Integração de Redes Industriais

1. RESUMO

A integração de redes industriais é uma aplicação que apresenta inúmeros benefícios para automação, voltadas inclusive a projetos industriais com espaços físicos restritos e delimitados. Com o cresceste desenvolvimento e ampliação das empresas, espaços físicos se tornam uma palavra chave para projetos de automação, estando diretamente ligado ao custo e viabilidade da proposta. O objetivo deste trabalho é demostrar de maneira prática a integração das redes industriais, neste caso a integração de uma rede Actuator Sensor Interface (AS-i) e DeviceNet, comprovando sua eficiência e principais vantagens, como alto desempenho, flexibilidade, simplicidade, qualidade e segurança, com custos de investimento relativamente baixos, quando comparados a outros sistemas. Para desenvolvimento do trabalho será implantado uma gateway, sua finalidade é integrar as redes, sendo um escravo para a rede DeviceNet e mestre para a rede AS-i, gerenciando e controlando dispositivos discretos, com a vantagem de representar apenas um nó da rede mestre, relacionando as principais características e benefícios dos dois sistemas.

Palavras-Chave: Automação. DeviceNet. AS-i. Integração de redes.

ABSTRACT

The integration of industrial networks is an application that offers numerous benefits for automation, focused mainly on industrial projects with restricted physical spaces and delimited. With the growing development and expansion of companies, physical spaces become a key word for automation projects, being directly linked to the cost and feasibility of the proposal. The objective of this work is to demonstrate the practical integration of industrial networks, in this case the integration of an Actuator Sensor Interface (AS-i) and DeviceNet network, proving its efficiency and main advantages, such as high performance, flexibility, simplicity, quality and with relatively low investment costs when compared to other systems. For the development of the work will be implemented a gateway, its purpose is to integrate the networks, being a slave to the DeviceNet network and master to the AS-i network, managing and controlling discrete devices, with the advantage of representing only one node of the master network, Relating the main characteristics and benefits of the two systems.

Keywords: Automation. DeviceNet. AS-i. Integration of networks.

2. INTRODUÇÃO

Redes industriais são largamente utilizadas, pois apresentam vantagens sobre sistemas convencionais. São compostas por protocolos, empregadas para interligarem dispositivos de campo a sistemas de controle, proporcionando precisão, flexibilidade e qualidade nas informações (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

Com a crescente demanda e ampliação nas empresas, os projetos de automação estão restritos a espaços físicos, o que acaba inviabilizando o projeto ou elevando seu custo, a integração de redes é uma maneira simples e prática que tem a finalidade de aumentar o desempenho e flexibilidade da rede, com simplicidade e custo relativamente baixo.

Existem inúmeros tipos de rede de comunicação, podemos destacar a rede AS-i, por ser uma rede simples e apresentar o melhor custo benefício, orientada a bit, para aplicações em sinais discretos. Podemos destacar também a rede DeviceNet, rede digital para conexões entre diversos tipos de equipamentos, para aplicações em sinais discretos e analógicos e diagnóstico dos devices, proporcionando flexibilidade e qualidade (SMAR, 2012).

Este trabalho tem como objetivo apresentação de mecanismos de relação de uma rede AS-i e DeviceNet, demostrando suas vantagens e aplicações, principalmente para espaços físicos limitados.

3. OBJETIVOS

A seguir serão apresentados os objetivos de forma geral e específica.

3.1. Geral

Este projeto tem a finalidade de melhorar o controle das válvulas de refrigeração reserva.

3.2. Específicos

• Integração de rede AS-i e DeviceNet;
• Avaliar otimização dos custos;
• Facilitar a implantação de controle em espaço físico restrito.

4. JUSTIFICATIVA

Este trabalho procura apresentar integração entre duas redes com protocolos de comunicação diferentes, com a finalidade de expandir uma rede já existente, proporcionando ampliação da automação de pontos discretos do campo, como válvulas, chaves de nível, fins de curso, entre outros dispositivos do nível 1.

Automação é dividida em cinco níveis, que estão relacionados com suas funções e características, representando a automação encontrada na indústria (MORAES;CASTRUCCI, 2007).

No projeto a rede AS-i é conectada a um bus de campo superior, neste caso a rede DeviceNet. Para realizar a integração é necessária uma gateway que tem a função de mestre para a rede AS-i e atua como um escravo para a rede DeviceNet, apresentando uma comunicação segura e eficaz.

Este tipo de aplicação traz vários benefícios, incluindo os voltados a automação com espaço físico restrito, favorecendo a otimização e redução de custo do projeto, possibilitando a utilização e aproveitamento de investimentos existentes, preservando e mantendo alto padrão de qualidade e confiabilidade.

5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Esta pesquisa tem como base livros e artigos que são direcionados a redes e sistemas de comunicação voltados para automação industrial, abordando temas como automação, redes industriais, DeviceNet e AS-i.

5.1. Automação Industrial

A automação industrial teve origem na primeira revolução industrial, marcada pelo surgimento da máquina a vapor e mecanização da produção no final do século XVIII, proporcionando otimização do processo de manufatura. Com a expansão da indústria no século seguinte, apontado pelo surgimento do aço, dos relês e novas fontes de energia, podemos dizer que ocorreu a segunda revolução industrial e um passo importante para o crescimento e fortalecimento da automação (UFRN, 2003).

A busca constante por lucratividade, qualidade e eficácia, torna os processos industriais cada vez mais presentes, contribuindo para o desenvolvimento de novos conceitos de produção, mas que estavam limitadas as condições elétricas e mecânicas das máquinas.

Na década de 70 com a utilização dos computadores com a função de controladores e o surgimento do controlador lógico programável (CLP), os sistemas de controle foram aperfeiçoados, revolucionando a automação industrial e possibilitando a execução de lógicas complexas e sofisticadas (SMAR, 2011). Com o passar do tempo os CLPs se tornaram mais complexos, manejando sinais analógicos e redes de comunicação, sendo chamados de controladores programáveis (CP).

Automação é qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das industrias, dos serviços ou bem estar (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

O desenvolvimento da indústria e a busca por melhorias nos processos, impulsionaram a automação industrial, tornando-a cada vez mais comum e essencial, proporcionando inúmeros ganhos com segurança, produtividade e qualidade.

5.1.1. Níveis da Automação

Automação industrial é composta por cinco níveis, que estão relacionados com suas funções e características, a figura 1 apresenta os níveis de automação encontrados na indústria, podemos observar os componentes e tipos de redes industriais utilizadas para interligar os níveis.

Figura 1 – Níveis da Automação Industrial

Fonte: (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

5.2. Redes Industriais

Com a necessidade de relacionar o conjunto de informações e equipamentos da indústria, surgiram as redes industriais (SANTOS; SILVEIRA, 1998).

Redes são compostas por dispositivos conhecidos como nós e são interligadas através de meio físicos, conhecidos como links. Uma rede pode ter inúmeros nós, sendo interligados seguindo uma arquitetura ou topologia.

A comunicação dos dispositivos ocorre através dos protocolos, podemos dizer que os protocolos são regras que manipulam as informações trocadas, ou seja, definem o que, como e quando as informações são trocadas (TANENBAUM; WETHERALL, 2011).

Vamos verificar que redes industriais são sistemas de comunicação que tem a finalidade de aperfeiçoar o controle de dispositivos de campo, através de mecanismos padronizados e transparentes, visando aumentar a capacidade do tráfego de informações, prover diagnóstico e configuração remota, proporcionando redução de custos do projeto, de manutenção e otimização dos sistemas do processo (LUGLI; SANTOS, 2014).

A utilização dos sistemas computacionais possibilitou a utilização das redes industriais, substituindo o tradicional sinal analógico, maleabilizando as longas distâncias, reduzindo os custos de instalação e manutenção.

O crescimento do mercado fortaleceu a expansão tecnológica dos sistemas de controle, surgindo os barramentos de campo distribuídos e posteriormente os sistemas de controle distribuídos, permitindo a redução do cabeamento, ligação de unidades de controle, flexibilidade para as topologias de rede e interface amigável (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

5.2.1. Principais especificações de uma rede

Para especificar uma rede precisamos determinar a topologia, meio físico de transmissão, taxa de transmissão, tecnologia de comunicação e algoritmo de acesso ao barramento (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

• Topologias de rede

A topologia da rede está relacionada com arquitetura em que os dispositivos são interligados, sendo dividida em topologia física e lógica. A topologia física refere-se ao layout da rede, representando como os nós estão conectados. A topologia lógica está relacionada com a maneira que os nós se comunicam através do meio físico. Os principais tipos de topologias são:

• Topologia tipo barramento

Os dispositivos da rede se comunicam através do mesmo cabo, este tipo de rede é voltada para comunicação ponto a ponto, podendo ser expandida facilmente, reduzindo o custo e simplificando a instalação, mas apenas um nó pode transmitir informações (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014).

Na figura 2 temos exemplo desta rede, podemos observar sua arquitetura.

Figura 2 – Topologia tipo barramento

Fonte: (TANENBAUM; WETHERALL, 2011) adaptado pelo autor.

• Topologia tipo anel

Este tipo de arquitetura forma um circuito fechado, ou seja, todos os dispositivos são conectados, fechando o último nó com o primeiro, correspondendo a um anel, os dados são transmitidos em uma direção, geralmente passando por mais nós, até chegar ao seu destino, atrasando o tempo de transmissão. Na figura 3 podemos observar a estrutura desta rede.

Figura 3 – Topologia tipo anel

Fonte: (TANENBAUM; WETHERALL, 2011) adaptado pelo autor.

• Topologia tipo estrela

Os sinais de comunicação entre os nós passam sempre por um nó central, conhecido como concentrador, podendo ser um hub, switch ou roteador, na figura 4 podemos observar esta arquitetura.

Figura 4 – Topologia tipo estrela

Fonte: (TANENBAUM; WETHERALL, 2011) adaptado pelo autor.

• Topologia tipo árvore

Nesta arquitetura um concentrador interliga todos os nós da rede, outros concentradores interligam as demais redes, formando um conjunto de redes locais interligadas, dispostas em um formato de árvore (FRANCISCATTO; CRISTO; PERLIN, 2014). Na figura 5 apresentamos este tipo de rede.

Figura 5 – Topologia tipo árvore

Fonte: (TANENBAUM; WETHERALL, 2011) adaptado pelo autor.

• Meio físico

O meio físico de transmissão é conhecido como link, sendo utilizado para interligar os dispositivos da rede, transmitindo um conjunto de dados compostos por bits de um nó para o outro, os meios mais comuns de transmissão são cabos de par trançado, fibra ótica, coaxial e wireless (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

• Taxas de transmissão

A velocidade da rede, ou seja, número de dados transmitidos em um tempo determinado, geralmente é medida em kilobits por segundo (kbps), estando limitadas ao meio físico de transmissão, quantidade do trafego e fluxo da rede (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

• Tecnologias da comunicação e algoritmo de acesso

A tecnologia de comunicação está relacionada ao gerenciamento de dados de comunicação da rede, podendo ser mestre/escravo, cliente/servidor, entre outros. O meio de acesso se refere a como os nós obtém as informações da rede (MORAES; CASTRUCCI, 2007).

A comunicação mestre/escravo é uma forma de gerenciamento no qual um dispositivo central controla a rede, conhecido como mestre, podem existem mais de um mestre, mas apenas um pode controlar um conjunto de escravos. Os escravos são dispositivos ou nós que respondem as aquisições do mestre, atuando no processo.

Produtor/Consumidor também é uma forma de gerenciamento, na qual todos os nós podem ser sincronizados, sendo capaz de existir inúmeros produtores e consumidores, isto é possível devido ao pacote de dados possuir um identificador de origem e destino, evitando congestionamento dos dados.

5.3. Rede DeviceNet

Desenvolvida pela Allen-Bradley em 1994, sendo uma rede digital, multi-drop para conexões entre diversos tipos de equipamentos, com características marcantes como alta velocidade, comunicação com equipamentos discretos e analógicos e diagnóstico dos devices, proporcionando flexibilidade e qualidade (SMAR, 2012).

Sendo um padrão aberto de automação, com finalidade de transportar dados cíclicos de sensores e atuadores, relacionados ao controle e dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e diagnóstico (LUGLI; SANTOS, 2009).

A seguir na figura 6 temos um exemplo de rede DeviceNet, podemos observar o tipo de estrutura e alguns exemplos de dispositivos.

Fonte: (SMAR, 2012).

Esta rede é baseada na tecnologia Controller Area Network (CAN), sendo um protocolo de comunicação voltado para indústria automotiva, permitindo troca de dados rápida e com alto nível de segurança através de um par de cabos (SMAR, 2012).

Utiliza o protocolo Common Industrial Protocol (CIP), responsável por definir os padrões de rede, como acesso, serviços e perfis dos dispositivos; possibilitando a comunicação de diferentes equipamentos (ODVA, 2016). Na figura 7 temos a estrutura em camadas do protocolo CIP.

Figura 7 – Camadas do protocolo CIP

Fonte: (WEG, 2008).

5.3.1. Características da rede DeviceNet

A rede é composta por até 64 dispositivos e cada dispositivo ocupa um nó, endereçados de 0 a 63, geralmente o CP ou cartão DeviceNet ocupa o endereço 0, qualquer dispositivo possui um arquivo chamado Eletronic Data Sheet (EDS), nestes arquivos encontramos informações e funcionalidades dos mesmos.

A figura 8 determina as características de tamanho e taxa de transmissão da rede, podemos observar que a velocidade é inversamente proporcional ao comprimento, as derivações da rede são limitadas a no máximo 6 m e o total de derivações também é limitado, em função da taxa de transmissão (WEG, 2008).

Figura 8 – Tamanho e taxa de transmissão

Fonte: (WEG, 2008) adaptado pelo autor.

Esta rede é muito resistente a interferências eletromagnéticas, proteção contra inversão de polaridade e curtos-circuitos, diagnóstico individual de cada componente e detecção de endereço duplicado, tornando a rede extremamente robusta (LUGLI; SANTOS, 2009).

Na figura 9 podemos verificar a arquitetura da rede DeviceNet, a topologia utilizada é do tipo tronco derivação.

Figura 9 – Tipos de topologias da rede DeviceNet.

Fonte: (SMAR, 2012).

Podemos verificar também na Figura 9, que este tipo de rede necessita de terminadores no final de seu barramento, esses dispositivos são resistores que tem o objetivo de evitar reflexão do sinal, possuindo 121 ohms de resistência ôhmica, potência de 0,5 watt (W) e tolerância de 1% (WEG, 2008).

5.3.2. Protocolo de comunicação da rede DeviceNet

Baseados no protocolo CAN, os dados são transmitidos através de frames, composto por um campo identificador de 11 bits e um campo de dados de até 256 bytes. Na figura 10 temos o exemplo de um frame de 8 bytes (WEG, 2008).

Figura 10 – Frame de dados DeviceNet

Fonte: (WEG, 2008) adaptado pelo autor.

Para um dispositivo transmitir na rede é necessário a utilização de um frame remoto (RTR Frame). O RTR Frame funciona como solicitação para um device transmitir na rede, sendo composto apenas pelo campo identificador.

A especificação CAN define diversos mecanismos para controle de erros, o que a torna uma rede muito confiável e com um índice muito baixo de erros de transmissão que não são detectados. Cada dispositivo da rede deve ser capaz de identificar a ocorrência destes erros, e informar os demais elementos que um erro foi detectado (WEG, 2008).

5.3.3. Camadas da rede DeviceNet

Aplicando o modelo Open System Interconnection (OSI), que tem a função de padronização dos protocolos de comunicação, informando e normatizando as funções de cada camada, sendo composto por sete camadas. A rede DeviceNet utiliza a seguinte estrutura em seu protocolo de comunicação:

• Camada física e enlace de dados

O protocolo CAN é utilizado nas camadas 1 e 2 do modelo OSI, sua topologia é do tipo tronco e derivação, permite que as vias de alimentação e as vias de dados estejam presentes no mesmo cabo.

Sua camada de enlace de dados utiliza o protocolo Carrier Sense Multiple Access with Non (CSMA/NBA) para se conectar ao meio físico, verificando o barramento antes de transmitir seu telegrama, caso não seja possível ou haja colisão, um mecanismo baseado em prioridade de mensagem entrará em ação para decidir qual deles terá prioridade sobre os outros (WEG, 2008).

Abaixo podemos verificar a estrutura do frame de dados DeviceNet (Figura 11).

Figura 11 – Frame DeviceNet

Fonte: (WEG, 2008) adaptado pelo autor.

Start Of Frame (SOF) tem a função de avisar os outros devices que o barramento será ocupado por alguma mensagem.

Identifier ou identificador é composto por 11 bits, sendo utilizado para definir prioridade de uma determinada mensagem, este protocolo utiliza dois estados lógicos possíveis para o uso da seleção, sendo o bit “1” chamado de recessivo e o bit “0” chamado de dominante. Um nó só pode transferir informação se não existir nenhum outro dispositivo dominante.

Control Field ou Campo de Controle é composto por 6 bits, determinando o tamanho em bytes da área de dados.

Data Field ou Dados tem a finalidade de informar o status do dispositivo ou comando do mestre, variando em função do dispositivo, mas podendo ser composto por no máximo 256 bytes.

CRC sequence e Delimiter (CRC) é composto por 16 bits, tendo o objetivo de garantir a integridade da mensagem, sendo divido em campos de identificador, controle, tamanho e dados.

ACK Slot e Delimiter (ACK) é utilizado para a confirmação do envio de uma mensagem.

End of Frame (EOF) indica o término do frame, seu tamanho é de 7 bits e ambos estão em nível lógico “1”, como o protocolo não permite a presença de mais de 6 bits iguais, o EOF garante o fim do frame.

• Camada de transporte e rede

Para estabelecer a comunicação os mecanismos Unconnected Message Manager (UCMM) ou o Group 2 Unconnected Port são utulizados. Os dispositivos podem ser clientes, servidores ou ambos, ou seja, podendo ser produtores ou consumidores de mensagens, proporcionando assim a comunicação entre os dispositivos (WEG, 2008).

• Camada de aplicação

O protocolo CIP é utilizado na camada de aplicação, este tipo de protocolo é orientado a objeto, ou seja, independente da camada de enlace de dados. Os objetivos desta camada são transportar os dados de controle, configuração e diagnóstico aos dispositivos (WEG, 2008).

Neste projeto através da utilização da rede DeviceNet foi realizado a integração com uma rede de nível inferior, possibilitando a utilização de uma rede existente, preservando os investimentos.

5.4. Rede AS-i

Desenvolvida por um conjunto de empresas na Alemanha em 1990, a rede AS-i tem como finalidade tornar as conexões entre os dispositivos e controladores mais rápidas e simples, sendo orientado a bit, o que limita este tipo de aplicação a sinais discretos (LUGLI; SANTOS, 2010).

Um sistema industrial formado por redes AS-i é considerado como o mais econômico e ideal para comunicação entre atuadores e sensores. Os benefícios da utilização de uma rede AS-i vão desde economias de hardware até o comissionamento de uma rede AS-i propriamente dita. (SMAR, 2011).

As redes industriais AS-i foram concebidas para serem aplicadas em ambientes automatizados, substituindo as conexões tradicionais de atuadores e sensores do tipo ponto a ponto, por um barramento único, proporcionando uma rede segura, com custo relativamente baixo (LUGLI; SANTOS, 2010).

Na figura 12 temos um exemplo de uma arquitetura AS-i.

Figura 12 – Exemplo de arquitetura AS-i

Fonte: (SMAR, 2012).

5.5. Características da rede AS-i

A rede é composta por até 62 dispositivos, podendo ser endereçados de 1A até 31B, utiliza apenas um cabo bipolar, que transmite a alimentação e dados de controle, possuindo uma taxa de transmissão de 167,5 kbps e um tempo de varredura de aproximadamente 20 milissegundos (ms), dependendo do número de dispositivos utilizados na rede (LUGLI; SANTOS, 2010).

Seu comprimento está restrito a 100 metros (m), utilizando repetidores de rede seu comprimento pode chegar aos 200 m, podendo ser expansível a 1000 m com o uso de terminadores e repetidores (SENSE, 2017).

Os principais benefícios deste tipo de aplicação são baixo custo de instalação, quando comparado com outros sistemas; topologia flexível, podendo ser montada em qualquer topologia; protocolo normatizado e aberto, proporcionando confiabilidade em ambientes industriais (LUGLI; SANTOS, 2010).

Na figura 13 podemos verificar os tipos de topologia existentes, o que torna a rede simples e flexível.

Figura 13 – Tipos de topologias da rede AS-i

Fonte: (SMAR, 2017).

5.5.1. Comunicação da rede AS-i

A comunicação é realizada através do cabo, transferindo os sinais de controle do mestre para o escravo e as informações do escravo para o mestre, de maneira cíclica, ou seja, o mestre transmite as informações de maneira cíclica e o escravo só recebe quando tiver a permissão (LUGLI; SANTOS, 2010).

Antes de ser transmitida, os dados sofrem um processo, composto por montagem do telegrama, codificação Manchester e Modulação Alternating Pulse Modulalation (APM), na figura 14 podemos verificar o processo. (LUGLI; SANTOS, 2010).

Figura 14 – Processo de comunicação da rede AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Na figura 15 podemos verificar composição do telegrama AS-i, podemos observar o formato da requisição do mestre e reposta do escravo.

Figura 15 – Frame da rede AS-i

Fonte: (LUGLI; SANTOS, 2010).

Neste projeto foi implantado uma rede AS-i, realizando a integração com uma rede de nível superior, possibilitando atualização da tecnologia e redução de custos de investimento.

5.6. Sistema Digital de Controle Distribuído

O sistema digital de controle distribuído (SDCD) é dotado de processadores personalizados, conhecidos como controladores, utilizam módulos de entrada e saída para comunicação e controle, possuindo redes de comunicação entre os dispositivos de controle redundantes, oferecendo uma interface homem máquina (IHM) e protocolos padronizados (EMERSON, 2011).

Sua função principal é realizar o controle da planta, gerenciando e supervisionando o processo, possuindo bibliotecas prontas e interface amigável (EMERSON, 2011). A aplicação do sistema SDCD proporciona alta confiabilidade, integração de sistemas, simulação e configuração através de ferramentas do sistema, proporcionando aumento da produção, qualidade e segurança.

Para configuração dos monitores AS-i e desenvolvimento do projeto, será utilizado o Delta V®, sistema SDCD da Emerson Process Management, empresa multinacional referência em tecnologia e automação industrial.

Para execução do projeto será utilizado três ferramentas do sistema Delta V®, na figura 16 verificamos os módulos e suas principais finalidades.

Figura 16 – Módulos do Delta V®

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

5.7. Conectividade entre redes industriais

Existem inúmeros tipos de redes industriais, com determinadas características, que tornam o processo flexível e eficiente, na figura 17 observamos a classificação das redes industriais.

Figura 17 – Pirâmide das redes indústriais

Fonte: (SMAR, 2011).

A rede AS-i pode ser conectada ao nível de controle de duas formas, com a utilização de um CP ou através de gateways, sendo interligado com uma rede de nível superior (LUGLI; SANTOS, 2010).

A figura 18 representa como a rede AS-i pode ser conectada ao nível de controle.

Figura 18 – Acesso ao nível de controle rede AS-i

Fonte: (SMAR, 2017).

Utilizando uma gateway é possível integrar a rede AS-i à uma rede de nível superior, neste caso a gateway será o mestre da rede e seus dispositivos, serão seus escravos, na figura 21 observamos está aplicação.

Com o uso do CP a conexão da rede é direta, neste caso o CP é o mestre da rede e os dispositivos seus escravos, este tipo de aplicação é muito comum na indústria. Na figura 19 temos um cartão AS-i, que está conectado diretamente no barramento de um sistema SDCD.

Figura 19 – Cartão AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2017).

A integração de redes está restrita em função das características das redes, como velocidade e números dos dispositivos, mas proporciona extrair as principais vantagens dos sistemas, como qualidade, flexibilidade e comunicação segura, colaborando com a redução de custo do projeto e principalmente para aprimorar o espaço físico.

5.8. Gestão da mudança

Management of change ou gerenciamento de mudanças (MOC) é um documento composto por um conjunto de procedimentos, cuja finalidade é garantir que as operações estejam dentro dos limites de segurança estabelecidos.

MOC é um dos doze elementos do Process Safety Management (PSM), que visa manter a segurança dos processos, gerenciando os riscos e prevenindo acidentes em ambientes industriais (ESTRADA, 2008).

A análise e documentação do MOC é realizada através de um formulário, conforme apêndice E, sendo composta pelas seguintes etapas:

• Descrição da mudança: Sugestão da mudança;
• Base técnica para a mudança: Justificativa da mudança, apontando o que e como será feito;
• Impacto potencial na segurança, saúde e ambiente: Levantamento dos riscos e análise prévia da mudança, podendo ser aplicadas algumas ferramentas complementares de identificação de risco, como Hazard and Operability Study (HAZOP) e What-if;
• Treinamento: Verificar a necessidade de treinamento para as áreas envolvidas;
• Revisão dos procedimentos: Analisar necessidade de atualização da documentação, como diagramas, fluxogramas e procedimentos de trabalho;
• Aprovação parcial: Após aprovação pelos departamentos responsáveis, como engenharia, manutenção, segurança, operação e processo; a sugestão pode ser executa.
• Aprovação final: Após a sugestão ser implementada e realizado as necessidades levantadas na análise, a mudança é avaliada e o MOC encerrado.

O gerenciamento de mudanças é uma importante ferramenta para análises nas implantações de projetos, através dele exploramos as causas e efeitos que podem ser ocasionados, voltados para questões ambientais, segurança e processo. Para execução deste projeto abertura do MOC é necessária e fundamental, garantindo as condições operacionais.

6. METODOLOGIA

A pesquisa abordada é do tipo aplicada, apresentando uma análise experimental em uma indústria química. Foram realizadas análises das causas e efeitos, através do MOC e testadas hipóteses com o intuito de propiciar a redução de custo do projeto, podendo ser aplicada em outros tipos de redes.

As fontes e literaturas utilizadas foram obtidas a partir de livros e artigos científicos, voltados para redes industriais e automação. A pesquisa bibliográfica é fundamental para o desenvolvimento do trabalho, proporcionando todo o suporte e auxílio.

O ponto de partida do projeto foi analisar a parte estrutural, levantando os pontos e equipamentos que serão automatizados, especificando a lista de materiais (Apêndice A).

A próxima etapa foi apresentar os custos e benefícios para gerência da empresa, encaminhando o projeto para análise das mudanças, benefícios e aprovação do investimento.

Após aprovação, o projeto foi colocado em prática, instalando e configurando os componentes, realizando testes e acompanhamento do funcionamento, confirmando eficiência e eficácia do projeto, comprovando as hipóteses e objetivos propostos.

7. DESENVOLVIMENTO

A pesquisa abordada é do tipo aplicada, apresentando uma análise experimental, em uma indústria química, testando hipóteses e realizando análises das causas e efeitos, através do MOC, proporcionando redução de custo do projeto, podendo ser aplicada em outros tipos de redes.

7.1. Procedimento de integração das redes AS-i e DeviceNet

Como já mencionado, a finalidade deste projeto é incluir um dispositivo DeviceNet em uma rede e através deste, implantar uma rede AS-i. Para isso foram necessárias as seguintes etapas:

• Instalação dos componentes mecânicos e pneumáticos;

• Instalação dos componentes elétricos;

• EDS e Mapa de bits da gateway;

• Configuração dos módulos de controle, telas e interfaces de operação;

• Simulação e testes de funcionamento.

7.1.1. Instalação dos componentes mecânicos e pneumáticos

Para automatizar as válvulas borboletas de 4” foram necessárias a instalação dos seguintes componentes:

• Atuador pneumático;
• Válvula direcional.

O atuador pneumático é responsável pela abertura e fechamento da válvula, sendo especificado e também fornecido pelo fabricante da válvula borboleta de acordo com o tamanho da válvula e condições do processo.

A válvula direcional tem a finalidade de direcionar o fluxo de ar para o atuador, sendo responsável pela modulação do mesmo, para este projeto foi especificado uma válvula de 5 vias e 2 posições, padrão NAMUR.

A seguir na figura 20 temos um exemplo de uma válvula pilotada utilizada.

Figura 20 – Válvula Pilotada AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

7.1.2. Instalação dos componentes elétricos

Para desenvolvimento do projeto são necessários os seguintes componentes elétricos:

• Gateway DV/AS-i;
• Fonte AS-i;
• Expansor de fonte AS-i;
• Monitor de válvula AS-i;
• Cabo AS-i.

A gateway é a responsável pela integração da rede AS-i à uma rede de nível superior, neste caso a DeviceNet, na figura 21 podemos observar a gateway DV/AS-i modelo ASI-1818-ASI3.0/DN.

Figura 21 – Gateway AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Para o projeto foi necessária instalação de uma fonte AS-i modelo KFT-3004R e expansor AS-i modelo ASI-KD-EF-P, a finalidade destes dispositivos é alimentar a rede AS-i, isolando e proporcionando ampliação da rede para 200 m, a tensão de alimentação é de 31,5 volts (V). A figura 22 apresenta a fonte e expansor utilizado no projeto.

Figura 22 – Fonte e Expansor AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Neste projeto é necessário o monitoramento dos dispositivos, sendo assim, foi utilizado um monitor de válvula modelo PSH5-M32-ASI3.2-BS-PG, com o objetivo de informar seu status, ou seja, se a válvula está aberta ou fechada, além de acionar a solenoide da válvula direcional. Na figura 23 podemos observar o monitor utilizado no projeto.

Figura 23 – Monitor AS-i

Fonte: (SENSE, 2017).

Os elementos da rede foram conectados através de cabos AS-i modelo CB-ASI-0802, composto por um par de cabos no qual são transmitidos sinais de comunicação e alimentação, com a finalidade de realizar uma integração dos mesmos de maneira fácil e flexível, sendo uma das principais vantagens da rede, a arquitetura AS-i. A figura 24 demostra o cabo utilizado.

Figura 24 – Cabo AS-i

Fonte: (SMAR, 2017).

A figura 25 apresenta o painel AS-i, o mesmo foi montado conforme digrama elétrico no Apêndice C.

Figura 25 – Paínel AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

7.1.3. EDS e mapa de bits da gateway

Cada dispositivo DeviceNet ocupa um nó da rede, para isso precisamos configurar seu endereço e taxa de comunicação, podendo ser endereçados via dip switches ou em alguns casos através da interface do próprio equipamento, como é o caso. A rede DeviceNet do projeto tem velocidade de 125 kbps e a gateway endereço 7.

Foi acessado o menu DeviceNet da gateway e ajustando os seguintes parâmetros:

• Andress;
• DN Baudrate;
• DN IO-Part.

Abaixo na figura 26 apresentamos o menu principal da gateway e o menu DeviceNet respectivamente.

Figura 26 – Menu da gateway

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Após ajustado os parâmetros da gateway, foi preciso configurar a mesma no cartão DeviceNet em que ela está instalada, sendo necessário o arquivo EDS. Utilizando o Delta V Explorer, foi selecionando o fabricante, modelo do dispositivo, revisão da EDS, endereço do dispositivo, número de bytes de comunicação de entrada e saída, conforme figura 27.

Figura 27 – Configuração da gateway

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Caso o dispositivo possua mais de uma revisão do EDS, para determinar a revisão correta, a melhor maneira é entrar em contato com a fabricante. Sua seleção correta reduzindo probabilidade de falhas, tornando a comunicação segura e eficaz.

O número de bytes de comunicação está relacionado a quantidade de dispositivos da rede AS-i. Para rede com 31 dispositivos, devemos selecionar 16 bytes, caso a rede seja composta por 62 dispositivos, devemos selecionar 32 bytes, conforme mapa de bits (Apêndice B). Neste caso a rede futuramente pode ter mais dispositivos, sendo selecionado 32 bytes.

Após configuração da gateway e do cartão, conectamos o dispositivo na rede DeviceNet, verificando na figura 28 o status do dispositivo, através do Diagnostics Explorer ou diagnóstico Delta V.

Figura 28 – Status dos dispositivos DeviceNet

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Após estabelecer a comunicação, configuramos os dispositivos da gateway no Delta V Explorer, para isso foram seguidos os parâmetros presentes no Apêndice B, referente ao mapa de bits. Abaixo temos o exemplo de configuração do status do dispositivo AS-i número 1A, designado como “ASI_01_STS”, referente aos sinais de estado da válvula XV-1561 de água de refrigeração para um determinado equipamento, conforme figura 29.

Figura 29 – Configuração do status do dispositivo

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A configuração do estado ou status do dispositivo foi realizada selecionando o Signal direction como input, Data type como 8 bits e o byte offset, First bit used e Number of used bits de acordo com o mapa de bits.

Na figura 30 temos o exemplo de configuração do comando do dispositivo AS-i número 1A, designado como “ASI_01_CMD”, referente aos sinais de saída da válvula XV-1561 de água de refrigeração.

Figura 30 – Configuração do Comando do dispositivo

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

O comando do dispositivo foi configurado da seguinte maneira, o Signal direction como output, Data type como 8 bits e o byte offset, First bit used e Number of used bits de acordo com o mapa de bits.

Na figura 31 podemos verificar a configuração de todos os dispositivos AS-i da rede.

Figura 31 – Configuração dos dispositivos AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Antes de conectar os dispositivos AS-i na rede, foi necessário a configuração dos monitores, utilizando um configurador AS-i (Figura 32).

Figura 32 – Configurador AS-i

Fonte: (PHOENIX CONTACT, 2012).

Abaixo temos as finalidades dos componentes do configurador AS-i:

1. Conector AS-i padrão M12;
2. Display do configurador;
3. Tecla de incremento;
4. Tecla de decremento;
5. Tecla de programação;
6. Tecla de adição;
7. Configurador AS-i;
8. Tecla de modo de operação.

Para realizar a configuração dos monitores foi necessário seguir os passos abaixo:

• Passo 1: Realizada alimentação do dispositivo AS-i;
• Passo 2: Conectado o configurador junto ao dispositivo, com a gateway desligada da rede;
• Passo 3: Depois foi ligado o configurador e selecionado o endereço desejado através das teclas de incremento (3) e decremento (4);
• Passo 4: Pressionar duas vezes a tecla de adição de novos dispositivos (6), escrevendo no dispositivo;
• Passo 5: Posteriormente foi pressionada a tecla de programação (5), gravando o dispositivo.

Este procedimento foi repetido para todos os monitores e após configurados foram conectados na rede AS-i da gateway, o estado dos devices pode ser verificado através da figura 33, no diagnóstico Delta V, observando os valores e status dos dispositivos.

Figura 33 – Status dos dispositivos AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Também pode-se observar o status da rede através da gateway em sua tela inicial, verificando o acionamento do led “AS-i active”, que indica que a rede AS-i está ativa e em funcionamento (Figura 34).

Figura 34 – Status da gateway

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

7.1.4. Configurações dos módulos de controle

Após a configuração dos dispositivos no Delta V Explorer, foi necessária configuração dos módulos de controle no sistema SDCD. Na figura 35 temos alguns exemplos de módulos de controle e as propriedades do módulo da válvula XV-1561.

Figura 35 – Propriedades do módulo da válvula XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A finalidade do módulo é executar o controle sobre o dispositivo, no caso a válvula XV-1561, na figura 36 temos sua estrutura, podendo observar todos seus componentes.

Figura 36 – Módulo da válvula XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Este módulo foi extraído da biblioteca do Delta V®, sendo composto pelos seguintes componentes:

• AND1;
• NOT1;
• BFO1;
• DC1;
• BFI2;
• Status;
• Out.

O bloco AND1 é uma porta “E” e tem a finalidade de liberar o controle da válvula, composto apenas por uma entrada e uma saída. Neste bloco poderiam existir mais entradas, com condicionais para executar o intertravamento da válvula, mas neste projeto não foi levantado na análise de risco nenhuma condicional, assim a entrada do bloco sempre estará acionada, consequentemente a saída também.

NOT1 é uma porta “NÃO”, seu objetivo é inverter o sinal de entrada com o da saída, como sua entrada está conectada na saída do bloco AND1, que está em nível lógico alto, sua saída estará sempre desacionada.

BFO1 é um conversor de decimal para binário, sua função é converter os dados do status da válvula para as entradas do bloco DC1; caso a saída 1 esteja em nível lógico alto a válvula está fechada; caso a saída 2 esteja em nível lógico alto a válvula está aberta. Se ambas as saídas estiverem em nível lógico baixo, a válvula está indefinida.

BFI2 também é um conversor, mas de binário para decimal, seu objetivo é converter o sinal recebido do bloco DC1 para o parâmetro out.

O bloco DC1 tem a finalidade de controlar o acionamento da válvula, sendo composto pelas entradas de permissão, intertravamento, sinal 1 e 2. Para que sua saída seja acionada, devemos atender as seguintes condições: entrada de permissão deve estar acionada e entrada de intertravamento desacionada; com estas condições atendidas o controle da válvula é liberado, sendo assim para seu acionamento devemos escrever no Setpoint (SP) da válvula através do Faceplate. A saída Out_D é responsável pela abertura da válvula e a saída PV_D indica a variável do processo (PV), ou seja, se a válvula está aberta ou fechada.

Status e Out são parâmetros referentes ao estado da válvula e comando da mesma respectivamente.

7.1.5. Configurações das telas de operação e interface de controle

Após a configuração dos módulos de controle, foi necessário desenvolvimento da interface no sistema SDCD, sendo utilizado o Delta V Operate, para edição das telas de operação, criando os dispositivos e Faceplates das válvulas. Na figura 37 podemos observar a biblioteca de dispositivos e módulo de edição do Delta V Operate.

Figura 37 – Módulo de edição Delta V Operate

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Utilizando a biblioteca foi possível desenvolver as telas, criando as válvulas, bombas, tubulação e sinalização. Na figura 38 observamos a tela de operação das torres de refrigeração 12 e 14.

Figura 38 – Tela de operação torres 12 e 14

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Já na figura 39 observamos a tela de operação das torres de refrigeração 17 e 20.

Figura 39 – Tela de operação torres 17 e 20

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Após desenvolvimento das telas foi realizado animação das válvulas, referenciando o SP e PV. Na figura abaixo podemos observar a animação do SP da válvula.

Figura 40 – SP da válvula XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Na figura 41 podemos observar a animação da PV da válvula.

Figura 41 – PV da válvula XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Como padrão de animação o SP é representado pelo atuador, ou seja, corpo superior da animação. Já a PV é representada pela válvula, ou seja, corpo inferior da animação. Caso a PV assuma um valor diferente de “0” ou “1”, a animação do corpo inferior recebe a cor amarela, representando estar indefinida.

O Delta V configura o Faceplate automaticamente após animação das válvulas, isto acontece devido as animações estarem referenciadas com um módulo de controle. Na figura 42 podemos observar a referência do Faceplate.

Figura 42 – Configuração do Faceplete válvula XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

8. CRONOGRAMA

A pesquisa foi dividida em nove partes principais, estimando e definindo tempo para execução das atividades. Abaixo (Tabela 1) podemos verificar o cronograma.

Tabela 1 - Cronograma simplificado

Fonte: (PRÓPRIO AUTOR, 2016).

9. ORÇAMENTO

O orçamento tem a finalidade de apresentar os benefícios do projeto, demonstrando as relações de valores, determinando os recursos e facilitando o controle dos custos.

A princípio foram automatizadas seis válvulas, na opção 1 (Tabela 2), foram realizados os levantamentos dos custos para desenvolvimento do projeto, proporcionando a integração de uma rede AS-i e DeviceNet já existente.

Tabela 2 – Opção 1: Orçamento para integração das redes

Fonte: (PRÓPRIO AUTOR, 2016).

O custo referente a mão de obra para programação não foi estimado, pois serão realizados internamente, pelo departamento de instrumentação da empresa.

Esta aplicação se torna ainda mais vantajosa se aumentarmos o número de dispositivos, pois um nó ou endereço da rede DeviceNet, proporciona 62 endereços discretos disponíveis, sendo ideal para espaços físicos limitados.

Na opção 2 (Tabela 3), temos o levantamento dos custos para desenvolvimento de uma nova rede DeviceNet, para ampliação da automação. O custo de investimento se torna alto, pois necessita de um novo cartão de rede, que apresenta um custo de investimento relativamente alto, quando comparado a aquisição de uma gateway.

Tabela 3 – Opção 2: Orçamento de uma nova rede DeviceNet

Fonte: (PRÓPRIO AUTOR, 2016).

O custo referente a mão de obra para programação também não foi estimado, pois serão realizados internamente, pelo departamento de instrumentação da empresa.

10. ANÁLISE DE RESULTADOS

Após a implantação do sistema foi possível confirmar a eficiência e eficácia do projeto, realizando testes de abertura e fechamento, acompanhando funcionamento durante cinco meses. Neste período de testes nenhuma válvula apresentou defeito ou avaria.

Na figura 43 verificamos as válvulas antes da automação do sistema de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-012 e TR-014, podemos observar no item 1 e 2 que as aberturas das válvulas eram realizadas manualmente.

Figura 43 – Torre de refrigeração TR-012 e TR-014 antes da automação

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Na figura 44 podemos verificar a automação das válvulas do sistema de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-012 e TR-014.

Figura 44 – Torre de refrigeração TR-012 e TR-014 depois da automação

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A figura 45 apresenta as válvulas antes da automação do sistema de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-017 e TR-020, podemos observar nos itens 1, 2 e 3; que antes as aberturas das válvulas também eram realizadas manualmente.

Figura 45 – Torre de Refrigeração TR-017 e TR-020 antes da automação

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A figura 46 apresenta a automação das válvulas do sistema de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-017 e TR-020.

Figura 46 – Torre de Refrigeração TR-017 e TR-020 depois da automação

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Nas figuras 47 podemos observar a estrutura da rede AS-i, confirmando a simplicidade e facilidade da utilização deste tipo de rede para aplicações de automação industrial.

Figura 47 – Estrutura da rede AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A seguir na figura 48 observamos o status da gateway em sua tela inicial, podemos verificar que a rede AS-i está em funcionamento normal, através da mensagem “System is running fine”.

Figura 48 – Status da gateway AS-i

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A figura 49 apresenta a tela de operação dos sistemas de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-012 e TR-014, o layout das imagens favorece a interface amigável com o sistema de controle, podemos verificar toda a estrutura e abertura das válvulas.

Figura 49 – Telas de operação TR-012 e TR-014

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A figura 50 exibi a tela de operação dos sistemas de refrigeração reserva das torres de refrigeração TR-017 e TR-020, o layout das imagens favorece a interface amigável com o sistema de controle, podemos verificar toda a estrutura e abertura das válvulas.

Figura 50 – Telas de operação TR-017 e TR-020

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

Abaixo na figura 51 podemos verificar a interface de operação e controle da válvula XV-1561, para temos acesso basta clicar sobre a imagem da válvula e selecionar o comando desejado.

Figura 51 – Faceplate XV-1561

Fonte: (PROPRIO AUTOR, 2016).

A integração de redes proporcionou ótimo desempenho e aumento de flexibilidade da rede, apresentando benefícios em sua implantação, como redução de 43% no custo de investimento e aproveitamento do capital existente.

Embora neste projeto a rede DeviceNet tenha apenas cinco dispositivos, podemos concluir que está aplicação é ideal para espaços físico limitados, visto que através de um nó na rede superior, foram disponibilizados 62 endereços, possibilitando ampliação da rede.

11. CONCLUSÃO

A principal finalidade deste trabalho foi automatizar seis válvulas de água de refrigeração, o processo antes era realizado manualmente, o que dificultava e aumentava o tempo de manobra, devido as válvulas estarem distantes do local de trabalho. Após a integração dos componentes e com a realização de teste de comunicação, foi possível verificar que as válvulas realizaram as ações provenientes do controle, sem erros.

Através das análises dos resultados, eficiência e flexibilidade foram comprovadas, proporcionando redução dos custos do projeto em 43%.

Também foi possível atingir a necessidade relacionada à otimização do espaço, tendo em vista a instalação e os dispositivos utilizados, além de proporcionar aproveitamento dos investimentos existentes, mantendo alto padrão de qualidade e confiabilidade.

Para possíveis melhorias futuras as válvulas e as bombas de refrigeração reserva poderiam ter seus acionamentos automatizados, assim quando o sistema de refrigeração entrar em falha, o sistema reserva seria alinhado automaticamente.

12. REFERÊNCIAS

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WEG. Manual da comunicação DeviceNet. 2008. Disponível em: . Acesso em: 12 Mar. 2017.

13. APÊNDICE A – Lista detalhada de materiais

14. APÊNDICE B – Mapa de bits da gateway

 

ConfigError: 0 = Configuração OK;
1 = Configuração com erro;

APF: 0 = Gateway AS-i ligada;
1 = Gateway AS-i em falha;

PeripheryFault: 0 = Rede OK;
1 = Rede em falha;

Offline: 0 = Online;
1 = Offline;

Los-Master-Bit: 0 = Offline e configurador ativo;
1 = Online e configurador desativado.

15. APÊNDICE C – Diagrama elétrico do projeto

16. APÊNDICE D – Layout do projeto

17. APÊNDICE E – Formulário de gestão de mudanças

Abaixo segue formulário de gerenciamento de mudanças, utilizado como exemplo pela Occupational Safety and Health Administration (OSHA).