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CONTROLADOR HÍBRIDO UNIVERSAL. smar
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Benedito Custódio Silveira
1 CONTROLADOR HÍBRIDO UNIVERSAL smar
2 GERAL O LC700 é um potente Controlador Híbrido Universal que pode ser utilizado isoladamente ou como parte integrante do System302 da Smar. A excelência de projeto da Smar foi aplicada de forma consistente no desenvolvimento do LC700, de forma a obter um produto seguro e confiável, mesmo nos ambientes e aplicações industriais mais exigentes e rigorosos. Experiência O LC700 é a sétima geração de controladores da Smar, e a nossa experiência acumulada em diversos ramos industriais está refletida neste controlador. Desde o seu lançamento, o LC700 já foi testado com sucesso no campo em diversas instalações simples e complexas em uma vasta gama de indústrias como, por exemplo, petroquímicas, de tratamento de água, farmacêutica, alimentícia, açucareira, usinas elétricas e controle ambiental, siderurgicas, entre outras. Controlador Híbrido Universal Por ser um Controlador Híbrido Universal, o LC700 foi projetado para incorporar as tradicionais funções discretas de automação de manufatura, tarefas de automação, controle de processo regulatório contínuo e controle por batelada. Como um controlador híbrido, o LC700 dispõe de capacidade lógica e tem a velocidade de um CLP tradicional, além das características de controle e a potência de um SDCD. A plataforma de hardware do LC700, com uma variedade de módulos de E/S e de comunicação com o campo para as principais redes industriais, combinada com um grande conjunto de blocos de função programáveis e elementos lógicos, tornam-no altamente versátil. A Smar oferece soluções completas para muitas aplicações distintas e atualmente dispõe de uma linha completa de Controladores, Softwares, Dispositivos de Campo e Redes Industriais, totalmente integradas para a sua maior conveniência. Assim, as relações entre os seus departamentos de compra e os vendedores se tornam mais simples. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS Controlador Híbrido Universal realmente industrial; Hardware compacto proporciona maior confiabilidade; Tolerante a falhas, com maior disponibilidade e muitos níveis de redundância; Compacto e totalmente modular; E/S Remota para transferência de dados distribuídos e a longa distância; Pronto para Foundation Fieldbus, Profibus, DeviceNet e Modbus; Modbus/TCP e Modbus RTU para redes de controle; OPC Server Serial e/ou Ethernet para Interfaces Homem-Máquina. MODULARIDADE smar A modularidade do LC700 faz com que ele seja suficientemente flexível para aplicações de pequeno e de grande porte, facilitando enormemente as ampliações futuras. A estrutura modular do LC700 é montada em rack, sendo os módulos instalados em trilhos DIN padronizados. A Smar dispõe de uma linha completa de módulos para o LC700, tais como: Fonte de Alimentação, Controlador (CPU), E/S s Discretas, E/S s Analógicas, Sinais especiais e Módulos de Interface de Rede. Uma grande biblioteca de Blocos de Função é fornecida como parte integrante da memória flash. Os Blocos de Função 2 podem ser utilizados tantas vezes quanto necessário, sem limitações de licença, como acontece com produtos de outros fabricantes. O limite de utilização será a memória disponível e não um contrato restritivo impondo limites à sua criatividade O LC700 pode funcionar isoladamente, em uma configuração com apenas um rack, ou em rede, formando um sistema de controle de grandes proporções. A expansão de um sistema baseado no LC700 é muito simples e pode ser feita com um custo mínimo. A expansão do sistema é tão simples quanto a inclusão de novos módulos de E/S ou a conexão de novos controladores LC700. Por se tratar de um equipamento muito compacto, é possível que a expansão possa ser feita sem aumentar o tamanho dos gabinetes.
3 COMPONENTES BÁSICOS O LC700 é composto de Racks com slots nos quais os Módulos são instalados. É possível acrescentar mais racks para possibilitar a instalação de módulos adicionais. As conexões entre os racks são feitas por meio de cabos planos (flat cables). Este tipo de acréscimo é conhecido como "expansão local". Outro modo de se expandir o LC700 é com a inclusão de unidades remotas em diversas áreas de interesse, e conectálas ao processador central através de um par trançado. Esta técnica possibilita uma excelente distribuição dos sinais, além de economias de fiação e de custos de instalação. A ilustração abaixo mostra um sistema LC700 simples, com expansão de E/S local e remota. Rack 0 (4 slots) Rack n (4 slots) Módulo de alimentação Alimentação opcional redundante Módulo processador 3 Canais de comunicação Relé para indicação de falha relógio em tempo real Módulos de E/S Expansão Local Até 15 expansões de racks podem ser conectadas para receber uma ampla variedade de módulos 3 smar
4 Entrada e saída (E/S) remota As E/S s (Entrada e saída) remotas possibilitam distribuir racks com módulos de entrada e saída em várias localidades no campo e conectá-las à CPU através de uma rede EIA-485 de alta velocidade. Distribuir os racks economizará cabos e custos de instalação, e os sinais ainda podem fazer parte da mesma configuração. A funcionalidade de entrada e saída remota é a chave para a redundância do processador do LC700 (CPU), pois permite que tanto a CPU principal quanto a CPU reserva (backup) estejam conectadas ao sistema de E/S remoto, sempre habilitando a CPU ativa (aquela em controle) a acessar dados no sistema de E/S remoto. A característica de E/S remota mestre já está inclusa na CPU, logo nenhum módulo de E/S remoto adicional é necessário. Cada um dos subsistemas de E/S remotos possui com um módulo de interface de E/S remota que tem portas redundantes de alta velocidade. Economia significante de cabos: A E/S remota reduz drasticamente cabos e simplifica a instalação e a manutenção. A velocidade de comunicação das unidades de E/S remotas pode ser configurada em até kbits/segundo, enquanto que longos cabos de conexão par trançado dependem da velocidade configurada e de condições da linha. Até 6 subsistemas de E/S remotos podem ser conectados por módulo processador (CPU) obtendo economia significante de cabos. Isto reduz o cabeamento discreto, pois posiciona subsistemas de E/S remotos próximos ao processo, eliminando blocos terminais e cabos de longa extensão. As E/S s remotas também aumentam a capacidade de módulos. Qualquer sistema convencional de E/S ou módulos de comunicação de campo podem ser colocados em racks de E/S remotas. Redundância de redes de E/S remotas: Quando a aplicação precisa de alta disponibilidade, a rede de E/S remota pode ser feita redundante fornecendo proteção contra defeitos em cabos. No caso de um evento improvável no qual ocorra falha na comunicação de uma das redes EIA- 485, a comunicação entre CPUs e subsistemas de E/S remotos será feita em uma segunda rede, não permitindo que o controle seja interrompido. Assim, segurança agregada e proteção são atingidas e nenhum ponto de falha desabilitará o sistema de controle.... Capacidade de E/S remotas para melhorar a distribuição e economia de instalação. smar 4
5 REDUNDÂNCIA As interrupções de controle inesperadas podem ser, ao mesmo tempo, caras e perigosas. Assim sendo, o projeto do LC700 foi desenvolvido de modo a incluir múltiplos níveis de redundância, o que lhe permite construir um sistema inteiramente tolerante a falhas, garantindo que o controle seja ininterrupto. Dois racks de LC700, com alimentação e módulos controladores idênticos, podem ser ligados em paralelo, para proporcionar alimentação e controle redundantes. Um ponto chave da tolerância a falhas é que o equipamento principal e o standby ficam fisicamente separados, de modo a eliminar falhas em comum. Por estarem localizados em racks distintos, os dispositivos não estarão necessariamente sujeitos aos mesmos riscos operacionais, tais como ruído, propagação de interferências ou mesmo situações como linhas de sinal danificadas. O diagnóstico interno garante que, em caso de falha do processador principal, o processador standby assumirá as operações de controle e alarme de maneira suave e instantânea. Características principais do sistema redundante A troca de controle é sincronizada e rápida; A substituição de uma unidade defeituosa pode ser feita sem interromper o processo; A substituição de um procesador defeituoso (o principal ou o standby) não implica em pré-configuração; Toda modificação enviada ao procesador principal passa automaticamente para o processador standby. Redundância em todos os níveis proporcionam alta integridade ao sistema O LC700 possibilita a redundância em todos os níveis: Sistema LC700: Fontes de alimentação redundantes com relé dedicado para indicação de falha; Processadores (CPU) redundantes com relé dedicado para indicação de falha; Racks redundantes; Portas de comunicação E/S remotas redundantes. Nível da Rede de Controle: Ligação Ethernet Redundante; Acesso de Porta Serial Redundante; Um único nó por segmento; Roteador/switch da Rede Redundante; Fonte de Alimentação Redundante do Roteador/Switch. Nível da Estação de Trabalho: Múltiplas estações de trabalho de operação; Cartões de rede duplos para estações de trabalho; Discos rígidos múltiplos; OPC Server redundante. Sistema redundante com Internet dupla (roteador/switch não são mostrados), linhas duplas de E/S Remotas e Fontes de alimentação duplas em cada sistema de E/S Remota. 5 smar
6 REDUNDÂNCIA O LC700 dispõe de uma grande variedade de redundâncias, o que torna possível adequá-lo à solução que apresente a melhor relação custo-benefício para cada aplicação específica. Você pode ficar tranqüilo sabendo que o LC700 é tolerante a falhas, proporcionando um bom grau de segurança aliado a uma elevada disponibilidade, o que garante a minimização de perdas ocasionadas por paradas de processo. Devido sua imunidade, o LC700 garante segurança no controle, em todos os momentos. O autodiagnóstico completo existente em todas as partes do sistema avisa os operadores em caso de falha de comunicação ou de falha em qualquer dispositivo. Robustez Industrial Aplicações críticas de controle de processo exigem um alto grau de segurança e de disponibilidade que não podem ser encontrados em softwares de lógica em PCs ou em PCs em uma caixa preta. Os processadores dos PCs e os sistemas operacionais derivados de microcomputadores são projetados para aplicações em ambientes de escritório, que são muito menos críticas, com ênfase na parte gráfica e com requisitos de resposta muito menos rigorosos do que as necessárias em aplicações de controle. Tais sistemas podem precisar de um "reboot" após uma queda de energia ou um "travamento". Tal arquitetura não é adequada ao nível de controle de uma planta industrial. O LC700 é baseado em um processador incorporado e em um estável sistema operacional multi-tarefas em tempo real de padrão industrial, projetado para aplicações críticas e operação ininterrupta. O desempenho do LC700, por ser verdadeiramente em tempo real, garante controle adequado. Esta plataforma também requer menos memória, o que a torna ainda mais confiável. O LC700 não tem partes móveis, tais como ventiladores ou discos rígidos. O programa roda em uma memória NVRAM que na eventualidade de uma falta de energia, tem condições de reter os dados durante vários anos. Isto também habilita a memória retentiva, onde o último valor de saída antes da falta de energia fica armazenado, de modo que o controlador reverte automaticamente a este último valor, quando a alimentação elétrica é reativada. Da mesma forma, valores integrados tais como totalizações de vazão e de energia são salvos durante falhas de energia elétrica. Simplicidade de Manutenção e Operação O LC700 dispõe de um auto-diagnóstico integrado, e também, conta com um bloco de status de diagnóstico. O status do dispositivo é comunicado e exibido na estação de trabalho do operador. Uma falha da CPU também é indicada de modo claro por um LED local, com uma saída de relé adequada para intertravamentos separados. Como o LC700 não tem baterias externas, não há peças para substituir, o que reduz os serviços de manutenção. O comissionamento fica mais simples com a ID e verificação remotas. LEDs indicam claramente se as entradas e saídas estão forçadas ou travadas e se existe comunicação ativa na rede de E/S Remotas. smar 6
7 REDE DE CONTROLE O LC700 utiliza o amplamente aceito e conhecido padrão industrial, que é o protocolo Modbus, como rede de controle. Diversas opções são suportadas. É possível usar o Modbus/ RTU com ligação RS-485 se comunicando a velocidades de até 115,2 kbit/s a longas distâncias em ambientes industriais, ou o Modbus/TCP com ligação Ethernet a velocidades de até 10/100 Mbit/s. Também é possível usar diretamente uma EIA- 232 para conexões locais curtas, ideais para um computador portátil ou um painel de operação local de manutenção, por exemplo. A rede Modbus é utilizada como uma rede de controle para passar variáveis e modos de processo para as estações de trabalho do operador, bem como configurações e diagnósticos para estações de engenharia. O protocolo Modbus oferece uma boa operabilidade e permite que o LC700 substitua outros controladores Modbus e se integre a outros sistemas de controle. A simplicidade do Modbus torna a sua utilização fácil, e a maioria dos engenheiros já está familiarizada com ele. Outros tipos de dispositivos Modbus podem ser conectados à mesma rede do LC700, numa arquitetura tipo multidrop, simplificando as redes. Modbus/RTU Diversos LC700's podem ser ligados em multidrop na mesma rede EIA-485 através de um par de fios trançados comum. Isto possibilita a criação de sistemas grandes e distribuídos. O LC700 também pode coexistir com outros dispositivos Modbus na mesma rede. O tamanho máximo da rede dependerá da velocidade selecionada e das condições predominantes na rede e no ambiente. O protocolo Modbus/RTU limita uma rede a um único mestre, mas o módulo da CPU do LC700 dispõe de três portas independentes de comunicação, o que possibilita a conexão simultânea de três mestres para, por exemplo, criar redes de comunicações e estações de trabalho redundantes. Internet Modbus/TCP Com a utilização dos módulos ENET-710 ou MB700, o LC700 pode ser conectado a um Ethernet 10Base-T/100Base-TX. Desta forma, é possível que mais de um computador na rede Ethernet se comunique com o LC700 através do avançado protocolo industrial Modbus/TCP. Esta rede tanto pode ser simples quanto redundante e pode operar a 10 Mbps com fiação de par trançado blindado, que é muito mais rápida do que as redes tradicionais de sistemas de controle. O módulo ENET-710 pode ligar um ou mais módulos de CPU do LC700, e até mesmo dispositivos Modbus padrão de outros fabricantes. Assim sendo, diversos LC700 podem ser ligados à mesma Ethernet Fieldbus, o que torna possível criar sistemas grandes. O LC700 pode ainda coexistir com outros dispositivos Ethernet na mesma rede. A ligação dos nós do LC700 e da estação de trabalho são arranjados fisicamente em uma topologia tipo estrela com um módulo ENET-710 por segmento de Ethernet com roteadores ou seletores. Esta topologia garante que um problema que afete um nó ou um segmento não afete a comunicação com os demais nós. Dois LC700 e um dispositivo genérico Modbus partilham o mesmo módulo ENET-710 / MB700 Um aspecto importante do protocolo Modbus/TCP é o fato de proporcionar uma interoperabilidade superior à funcionalidade da Ethernet e do TCP/IP. Muitos sistemas baseados em Ethernet alegam ser abertos, embora, na verdade, não o sejam, devido ao fato de seu protocolo aplicativo ser proprietário, o que impossibilita acessar suas informações pela rede. O Modbus/TCP resolve este problema. Dois LC700 e equipamentos genéricos Modbus ligados ao mesmo módulo ENET smar
8 REDE DE CONTROLE Redundância da rede de controle para segurança e disponibilidade No caso de aplicações críticas, a rede de controle pode ser redundante. Isto é possível tanto com EIA-485 Modbus/RTU quanto com Modbus/TCP em Ethernet. Como as duas portas EIA-485 funcionam de forma independente e simultânea, o controlador pode ser conectado às estações de trabalho através de duas redes redundantes. No caso de Ethernet Fieldbus redundante, basta duplicar a fiação. Todos os dispositivos Ethernet, inclusive as estações de trabalho, são conectadas a ambos os barramentos Ethernet. Os roteadores Ethernet também são duplicados. Cada uma das CPUs redundantes do LC700 trabalha em conjunto com o seu próprio módulo ENET-710. O LC700 e as estações de trabalho monitoram continuamente as duas redes Ethernet Fieldbus. Caso uma delas apresente falha, o usuário será informado e somente a rede boa será utilizada. O chaveamento é totalmente suave e transparente ao restante do sistema. Assim sendo, os distúrbios de processo são evitados e o controle prossegue da forma habitual. A indicação de quais redes Ethernet estão em operação ou apresentaram falha é feita por meio de LEDs. A Smar pode fornecer roteadores de padrão industrial ou comercial para pares trançados e para fibras óticas. Os roteadores de padrão industrial são adequados à montagem em trilhos DIN e dispõem de fontes de alimentação redundantes. Fibra Óptica Com o objetivo de evitar malhas de terra e ruído elétrico em transmissões a longa distância, pode-se considerar a utilização de fibras ópticas entre as áreas. Fibras ópticas são ideais para ligações em rede entre prédios e em ambientes com muito ruído. Com a utilização do módulo OPT-700, é possível conectar a rede Ethernet a uma 10Base- FL com fibra óptica. Assim, torna-se possível atingir distâncias de 2 km ou até mesmo acrescentar repetidores de linha para distâncias ainda maiores. Rádio Para configuração de processo e monitoração a distâncias longas, tais como as que envolvem aplicações com SCADA e telemetria para oleodutos e monitoração de cabeças de poços, etc., a Smar pode fornecer um sistema de modem de rádio para redes. Um ou mais controladores LC700 operando como RTUs podem ser conectados a uma central de monitoração. A conexão via modem de rádio é totalmente transparente, não sendo necessária qualquer modificação no LC700 nem no servidor OPC. Existe uma grande variedade de antenas, rádios e repetidores disponíveis para atender a diversas aplicações e regulamentações locais. Dois servidores OPC redundantes em computadores distintos acessam as duas redes. Apenas um servidor OPC fica ativo de cada vez, sendo que o chaveamento é realizado pelo aplicativo OPC do cliente. smar 8
9 E/S PARA COMUNICAÇÃO DE CAMPO A experiência da Smar na área de comunicação é refletida pela grande variedade de módulos de comunicação de campo existentes para o LC700. Além dos módulos de E/S convencionais, um número cada vez maior de módulos de interface de comunicação possibilitam a conexão do LC700 a redes com a utilização dos protocolos industriais mais populares. Desta forma, é possível adaptar o LC700 a diversas arquiteturas a serem integradas a sistemas novos ou já existentes. Os módulos de interface de comunicação podem ser combinados livremente, de modo a se adequar à aplicação desejada. A conectividade de campo pode ser obtida com uma grande variedade de módulos de E/S ligados diretamente ao sensor, e também interfaceados com dispositivos que utilizam protocolos de comunicação populares, tais como: Foundation Fieldbus, Profibus DP e PA, DeviceNet e Modbus. Também é possível distribuir módulos de E/S Remotos do LC700 através da planta, utilizando módulos de E/S remotos. Foundation Fieldbus O módulo de interface FB-700 conecta o LC700 a uma rede Fieldbus H1. O módulo FB-700 é compatível com Foundation Fieldbus e inclui uma grande quantidade de blocos de função Fieldbus que podem ser usados como parte da estratégia de controle. O FB-700 (Módulo Foundation Fieldbus) e todos os demais dispositivos na rede Fieldbus H1 podem ser configurados através do aplicativo Smar SYSCON. O download da configuração na rede H1 é feito através do DFI302. Protocolos diversificados são suportados para obter sistemas integrados e abertos 9 smar
10 E/S PARA COMUNICAÇÃO DE CAMPO LC700 e DFI partilham a linha Ethernet (Roteador/Switch não estão representados). É possível enviar uma configuração Foundation Fieldbus para qualquer uma das redes Fieldbus a partir do microcomputador. A configuração do microcomputador chega aos dispositivos de campo através do DFI. Ponto de conexão entre o Modbus e o FOUNDATION Fieldbus Os instrumentos Fieldbus podem ser conectados ao LC700 do mesmo modo que qualquer outro tipo de E/S. Além disso, o LC700 pode servir de ponto de conexão entre o Fieldbus e o Modbus, permitindo assim o acesso de "legacy systems" aos dispositivos Fieldbus. Um LC700 pode ser conectado ao Fieldbus como qualquer outro dispositivo para trabalhar com intertravamentos e controles discretos. Os módulos de alimentação PS302 e os módulos de impedância de fonte de alimentação PSI302 Fieldbus também podem ser utilizados em conjunto com o LC700, para alimentar os dispositivos Fieldbus. DeviceNet O High Performance Master Scanner (Scanner Mestre de Alto Desempenho) modelo DN-700* DeviceNet proporciona uma capacidade alta de integração dos dispositivos escravos do DeviceNet como E/S do LC700. O DeviceNet é largamente utilizado em dispositivos discretos comumente adotados em automação industrial. Profibus O High Performance Master Scanner (Scanner Mestre de Alto Desempenho) modelo DP-700* Profibus utiliza o protocolo Profibus-DP, que permite ao LC700 se comunicar com o Profibus-DP e com o Profibus-PA. No caso do Profibus-PA, pode ser necessário instalar na linha acopladores ou dispositivos de conexão de terceiros. O Profibus-DP é largamente utilizado em dispositivos discretos comumente adotados em automação industrial e inclui drivers para variadores de velocidade. A Smar dispõe ainda de uma grande variedade de avançados dispositivos de campo Profibus-PA. Modbus O Master Scanner Modbus modelo MB700 possibilita a comunicação entre vários LC700, entre si ou com qualquer equipamento escravo Modbus. Uma grande quantidade de equipamentos tipo "legacy" em plantas existentes que utilizam o tão difundido protocolo podem, assim, ser acessados pelo LC700. Os dados obtidos podem ser exibidos aos operadores e utilizados como parte da estratégia de controle. * Sob consulta smar 10
11 MÓDULOS CONVENCIONAIS DE E/S O LC700 faz a interface com sensores e atuadores no campo por meio de módulos de E/S analógicos e discretos em um "backplane" local extendido ou como E/S remota. A E/S do LC700 pode ser instalada perto dos sensores e dos atuadores, eliminando, assim, as longas fiações, painéis e dutos associados às E/S convencionais, e essa economia ajuda a reduzir o custo total do sistema. Flexível e Expansível Devido à modularidade das E/S, não há necessidade de se preocupar com ampliações futuras e capacidade reserva agora. Basta adquirir o que for necessário às suas aplicações atuais. A modularidade lhe proporciona flexibilidade para misturar e combinar as quantidades corretas de cada tipo de E/S adequadas às suas necessidades. Quando for necessário fazer acréscimos ou alterações, basta adicionar novos racks e plugar novos módulos ao sistema. Cada módulo controlador pode ser equipado com um subsistema de E/S para até 2000 pontos discretos e aproximadamente 1024 pontos analógicos. Já que é possível ligar diversos LC700 em rede em um sistema, pode-se dispor de uma quantidade muito grande de E/S. Os módulos de E/S são do tipo multi-canal de alta densidade. Sua configuração típica inclui 16 canais por módulo. Assim sendo, o LC700 ocupa apenas a metade do espaço de painel ocupado por um outro dispositivo com apenas oito canais por módulo. Todos os módulos de E/S são galvanicamente isolados do resto do LC700. Veja os módulos disponíveis no final do catálogo. Módulos topo de linha Alguns módulos dispõem de grande flexibilidade e de um grau sofisticado de configuração. Por exemplo, os módulos de temperatura aceitam RTDs e termopares, bem como resistências diretas e entradas de baixa tensão, ideais para células de carga. Além disso, cada canal pode ter uma configuração independente no que diz respeito ao tipo de sensor, faixa de operação e filtros. Ligação de campo A fiação externa de campo tem diversos conectores do tipo plug-in, de modo que os módulos de E/S podem ser colocados ou removidos dos seus encaixes sem que seja preciso desfazer conexões externas. Isto também permite que toda a fiação seja lançada antes da instalação dos módulos de E/S. A fiação de E/S do campo é ligada aos conectores por meio de parafusos. Os conectores dispõem de um acoplador opcional que pode ser previamente ajustado de modo a impedir que um fio seja ligado ao módulo errado. As ligações serão sempre feitas da maneira correta, eliminando-se, assim, o risco de se aplicar uma alta tensão a um terminal de baixa tensão. A proteção contra danos ao módulo, entretanto, não é o bastante. Caso as fiações dos sensores e dos atuadores seja misturada, a planta poderá ficar fora de controle. É possível fazer um acoplamento individual e único para cada conector no LC700 (e não apenas para cada módulo), o que garante uma conexão correta e uma operação segura. Isto é a garantia de que cada sensor seja conectado ao canal correto do módulo a ele designado. Um número de tipo e um número de série individuais identificam cada tipo de módulo. Além disso, cada Módulo indica claramente o tipo e a faixa do sinal de campo a ele designado. Diagramas de referência ficam afixados permanentemente à face interna da porta dianteira dos módulos. Os diagramas indicam as ligações corretas dos módulos. É possível realizar a substituição online de qualquer módulo sem que, para isso, seja preciso reconfigurar o software do sistema, alterar as ligações ou as fiações, nem reinicializar o sistema. Os módulos podem ser instalados com o sistema energizado e podem ser configurados através da ferramenta CONF700. Acoplamento individual para cada conector evita enganos. Ao lado de cada LED para indicação de status das entradas e saídas, existe um espaço para se escrever a descrição do ponto. Isto torna estes módulos muito mais amigáveis do que aqueles onde não há etiquetas, ou onde as etiquetas não são adjacentes aos LEDs. 11 smar
12 CONTROLADOR O projeto original do LC700 foi direcionado, desde o início, às variáveis discretas da automação de manufatura tradicionais, ao controle de processo regulatório contínuo e ao controle por batelada. A CPU de alto desempenho dispõe, assim, de um grande conjunto de elementos "ladder" e de blocos de função que possibilitam a sua utilização em uma vasta gama de aplicações, tais como, controle de caldeiras e gerenciamento dos queimadores. Isto possibilita ao usuário elaborar as estratégias necessárias à otimização do controle. Um relógio de tempo real inerente permite que as estratégias de controle levem em consideração data e hora. A configuração fica armazenada em uma memória não volátil que não necessita de baterias externas. Amigável O modo de controle selecionado (em funcionamento ou em espera) é indicado claramente no frontal do controlador por LEDs individuais, que podem ser ajustados on-line a partir da ferramenta de engenharia. O módulo do controlador monitora continuamente o seu próprio status, e indica alimentação e falhas por meio de indicadores de status com LEDs de cores codificadas no frontal de cada controlador. Um contato de relé existente no módulo também muda de status em caso de falha. Isto serve para proporcionar um alerta adicional ao usuário e faz parte dos intertravamentos de segurança. As indicações de status incluem FALHA (o controlador apresentou falha), ESPERA (a aplicação do programa aplicativo foi interrompida), FUNCIONAMENTO (operação normal) e FORÇADO (caso alguma E/S tenha sido forçada ou congelada), etc. Redundância do Controlador A redundância do LC700 é muito mais abrangente do que simplesmente a redundância do módulo da CPU. Na realidade, também a plataforma e as fontes de alimentação são redundantes. Isto significa que existem plataformas, CPUs e fontes de alimentação totalmente separadas, para eliminar por completo a ocorrência de falhas por causa comum. Muitas das soluções para CPUs redundantes existentes no mercado apresentam diversos pontos fracos, tais como: as duas CPUs podem estar compartilhando a mesma plataforma que, em caso de dano, tornará ambas as CPUs inúteis. No caso do LC700, os controladores principal e standby não apresentam partes em comum, e podem até mesmo ser montados em painéis separados, de modo a evitar desgastes ambientais comuns. A falha de uma plataforma afetará apenas uma CPU. Uma alta incidência de EMI/RFI em um determinado local afetará somente a CPU que estiver instalada ali; o mesmo ocorre com sobretensões, vazamentos e outros problemas imprevisíveis passíveis de ocorrer em ambientes industriais. O projeto do LC700 lhe proporciona uma disponibilidade alta, ideal para processos que precisam funcionar de maneira contínua por longos períodos de tempo sem nenhum tipo de interrupção; o processo não é afetado por uma eventual falha na CPU. Isto possibilita evitar a perda potencial de horas e até de dias de produção, o que significa uma economia importante. O investimento com a quantidade mínima de equipamentos adicionais necessários para a redundância é recuperado rapidamente. A redundância do LC700 é do tipo "hot standby", onde uma CPU está ativa enquanto que a outra está passiva. O controlador passivo fica monitorando continuamente o desempenho da CPU em atividade, através de uma conexão segura entre as CPUs, garantindo um chaveamento muito rápido. Caso ocorra a falha de um controlador principal, a CPU passiva torna-se ativa e assume todas as funções de forma suave, sem afetar o funcionamento da planta. As duas CPUs trocam informações através da conexão de alta velocidade a cada ciclo, o que possibilita que o controlador reserva assuma o controle dispondo de informações atualizadas e, por este motivo, com um impacto mínimo sobre o processo. A comunicação entre as CPUs mantém todas as funções relacionadas com o tempo atualizadas: integração do controlador PID, temporizadores, contadores, relógio de tempo real e totalizadores. A comunicação entre as CPUs é transparente ao usuário e não necessita de nenhuma configuração especial. A capacidade de redundância é inerente aos módulos da CPU; assim sendo, não há a necessidade de nenhum módulo adicional para E/S remota nem para comunicação entre as CPUs. Também não é preciso haver nenhum dispositivo central para o gerenciamento da redundância. Desta forma, é possível obter uma grande diminuição do precioso espaço de painel, com a conseqüente redução de custos. Chaveamento da rede A redundância gerencia automaticamente o endereço das CPUs na rede; assim que ocorre a transferência do controle, a CPU reserva assume o endereço da CPU que apresentou falha, ao passar da condição passiva para a ativa. Tudo isto é feito de forma totalmente transparente ao usuário, aos nós de comunicação e ao software; por este motivo, não há necessidade de nenhum tipo de configuração especial nos computadores, ou seja, a redundância é obtida de forma extremamente simples. Indicadores e anunciadores Os LEDs indicam qual controlador está ativo e qual está passivo ou, eventualmente, em falha. As estações de trabalho monitoram o status das duas CPUs via comunicação e avisam imediatamente o usuário de smar 12
13 CONTROLADOR quaisquer falhas nas CPUs ativa e passiva. Além disso, a CPU dispõe de uma saída de relé de falha que é ideal para conexão a uma lógica de parada (shutdown) independente. Quando se troca a configuração da CPU ativa, esta é copiada imediatamente pelo controlador passivo, através da conexão entre as CPUs, o que garante que a CPU passiva esteja apta a assumir as funções de controle em caso de uma falha na ativa. A integridade da configuração é sempre verificada no momento da energização e, durante a operação, as CPUs ativa e passiva são comparadas. Caso ocorra algum desvio, a configuração da CPU ativa é copiada para a passiva. Isto garante, por exemplo, que um módulo de CPU que acaba de ser substituído seja atualizado com a configuração existente. Não é preciso fazer uma pré-configuração antes da instalação. Como esta tarefa é automática, não existe o risco de ocorrer falha no chaveamento devido a configurações incompatíveis. Redundância da Fonte de Alimentação A redundância das fontes de alimentação do LC700 é dupla, mas pode ser quádrupla, se necessário. A solução mais comum é a de usar duas CPUs redundantes instaladas em plataformas individuais com apenas um módulo de fonte de alimentação para cada, isto é, alimentação dupla redundante. Outra possibilidade é a de se usar dois módulos de alimentação para cada CPU, ligadas a duas fontes distintas. Isto proporciona uma integridade máxima ao sistema, por incluir duas CPUs redundantes em plataformas individuais, com duas fontes de alimentação cada, ou seja, uma alimentação com redundância quádrupla. Desta forma, o sistema tem condições de suportar falhas de CPU e falhas múltiplas nas fontes de alimentação. Diagramas tipo Ladder IEC com Blocos de Função A estratégia de controle e o programa aplicativo do usuário do LC700 utilizam a linguagem padrão de diagramas tipo ladder IEC (lógica ladder a relés). Esta é a linguagem mais utilizada em lógica, por ser completamente gráfica, ideal, por exemplo, para o controle de máquinas. Linguagens de programação proprietárias são coisa do passado. Muitos blocos de função são específicos para tarefas de controle de processo e são parte integrante da memória flash do módulo processador. As tabelas apresentadas a seguir trazem comentários sobre a lógica e os blocos de função que estão prontos para a configuração usando Lógica tipo Ladder. Categoria Contatos (entrada) Bobinas (saída) Elemento Contato normalmente aberto Contato normalmente fechado Contato sensível a transição positiva Contato sensível a transição negativa Bobina Bobina invertida Set de bobina Reset de bobina Bobina retentiva (memória) Bobina com set retentivo (memória) Bobina com reset retentivo (memória) Bobina sensível a transição positiva Bobina sensível a transição negativa Barra de ferramentas do configurador 13 smar
14 CONTROLADOR Categoria Bloco de Função Absoluta Funções numéricas Raiz quadrada Constantes Seleção Máximo Funções seletoras Mínimo Limitadora Multiplexadora Soma Multiplicação Subtração Funções aritméticas Divisão Módulo Matemático Maior Maior ou igual Igual Funções comparadoras Menor ou igual Menor Não igual Contador crescente Blocos de Função Contadores Contador decrescente Pulso Com retardo Blocos de Função Temporizadores Sem retardo Relógio em tempo real Limites cruzados e de Taxa de Variação Totalização Amostragem e rampa ascendente / descendente Gerador de setpoint de rampa Blocos de Função de Controle Linearização de Processo Controle PID Aquisição de dados Contador de pulsos Compensação de vazão, Lead-Lag, status, escalonamento... Aumento do número de entradas Muitos tipos de blocos de função são extensíveis, o que significa que não têm um número fixo de entradas, permitindo ao usuário selecionar o número de entradas necessário para a sua aplicação. Isto traz uma redução no número de blocos e conexões necessários, agilizando e simplificando a configuração. A estratégia de controle pode ser dividida em pequenos diagramas de rede individuais, cada qual desempenhando a sua função dentro do conjunto. A ordem de execução pode ser configurada, e as sub-rotinas podem ser jumpeadas com base em determinadas condições. Os blocos de função definidos pelo usuário podem ser criados em um texto estruturado como linguagem, e depois inseridos como parte da configuração. Isto é ideal para lógica complexa e manipulação. Existe uma biblioteca de padrões (gabaritos) pré-configurados de lógica e estratégias de controle mais comuns. Além disso, os padrões podem ser definidos pelo usuário. Os padrões tornam a configuração rápida, bem feita e à prova de erros. O CONF700 aumenta a sua produtividade. Blocos de função com número de entradas configuráveis smar 14
15 ARQUITETURA OPC CLIENTE/SERVIDOR Na sala de controle, os operadores vêem as variáveis de processo e iniciam as ações de controle a partir das estações de trabalho de operação. Torna-se fácil obter um sistema bem integrado, pois o LC700 vem com um servidor OPC que disponibiliza todos os dados do sistema a qualquer software compatível com OPC. O servidor acessa o LC700 através da porta serial ou da rede Ethernet e disponibiliza as informações às outras estações de trabalho. As identificações (tags) atribuídas pelas ferramentas de configuração são distribuídas ao longo do sistema, de modo que não é preciso mapear, arranjar ou renomear as variáveis. Uma vez que um tag é configurado, jamais será preciso mexer nele novamente. O OPC é um padrão industrial amplamente aceito de tecnologia cliente / servidor para a comunicação de valores de parâmetros entre diversas aplicações. Diversos clientes podem acessar simultaneamente o servidor localizado na mesma estação de trabalho em um local remoto pela Ethernet. Isto permite que uma única base de dados Fieldbus distribuída possa ser compartilhada pelas diversas estações de trabalho, eliminando as inconsistências. Depois que todas as configurações dos LC700s no sistema estiverem criadas, todos os tags e seus endereços correspondentes na CPU e registros no Modbus são exportados como uma lista de tags para o servidor OPC Modbus. Desta maneira, o servidor OPC tem condições de fornecer os parâmetros do LC700 com base em seus tags. Assim sendo, o sistema se torna totalmente transparente, e o usuário não precisa se preocupar com os endereços; na verdade, pode até esquecer que eles existem. Ver a relação entre o Servidor OPC e os dispositivos de campo. Observe ainda que os Clientes OPC se relacionam diretamente com a base de dados do Servidor OPC. Sistema integrado com base de dados única Uma ferramenta do servidor OPC chamada de "browsing de endereços" proporciona ao sistema uma base de dados integrados única, mesmo no caso de utilização de softwares de diversas procedências. Uma vez que um tag é criado no CONF700, é possível acessá-lo através dos aplicativos de todos os clientes. A partir do aplicativo do cliente, é possível navegar apontando e clicando, em uma hierarquia semelhante ao Windows Explorer, até chegar ao parâmetro desejado. Não é preciso digitar novamente os tags, o que elimina os problemas decorrentes de erros de digitação. Como o OPC é inteiramente baseado em tags, não será necessário mapear os endereços dos dispositivos, nem os registros de memória, nem os bits e bytes, etc., como era preciso fazer no caso das antigas combinações de CLP com IHM. O OPC proporciona um grau de integração e de facilidade de utilização até aqui sem precedentes, que é ao mesmo tempo aberto e seguro. Segurança dos dados Tendo por base a tecnologia de programação tipo "multithread", proporcionada pelo Windows NT e pelo Windows 2000, o servidor OPC foi desenvolvido utilizando a técnica da sincronização, que só permite que a base de dados seja modificada por uma única aplicação de cada vez. Base de dados única A tecnologia OPC integra completamente os aplicativos em um ambiente homogêneo no qual os dados são compartilhados através do sistema por todo o empreendimento, com o mesmo nome, em uma única base de dados, eliminando, assim, as inconsistências e muitos erros. 15 smar
16 FERRAMENTA DE DIAGNÓSTICO E CONFIGURAÇÃO O software gráfico de configuração e de manutenção CONF700 facilita muito a configuração, gerenciamento, localização e reparo de defeitos. Fácil utilização O CONF700 é completamente gráfico e, portanto, muito fácil de ser utilizado, podendo funcionar com Windows NTSP6, 2000 e XP. O modo de configuração off-line permite que a estratégia de controle seja construída imediatamente, e que o LC700 seja configurado muito antes da entrega do hardware. O CONF700 calcula o tempo de execução e conta os pontos analógicos e discretos mesmo quando estiver trabalhando off-line. A memória necessária para a configuração é calculada e verifica a disponibilidade da CPU antes de iniciar o carregamento. Devido ao fato de utilizar menus parecidos com as funções padrão do Windows, do tipo aponte e clique, o seu uso é também intuitivo. O software é baseado inteiramente no padrão IEC O diagrama tipo "ladder" é uma linguagem de programação bastante popular, pois facilita a visualização da lógica. A localização e o reparo de defeitos on-line se torna uma tarefa simples, já que é fácil ver qual parte da lógica está ativa e qual não está. O CONF700 só habilita e aceita entradas válidas, e tanto verifica a existência de omissões quanto valida a configuração antes do download, de modo a garantir que não há erros e que está de acordo com a versão da CPU. A configuração pode ser verificada a qualquer momento com o simples clique de uma tecla. Faça a depuração antes de rodar a configuração. Funções tais como cortar, copiar, colar e mover facilitam o trabalho de edição da configuração. Uma função de busca simplifica a localização dos blocos e elementos por tarefa. O CONF700 também tem condições de carregar uma configuração existente de um LC700. A estratégia de controle em execução pode ser visualizada em tempo real; é possível também forçar pontos para simular E/S, e até mesmo editar a configuração on-line. Tudo isto facilita muito a indentificação e o reparo de defeitos, a depuração e a otimização. É fácil comparar diagramas lógicos de diversas partes do programa. Verificação da configuração O manual integrado on-line permite que se obtenha o máximo de benefícios do software e do hardware. Especificações do módulo de E/S, bem como os descritivos dos blocos de função, estão incluídos. Não há necessidade de ficar folheando catálogos para procurar as informações referentes à instalação e à configuração. On-line. Configuração de hardware On-line smar 16
17 FERRAMENTA DE DIAGNÓSTICO E CONFIGURAÇÃO estratégias de controle, parâmetros, etc. O usuário pode ainda incluir descrições e anotações. É possível imprimir a configuração, ou transferi-la como um banco de dados MS Access. Os novos programadores passam a ter condições de entender as configurações elaboradas por outros. Diagrama Ladder Integrado com Windows e MS-Office Como o CONF700 foi projetado para trabalhar no sistema operacional padrão do Windows, ele se beneficia da tecnologia mais atual de integração com o MS-Office. Otimização Documentação O processo de documentação é uma tarefa que tradicionalmente consome muito tempo em projetos de engenharia. A tarefa de documentar o trabalho de forma manual, ou em software de terceiros, é muito cara e demorada, além de ser susceptível a erros. O CONF700 dispõe de um registro de referências cruzadas automático no Modbus, que pode ser exportado para um arquivo Microsoft Access com um simples clique em uma tecla. Isto é muito útil no caso de ser preciso configurar um aplicativo de software que não suporte OPC para a comunicação com o LC700. Esta flexibilidade e abertura faz com que os dados estejam disponíveis para outras aplicações. Utilizando o Excel, é fácil separar e filtrar as informações, de modo a pegar apenas a parte que interessa. O software do CONF700 conta com uma grande capacidade de documentação, permitindo que a documentação seja gerada junto com a configuração. Todos os recursos de documentação são amigáveis e de fácil utilização - basta preencher as lacunas. Grande parte da documentação é gerada automaticamente. Estas características poderosas facilitam o gerenciamento das configurações, e é o modo mais eficiente de documentar o trabalho executado. A documentação inclui informações gerais de projeto, configuração do hardware, fiação, E/S, Lista de endereços Modbus convertida para MS-Excel 17 smar
18 FERRAMENTA DE DIAGNÓSTICO E CONFIGURAÇÃO O SYSCON é uma ferramenta versátil e amigável para configurar, operar e dar manutenção em sistemas Fieldbus através de um computador pessoal. FB-700 Blocos de função para E/S Syscon O módulo FB700 permite ao LC700 interagir com instrumentos Fieldbus em ambas direções. O FB700 se encaixa na rede como qualquer dispositivo Fieldbus comum. Pode compartilhar seus blocos de função com qualquer outro instrumento após a configuração pelo SYSCON. Syscon smar Integração com controle Fieldbus 18
19 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA Process View, Fix, Intouch, Factory link, Genesis, Wizcon, Unisoft, Tech 2000 entre outros, são softwares que podem facilmente ser usados para desenvolver a interface IHM, ideal para seu processo. As principais características destes Softwares são: Construtor de telas semelhante ao Auto CAD; Suporta múltiplos monitores; Lista histórico em tempo real; Relatório de estados de alarmes; Controle de batelada; Servidor cliente DDE; Multimedia. O LC700 suporta uma grande variedade de blocos de função para otimizar aplicações de sinais discretos e contínuos. A Smar utilizou sua ampla experiência em controle contínuo para criar uma coleção de blocos de função dedicados para controle de processo. Blocos de Função Os Blocos de Função são facilmente integrados na Lógica Ladder pelo software de programação CONF700. Assim, o usuário pode compartilhar os benefícios da lógica discreta com blocos de função versáteis que são selecionados de uma biblioteca interna. Alguns Blocos Funcionais de Controle de Processo 19 smar
20 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS Especificações Gerais Item Tensão de Alimentação Consumo Temperatura de Operação Método de Resfriamento Temperatura de Armazenagem Humidade do Ambiente Imunidade a Vibração Imunidade a Choque Imunidade a Ruído Atmosfera do Ambiente Especificações PS-AC-R: 90 a 264 Vac (47-63 Hz) PS-DC-R: 20 a 30 Vdc PS-AC-R: 72 VA PS-DC-R: 42 W 0 C a 60 C (32 F a 140 F) ou 0 C a 50 C (32 F a 122 F). Veja especificação dos módulos Convecção de Ar -20 C a 80 C (-4 F to 176 F) 20 a 90% (sem condensação) 5 Hz a 2 Khz, 0,4 mm pp/2,5 g de painel instalado, 1 hr por eixo 10 g, 2 vezes Vpp, 1 μs Sem gases corrosivos ou acúmulo de pó Especificações Funcionais Item Especificações Operação com Sinais Analógicos e discretos Para a CPU-700-D3: 1024 Pontos Discretos/ 1024 Pontos Analógicos* Controlador Universal Híbrido Redundância IEC Rede de Controle Rede de Campo Ciclo de Programação e Varredura de E/S Modularidade E/S Remota Servidor OPC Documentação Para a CPU-700-E3: 2000 Pontos Discretos/ 1024 Pontos Analógicos* Conjunto completo de elementos lógicos Blocos de Função para Controle de Processo; PID, PID Step, A/M,... Gerador de Setpoint, Linearização, Limites Cruzados,... Redundância Hot standby para Fonte de Alimentação, Controlador, Rack, Rede de Controle, Rede de E/S Remota e Servidor OPC Lógica tipo Ladder com Blocos de Função (LD & FB) Equações Booleanas para clicar e escrever com Texto Estruturado (ST) Ethernet (Modbus TCP) ou Modbus RTU Serial E/S Remota Foundation Fieldbus Profibus-DP e Profibus-PA DeviceNet Modbus RTU Varredura flutuante a partir de 5ms (dependendo do tamanho do programa) Até 15 racks locais e até 6 sub-sistemas de E/S remotos Até 6 sub-sistemas RIO (máximo de 15 racks por sub-sistema) Servidor OPC multicanal da Smar (combinação de Ethernet e Serial) Muitas opções selecionáveis no configurador (CONF700) * Incluem entradas, saídas e pontos auxiliares internos smar 20
LC 700 LC700 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ORIGEM DO 1º CLP
LC 700 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ORIGEM DO 1º CLP * País : EUA * Área : Indústria Automobilística (GMC) * Ano : 1968 * Objetivo : Substituir painéis com lógicas à relés CONCEITO * Equipamento: Eletrônico