rede industrial e tecnologias de controle · layer 3 switch stack layer 2 switch drive controller...

FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

Rede Industrial e Tecnologias de ControleRedes Industriais Semestre 02/2015

Engenharia de Controle e Automação


Introdução

Muitos sistemas e técnicas tem sido

desenvolvidos para o controle de

operação, supervisão e gerenciamento

na otimização do processo industrial.

O mesmo ocorre na parte física do

processo de automação industrial, com

novas tecnologias e métodos para a

transmissão em redes de dados bem

como conceitos de desenvolvimento.

PACKAGING LINE 1

Data

base

ERP and Information Systems

Business Intelligence

HMI and View Clients

Typical System Architecture

MES and Automation Systems

Manufacturing Intelligence

Controllers

Server1 Server2


Arquitetura da Automação Industrial

Nível 5: Administração dos recursos da empresa. Softwares para

gestão de vendas e financeira. Decisão e gerenciamento de todo o

sistema.

Nível 4: Nível da programação e planejamento da produção,

realizando o controle e a logística dos suprimentos.

Nível 3: Controle do processo produtivo da planta. Constituído por

banco de dados, com informação sobre índices de qualidade da

produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de

produtividade, algoritmos de otimização da operação produtiva.

Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e de algum tipo

de supervisão associada ao processo. Aqui se encontram

concentradores de informações sobre o Nível 1, e as Interfaces

Homem-Máquina (IHM)

Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão-

de-fábrica).

ISA-95https://www.isa.org/isa95/


Warehousing, Receiving, MES, CMMS, CAPA, LIMS, Auto ID

Level 4

ERP, Compliance, Analysis, Health/Safety/Environment

Level 5

HMI, DCS, Historians, Batch, Compliance

Level 3

Equipment and sensors Lab Instruments

Level 1

HMI, PLC’s, DCS,Instrumentation, Analytics

Level 2

Inte

gra

ção c

om

Redes d

e C

om

unic

ação

Arquitetura da Automação IndustrialISA-95

http://www.ab.com/drives/powerflex/40/images/pf40_large.jpg

http://www.ab.com/drives/powerflex/40/images/pf40_large.jpg

http://www.rosemount.com/products/pressure/m3051s.html

http://www.rosemount.com/products/pressure/m3051s.html

http://www.camstar.com/

http://www.camstar.com/

http://www.microsoft.com/sql/bi/default.mspx

http://www.microsoft.com/sql/bi/default.mspx


The Connected EnterpriseIntegrated Control and Information

Enterprise Optimization

Information Aggregation

and Analytics

Converged Secure Network

Infrastructure

Multi-disciplined

Control

Intelligent Assets

Business

Management

Production

Management

Operations

Engineering

Maintenance

ISA-95


Arquitetura de Referência

Converged Plantwide Ethernet (CPwE)

Design guidance

Best practices and

recommendations

Methodology

Documented configuration

settings

Developed against tested and

validated architectures

“Future-ready” network

foundation

GE Link for Failover

Detection

Firewall

(Active)

Firewall

(Standby)

Layer 3

Router

Layer 3 Switch

Stack

Layer 2 Switch

Drive

Controller

Controller

DriveHMI

Controller

Drive

HMI

Distributed I/ODistributed I/O

Level 0–2

HMI

Cell/Area #1

(Redundant Star Topology)

Cell/Area #2

(Ring Topology)

Cell/Area #3 (Bus

Topology)

Cell/Area Zone

Manufacturing Zone

Level 3

Demilitarized Zone (DMZ)

Demilitarized Zone (DMZ)

Enterprise Zone

Levels 4 and 5

Windows 2003 Servers• Remote desktop connection

• VNC

• PCAnywhere

FactoryTalk Applications• View

• Metrics

• Historian

• AssetCentre

• ProductionCentre

Network Services• DNS, DHCP, syslog server

• Network and security management

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/enet-wp004_-en-e.pdf

http://www.rockwellautomation.com/



Arquitetura de Referência Wireless

Converged Plantwide Ethernet (CPwE)

Design guidance

Best practices and

recommendations

Methodology

Documented configuration

settings

Developed against tested and

validated architectures

“Future-ready” network

foundation

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/enet-wp034_-en-p.pdf




Evolução do controle distribuído

1990’s

Flex I/O

Drive

PBPanel

A partir de 2000

Multi-disciplinedController

Drive w/PID

SafetyController

IHM

Flex I/O

O.S.

PackagedController

1980’s


A Rede Industrial

Uma rede faz a comunicação entre um determinado número de estações de forma que possam

trocar informações entre si.

Também transmite informação para o controle de um processo. Uma rede é distinguida pelo tipo de

sistema que compõe o backbone. Suas características podem ser determinadas em função do

gerenciamento do fluxo de informação dentro do sistema.

Informação ........ Controle ......... Dispositivos (campo)


Sistema em tempo real

Um sistema em tempo real executa as tarefas em sincronismo com o tempo presente. Estas

tarefas podem consistir na aquisição de dados, cálculos de controle de processos, inicialização de

uma ação crítica e controle de atuadores.

Atualmente há sistemas no qual a “inteligência” é distribuída em equipamentos terminais remotos.

Estes sistemas envolviam a resolução de dois tipos de problemas:

Configuração do terminal inteligente através da rede Coordenação dos elementos distribuídos de uma aplicação para a troca de dados em

determinado instante (conceito de sincronização).


… e finalmente, a Arquitetura deve prover acesso e

informação para quem precisa!

CIPCIP

Informação

Controle

Campo

Controle

Informação

• Uma boa rede de comunicação:• Acessa TODO sistema de controle de um ÚNICO

LOCAL

• Transmissão de mensagens de forma transparente

• Não há programação extra nos gateways e proxys, sem segredos!


O Modelo para Troca de Informação

Os principais modelos utilizados são:

o cliente/servidor (ou mestre/escravo, ou ainda origem/destino – baseado em filas) e,

o produtor/consumidor (baseado em tabelas de comunicação)


Modelo Cliente/Servidor

Dentro do protocolo de comunicação de cada estação é incluído um conjunto de filas para receber

e enviar arquivos. Quando uma estação quer, por exemplo, ler o valor registrado por um sensor de

temperatura, ele envia uma mensagem para sua interface de comunicação ler esta variável do

processo da estação X. Isto desencadeia a seqüência:

A mensagem de solicitação é mantida numa fila de saída e será lançada para a rede na próxima vez que a estação X se comunicar.

O sensor de temperatura recebe a solicitação que será mantida numa fila de recepção. O sensor mede (ou calcula) o valor solicitado e retorna este valor utilizando a mesma

freqüência.

O tempo de espera nas filas representa o principal fator no tempo de resposta do modelo. Uma

estação com baixa performance refletirá na performance do sistema inteiro. Por isto, sistemas

cliente/servidor são difíceis de configurar.


Modelo Cliente/Servidor

Uma pessoa (origem) informa individualmente a cada uma das outras pessoas na sala

(destino) o horário marcado em seu relógio (dado)

O tempo continua passando enquanto a “origem “ informa o horário a cada um

dados não estarão corretos após as primeiras

pessoas

Tanto origem como destinos terão que fazer ajustes

para se alcançar algum tipo de sincronismo

A agilidade deste processo varia em função

do número de pessoas na sala


Modelo Produtor/Consumidor

Usa um grupo de buffers no caminho de comunicação de cada estação:

Cada buffer corresponde a uma variável da aplicação. Cada buffer é identificado especificamente dentro do grupo de aplicação por rótulo lógico. Cada buffer mantém o valor instantâneo de uma variável da aplicação, esperando para ser

enviado via rede ou ser usado pela aplicação.

Processos principais:

Produtor: deposita o novo valor em um buffer de transmissão. A rede: copia o conteúdo do buffer de transmissão do produtor para um buffer de recepção do

consumidor. O consumidor: captura o valor contido no seu buffer de recepção.


Modelo Produtor/Consumidor

Sistemas deste tipo são fáceis de configurar, especialmente onde é requerido a operação

cíclica. O modelo produtor/consumidor é limitado ao gerenciamento de eventos e

transmissão de grande quantidade de informação.


Modelo Produtor/Consumidor - Multicast

Uma pessoa informa o horário (produtor) a todos os presentes

Todas as 20 pessoas recebem a informação simultaneamente

Algumas pessoas podem optar por “consumir”os dados (reconhecer a recepção

por um gesto, ajustar seus relógios, etc..)

Outros podem optar por não “consumir” a informação.

Altamente eficiente (os dados são produzidos apenas uma vez, não são

necessários ajustes adicionais para produtores e/ou consumidores)

Altamente determinístico (tempo de transmissão não muda se mais pessoas

entrarem ou saírem da sala)


Modelo Produtor/Consumidor - Multicast

• Mensagem #1

– referência de posição do sensor transmitida em multicast aos CTRL1, 2 e IHM

• Mensagem #2

– comando de velocidade do CTRL1 transmitido simultaneamente aos 3 inversores e IHM

• Multicast não é possível com modelo mestre/escravo

– no sistema acima teríamos necessariamente 7 mensagens se fosse utilizada uma rede de comunicação no modelo Mestre-Escravo (ou Cliente-Servidor)

inversor1 inversor3inversor2

CTLR1 HMI

Sensor

CTLR2

#1#2


Unicast vs. Broadcast

Controller

BROADCAST

One-to-one, individual

transactions

One-to-all, single

transaction

Controller

UNICAST


Multicast

MULTICAST

Controller

Switches replicam os fluxos de dados para os segmentos e hosts que necessitam dele

O host (controlador) que quer receber o tráfego de um grupo multicast pode entrar e sair do grupo dinamicamente

Aguns controladores são membros de um grupo multicast designado e pode estar localizado em qualquer lugar na rede de Camada 2 (Layer2) – não para a Camada 3 (Layer3) devido ao multicast TTL = 1 da EtherNet / IP

One-to-many,

single transaction


Sistemas de gerenciamento Industrial

•Algumas das Estratégias de Gerenciamento Industrial incluem CIM (Computer

Integraded Manufacturing), JIT (Just in Time), FMS (Flexible Manufacturing

Systems), HMI (Human Machine Interfaces), MES (Manufacturing Execution

System), MRP (Material Requeriments Planning), MRP II (Manufacturing

Resources Planning), ERP (Enterprise Resources Planning) e SCM (Supply

Chain Management).

•A maior parte dos sistemas de gerenciamento localiza-se num dos seguintes

níveis:

•MIS (Management Information System) Business Intelligence e Manufacturing Intelligence

•Supervisão Visualização e Operação

•Sistema de Controle


Sistema de Controle

• O nível do Sistema de Controle envolve a transferência de informações ponto a ponto

entre equipamentos tais como PLCs, PACs, CNCs, DCSs, Controladores de Segurança,

robôs e outros controladores de modo a fornecer uma operação eficiente e segura nos

processos. Ele também disponibiliza a interface com os níveis de Supervisão e MIS

(Management Information System).

• Tecnologias para integrar a operação:

•MAP (Manufacturing Automation Protocol)

•Redes Fieldbus

•Destaque para a Ethernet/IP

•OPC (OLE –Object Linking and Embedding –

Process Control)

HMI Clients

Controller

Industrial Network


Sistema de Controle - MAP

•MAP (Manufacturing Automation Protocol)

É um sistema de controle com padrão de comunicação aberto, desenvolvido em 1980 pela

GM. Na época, a GM possuía em torno de 40000 dispositivos inteligentes no chão de fábrica em ilhas

de automação isoladas.

Apesar do sucesso inicial, o MAP não popularizou-se internacionalmente. O principal

problema foi a falta de um caminho de migração para os usuários de equipamentos produzidos fora

do padrão MAP.


Sistema de Controle – Redes Fieldbus

•Redes Fieldbus

Diversos padrões para sistemas Fieldbus tem sido desenvolvidos nos últimos anos. São

redes de alta velocidade projetadas especificamente para aplicações em Sistema de Controle.

Algumas destas redes especificam requisitos para aplicação em sistemas de segurança intrínseca,

alimentação elétrica via cabo de comunicação e sistemas com redundância.

Ex.: Safety DeviceNet, DeviceNet, ControlNet,

Safety Ethernet/IP e Ethernet/IP.

Profibus-DP e Profibus-PA

HMI Clients

Controller

Industrial Network

Drive

Sensor


Sistema de Controle – Redes Fieldbus


Sistema de Controle – Ethernet/IP

•Ethernet/IP

A Ethernet para aplicação no Sistema de Controle Industrial possui vantagens como o baixo

custo para instalação e manutenção, configuração e gerenciamento simplificados, e fácil conectividade

em redes intranets ou na Internet.

A taxa de transferência pode ser de 10Mbps, 100Mbps (Fast Ethernet) e 1Gbps (Gigabit

Ethernet).

Entre as facilidades da Ethernet são a comunicação com múltiplos dispositivos e

gerenciamento do tráfego entre sistema de Controle e computadores, tornam eficiente sua utilização

para integrar desde os níveis do Sistema de Controle até o Sistema MIS (Management Information

System).



Multi-discipline Industrial Network Convergence

Process Control

Discrete Control

Information Technology

Intelligent Motor Control Convergence of Industrial Automation Technology (IAT)

with Information Technology (IT)


Sistema de Controle – OPC

• OPC (OLE –Object Linking and Embedding – Process Control)

Este padrão foi desenvolvido a partir de 1995 e atualmente é controlado pela Fundação OPC. Possui

arquitetura aberta, flexível e “plug-and-play” na interface de comunicação para dispositivos de controle. Baseado nas

tecnologias OLE e COM (Component Object Model) da Microsoft, consiste de um conjunto de padrões para interfaces,

propriedades e métodos para controle no processo e aplicações de automação.

O OPC utiliza a arquitetura cliente/servidor. No caso da Ethernet o OPC padroniza a interface apresentada por

todos os dispositivos.

Os servidores OPC atuam como componentes de software executados em plataforma Microsoft, que fornece

interface para aplicações em dispositivos contendo padrão de comunicação proprietário.

Exemplos:


Supervisão

• Este nível atua como um estágio de processamento intermediário da informação transferida

entre MIS (Management Information System) e Sistema de Controle.

•Principais Funções:

•Controle de Supervisão e monitoração do processo em tempo real.

•Realimentação em tempo real.

•Relatórios de operação.

•Planejamento de controle de recursos.

•Instruções de produção.


Supervisão

• Principais características:

•Gráficos orientados a objetos.

•Arquitetura de rede mestre/escravo ou produtor/consumidor.

•Arquitetura de visualização local ou distribuída com servidores/clientes

•Alta performance na comunicação com PLCs/PACs e outros controladores.

•Relatório e consulta de Alarmes.

•Operação em tempo real.

•Controle de Acesso de Operadores/Supervisores - Login


Supervisão

• Controle e

Supervisão


• Realimentação em tempo realSupervisão


Supervisão

• Relatórios de Operação e

qualidade


Supervisão

• AUTOMAÇÃO

Planejamento de

Controle e

Recursos.

•Instruções de

Produção e

qualidade.


MIS (Management Information System)Business Intelligence & Manufacturing Intelligence

•A integração do nível MIS com os outros níveis de gerenciamento é direcionada para uma visão de produção eficiente, com todas

as informações críticas disponíveis na forma eletrônica. O objetivo final é proporcionar um instrumento de decisão e implementação

operacional em tempo real.

•Sistema deste nível, como o ERP, MES e SCM são comprometidos com o aumento da eficiência, redução de inconsistências e

confirmação do tempo do processo completo.

•Com isso, este sistema é dependente da precisão na modelagem (programação) das tarefas de automação.

OEE (Overall Equipment Efficiency) mede os três fatores que reduzem o custo de produção:

1. Tempo Produtivo = “Disponibilidade”

2. Tempo de Ciclo = “Performance”

3. Resíduos/Sucatas = “Qualidade”

OEE % = Disponibilidade % x Performance % x Qualidade % x …

Quanto Maior o OEE = Menor o Custo de produção e manutenção menor MTTR


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