SISTEMA SUPERVISÓRIO PARA CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS

LEGADOS

Bruno Guimarães dos Santos (AEDB)

Carmen Lucia da Silva Mateus (AEDB)

Roberto Ferreira Evaristo (AEDB)

Profº MSc. Onofre Bueno Filho (Profº Orientador AEDB)

AEDB – Associação Educacional Dom Bosco – Escola de Engenharia de Resende

2006

RESUMO

O objetivo deste trabalho é desenvolver e implantar uma interface homem máquina (IHM)

que permita aos técnicos de manutenção e desenvolvimento analisar a evolução dos sinais de

processo (entradas e saídas) dos Controladores Lógico Programáveis (CLP´s) legados de uma

linha de limpeza ácida de chapas de aço. A motivação para tal desenvolvimento se dá em função

das dificuldades de acesso as informações processadas por estes equipamentos de controle em

função das tecnologias obsoletas, o que ora acarreta dificuldades de manutenção comprometendo

os índices de MTBF (Tempo Médio entre Falhas) e MTTR (Tempo médio para Reposição das

Funções). Na consecução do projeto já foi desenvolvido sistema (hardware e software) para

aquisição de dados diretamente do barramento de memória dos CLP´s; o novo hardware

implantado (cartão de memória de dados) possui facilidades de comunicação através do protocolo

TCP/IP que permite o acesso remoto via microcomputador PC (Personal Computer). No projeto

proposto estão em desenvolvimento ferramentas de instrumentação virtual através do software

LABVIEW que permitirão análises dos processamentos realizados por estes CLP´s legados, bem

como a substituição da interface homem máquina (IHM) existente, a qual com pobres recursos de

acessibilidade e com problemas freqüentes de manutenção.

ABSTRACT

The objective of this work is to develop and to implant an interface man machine (HMI)

that it allows to maintenance and development technician to analyze the evolution of the process

signals of the exist Programmable Logical Controllers (PLC) legacies of a pickling line

production. The motivation for such development if gives in function of the access difficulties the

information processed for these controlling equipment in function of the obsolete technologies,

what however it causes maintenance difficulties compromising indices of MTBF (Medium Time

Between Faults) and MTTR (Average time for Replacement of the Functions). In the achievement

of the project already system was developed (hardware and software) for acquisition of data

directly of the slide bars of PLC´s memory; the new implanted hardware (memory data board) it

possesses the easiness of communication through the protocol TCP/IP that it allows the remote

access saw microcomputer PC (Personal Computer). In the considered project tools of virtual

instrumentation will be developed through software LABVIEW that allows analyses of the

processings carried through for these PLC’s, as well as the substitution of the HMI existing with

poor resources of accessibility and frequent problems of maintenance.

Palavras Chaves: Supervisório – Legados – IHM - CLP

1 – INTRODUÇÃO

A Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) possui duas linhas de decapagem ácida, as quais

são controladas por Controladores Lógicos Programáveis (CLP´s) MELPLAC-50 em número de

três numa conexão, construídos e fornecidos pela Mitsubishi; basicamente este CLP de nível um

(1) atua no controle do núcleo da planta, processando variáveis coletadas por cartões de entrada e

saída convencionais para controle de acionamentos de motores, válvulas, sequenciamentos,

intertravamentos, etc.. O objetivo para o controle é ter potencialidade, repetibilidade e

previsibilidade para operações estáveis dos processos em si. O CLP MELPLAC abrange um

conceito integrado que cobre todos os passos do processo: o transporte da tira, o processo de

decapagem ácida (limpeza com remoção de óxidos) em si e comunicação com outros sistemas de

controle específicos de outros equipamentos, não menos importantes e responsáveis pela

preparação da chapa de aço, soldagem de cauda e ponta e revestimento de óleo protetivo sobre as

superfícies superior e inferior da chapa com o objetivo de otimização do binômio produtividade

versus qualidade. A automação integrada destes equipamentos significa para a produção,

sinergias na operação consistente, processamento da chapa e processos auxiliares, tornando todo

o processo cada vez mais amigável ao homem de operação. O modo automático garante

processos estáveis, resultando em uma chapa perfeitamente preparada para as próximas

utilizações, com velocidades mais rápidas do processo, menor risco de falhas e melhor qualidade

do material.

Com o passar dos anos desde a entrada em operação dos controladores programáveis

MELPLAC, sua tecnologia foi se tornando velha, obsoleta e de difícil acesso ao pessoal de

produção e manutenção face aos renovados requerimentos de produtividade e qualidade; novas

tecnologias permitiriam maiores facilidades de comunicação e visualização dos processos. A

manutenção e operação destes equipamentos tornaram-se um problema para o pessoal na busca

de melhores performances dos equipamentos produtivos devido à falta de mão de obra

especializada pelo uso de uma tecnologia obsoleta sem domínio pela renovada equipe de trabalho

exigindo assim o lento desenvolvimento de especialistas nesta tecnologia obsoleta e não

aprendida nas instituições de ensino. Com o intuito de comutar um novo sistema para a melhoria

da eficiência e para manter operações estáveis, um projeto em conjunto da Faculdade de

Engenharia Elétrica Eletrônica da Associação Educacional Dom Bosco e da Faculdade de

Engenharia (Departamento de Circuitos Elétricos) da Universidade Federal de Juiz de Fora está

sendo realizado. O projeto é constituído de uma placa de memória de dados instalada no

barramento do MELPLAC que captura as variáveis em processamento neste disponibilizando-as

em tempo real, através das facilidades de comunicação serial incorporadas nesta placa de

memória; a captura e visualização destes dados é realizada por um microcomputador pessoal tipo

PC com utilização de um aplicativo desenvolvido na linguagem LabView simplificando a

compreensão e análise das variáveis do processo produtivo. Como o CLP já realizava todo o

processo de controle, o aplicativo desenvolvido em LabView foi utilizado para a elaboração de

um software supervisório com uma varredura constante das variáveis de processo postuladas em

bytes na memória de dados e enviadas via protocolo Ethernet para um servidor dedicado tendo

com opção a interligação de várias estações de trabalho (Workstation) para monitoração destas

linhas de produção via uma rede. Com certeza a capacidade de processamento do LabView foi

muito pouco utilizada, mas permitiu desta forma, a elaboração de maneira rápida e simples da

solução final, gerando um sistema supervisório adequado às necessidades de análise de variáveis

do processo.

2 – CONTEXTO

A partir da análise das variáveis do processo de decapagem ácida e da visível necessidade

de modernização do sistema implantado para controle de processo das linhas de decapagem ácida

da CSN, surge a proposta para desenvolver, com base no sistema já existente, um novo modelo

de pesquisa, tratamento e análise das variáveis de processos por parte do pessoal de

desenvolvimento e manutenção do sistema de controle. A sistemática das linhas de produção de

decapagem ácida da CSN – Companhia Siderúrgica Nacional, consiste na realização de um

tratamento químico na chapa oriunda do processo de resfriamento da laminação de tiras a quente,

pois esta adquire uma camada superficial de Óxido de Ferro (FeO) quando em processo de

resfriamento. A fim de remover esta camada, é realizado então este tratamento químico

denominado “DECAPAGEM” ou banho de ácido Clorídrico. Este processo é então dividido em

três partes:

1ª parte – entrada – a chapa de aço é desenrolada e os extremos das bobinas (cauda da bobina

presente com ponta da próxima bobina) são soldados uns aos outros para garantir em regime

contínuo da linha de produção, na qual posteriormente são retiradas as aparas existentes na

mesma.

2ª parte – centro-processo – a chapa de aço passa por um laminador na qual a mesma é

aplainada com uma primeira quebra das camadas superficiais de óxido. Em seqüência, a chapa é

mergulhada em tanques (5) de ácido Clorídrico (HCl) onde o processo de decapagem ácida

acontece de fato; em seguida, a chapa mergulha em tanques de lavagem onde os resíduos de HCl

e FeO são removidos em sua totalidade.

3ª parte – saída – na seção de saída tesouras laterais e de corte final atua no material

adequando-o à solicitação do cliente quanto ao peso e largura, entre outras especificações

solicitadas. Após todo esse processo, na chapa de aço (decapada), livre dos resíduos gerados no

processo de laminação a quente é pulverizado óleo protetivo ou de laminação a frio (próximos

clientes) em suas superfícies superior e inferior, através de um processo de oleamento

eletrostático; em seguida a chapa é cortada na solda e novamente enrolada. Todo este processo

descrito é mostrado na figura 1.

Figura 1 – Estrutura da Planta da Linha de Decapagem Contínua.

As três partes do processo citado, são em sua totalidade controlados pelos controladores

lógicos programáveis modelo MELPLAC em número de três fabricados pela Mitsubishi Inc; os

sinais de entrada analógicos e digitais de sensores / transdutores entre outros informam a

condição dos equipamentos da linha de processo; sinais de saída digital e analógico acionam e ou

sinalizam equipamentos após processamento dos vários de entrada, ou seja, este CLP referido –

MELPLAC-50 – alvo deste projeto, atua no sistema produtivo para o controle dos equipamentos

das linhas de processo. Analisam os valores recebidos e atuam conforme programa desenvolvido

em linguagem de baixo de nível (Assembler Mitsubishi), alimentando as entradas dos atuadores

para o controle do processo. Ao se Verificar os dados extraídos diretamente do barramento de

dados do CLP através de um novo cartão de memória de dados com facilidades de comunicação

(protocolo ETHERNET) conectado a um computador tipo PC ou Lap top é possível registrar e

armazenar estes dados provindos da linha de produção ou em processo pelo CLP MELPLAC

para fins de análises futuras ou em pesquisa de defeitos e ou comportamentos de novas

implementações de controle. Desta forma pode-se criar um sistema de análises em tempo real ou

em registro histórico. Com o Software LabView, o tipo e a qualidade das análises se limitam na

capacidade criar e implementar métodos científicos de análise.

O sistema de gerenciamento do CLP MELPLAC-50 vêm ao longo do tempo impondo cada

vez mais dificuldades às análises e intervenções por parte do pessoal de manutenção e de

desenvolvimento e melhoria de processos, tornando-se então este sistema de controle item crítico

para o sistema de produção; as intervenções e pesquisas do comportamento do sistema

necessitam de habilidades com a linguagem proprietária Assembler, além de conhecimentos na

operação do painel de programação, uma interface homem máquina também legada e específica

para trabalhar com essa linguagem e equipamento; com poucos recursos de interação é definida

como PP (programmable panel). O sistema original pode ser mais bem compreendido

observando a figura 2. O fato de a memória de dados do MELPLAC-50 não conter estrutura para

armazenamento de dados (memória dinâmica) torna-se impossível manter um registro histórico

das ocorrências, mesmo porque também a falta de facilidades de comunicação impede o

desenvolvimento de um sistema para análise destas ocorrências de processamento. Estas

restrições em suma justificaram e tornaram objetivo do desenvolvimento de ferramentas

adequadas às necessidades do pessoal de manutenção e desenvolvimento.

Figura 2 – Sistema original.

Com a finalidade de gerenciar as falhas de maneira mais segura e construir um sistema com

um grau de acessibilidade maior para estas equipes de trabalho é que está sendo desenvolvido um

trabalho, em parceria com a Universidade Federal de Juiz de Fora, visando implementar uma

estrutura de hardware que permita acesso aos dados remotamente e de forma mais amigável. Para

tal foi desenvolvida uma nova placa para aquisição e comunicação de dados que registram as

mudanças das variáveis dos atuadores do CLP e as insere numa rede de comunicação com o

protocolo TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol). Esta arquitetura (vide figura 3)

contempla um Sistema servidor de informações, o qual se conecta simultaneamente aos três

CLP´s de controle. Após a Implantação desta fase, o sistema deverá contar ainda com uma IHM

(Interface Homem Máquina) que deverá gerenciar em tempo real as variáveis que compõem o

processo; em paralelo, de forma a tornar esta IHM amigável às equipes de trabalho estão em

desenvolvimento telas de controles específicas para cada atuação do sistema da linha de produção.

Sendo assim, o objetivo é ter um sistema, com o qual será possível de forma mais simplificada o

que está acontecendo e onde se deve intervir para reparar ou melhorar o desempenho do processo

através de atividades de manutenção e melhorias do sistema de controle, além de um histórico

das falhas que garanta melhoria dos índices de MTBF (tempo de reposição das funções) e MTTR

(Tempo médio entre falhas). O software utilizado para desenvolvimento das telas deste sistema

ora denominado Sistema Supervisório para o MELPLAC - SSMEL é o LabView da National

Instruments; um software gráfico de fácil aprendizado e rico em recursos de programação.

Figura 3 – Arquitetura do Sistema desenvolvido.

3 – TRABALHO PROPOSTO

A proposta desse trabalho, ora em andamento corresponde ao desenvolvimento e

implantação do projeto iniciado com o pessoal da Universidade Federal de Juiz de Fora; projeto

este já com a primeira fase concluída; a segunda fase compreende o desenvolvimento em

ambiente integrado do SSMEL para o controlador MELPLAC-50 mencionado acima, utilizando

a plataforma LabView e os recursos disponíveis da rede de comunicação criada entre os CLP´s e

Servidor (Figura 3). Assim espera-se alcançar os objetivos de visualização de variáveis de

processo, através de um aplicativo mais amigável para o técnico de manutenção e equipes de

desenvolvimento da CSN em substituição aos equipamentos obsoletos existentes atualmente, o

PP (Painel de programação) e o MTPR (Modular Tape Printer Recorder). A figura 4 mostra a

arquitetura detalhada do sistema de controle atual. Trata-se de um controlador totalmente

dedicado, com programação em Assembler e com uma interface homem–máquina de difícil

compreensão e pouco amigável. Os dados que circulam no barramento, só podem ser lidos na

CPU correspondente ao controlador. A troca de informações entre elas se restringe a sinais

discretos. Para uma eventual intervenção de manutenção, é necessário o deslocamento do homem

entre um controlador e o outro equipamento, o que dificulta, pois a distância é grande, em torno

de 500 metros.

A figura 5 mostra arquitetura proposta para tornar possível a captura de sinais das variáveis

de processo diretamente no barramento de dados do controlador (BUS P) e disponibilizá-las em

uma rede com protocolo TCP/IP. Para isso, foi criado numa primeira fase do projeto pelo corpo

Figura 4 – Arquitetura atual.

de Professores e Engenheiros da UFJF (Universidade Federal de Juiz de Fora) em conjunto com o

pessoal CSN (Companhia Siderúrgica Nacional) um novo cartão de memória de dados, ora

denominado PAC (Placa de aquisição e Comunicação de dados) para substituir o cartão antigo

que operava com memória de fio (Wire memory). Esse novo cartão compartilha espaço físico,

barramentos, mantém as mesmas características de funcionalidade do cartão anterior; agregando

a estas funcionalidades, foi inserido um módulo de aquisição e transmissão de dados. Para a

comunicação entre a PAC e o servidor, foi utilizado um módulo de comunicação com

processador Rabbit 2200, que é programado através de linguagem C.

Na figura 6, é apresentada a arquitetura que será utilizada no servidor para que os dados que

saem do controlador através da PAC possam chegar no LabView e serem manipulados. As

informações para o servidor são direcionadas através de uma rede Ethernet operando sobre o

protocolo TCP/IP para estabelecer um mecanismo de serviço com estrutura requisição-resposta

inserido com um nível da aplicação para a transferência de hipertexto, – HTTP (Hyper Text

Transfer Protocol) – dessa forma, teremos no conteúdo do supervisório, a possibilidade de

acessar arquivos de histórico, permitindo a criação de ferramentas de análise de falhas, como um

data logger.

Na figura 7, é mostrado um diagrama no LabView criado para rodar em background em

nosso aplicativo. Esse diagrama é responsável pela interface de rede (conexão TCP/IP) e a partir

dela, todas as outras telas serão criadas, pois todas as variáveis de processo estão disponíveis

neste programa abaixo. Além das variáveis de processo, é permitido acesso aos registros internos,

conversores A/D e D/A, acumuladores, contador de programa (PC), contadores, temporizadores e

vetores de transferência, através do barramento BUS P obedecendo a um mapa de memórias. Tal

fato abre uma janela para criação de ferramentas poderosas de auto-diagnose do MELPLAC-50,

pois todos os bit’s da memória utilizados para este fim estarão disponíveis para a manipulação.

Figura 5 – Arquitetura Proposta.

Figura 6 – Arquitetura para o Servidor

Figura 7 – Diagrama do programa no LabView para captura de variáveis do processo.

4 – CONCLUSÕES

Esse trabalho está sendo desenvolvido em duas etapas. A primeira engloba o projeto do

novo cartão de memória e os softwares de comunicação do processador Rabbit 2200 e do

servidor utilizado para captura e transferência dos arquivos usando o protocolo TCP/IP destinado

à estação onde se encontra instalado o supervisório. Essa fase está concluída e foi desenvolvida

pela UFJF em conjunto com o corpo técnico da CSN. A segunda etapa, que é o objetivo real

desse trabalho é a criação de um supervisório com foco em manutenção da linha de decapagem

contínua 3, utilizando os recursos gerados pelo sistema de comunicação da primeira etapa. Esse

trabalho está sendo todo desenvolvido em plataforma LabView e utiliza a porta 8000 do

computador para acesso o servidor. Também está incluído nessa fase,o projeto e a instalação da

rede física que interligará os controladores e o servidor.

Espera-se ao final dessa segunda fase, que é a fase onde realmente se desenvolve a

ferramenta para tornar os objetivos de investigação e pesquisa de defeitos, bem como melhorias

do processo, que as equipes de manutenção e desenvolvimento das linhas de decapagem ácida da

CSN mudem de patamar em suas atividades fim e alcance todas as funcionalidades e vantagens

esperadas de um sistema que viabiliza o desenvolvimento das atividades de manutenção

informatizada, contribuindo tanto para a melhoria da performance do processo, mas também na

melhoria da ergonomia que este sistema permite ao homem. As vantagens iniciais do sistema

podem ser verificadas abaixo:

- Manipulação de um software mais amigável para o homem de manutenção;

- Histórico de falhas ocorridas no Processo;

- Gráficos de acompanhamento e monitoração de variáveis;

- Leitura de variáveis de todos os MELPLAC's em qualquer ponto da rede;

- Data logger;

- Análise de desempenho do processo;

- Análise detalhada de problemas;

- Desuso da maleta de programação (PP) e de Back-up (MTPR);

- Domínio tecnológico;

- Reutilização do sistema em outras unidades da CSN;

- Deslocamento físico facilitado entre os controladores;

- Baixo custo de implantação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Bueno Filho et. Al., Sistema Supervisório para Linhas de Decapagem Ácida, IX Seminário de

automação de Processos, Associação Brasileira de Metais, 2005.

[2] Sites sobre SCADA: http://www.abpubs.demon.co.uk/scadasites.htm; KAAYE Steve,

"Designing and Integrating Workstations Into Plant Operations", 1990.

[3] National Instruments Technical Support – Lab VIEW Development Guidelines – Austin,

Texas - July 2000 edition.

[4] National Instruments Technical Support – Lab VIEW Getting Started with Lab VIEW –

Austin, Texas - July 2000 edition;

[5] National Instruments Technical Support – Lab VIEW User Manual – Austin, Texas - July

2000 edition;

[6] National Instruments Technical Support – Lab VIEW Measurements Manual – Austin, Texas

- July 2000 edition;

[7] Comer, Douglas E. REDES DE COMPUTADORES E INTERNET; Bookman Companhia

ED, 2000, 1ª Edição;

[8] Soares ; Lemos, Guido; Colcher, Sérgio; REDES DE COMPUTADORES - DAS LANS,

MANS E WANS AS REDES ATM; Editora Campus. 2003.