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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca examinadora composta pelos seguintes membros
Tipologia: Teses (TCC)
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Compartilhado em 22/04/2020
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Natal/RN Dezembro de 2015.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Graduação em Engenharia Mecatrônica Trabalho de Conclusão de Curso
Natal/RN Dezembro de 2015.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentada ao Programa de Graduação em Engenharia de Mecatrônica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecatrônico.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Graduação em Engenharia Mecatrônica
Primeiramente, gostaria de agradecer aos meus pais, Marcos e Alaísa, que sempre me providenciaram todo o suporte e serviram de modelo para minha educação e meu caráter pessoal; a minha namorada, Júlia, por toda paciência, apoio e inspiração neste período importante da minha formação; e aos meus amigos de infância Dário e Lorena, por estarem sempre ao meu lado. Aos meus amigos e colegas de curso Ricardo, Harônio, João Victor, João Marcos, Márcio, Marié, Marilia, Tomaz, Matheus, que me mantiveram motivado durante todos esses anos, principalmente nas madrugadas que passamos estudando no Departamento de Engenharia de Computação e Automação; e aos meus amigos Victor, Sales, Andressa e Ivanízia pelo apoio pessoal e técnico na escrita deste trabalho de conclusão de curso. Aos professores do curso, em especial a Dr. Pablo, Dr. Darlan, Dr. Diogo, Dr. Affonso e Dr. Márcio, Dr. Ortiz e Dr. Lauro, que acompanharam mais de perto minha graduação, por toda orientação dada durante o período que estive na universidade. Ao meu orientador, MSc. Heitor, por toda disposição e orientação dada tanto no desenvolvimento do projeto quanto na escrita e revisão deste presente documento. A todas as pessoas do laboratório de Robótica por sempre estarem me fazendo vivenciar novos aprendizados, sendo o local que mais pude absorver conhecimento durante minha jornada na UFRN. A todos os professores dos quais tive o prazer de assistir aulas, teóricas ou práticas, durante meu intercâmbio na Escócia, na Glasgow Caledonian University, em Glasgow. A todos os professores, bolsistas e funcionários do LAUT, pela companhia, apoio e aprendizados durante meu estágio curricular no semestre de 2015.2 e a equipe que me acompanhou na CLBI (Centro de Lançamento Barreira do Inferno) durante minha iniciação técnologica, em especial Dr. Glauberto, Dolvim e Gutemberg. Para finalizar, gostaria de agradecer a todas as pessoas que contribuíram de uma forma direta ou indireta para a conclusão deste trabalho e do curso.
Este trabalho de conclusão de curso apresentará o desenvolvimento de um sistema de automação para a estação de processos MPS PA, utilizando a plataforma de desenvolvimento BeagleBone Black. O sistema supervisório adotado foi o software livre ScadaBR, com a troca de dados feita via Modbus Serial. A programação do sistema embarcado, para realizar o controle da planta e aquisição e conversão de dados para o formato Modbus, foi feita na linguagem Python. Para o interfaceamento da BeagleBone com a planta, fez-se necessário o projeto de um circuito de conexão.
Palavras-chave: Automação; BeagleBone Black; Modbus Serial; Controle; Supervisão; Estação MPS PA.
Sumário ............................................................................................................................ i Lista de Figuras ............................................................................................................... iii Lista de Tabelas e Algoritmos ........................................................................................ v
v
Tabela 2.1 Cabeçalho do Modo ASCII ............................................................ 24 Tabela 2.2 Cabeçalho do Modo RTU .............................................................. 25 Tabela 3.1 Especificações da BeagleBone Black ............................................ 28 Algoritmo 3.1 Implementação do Controlador ...................................................... 35 Algoritmo 3.2 Comunicação Modbus Serial BeagleBone – ScadaBR .................. 39
As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram desde a pré-história, com invenções como a roda, o moinho movido por vento ou força animal e as rodas d’água, demonstrando criatividade do homem para poupar esforço. Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra. [6] No século XX, a automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis, que são alicerce de basicamente toda tecnologia de automação contemporânea. [6] Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura com o objetivo de criar a fábrica do futuro. O foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM. Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto e análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos. [6, 12, 13] Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente. O CIM ( Computer Integrated Manufacturing ) já é uma realidade. [12] A automação de sistemas vem se tornando um procedimento padronizado em ambientes industriais, principalmente dependendo da escala do processo, devido a suas inúmeras vantagens relacionadas a custo e segurança. Um processo devidamente automatizado reduz mão-de-obra, tempo de produção, aumenta escala de produção, anula falhas humanas e detecta erros com muito mais eficácia. [6]
Dada a importância de se ter um sistema automatizado na indústria, neste trabalho de conclusão de curso será apresentado o desenvolvimento de um sistema de automação de uma planta didática que abrange desde a aquisição dos dados dos sensores, controle do nível de um tanque até a supervisão das variáveis do processo. Sistemas de automação de processos industriais, incluindo o controle do nível de tanques, têm sido desenvolvidos, na sua grande maioria, utilizando controladores lógicos programáveis difundidos no meio industrial, que podem apresentar um menor poder computacional, se comparados com as plataformas de desenvolvimento de sistemas embarcados que vem surgindo nos últimos anos.
Com isso, neste presente trabalho, a estratégia de controle e a comunicação com o sistema de supervisão foram implementadas em um computador single-board de hardware livre.
1.1 Motivações
Atualmente, os elementos de um sistema de automação, sensores, atuadores e controladores, interagem por meio de sinais elétricos padrões da indústria, como sinais de corrente de 4 à 20 mA, sinais de tensão de 0 à 10 V ou até mesmo sinais digitais baseados em protocolos de comunicação. Diferentemente dos controladores lógicos programáveis, as plataformas de desenvolvimento de sistemas embarcados não possuem interfaces de comunicação padrões aos instrumentos de campo. Diante disso, a implementação de um sistema de controle e supervisão de uma planta de processos em um sistema embarcado depende da criação de interfaces de comunicação com os elementos de campo e com o sistema de supervisão.
A planta didática utilizada neste trabalho, a estação de processos MPS PA da empresa Festo, dispõe de uma placa de conexões com os elementos de todos os processos da estação, que pode ser utilizada para controlar e supervisionar tais processos. Atualmente, a empresa Festo disponibilizou duas formas de conexão com a planta: por meio de um CLP da Siemens ou por meio de uma interface entre os sinais da estação e um computador, o EasyPort.
A comunicação com a estação MPS PA por meio da interface EasyPort da Festo é apresentada no modelo mostrado na Figura 1.1. Os dados dos elementos da estação são recebidos e enviados pela interface EasyPort através de cabos com conectores do
Este trabalho tem como motivação o desenvolvimento de um sistema de controle e monitoramento para a estação MPS PA com base em hardware e software de uso livre, dando ao usuário maior liberdade no projeto. O hardware será responsável pelo controle e aquisição dos dados do processo, enquanto que o computador será responsável pela supervisão do processo, utilizando software de supervisão de uso livre, como o ScadaBR. Porém, para a execução de tal procedimento, o hardware deve ter uma comunicação com o software de supervisão. Nesse sentido, outro ponto que serve como motivação é a falta de documentação à respeito da implementação de protocolos de comunicação industrial, como o protocolo Modbus, em plataformas de sistemas embarcados para troca de informações com softwares SCADA.
1.2 Objetivos
As duas formas de comunicação com a estação MPS-PA descritas apresentam desvantagens em relação ao uso de hardware e software proprietários das empresas Festo e Siemens. Nesse sentido, o presente trabalho propõe um modelo de controle e supervisão da estação MPS-PA utilizando a plataforma BeagleBone Black (hardware livre), como mostrado na Figura 1.3.
Figura 1.3 – Modelo de Controle e Supervisão da Estação MPS PA via BeagleBone
Fonte: Autor, 2015.
A comunicação BeagleBone – PC será realizada através do protocolo Modbus, via serial. A estratégia de controle, a aquisição de dados a construção de mensagens no formato do Modbus foram implementadas na BeagleBone, utilizando a linguagem Python. Para que seja possível receber e enviar sinais para a placa de entradas e saídas (I/O) da planta, serão desenvolvidos circuitos de interface entre a Beaglebone e os sinais
da planta MPS PA, que convertem os sinais de tensão da placa I/O em sinais TTL compatíveis com portas digitais da plataforma, e vice-versa. Essa proposta seria útil para livrar a necessidade do uso de softwares proprietários pagos. Com o controlador e todo o trafego de dados sendo trabalhado na BeagleBone, o usuário passa a ter muito mais liberdade de controle e manipulação da informação e, considerando o uso didático da planta, também abre espaço para futuros trabalhos. O mesmo pode ser dito da interface da supervisão.
1.3 Organização do Trabalho
Este trabalho está organizado da seguinte forma: este primeiro capítulo introdutório contextualiza, comenta a respeito do que se tem feito na planta utilizada e expõe a proposta do trabalho. No Capítulo 2 é feita uma revisão teórica dos conteúdos que servem como base para a execução do projeto: automação industrial, sistemas de controle, sistemas supervisórios e protocolos de comunicação. O Capítulo 3 mostra o desenvolvimento do trabalho, expondo os componentes, implementações, diagramas eletrônicos e execução da comunicação. O Capítulo 4 mostra os resultados e suas análises e, por fim, no Capítulo 5 se encontram as considerações finais do projeto.
Com o passar dos anos, estes controladores de campo começaram a ser reunidos em uma sala que centralizada os elementos de controle, que passou a ser chamada de sala de controle e monitoramento de processos. [6, 13] Após a década de 60, com o desenvolvimento e a utilização crescente de unidades de processamento de informação, as funções de condução dos processos foram sendo cada vez mais distribuídas pelo terreno e junto dos locais onde são necessárias, surgindo assim o que é atualmente designado de Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). Este nível de automatização caracteriza-se por uma gestão global e integrada da informação, pela inserção de máquinas de controle numérico (CNC), de manipulação (Robôs), manuseamento automático de materiais, pela redução drástica do número de operários (nos setores de produção, principalmente), utilizando os conceitos de JIT ( Just-in-Time ) e TQM ( Total Quality Management ), e ainda por um uso mais intensivo dos equipamentos. [6] Com a integração destes conceitos de tecnologia de produção, tem-se um sistema denominado de CIM, que é um sistema típico da automação industrial, presente na atualidade. O conjunto total das funções a serem implementados por um sistema de controle distribuído têm diferentes exigências ao nível da rapidez de atuação e da importância estratégica da mesma. Assim, as ações de um sistema de automação surgem agrupadas em vários níveis hierárquicos, havendo características funcionais e temporais bem específicas a cada nível. A pirâmide hierárquica da automação industrial pode ser vista na Figura 2.1. Figura 2.1 – Pirâmide Hierárquica da Automação Industrial
Fonte: Autor, 2015.
O nível 1 refere-se a aquisição de dados e controle manual , majoritariamente composto por dispositivos de campo, como atuadores, sensores, transmissores e outros componentes presentes na planta. O segundo nível compreende o controle individual: equipamentos que realizam o controle automatizado das atividades da planta. Nele se encontram CLPs, SDCDs (Sistema Digital de Controle Distribuído) e relés. Porém, existem tecnologias que permitem que o controle de determinado processo seja realizado por dispositivos de campo, o nível 1. O terceiro nível engloba o controle de célula, supervisão e otimização do processo. Destina-se a supervisão dos processos executados por uma determinada célula de trabalho em uma planta. Na maioria dos casos, também obtém suporte de um banco de dados com todas as informações relativas ao processo. O nível 4, então, é responsável pela programação e planejamento da produção. Auxilia tanto no controle de processos industriais quanto na logística de suprimentos. Este nível geralmente denomina-se de Gerenciamento da Planta. O quinto nível, por fim, se encarrega da administração dos recursos da empresa. Neste nível encontram-se softwares para gestão de venda, gestão financeira e BI ( Business Intelligence ) para ajudar na tomada de decisões que afetam a empresa como um todo. Uma rede de comunicação interliga todos os níveis do sistema, como, por exemplo, a conexão entre os dispositivos de campo, controladores e sistemas supervisórios, bem como conecta os elementos dentro de um mesmo nível, como a comunicação entre sensores e atuadores. A interligação e comunicação, baseada em protocolos de comunicação industriais, entre todos os dispositivos em diferentes níveis hierárquicos, é essencial para o desempenho desejado do sistema de automação. Tipicamente, na indústria, as principais variáveis à serem medidas e controladas são pressão, temperatura, vazão e nível. Para realizar o controle de tais variáveis em uma planta industrial, baseando-se no modelo padrão de um sistema de controle, dispõe-se de determinados componentes: processo, sensor, controlador e atuador, cuja relação pode ser vista no diagrama simplificado na Figura 2.2.
