uma Usina com Integração dos Sistemas
Auxiliares” Grupo I Geração Hidráulica. Minas Gerais, Uberlândia: XVII
SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia
Elétrica, 2003.
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