Manual da Nova Planta

versão 2025 r13

Prof. Geraldo Ramalho

James Alves Júnior

Fortaleza - junho de 2025

HISTÓRICO

SUMÁRIO

1. Sistemas

a. Módulos do Controle de Processo

b. Sistema de Proteção / Segurança Instrumentada

c. Sistema de Configuração e Monitoramento (parcialmente implementado)

i. Configurações manuais da planta

2. Equipamentos de controle

3. Topologia da rede

a. Processo

b. Proteção / Segurança Instrumentada

c. Configuração e Monitoramento

d. Endereços IP dos dispositivos da planta

4. Programa padrão da planta de processos

a. Estrutura da aplicação no SoMachine/Machine Expert

b. Mapeamento de endereços para comunicação com sistema SCADA

c. Variáveis de I/O no Machine Expert

d. Mapeamento de endereços de I/O do SIS

e. Máscaras das saídas digitais

f. Simulação e Teste

a. Simulador Machine Expert x Controladores da Planta

b. Gêmeo digital com o PLANTsim

c. Dispositivos virtualizados via SCADA

d. Comunicação Interprocessos

e. Comunicação com robô SCARA

1. Sistemas

        A planta do LARI^[1] compreende 3 sistemas independentes: um processo de automação industrial configurável que pode simular diferentes processos industriais; um sistema instrumentado de segurança (SIS) que é independente e atua nos tanques 2 e 3 para evitar transbordo (possui opção bypass); e um sistema de configuração das ligações entre tanques na  planta (planejado).

Planta de Processos do LARI

Da esquerda para a direita: quadro 1 (módulo de abastecimento e aquecimento e controle do robô SCARA), quadro 3 (módulo de mistura e envase) e quadro 2 (módulo de mistura e dosagem).

No Quadro 1 existe uma interface homem-máquina (IHM) gráfica com tela sensível ao toque. Por meio dessa IHM é possível:

• monitorar o estado da planta (sensores, atuadores e SIS),
• acionar a PARADA TOTAL e reabilitar o sistema após uma parada total.

No Quadro 2 existe uma interface homem-máquina (IHM) gráfica com tela sensível ao toque. Por meio dessa IHM é possível:

• selecionar programas pré-definidos,
• realizar operações em modo manual,
• monitorar o estado da planta (sensores, atuadores e SIS),
• acionar a PARADA TOTAL e reabilitar o sistema após uma parada total.

Tela principal da IHM do Quadro 2

Os software utilizados na Planta do LARI são:

• SoMachine: usado para programar os clps M218, M241 e M251
• Vijeo Designer: usado para programar as HMI5ST do Quadro 1 e do Quadro 2
• Ecostruxure Machine Expert Basic (ou simplesmente Machine Expert Basic ou ainda MEB): usado para programar o clp M221
• Ignition SCADA (ou simplesmente Ignition): usado no desenvolvimento da aplicação SCADA da planta

OBS.: Para detalhes da operação manual da Planta via IHMs dos Quadros 1 e 2, consulte o Manual Básico de Operação da Planta.

1. Módulos do Controle de Processo

1. Variações

1. Módulo 1 + Módulo 2

Controle de vazão (Grupo A1 + Grupo A2)

Calibração de instrumentos de vazão (Grupos A1 e B1 + Grupo A2)

Controle de temperatura (Grupo A1, Grupo A1 + Grupo A2)

Controle de temperatura em cascata (Grupo A1 + Grupo A2)

2. Módulo 1 + Módulo 3

Sistema de produção de tinta (Grupo A1 + Grupo A3)

3. Módulo 2 + Módulo 3

Sistema de produção de soro com envase (Grupo B2 + Grupo A3 e B3)

Sistema de produção de tinta com envase (Grupo B2 + Grupo A3 e B3)

2. Sistema de Proteção / Segurança Instrumentada

3. Sistema de Configuração e Monitoramento (parcialmente implementado)

        Esse sistema permite a reconfiguração da planta por meio de registros manuais que modificam a interligação/sequência das etapas do sistema de automação.

2. Configurações manuais da planta

        O processo da planta pode ser configurado por meio de válvulas manuais (registros), que realizam desvios nas tubulações, permitindo a realização de diferentes processos de circuito longo ou mais de um processo de circuito curto que podem funcionar ao mesmo tempo.

Registros Manuais de Manobra da Planta

* ver diagrama das válvulas de manobra

** configuração atual

Exemplo de Processo Tipo 1 - Circuito fechado completo longo (Tela da Aplicação Vision no Ignition SCADA)

Exemplo de Aplicação Vision no Ignition SCADA para Processos Tipo 1 e Tipo 3

Exemplo de Processo Tipo 4 - Circuito fechado parcial curto (Tela da aplicação Vision no Ignition SCADA)

Exemplo de Aplicação no Elipse SCADA para Processos Tipo 4

2. Equipamentos de controle

        Os principais equipamentos de controle de processo e comunicação estão listados na tabela a seguir, que contém um resumo da sua configuração. Esses equipamentos fazem parte dos diferentes sistemas do laboratório.

3. Topologia da rede

        No laboratório existem 5 tipos de redes/protocolos: Ethernet, TCP/IP, PROFINET, MODBUS TCP (e MODBUS RTU) e AS-i. Na rede ethernet entre os computadores e controladores utiliza o protocolo TCP/IP. A rede do sistema de automação também compartilha o protocolo Ethernet e TCP/IP utilizando o MODBUS TCP para a comunicação entre o sistema SCADA e os CLPs. O protocolo MODBUS RTU roda sobre o padrão serial RS485 e permite a comunicação entre CLPs mestres e seus respectivos CLPs escravos. A rede do sistema de segurança é interligada ao sistema de automação via Ethernet e TCP/IP compartilhado com o protocolo PROFINET, mas usa o protocolo de comunicação MPI entre o CLP e o sistema SCADA. Ainda no sistema de segurança, a rede AS-i é utilizada para conectar o controlador aos módulos de I/O remotos.

1. Processo

Topologia da rede MODBUS TCP / MODBUS RTU / PROFINET / AS-I  

Versão Atual (Processo + SIS)

Versão com Inversores MODBUS e segunda Ethernet

Módulo 1:

• CPU TM221

• Interface 485 (RJ45): Rede MODBUS RTU com Módulo 3
• Entradas digitais: 8
• Saídas digitais: 8 (transístor)
• Entradas analógicas: 2 (0-10V)
• Expansão TM3TI4: 4 entradas analógicas 4-20mA, 0-10V ou PT100

• IHM

Módulo 2:

• CPU TM251 + TM3TI4

• Interface Ether 2: não utilizada
• Interface Ether 1 (switch): Rede MODBUS TCP com Sistema SCADA / Supervisão / IHM MHIS5T (1 Ether, 1 RS485/RS232) e Rede MODBUS TCP com Módulo 3
• Interface 485 (RJ45): Rede MODBUS RTU local
• Expansão TM3TI4: 4 entradas analógicas 4-20mA, 0-10V ou PT100

• CPU TM218

• Interface 485 (terminais): Rede MODBUS RTU local
• Entradas digitais: 24
• Saídas digitais: 16 (relé)

• IHM MHIS5T:

• Interface Ether: Rede MODBUS TCP ou SOMACHINE
• Interface RS485/RS232 (RJ45): sem uso

Módulo 3:

• CPU TM241 + TM3TI4

• Interface Ether: Rede MODBUS TCP com Sistema SCADA / Supervisão
• Interface 485 (RJ45): Rede MODBUS RTU com Módulo 1
• Entradas digitais: 14
• Saídas digitais: 10 (transístor)
• Expansão TM3TI4: 4 entradas analógicas 4-20mA, 0-10V ou PT100

2. Proteção / Segurança Instrumentada

O sistema de segurança instrumentada é independente do processo, possuir o próprio controlador, sensores e atuadores. Esse sistema atua nos tanques 2 e 3, monitorando o risco de transbordo e atuando no fechamento das válvulas de segurança. São quatro válvulas, duas para cada tanque.

Topologia do SIS

Topologia da rede PROFINET / AS-i

Módulos 1,2,3:

• CPU S7 1200

• Interface Ether: Rede PROFINET
• Módulo AS-i

3. Configuração e Monitoramento

Atualmente, o sistema de configuração apenas monitora o estado dos registros de manobra. Ele está implementado no mesmo controlador do SIS. O estado dos registros V0 a V4 (veja figura sobre os registros de manobra) são informados na IHM do quadro 3 e também ficam disponíveis para o sistema SCADA. Em ambos o layout da planta (ligação entre os tanques) é reconfigurado de acordo com a posição desses registros.

Topologia do Sistema de Configuração

Módulos 1,2,3:

• CPU FBs (previsão)

• Interface Ether: Rede MODBUS TCP com Sistema SCADA / Supervisão
• Entradas digitais: 24
• Saídas digitais: 16

4. Endereços IP dos dispositivos da planta

4.  Programa padrão da planta de processos

O sistema de automação da planta do laboratório possui um programa padrão para os CLPs M251, M218, M241 e M221 e o IHM. Esse programa padrão permite executar processos manuais, automáticos e remotos (por meio de aplicação SCADA). Ele deve ser usado em todas as práticas para que a planta funcione corretamente. Entretanto, é possível adicionar subrotinas ao programa padrão para executar diferentes tarefas desenvolvidas pelos estudantes.

1. Estrutura da aplicação no SoMachine/Machine Expert

2. Mapeamento de endereços para comunicação com sistema SCADA

As memórias na tabela a seguir são endereçáveis via MODBUS TCP quando o controlador Machine Expert Basic estiver conectado à Planta. As entradas digitais dos CLPs indicados na tabela são copiadas nos bits das memórias %MW1x0. As saídas digitais são copiadas nos bits das memórias %MW1x1. Os bits das memórias %MW1x2 podem ser usados para escrever nas saídas correspondentes dos CLPs (somente quando o modo remoto está ativo). As entradas analógicas dos CLPs são copiadas nas memórias %MW1x3 a %MW1x6.

* Para habilitar a escrita das saídas digitais através do SCADA (modo remoto), é necessário escrever o valor 1 nas memórias %MW251 para o CLP M251 (e M218) e %MW241 para o CLP M241 (e M221).
ATUALIZAÇÃO: Use o botão físico (sem fio) AZUL para habilitar/desabilitar o modo remoto ao invés de escrever nessas memórias. Quando modo remoto está habilitado, uma mensagem pisca nas IHM dos Quadros 1 e 2.

As memórias de %MW242 a %MW249 no CLP M241 e de %MW252 a %MW259 no CLP M251 armazenam as referências min/max das respectivas entradas analógicas do CLP M241 e CLP M251.  Por exemplo, os valores de referência mínimo e máximo para o nível do tanque 2 (célula de carga) estão definidos em %MW252 (default = 4350) e %MW253 (default = 4680), respectivamente. Esses valores são utilizados nos programas da planta e só podem ser alterados na IHM do Quadro 2.

NOVO: Quando mais de um controlador (Simulador do Ecostruxure Machine Expert Basic) está conectado, cada um pode ligar/desligar determinados atuadores por meios dos bits mapeados nas memórias %MW112, %MW122 e %MW132, dependendo do projeto. Os bits dos atuadores disponíveis são definidos por meio de uma máscara, para cada controlador, por meio das memórias %MW119, %MW129 e %MW139, respectivamente. Por exemplo, para um projeto que usa todos os bits de saída de todos atuadores da planta, os valores dessas memórias devem ser todos iguais a 0xFFFF, ou seja, todos os bits iguais a 1. Isto permite que a planta seja comandada simultâneamente por mais de um controlador, porém cada um acionando um conjunto diferente de atuadores definidos pelas máscaras.

Existem dois modos de comunicação entre o simulador do controlador (usuário) e a planta. O primeiro modo é o mais simples e deve ser utilizado preferencialmente. O CLP simulado é conectado  à aplicação SCADA da planta e o script UPDATE da APP SCADA da planta fica responsável por copiar as memórias entre o CLP simulado e os CLPs da planta, criando um canal de comunicação virtual entre eles.

Modos de comunicação Planta x Controlador simulado

1. Modo 1                                                        (b) Modo 2

O segundo modo deve ser utilizado somente caso o simulador do CLP não consiga estabelecer uma comunicação simultânea estável com o SCADA da planta e com o SCADA do usuário. Nesse caso, o simulador do CLP fica conectado ao SCADA da planta e o SCADA do usuário deve conectar diretamente aos CLPs da planta. As memórias de uso geral %MW1x7 a %MW1x8 podem ser usadas pelo usuário para transferir informações entre da sua aplicação SCADA para os respectivos CLPs. Essas informações, podem ser lidas pelo programa de controle simulado no Machine Expert por meio do canal virtual.

Diagrama do canal virtual entre CLP simulado x CLP da planta no Modo 1

PRG: programa do CLP da planta

APP: aplicação SCADA ou IoT ou controlador simulado

3. Variáveis de I/O no Machine Expert

O programa de controle da Planta de Processos utiliza 4 CLPs. Os sensores e atuadores utilizados no processo estão conectados a esses controladores de acordo com a tabela a seguir. As entradas e saídas digitais estão mapeadas em bits nas words da tabela da seção 4.b. No Machine Expert Basic, o bit y da word x pode ser lido/escrito usando o endereçamento %MWx:y (por exemplo, %MW110:x0). No Ignition é possível criar TAGs do tipo Derived Tag tipo Boolean, para cara bit y da word x e definindo, por exemplo, a expressão Read com getBit({source},y) e a expressão Write com {value} xor 2^y .

Tabela de mapeamento entre as memórias MODBUS e as variáveis nos CLPs da planta

* Ver item 4b.

OBS.: dispositivos que atualmente não estão conectados ao controlador são indicados em vermelho

4. Mapeamento de endereços de I/O do SIS

O Sistema Instrumentado de Segurança (SIS), é um sistema de monitoramento dos registros de manobra/configuração e monitoramento anti-transbordo dos tanques TQ2 e TQ3 da planta, sendo totalmente independente do processo de controle. O SIS está implementado em um CLP Siemens S7 1200. Esse CLP monitora o nível alto dos tanques 2 e 3 para comandar as eletroválvulas de segurança na entrada para os tanques, impedindo que ocorra transbordo. As chaves de nível e eletroválvulas são específicas do SIS. Um sistema SCADA deve monitorar as memórias da tabela abaixo usando o protocolo PROFINET para informar ao sistema de controle sobre a ocorrência de falhas, a fim de que sejam executadas as ações preventivas ou corretivas.

Tabela de mapeamento entre as memórias e as variáveis no CLP do SIS

5. Máscaras das saídas digitais

Atualmente é possível que mais de um controlador Machine Expert Basic possa enviar sinais de comando para os atuadores da planta, desde que os sinais sejam mutuamente exclusivos. Essa exclusividade mútua é garantida pelo uso de máscaras para as memórias %MW112, %MW122 e %MW132. A configuração da máscara deve ser realizada para cada memória de saída digital do controlador na página Memórias, campo Saídas Digitais (w). Primeiro selecione um controlador (lado esquerdo), depois clique sobre a saída que deseja habilitar/desabilitar na memória correspondente. Uma saída desabilitada é identificada com um X. No exemplo da figura, estão habilitados apenas os sinais para os atuadores conectados às saídas digitais 1 e 3 mapeadas na memória %MW112 do controlador #1. Qualquer sinal enviado pelo controlador #1 para as saídas marcadas com X será ignorado pela Planta. Resultado similar será obtido configurando máscaras também para %MW122 e %MW132.

Monitoramento e configuração das máscaras das saídas digitais

Para o perfeito funcionamento, é necessário garantir que os demais controladores Machine Expert Basic tenham as saídas 1 e 3 desabilitadas nas suas respectivas memórias %MW112.

6.  Simulação e Teste

1. Simulador Machine Expert x Controladores da Planta

Através do simulador do programa Machine Expert, via MODBUS TCP, é possível executar um programa de controle na planta de processos. O script UPDATE que roda permanentemente na aplicação SCADA Planta_LARI (mestre) faz o mapeamento das memórias dos controladores para permitir que o simulador do Machine Expert (escravo) controle a planta (CLPs escravos) por meio do programa de usuário (ver mais detalhes no capítulo 4). Dessa forma, é possível monitorar o comportamento da planta e suas memórias via web (módulo Perspective) no computador ou dispositivo móvel (sem a necessidade de instalar e configurar o Vision), usando o link^[2] disponível no portal do LARI (ver Documentação). Use o botão de conexão para habilitar a comunicação sdo simulador do CLP com a planta. O botão de desconexão executa uma rotina de desligamento dos atuadores, saída do modo remoto e desconexão do simulador do Machine Expert. Atenção: pode ter comportamento indefinido se for acionado sem que o simulador não esteja conectado ou se as memórias não tiverem sido zeradas antes.

O botão PARADA TOTAL (botão físico VERMELHO, ou na IHM dos quadros ou na interface Web) executa uma parada total, desabilitando todos os CLPs da planta e desativando o modo remoto. Nesse caso, a reativação da planta só pode ser feita pela IHM no Quadro 1 ou no Quadro 2. Use apenas caso o procedimento de desconexão normal falhe em abortar o funcionamento do programa que estava sendo simulado.

Monitoramento da Planta via WEB por meio do Perspective (interface antiga)

Também é possível monitorar o funcionamento da planta por meio das IHM no painel do Quadro 1 e Quadro 2. O botão PARADA TOTAL da IHM realiza o desligamento de todos os atuadores e também desabilita o modo remoto. Depois que a PARADA TOTAL é acionada (via botão físico ou via web ou na IHM), é necessário acioná-lo novamente na IHM para reabilitar a Planta.

Telas das IHM nos Quadros 1 e 2

 
(a) Tela principal (Q2)                        (b) PARADA TOTAL foi acionado
 

(c) Monitor do processo (Q1/Q2)        (d) Monitor das variáveis (Q1/Q2)

Para a simulação no Machine Expert, considere o modelo da seguinte figura, na qual está representado o sistema a ser considerado nos projetos. i) No computador do aluno, há um CLP simulado no Machine Expert Basic e um sistema SCADA, ambos configurados e programados pelo aluno. ii) O CLP lê sinais dos sensores da planta de processos física e envia sinais aos seus atuadores por meio de uma unidade de I/O remota, simulada pelo sistema da planta, composto pelos CLPs e scripts do sistema SCADA.

2. Gêmeo digital com o PLANTsim

O sistema SCADA da planta está preparado para direcionar as memórias para o gêmeo digital desenvolvido com o PLANTsim. Para isso, deve-se usar a aplicação Planta_LARI, no Ignition SCADA, clicar no logo do laboratório para comutar a comunicação entre os CLPs da planta e o PLANTsim. O PLANTsim já deve estar em execução, antes de efetuar a comutação. Uma vez conectado ao PLANTsim, a aplicação SCADA terá comportamento definido pela resposta do gêmeo digital da planta (ou outro sistema que for definido definido nas configurações do PLANTsim).

3. Dispositivos virtualizados via SCADA

Para complementar equipamentos ausentes na planta de processo, estão disponíveis 10 dispositivos virtuais (sensores e atuadores analógicos), que são atualizados automaticamente por um script no sistema SCADA a cada 5 segundos. Os dispositivos possuem endereços MODBUS definidos no driver OPC UA Machine Expert Basic, acessíveis pelo simulador do programa Machine Expert. O valor das memórias que simulam os sensores virtuais analógicos são incrementados ou decrementados de acordo com o valor configurado pelo usuário no atuador virtual analógico correspondente.  

Estão disponíveis os seguintes dispositivos virtuais:

OBS: os valores das memórias não são reiniciados automaticamente

Exemplo: Simular um sensor analógico de pH 4-20mA (range 0 a 14)

• escrever 5142 em %MW300: define o valor inicial do sensor (pH  1)
• escrever 380 em %MW320: a cada 5 segundos o endereço %MW300 é incrementado de 380 unidades
• após 90 segundos, %MW300 conterá o valor 11220 (ph  7), aproximadamente
• escrever 0 em %MW320: o valor de %MW300 fica inalterado
• escrever 190 em %MW340: a cada 5 segundos o endereço %MW300 é decrementado de 190 unidades
• após 90 segundos, %MW300 conterá o valor 7800, aproximadamente
• escrever 0 em %MW340: o valor de %MW300 fica inalterado

4. Comunicação Interprocessos

A comunicação interprocessos ocorre através das memórias %MW390, %MW391, %MW392. A memória %MW391 é somente de escrita para registro do status do processo. Por exemplo, o byte mais significativo dessa memória (bits 8 a 15) pode ser utilizado para informar o status do processo para o processo posterior e o byte menos significativo pode ser utilizado para informar um valor ou setpoint para o processo anterior. O sistema da planta copia automaticamente o status (%MW391) do Processo n na memória %MW392 do processo anterior (n-1) e na memória %MW390 do processo posterior (n+1).

        Cópia das memórias entre processos                Exemplo com 3 processos

5. Comunicação com robô SCARA

O robô SCARA pode executar comandos recebidos via MODBUS TCP. Um código de comando deve ser escrito na memória %MW0 (CMD), depois deve-se habilitar a execução remota do comando pela memória %M94 (REMOTE_START; o comando será executado somente com uma transição 0 para 1). Por medida de segurança, sempre deve-se executar primeiro os comandos Go Home e Move Zero, antes de qualquer sequência de movimento.

Comandos básicos do controlador do Robô SCARA

As posições 0 a 3 (pares ang1,ang2; ang1:%MW100 a %MW103; ang2:%MW150 a %MW153) foram previamente definidas e estão armazenadas na memória do controlador do Robô SCARA. Ângulos negativos para giro no sentido anti-horário e ângulos positivos para giro no sentido horário.

A memória %M91 (IS_MOVING) indica se o robô está em movimento. Deve ser monitorada para garantir que o robô esteja parado antes de enviar um novo comando.

As memórias %M98 (IS_HOME; indica se o robô está na posição Home) e %M90 (IS_ZERO; indica se o robô está na posição Zero) devem ser monitoradas para garantir os estados definidos na coluna observação da tabela.

A memória %M95 (FULL_STOP) pode ser usada para interromper o movimento do robô.
ATENÇÃO! Considere o atraso na comunicação.

OBS.: Mais detalhes sobre a implementação do programa de controle e informações adicionais sobre o controle remoto via MODBUS TCP podem ser encontrados no Manual de Programação do Robô SCARA.