Rede Industrial e Tecnologias de Controle

Rede Industrial e Tecnologias de Controle
Redes Industriais Semestre 02/2015
Engenharia de Controle e Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Introdução
Typical System
Architecture
 Muitos sistemas e técnicas tem sido
desenvolvidos para o controle de
operação, supervisão e gerenciamento
na otimização do processo industrial.
Server1 Server2
ERP and Information Systems
Business Intelligence
Data
base
 O mesmo ocorre na parte física do
HMI and View Clients
processo de automação industrial, com
novas tecnologias e métodos para a
MES and Automation Systems
Manufacturing Intelligence
transmissão em redes de dados bem
como conceitos de desenvolvimento.
Controllers
PACKAGING LINE 1
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
https://www.isa.org/isa95/
ISA-95
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 (chãode-fábrica).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
ISA-95
Arquitetura da Automação Industrial
ERP, Compliance,
Analysis,
Health/Safety/Environment
Level 4
Warehousing, Receiving,
MES, CMMS, CAPA,
LIMS, Auto ID
Level 3
HMI, DCS, Historians,
Batch, Compliance
Level 2
HMI, PLC’s,
DCS,Instrumentation,
Analytics
Level 1
Equipment and sensors
Lab Instruments
Integração com Redes de Comunicação
Level 5
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
The Connected Enterprise
ISA-95
Integrated Control and Information
Enterprise Optimization
Business
Management
Information Aggregation
and Analytics
Converged Secure Network
Infrastructure
Multi-disciplined
Control
Production
Management
Operations
Engineering
Intelligent Assets
Maintenance
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Arquitetura de Referência
Converged Plantwide Ethernet (CPwE)
 Design guidance

Best practices and
recommendations

Methodology

Documented configuration
settings

Developed against tested and
validated architectures
Enterprise Zone
Levels 4 and 5
Windows 2003 Servers
Demilitarized Zone (DMZ)
• Remote desktop connection
• VNC
• PCAnywhere
GE Link for Failover
Detection
Firewall
(Active)
Demilitarized Zone (DMZ)
FactoryTalk Applications
•
•
•
•
•
View
Metrics
Historian
AssetCentre
ProductionCentre
Manufacturing Zone
Level 3
Layer 3
Router
Layer 3 Switch
Stack
Network Services
 “Future-ready” network
foundation
Firewall
(Standby)
• DNS, DHCP, syslog server
• Network and security management
Level 0–2
Cell/Area Zone
Layer 2 Switch
HMI
Controller
HMI
Drive
Controller
HMI
Drive
Distributed I/O
Cell/Area #1
(Redundant Star Topology)
Controller
Cell/Area #2
(Ring Topology)
Drive
Distributed I/O
Cell/Area #3 (Bus
Topology)
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/enet-wp004_-en-e.pdf
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Evolução do controle distribuído
1980’s
1990’s
A partir de 2000
O.S.
IHM
Flex I/O
Multi-disciplined
Controller
PB
Panel
Flex I/O
Drive w/PID
Safety
Controller
Drive
Packaged
Controller
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
… e finalmente, a Arquitetura deve prover acesso e
informação para quem precisa!
Informação
CIP
CIP
Controle
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!
Campo
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Modelo Produtor/Consumidor - Multicast
CTLR1
HMI
CTLR2
#2
Sensor
#1
inversor1
inversor2
inversor3
• 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)
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Unicast vs. Broadcast
One-to-one, individual
transactions
UNICAST
Controller
One-to-all, single
transaction
BROADCAST
Controller
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Multicast
MULTICAST
One-to-many,
single transaction
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
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
HMI Clients
•Destaque para a Ethernet/IP
•OPC (OLE –Object Linking and Embedding –
Process Control)
Industrial Network
Controller
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
Sensor
Industrial Network
Controller
Drive
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Redes Fieldbus
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Ethernet/IP
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistema de Controle – Ethernet/IP
Intelligent Motor Control
Information Technology
Process Control
Discrete Control
Convergence of Industrial Automation Technology (IAT)
with Information Technology (IT)
Multi-discipline Industrial Network Convergence
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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:
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Controle e
Supervisão
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Realimentação em tempo real
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• Relatórios de Operação e
qualidade
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Supervisão
• AUTOMAÇÃO
Planejamento de
Controle e
Recursos.
•Instruções de
Produção e
qualidade.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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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Perguntas?
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO