Computadores nos Controles

Uma análise dos desenvolvimentos mais recentes em controle envolvendo o uso de tecnologia da informação.

Pode ser apropriado encerrar o Bloco 5 com uma visão ampla do envolvimento de computadores em sistemas de controle.

Uma definição de dicionário do termo ‘computador’ é ‘um dispositivo eletrônico programável que pode armazenar, recuperar e processar dados’. Esta definição inclui os controladores básicos de malha única e multi-malha comumente encontrados em indústrias de processos, onde uma condição é lida por um sensor, comparada a um setpoint no controlador através de algumas rotinas matemáticas realizadas para determinar a ação corretiva necessária, seguida por uma saída de um sinal apropriado. A taxa de desenvolvimento do chip de computador e seu impacto em todos os aspectos da vida é bem conhecida. A taxa de avanço na tecnologia de controles certamente significa que alguns dos seguintes comentários serão redundantes quando lidos. História Controladores de malha única autônomos datam dos controladores pneumáticos que, através do uso engenhoso de flaps e bocais, podiam aproximar as funções PID básicas. Esses controladores complexos e caros eram frequentemente encontrados em grandes plantas petroquímicas onde o controle preciso do processo, bem como a segurança intrínseca (a ausência de centelhas que poderiam iniciar um incêndio) era essencial.

Frequentemente, esses processos eram individualmente conectados a registradores de cartão circular locais (Figura 5.6.1); alternativamente, vários processos eram conectados a registradores multi-caneta em salas de controle (Figura 5.6.2). Embora os registradores multi-caneta permitissem que vários parâmetros fossem revisados em conjunto, os mecanismos no instrumento e o número de linhas em um gráfico efetivamente limitavam seu uso a aproximadamente doze entradas.

Os primeiros computadores usados em sistemas de controle substituíram os registradores de gráfico da sala de controle principal. Eles coletavam informações (ou dados) de um número muito maior de pontos ao redor da planta. Eles eram geralmente chamados de ‘registradores de dados’ (Figura 5.6.3) e não tinham entrada na operação da planta.

Esses primeiros computadores eram geralmente programados para imprimir relatórios em intervalos de tempo específicos em papel de listagem contínua de computador. Ao extrair manualmente os dados das impressões do computador, o gerente da planta podia revisar a operação de sua planta como um todo, comparando o desempenho de diferentes partes da planta, procurando deterioração no desempenho, que indicaria a necessidade de uma parada, etc.

Em meados da década de 1970, várias empresas de instrumentação conhecidas começaram a comercializar sistemas de controle digital. Esses sistemas utilizavam uma unidade central de computador, que tomava entradas de sensores, realizava rotinas matemáticas e fornecia uma saída para vários dispositivos de controle relevantes. Eles também mantinham um registro de eventos para revisão (veja Figura 5.6.4).

Notas importantes:

• Um computador pessoal (PC) não pode aceitar os sinais brutos de instrumento (4 - 20 mA, 0 - 10 V) de um dispositivo de controle. Um dispositivo de Entrada / Saída (I / O) era necessário para ‘traduzir’ entre os dois. Cada um dos fabricantes de I / O tinha uma maneira única de alcançar isso, o que significava que os sistemas não eram tão compatíveis quanto havia sido pretendido.
• No início, os dispositivos de I / O estavam na sala de controle principal da planta, e cada equipamento individual era conectado à sala de controle principal por seu próprio cabo de sinal individual. Isso significava que em uma grande planta, a instalação e o gerenciamento de cabos eram uma questão importante, em termos de seu volume físico e custo correspondente.
• À medida que a tecnologia progrediu, o dispositivo de I / O se mudou para a planta, e a quantidade de cabeamento para a sala de controle foi reduzida, mas ainda era significativa. Esses Sistemas de Controle Digital levaram ao desenvolvimento de:
• Sistemas de Controle Distribuído (DCS)
• Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), e
• Sistemas de Gerenciamento de Edifícios (BMS) … todos os quais estão em uso prolífero hoje (veja Figura 5.6.5).

Um salto gigante ocorreu no final dos anos 1980 com a introdução do PC e do ambiente de tela Windows e sistema operacional de computador. Isso forneceu uma plataforma padrão para os primeiros sistemas de controle digital, pois todas as empresas de instrumentação precisavam trabalhar em um formato comum. A vantagem dos sistemas baseados em ‘Windows’ era que a informação era intercambiável da mesma forma que o usuário de computador pessoal de hoje pode livremente trocar dados entre Word, ‘Excel’ e ‘PowerPoint’. Essa ‘linguagem’ de troca de dados foi denominada Dynamic Data Exchange (DDE) e, subsequentemente, desenvolvida em Object Linking and Embedding (OLE). Isso foi modificado para controle de processo para se tornar OLE for Process Control (OPC), que ainda é usado no momento da escrita.

O uso de PCs também significou que as opções para visualização do histórico eram consideravelmente mais fáceis. Em vez de ficar restrito a impressões e transferência manual de dados, o gerente da planta podia usar programas gráficos poderosos, analisar tendências, adicionar cores, ajustar escalas e usar símbolos; diferentes variáveis poderiam ser plotadas umas contra as outras, e o desempenho de diferentes plantas comparado.

Sistemas de automação modernos utilizam o computador como uma ‘Janela’ para o processo. O operador usa o computador para monitorar o que está acontecendo na planta como um todo, e revisar setpoints e parâmetros de controle, como PID, de controladores individuais da planta, deixando assim os controladores individuais para executar os algoritmos PID e a lógica de controle.

Consequentemente, controladores autônomos ainda têm um lugar em sistemas de automação modernos, pois estão no controle final, mas o controlador geralmente assume a forma de um CLP (Controlador Lógico Programável) ou um dispositivo de multi-malha montado em rack. Estes são bastante diferentes na aparência dos controladores PID de malha única. Em vez de um operador usar um teclado para alterar o setpoint e outros parâmetros de controle no controlador, eles são alterados por um operador em um computador, que eletronicamente baixa o parâmetro necessário para o controlador. Em caso de falha do computador central, o controlador autônomo continuaria com seus parâmetros atuais ou iria para uma condição segura, garantindo assim que a planta continuasse operando com segurança.

O próximo grande passo à frente foi um sistema conhecido como ‘Fieldbus’.

Fieldbus usa um único sistema de cabo digital, que conecta cada item (veja Figura 5.6.6).

Cada item (sensor, controlador e dispositivo controlado) recebe um endereço único, que é usado para solicitar informações (talvez de um sensor) ou para tomar alguma ação (talvez fechar uma válvula de controle).

No entanto, esses sistemas são complexos e podem ser caros. Uma rede Fieldbus precisa de um controlador mestre para organizar as comunicações e a lógica de controle no Fieldbus. Também precisa de uma maneira de interconectar o Fieldbus a redes de computadores para que as informações possam ser compartilhadas (veja Figura 5.6.8). Um dispositivo que combina a função de controlador Fieldbus e fornece a ponte para uma rede de PC é chamado de ‘bridge’ ou ‘controlador mestre’ (veja Figura 5.6.7).

No lado do processo, a bridge pode:

• Solicitar e receber dados de vários sensores.
• Usar essas informações em rotinas matemáticas complexas para determinar e transmitir a ação corretiva necessária para dispositivos de controle como válvulas.
• Pode solicitar ao equipamento para iniciar uma rotina de diagnóstico e relatar. No lado da rede de computadores, ela pode fornecer:
• Dados históricos do equipamento, como data e resultado de rotinas de diagnóstico recentes.
• Alarmes quando o processo ou equipamento excede parâmetros definidos.
• Dados históricos e atuais detalhados sobre o desempenho da planta.

Notas importantes:

• As bridges variam em complexidade, mas podem controlar 50+ processos; o equivalente a 50 controladores PID de malha única.
• Se mais processos forem a ser controlados, então mais de uma bridge pode ser usada.
• As bridges podem ser localizadas em pontos convenientes ao redor de uma planta.
• A bridge normalmente não exibe informações, nem tem botões para pressionar. É simplesmente um gateway eletrônico; toda interação com ela é feita via PC. Embora o Fieldbus seja teoricamente uma tecnologia comum, existem diferenças entre os produtos e protocolos usados por diferentes fabricantes. Nomes comumente encontrados em Fieldbus incluem:

Notas importantes: Protocolos e produtos Fieldbus não são diretamente compatíveis entre si. Existem maneiras de integrar diferentes Fieldbus, mas isso pode ser caro. Isso significa que os usuários geralmente adotarão um sistema exclusivamente.

• Sistemas Fieldbus podem integrar instrumentos mais antigos baseados em sinal (4 - 20 mA, 0 - 10 V etc.). No entanto, os sinais precisam ser conectados ao Fieldbus por unidades de I / O e, ao fazer isso, muitos (mas não todos) os benefícios do Fieldbus são perdidos.
• Isso significa que, uma vez que um sistema Fieldbus particular tenha sido adotado em uma planta, é incomum que o usuário considere mesmo um protocolo alternativo. À medida que a tecnologia de controle avança, também avança o PC. Os computadores são capazes de se comunicar uns com os outros através de redes (LAN – Rede de Área Local): Finanças, Almoxarifado, Produção, Marketing e departamentos de Vendas dentro de uma organização poderiam facilmente compartilhar dados, e ter diferentes níveis de autoridade para executar várias tarefas. Inevitavelmente, o computador de controle de processo foi conectado à rede, permitindo que pessoal autorizado visualize e altere a operação da planta de um PC em um escritório.

À medida que a manufatura se tornou global, Redes de Área Ampla (WAN) se desenvolveram. Consequentemente, um engenheiro localizado em Londres poderia, por exemplo, interrogar um computador de planta na planta de sua empresa em Nova York.

O impacto dessa tecnologia de controle e comunicação é enorme. O conhecimento, a expertise e o equipamento agora existem onde:

• O computador de almoxarifado de um cliente, respondendo a um comando de ‘estoque mínimo’ ou a um plano de produção, pode fazer um pedido pela Internet.

• O pedido é recebido pelo computador do fornecedor que:

• Interroga o estoque do produto e o despacha, ou

• Modifica o cronograma de produção para incluir o pedido, talvez até alterando as instruções de processo para produzir um produto particular.

• O computador organiza o despacho do produto e fatura o cliente.

• Nenhuma intervenção humana é necessária. Benefícios da tecnologia Fieldbus Instalação:

• Redução de hardware do sistema - Menos controladores e menos cabeamento são necessários para controlar o processo.
• Redução nos custos de instalação - Não apenas há menos equipamento para instalar, a instalação é mais simples e rápida, consequentemente isso significa uma redução muito significativa nos custos de material e mão de obra para instalar fios, eletrodutos, calhas de cabo, armários de organização, caixas de junção e blocos de terminais.
• Menos espaço necessário - Porque há menos equipamento e menos cabeamento na sala de controle, mais espaço está disponível para outros usos. Da mesma forma, haverá mais espaço para equipamentos de produção na planta.
• Desenhos de engenharia - O computador produz automaticamente os desenhos de lógica de processo, portanto eles estão sempre precisos e atualizados. Operação:
• Segurança - Ações em estado de falha são incorporadas no software com ações específicas definidas. Em caso de falha do computador principal, o controle recai para as ‘bridges locais’ que possuem fontes de alimentação independentes e são programadas para voltar ao modo padrão de ‘modo seguro’ relevante para o processo.
• Mais informações de processo - A quantidade de informações disponíveis para operadores e gestão é aumentada muitas vezes em comparação com um Sistema de Controle Distribuído (DCS), veja Figura 5.6.9. Dispositivos individuais (como sensores e válvulas) são facilmente interrogados, visualizados e analisados. O processo completo, ou partes individuais do processo, podem ser visualizados e analisados para identificar restrições, capacidade de melhoria e assim por diante.

• Manutenção proativa - O computador principal pode realizar rotinas de diagnóstico detalhadas, testando falha de sensor, falha de saída, falha de memória, erro de configuração, erro de comunicação, posição da válvula e tempo de percurso da válvula utilizado, ação stick-slip e assim por diante. Consequentemente, a manutenção e a calibração são baseadas na condição real do dispositivo e não em um período de tempo, de modo que a manutenção é reduzida apenas àquela que é necessária. Vários dispositivos podem realizar rotinas de manutenção e calibração ao mesmo tempo. Isso significa paradas menos frequentes ou mais curtas, proporcionando maior disponibilidade da planta. Tempo, materiais e mão de obra desperdiçados com manutenção desnecessária são evitados, o que significa que o custo de manutenção é minimizado.
• Confiabilidade do sistema - A manutenção proativa significa que os equipamentos são bem mantidos.
• Controle de qualidade - O controle centralizado e a capacidade de visualizar o processo em partes ou no total melhora o controle de qualidade.
• Manutenção de estoque - A resposta e flexibilidade melhoradas da planta significam que o inventário de produtos pode frequentemente ser reduzido.
• Peças de reposição - Devido à compatibilidade e intercambiabilidade dos componentes, o usuário não está vinculado a um único fornecedor de componentes, então os preços são competitivos. Também significa que o inventário de peças de reposição pode ser minimizado, economizando custos novamente.
• Comunicações - O sistema de controle ou qualquer um de seus componentes pode ser acessado de praticamente qualquer lugar, seja por redes de computadores ou pela Internet. Desenvolvimento de um sistema Fieldbus Flexibilidade:
• O sistema pode ser facilmente atualizado para operar com requisitos de processo revisados.
• O sistema pode ser facilmente expandido para absorver expansões da planta ou novos processos.
• A compatibilidade com outros sistemas significa que os equipamentos podem ser adquiridos a preços competitivos.