Conectividade na indústria: protocolos de comunicação de CLP

Conectividade na indústria: protocolos de comunicação de CLP

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Os CLPs (Controladores Lógicos programáveis) foram desenvolvidos na década de 1960 nos Estados Unidos para substituir os sistemas de controle baseados em relés eletromecânicos. Esse último era amplamente utilizado na indústria automobilística. Entretanto, sua necessidade de manutenção frequente e complexidade de interconexões motivaram o desenvolvimento de novas tecnologias. Nessa linha, General Motors a foi a primeira indústria a implementar o CLP, buscando uma solução mais flexível e menos propensa a falhas. Historicamente, o primeiro CLP comercialmente disponível foi o Modicon 084, que permitiu que os engenheiros modificassem a lógica de controle sem necessidade de alteração física. Desde então, esses controladores evoluíram significamente, incorporando avanços em Hardware e Software para atender às crescentes demandas da automação industrial.

O CLP tem como principal característica a programabilidade, permitindo alterações rápidas devido à sua lógica de funcionamento definida por um programa de computador. Seus componentes principais incluem o CPU, responsável por executar as instruções do programa armazenado na memória. Por causa disso, ele possui uma alta capacidade de processamento e execução de tarefas complexas rapidamente. Além disso, os módulos de entrada e saída do CLP facilitam a coleta de dados simultânea e permitem o controle preciso de dispositivos externos. Também, possui fontes de alimentação que garantem a operação contínua e confiável, mesmo em condições adversas. Por fim, suas diversas interfaces de comunicação suportam a integração de múltiplos dispositivos e sistemas, aumentando a flexibilidade e escalabilidade.

Por fim, apesar de ser comumente relacionado somente à automação industrial, essa tecnologia também é utilizada em outras áreas. Os CLPs podem atuar no controle de iluminação de edifícios, sistemas de irrigação agrícola e até em atrações de parques temáticos.

Diversidade de máquinas e protocolos na indústria

A capacidade de se comunicar com diversos protocolos de comunicação é crucial para fábricas que utilizam uma variedade de máquinas e, consequentemente, de CLPs. Essa diversidade se dá por vários motivos, sendo um deles a evolução tecnológica. É possível que novas máquinas adquiridas para a linha de produção venham com protocolos mais modernos, como OPC-UA ou MQTT, por exemplo. Esses tipos de protocolo oferecem maior flexibilidade e capacidade de integração do que modelos mais antigos, como Modbus ou RS232.

O uso de maquinário especializado também é outra causa dessa diversidade. Diferentes máquinas, que são projetadas para realizar tarefas específicas, podem ser otimizadas com os protocolos que melhor atendem às suas necessidades. Uma amostra disso são as máquinas de precisão, que podem usar protocolos como Fanuc CNC, para garantir exatidão e controle. Além disso, alguns fabricantes desenvolvem seus próprios protocolos para garantir a compatibilidade com seus produtos, como a Mitsubishi Melsec.

Porém, em um mesmo parque fabril é necessário que diferentes máquinas, muitas vezes utilizando diferentes protocolos, se comuniquem. Dentre as vantagens da flexibilidade de comunicação estão:

• Interoperabilidade: As fábricas podem escolher os melhores equipamentos para a suas necessidades específicas sem se preocupar com compatibilidade;
• Expansão dos sistemas: Permite a adição de novos dispositivos sem a necessidade de grandes reconfigurações, tornando os sistemas mais escaláveis;
• Adaptação às novas tecnologias: Permite a integração de novas tecnologias e dispositivos IoT, facilitando a evolução contínua dos sistemas industriais;
• Integração com sistemas corporativos: A integração com sistemas Historian, por exemplo, melhora a coordenação e a eficiência operacional;
• Segurança: A diversidade de protocolos inclui opções com recursos avançados de segurança, garantindo a proteção dos dados e a integridade das operações industriais;

Como a comunicação com o CLP acontece na prática?

Os protocolos de comunicação permitem que os CLPs se conectem com uma variedade de dispositivos e sistemas, como atuadores, interfaces homem-máquina (IHM), e outros CLPs. Eles funcionam como um conjunto de regras que definem como os dados são transmitidos e recebidos entre os dispositivos. As etapas dessa comunicação são:

• Seleção do protocolo: Primeiro, é necessário escolher o protocolo de comunicação adequado para a aplicação. Os mais comuns incluem Modbus, Profibus, Ethernet/IP, entre outros;
• Configuração do CLP: O CLP é configurado para utilizar o protocolo escolhido. Isso pode envolver a instalação de módulos de comunicação específicos e a configuração de parâmetros no software do CLP;
• Leitura dos sensores: O CLP coleta dados de sensores e dispositivos de entrada conectados a ele. Esses dados podem incluir informações como temperatura, pressão, posição, etc;
• Processamento de dados: A CPU do CLP processa esses dados de acordo com o programa instalado, tomando decisões baseadas na lógica de controle definida;
• Formatação dos dados: Os dados processados são formatados de acordo com as especificações do protocolo de comunicação. Isso garante que os dados sejam compreensíveis para outros dispositivos na rede;
• Transmissão: Os dados são transmitidos através do módulo de comunicação do CLP para a rede ou diretamente para outros dispositivos. Em uma rede Ethernet, por exemplo, os dados podem ser enviados para um servidor SCADA ou sistema Historian;
• Recepção de comandos: O CLP também pode receber comandos de outros dispositivos ou sistemas de controle. Esses comandos podem instruir o CLP a alterar a lógica de controle, ajustar parâmetros ou executar ações específicas;
• Atualização: O CLP atualiza seus estados internos e os estados dos dispositivos conectados com base nos comentários recebidos;

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Comunicação e coleta de dados em todos os setores da indústria

Conectar todas as máquinas de um mesmo parque fabril é essencial para, por exemplo, realizar análises de OEE completas. Apesar da sua notável importância, realizar esse processo ainda é um desafio. Com isso, implementar Soluções que integrem os dados de todas as fontes é essencial para manufatureiras que fazem parte da última era tecnológica. Dentro de cada setor da indústria existem modelos de CLPs mais comuns, escolhidos de acordo com alguns requisitos como ambiente operacional, complexidade e custo. Os mais utilizados em cada um deles são:

Automotivo

• CANopen (Controller Area Network): São usados devido à sua baixa latência e alta confiabilidade, essenciais para sistemas de controle em tempo real, como freios e motores;
• DeviceNet: Utiliza a estrutura CAN, recomendado para conectar dispositivos industriais em sistemas de controle de máquinas;

Alimentício

• Ethernet/IP: Protocolo baseado em Ethernet, permite comunicação rápida e eficiente, essencial para processos que requerem alta velocidade de dados;
• Profinet: Utilizado para comunicação em tempo real, garantindo a sincronização precisa de processos críticos;

Química

• Profibus: Utilizado para comunicação em processos de controle de plantas químicas, devido à sua robustez e confiabilidade. Eles também são resistentes à ambientes agressivos e interferências eletromagnéticas;
• Modbus: É ideal para a comunicação entre sensores e controladores em ambientes industriais pela sua simplicidade e robustez;

Farmacêutico

• Modbus: Utilizado para comunicação entre equipamentos de laboratório e sistemas de controle de processos;
• Ethernet/IP: Permite a integração de sistemas de controle e monitoramento em tempo real, essencial para garantir a qualidade e conformidade dos produtos;

Papel e Celulose

• Profinet: Utilizado para comunicação em tempo real, essencial para a sincronização de processos de produção;
• Profibus: Sua robustez é ideal para ambientes com condições desafiadores, como fábricas de papel e celulose;

Conectividade aplicada na prática

Para exemplificar a importância disso, é possível pensar em uma indústria do setor automotivo. Uma fábrica de automóveis, como outras indústrias, possui uma linha de produção complexa, que inclui diversos equipamentos e sistemas de controle. Nesse caso, é possível que cada maquinário utilize um protocolo de comunicação diferente. Exemplo, os robôs de montagem podem utilizar o protocolo EtherCAT para comunicação. Já os sensores de temperatura e pressão, o Modbus, enquanto os controladores de motores utilizam o CAN. Por fim, tem-se os sistemas de inspeção de qualidade, que utilizam o protocolo Profibus. Dentro desse cenário, é preciso um hardware que suporta múltiplos protocolos de comunicação. Então, esse dispositivo é instalado e configurado para se comunicar com todas essas máquinas mencionadas.

Após isso, é dado início à coleta de dados dos dispositivos em tempo real, independente do protocolo utilizado. Na sequência, todos os dados são centralizados em um sistema de gerenciamento de produção. Isso permite uma visão abrangente sobre a linha de produção, e a identificação de problemas como desvios de temperatura ou falhas nos robôs de montagem.

Dessa maneira, a fábrica consegue tomar ações corretivas com base nos dados analisados, como ajuste nos controladores de motores e manutenção preditiva. Esse exemplo deixa evidente como a flexibilidade em questão de protocolos de comunicação é um diferencial, resultando em muitos benefícios.

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Importância da compatibilidade com diversos protocolos

Os diversos protocolos de comunicação existentes na indústria permitem que os CLPs se conectem e se comuniquem com sensores, Interface Homem-Máquina (IHM) e outros dispositivos. Isso é indispensável para integração e interoperabilidade dos sistemas de automação.

Essa conectividade é importante, pois a leitura dos dados gerados pelo maquinário é capaz de revelar insights valiosos para o dia a dia da indústria. Para além do monitoramento real-time da produção, muito utilizado em análises como desempenho e produtividade, o armazenamento do histórico de dados também é indispensável. Graças a essa visibilidade, é possível desbloquear inúmeros resultados para a indústria, como:

• Melhoria da eficiência operacional: O acesso aos dados permite a otimização do uso de recursos, redução do tempo de inatividade e aumento da produtividade;
• Manutenção preditiva: Ajuda a evitar paradas não planejadas, reduzir custos de reparo e aumentar a vida útil dos equipamentos;
• Aumento da qualidade do produto: Reduz a quantidade de produtos defeituosos e melhora a satisfação do cliente;
• Redução de custos: A análise dos dados coletados ajuda a identificar áreas onde os custos podem ser reduzidos, como consumo de energia e uso de matéria prima;
• Tomada de decisão assertiva: Melhora a capacidade de resposta a mudanças nas condições operacionais;

A tendência para o futuro é que protocolos baseados em Ethernet ganhem ainda mais popularidade, devido à sua alta velocidade e comunicação simultânea. Isso somado à integração com Soluções IoT, que permitem o armazenamento de dados em nuvem de modo escalonável, podem moldar o cenário industrial dos próximos anos. Essas inovações aumentam a eficiência, a segurança e capacidade de resposta rápida à ajustes na operação. Saiba mais sobre nós.