António Silva Amaral Siemens, S.A. Industry Automation & Drive Technologies Tel.: +351 229 992 175 . Fax: +351 229 992 230 www.siemens.pt/automation
DOSSIER
INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAIS: NOVO PARADIGMA 1. INTRODUÇÃO A comunidade de automação industrial reconhece hoje como principal desafio a necessidade de integração dos diversos sistemas existentes. Tal desafio advém na necessidade crescente e imperiosa da interligação dos sistemas de automação e controlo no campo ou Shop floor (integração horizontal), e destes com os sistemas de gestão ou Office da organização (integração vertical). Esta interligação dos sistemas na organização como um todo, isto é, entre o mundo da gestão (importância da velocidade) e o mundo da produção (importância do real-time), possibilitará uma maior transparência na organização, self-learning que se traduz numa maior facilidade em reconhecer pontos de melhoria contínua e, em ultima instância, potenciará uma maior competitividade ou a vantagem competitiva que as organizações produtivas tanto anseiam. No momento, assiste-se ao desenvolvimento de diversas plataformas ou sistemas para integração de redes de campo. Os elevados requisitos e exigências colocados no respectivo desenvolvimento levam a que apenas as melhores sejam bem sucedidas. Características vitais para o sucesso serão a estandardização, velocidade, fiabilidade, robustez e integração de funcionalidades e, sempre que se justifique, a integração de funções de segurança ou comunicações sem fios.
viduais, tipicamente com sinais de corrente 0/4 a 20 mA, levando a um elevado número de cabos utilizados para a electrificação. O aparecimento das redes de campo trouxe consigo um potencial enorme de redução destas cablagens entre PLC’s e sensores/actuadores, acrescido de vantagens na eficiência, qualidade e quantidade de informação a ser permutada entre os diversos participantes da rede. Nos anos 90 verificou-se, todavia, uma grande competitividade dos diferentes standards no mercado, com consequentes malefícios para os utilizadores. Novos requisitos foram colocados pelos utilizadores como a velocidade, a integração de funções de segurança ou a abertura a diferentes protocolos de comunicação. Nasce assim a necessidade de desenvolvimento de protocolos com um elevado número de características a suportar, tais como: - Abertura; - Elevada largura de banda; - Possibilidade de integração vertical (entre o Shop floor e o Office); - Possibilidade de integração horizontal ao nível do Shop floor, evitando as chamadas ilhas; - Layers específicos para real time de alta velocidade (sincronização de eixos); - Possibilidade de integração de funções de segurança; - Capacidade de comunicação sem fios (WLAN – Wireless Local Area Network).
3. NOVO PARADIGMA Do exposto resultaram novos desenvolvimentos, como o web-server ou envio de sms de informação ou alarme. A crescente quantidade de informação a processar ao nível do campo, a interligação e a abertura a novas soluções forçaram o paradigma de desenvolvimento para a largura de banda de transferência de dados. Este será o motivo principal que levou à adopção de uma utilização generalizada do protocolo Ethernet. Este fenómeno deveu-se à elevada largura de banda, bem como à possibilidade do mesmo cabo físico ser usado em toda a organização, ou seja, quer ao nível do Shop floor quer ao nível do Office.
2. RESENHA HISTÓRICA Num passado não longínquo, antes do aparecimento das redes de campo actuais, a interligação entre autómatos e sensores ou actuadores, seja na automação discreta ou na de processo, era feita através de cabos indi-
O novo paradigma passa a ser a automação totalmente integrada nas instalações fabris, seja na automação discreta, seja de processo. A integração total pode ser dividida em horizontal e vertical, como veremos de seguida. robótica [39]
DOSSIER AUTOMAÇÃO DE MÁQUINA
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processo urgentes, como dados determinísticos ou informação dos I/O´s e alarmes; Tempo Real Síncrono (Isochronous Real Time-IRT) - canal de muito alta velocidade utilizado em accionamentos electrónicos (Motion Control). Para implementar o IRT é necessário o uso de um ASIC específico que, entre outros, pode ser fornecido pela Siemens.
Dispositivos de campo, como botoneiras de emergência ou barreiras ópticas podem ser usados em tarefas de automação seguras, até SIL 3. O perfil PROFIsafe utiliza mecanismos PROFINET padrão para a implementação de uma comunicação segura. A interligação entre as redes existentes PROFIBUS e as novas redes PROFINET está também prevista.
6. CONCLUSÃO E VALUE-ADDED PARA AS ORGANIZAÇÕES Como se deduz facilmente, o PROFINET traduz-se num denominador comum na organização, assegurando um largo espectro de layers, e garantindo as comunicações em TCP/IP, RT e IRT em simultâneo e no mesmo cabo, claramente um factor diferenciador entre os demais. Adicionalmente, o PROFINET possibilita a ligação de segmentos ou elementos sem fios (wireless), incorpora funções de segurança (safety integrated) e admite a “ponte” com eventuais redes de campo existentes, como o PROFIBUS, INTERBUS, Device-Net, Fieldbus Foundation ou AS-i, utilizando para tal os proxy’s como interface. Isto significa a protecção de investimentos anteriormente realizados pelas organizações.
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PROFIBUS (PROcess Field BUS) O PROFIBUS é ainda a rede de campo mais utilizada em todo o mundo, com o standard EN 50170 e IEC 61158, e define como principal destaque a sua grande velocidade de transmissão de dados 12 Mbit/s na variante PROFIBUS DP. O PROFIBUS está dividido em três perfis principais: - PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) usado no modelo cliente – servidor; - PROFIBUS-DP (Decentralized Peripherals) é usado para aquisição de sinais remotos, sensores e actuadores com uma unidade de controlo; - PROFIBUS-PA (Process Automation) principalmente utilizado com instrumentação de campo.
As fronteiras de decisão nas organizações estão a esbater-se progressivamente, decidir a rede para a esfera produtiva passa a ter potenciais implicações também na esfera da gestão. Reconhecer esta nova realidade e antecipar a sua implementação irá afectar positivamente a criação de vantagens competitivas ou o aumento da eficiência produtiva, cada vez mais determinantes no sucesso das organizações. Actualmente, as redes de comunicação apresentam diversas tendências a considerar, como a necessidade de utilização de sistemas wireless ou da interligação da organização como um todo, tendo como objectivo a total transparência dentro da organização. O PROFINET apresenta-se como um sério candidato, dado responder cabalmente a estas tendências actuais, uma vez que o mesmo cabo oferece diversos serviços TCP/IP, tempo real e tempo real síncrono, passando estes a ser argumentos de peso para os decisores tecnológicos das organizações. Em resumo, os actuais requisitos técnicos colocados em automação são: - Integração vertical – ligação a todos os níveis de automação; - Transparência para a optimização da produção; - Diagnóstico rápido e específico para aumentar a disponibilidade; - Redução de custo de engenharia e hardware. Resultando na Economia e no Negócio: - Transparência na produção; - Flexibilidade e rapidez na inovação de novos produtos; - Menor tempo de configuração e de inactividade; - Protecção no investimento; - Redução de custos (TCO). Resulta daqui o conceito de Totally Integrated Automation:
TIA
Produtos
Integração
Abertura
Benefício
Logística& Serviço Nível Admnistrativo MES
Existem ainda, entre outros, perfis para aplicações safety (PROFIsafe) e de Motion Control (PROFIdrive). O PROFIBUS permite a distinção entre mensagens de alta e baixa prioridade e esta função permite uma melhor gestão do tráfego de rede. Com menor expressão no mercado, existem também aplicações sem fios (Wireless) PROFIBUS, que continuam a assegurar, o determinismo da rede. O PROFIBUS consegue assim reunir os requisitos necessários que têm justificado a sua posição como líder mundial na área das redes de campo, tendo sido a simplicidade baseada na comunicação a dois fios (vulgo RS 485) um factor decisivo para o seu sucesso.
Nível Operação
Abertura+ + Integração Abertura Flexibilidade Flexibilidade
Requisitos do Cliente
Nível Controlo Qualidade
Campo
Custo
Tempo
5. APLICAÇÕES SAFETY Com o objectivo de incorporar funções de segurança (Safety) a organização PROFIBUS desenvolveu directivas específicas, resultando no PROFIsafe enquadrado na directiva máquina IEC 61508. O PROFIsafe coexiste com a rede PROFIBUS, recorrendo ao 7.º layer do modelo ISO, destinado ao uso e condicionamento dos dados específicos de segurança.
Em suma a organização ganha no aumento da produtividade, ganho de transparência, fluidez na troca e acesso de dados, com o consequente aumento de competitividade que a organização tanto procura e que se revela de importância vital na esfera das organizações de manufactura. robótica [41]