Até 1910
Joana trabalha em uma indústria têxtil. Até 1950, os sistemas e maquinários industriais eram basicamente mecânicos, hidráulicos e pneumáticos.
Ela recebe a tarefa de aumentar a vazão em uma das tubulações que leva vapor da caldeira até o maquinário que enrola o tecido. Para isso, ela aciona manualmente a válvula que regula tal vazão, enquanto observa a pressão na linha através de um manômetro analógico. Se a pressão ficar alta demais, Joana tem que se deslocar até e acionar uma segunda válvula de despressurização.
Joana já tem vasta experiência com os maquinários e portanto sabe identificar estados operacionais e de falha dos maquinários somente em ouvir seus ruídos e perceber suas oscilações. Além disso, de tanto acionar as válvulas, ela consegue fazer atuações precisas para levar o maquinário a funcionar da maneira desejada em um curto período de tempo e sem passar muito do ponto operacional desejado.
Note que, neste cenário, o controle é local, físico e sensitivo. O corpo de Joana "é o sistema supervisório da planta".
1950
Joana (que mantém uma boa dieta, faz atividades físicas regularmente, pratica boas ações, toma bons vinhos, dá chocolate a seus professores e, portanto, mantém uma excelente saúde e praticamente não envelhece) gostou da área operacional e escolheu manter suas atividades na indústria têxtil, que passou por modernizações.
Agora, Joana fica na sala de supervisão, que é vizinha porém separada dos maquinários de produção. Os maquinários e válvulas da planta são acionados por motores elétricos, que podem ser ligados/desligados a partir de botoeiras na sala de supervisão. Joana possui à sua frente diversas luzes e dials que aapresentam informações acerca do funcionamento de diversos equipamentos elétricos da planta. Entretanto, se ela precisar saber a pressão em uma linha, ela ainda tem que se deslocar até o respectivo manômetro analógico de medição.
Joana agora pode monitorar e controlar (i.e., supervisionar) diversos maquinários e setores da planta ao mesmo tempo. Entretanto, as informações e capacidades de atuação ainda são limitadas e ela tem que se deslocar com frequência para a área operacional.
1990
A empresa têxtil se moderniza mais ainda e agora instala CLPs e IHMs, além de sensores e atuadores mais modernos que são capazes de se comunicar com estes equipamentos.
Joana (que mudou o corte de cabelo e não usa mais bonés) agora está em uma sala de supervisão que se localiza a um quilômetro da unidade de produção. A partir desta sala, ela é capaz de visualizar o estado operacional de todos os equipamentos da planta, tendo acesso a dados de diversas grandezas físicas (inclusive pressão). Porém, Joana não precisa mais manter sua atenção constante nestes indicadores pois o próprio sistema gera alarmes sonoros automaticamente quando as variáveis extrapolam regiões operacionais pré-estabelecidas. Através de telas de supervisório, utilizando mouse e/ou uma tela sensível a toque, ela é capaz não somente de controlar diretamente todos os atuadores da planta, mas também alterar set-points de plantas controladas por realimentação de estado (e.g., PID) e agendar mudanças operacionais ao longo da semana. Se algum equipamento começa a apresentar mal-funcionamento, ela é capaz de abrir um histórico das variáveis relacionadas àquele equipamento (tanto sensoriamento quanto atuação) a fim de investigar a causa do problema.
2020
A empresa têxtil expandiu suas fábricas por todo o país e modernizou o sistema, implantando o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para supervisionar sua produção nacional.
Joana (que, a esta altura, já deve ser o ser-humano vivo mais antigo do planeta e acabou de dar entrevista em um podcast dando dicas de como envelhecer assustadoramente bem) agora se encontra na sala de supervisão geral da empresa. Ela é capaz de supervisionar as variáveis de todas as plantas a partir dos computadores localizados na sala de comando e também através de seu celular, desde que tenha acesso à internet. Ela recebe diariamente em seu e-mail um relatório com informações operacionais e de produção de alto-nível descrevendo os principais eventos ocorridos em todas as plantas nas últimas 24 horas. Se houver porém alguma emergência, o sistema prontamente dispara de forma automática uma notificação para o seu celular. Além disso, o sistema possui uma inteligência artificial monitora a situação das plantas e do mercado e faz sugestões a Joana sobre ajustes na produção. Tudo é integrado, monitorado e acessível.
Nota: Os cenários apresentados são fictícios e possuem o intuito de passar uma noção de como se deu a evolução dos sistemas supervisórios nas indústrias ao longo dos anos.
1903 - Fábrica de produção têxtil
Foto da fábrica têxtil de Charleston, Columbia, Carolina do Sul, EUA.
1921 – Produção de ardósia preta
Os recentes maquinários movidos a vapor-turbina permitiam a criação de painéis de controle. Esta imagem mostra a sala de controle de uma usina de produção de ardósia preta cujos painéis foram produzidos pela General Electric Co. As bancadas foram dispostas radialmente para facilitar o acesso dos supervisores. A bancada frontal é dedicada à atuação enquanto o painel de trás apresenta os instrumentos da planta.
1939 - Usina hidroelétrica de Kegum
A imagem mostra a sala de controle da usina hidroelétrica de Kegum, localizada no Rio Daugava na Letônia. A usina era referência no leste europeu à epoca, tendo sido contruída por um esforço conjunto entre engenheiros letônios e suecos. A sala de controle apresenta em tempo contínuo diversas variáveis elétricas acerca da produção e transmissão na usina, além de disponibilizar botoeiras para
1965 - Usina nuclear de Hinkley Point
Imagem da sala de controle da usina nuclear de Hinkley Point, localizada na cidade de Somerset, Inglaterra.
1962 - Sala de controle da missão Mercúrio
Sala de controle da Missão Mercúrio, que foi o primeiro programa de voos espaciais tripulados da NASA, EUA. Em 1962, o astronauta John H. Glenn Jr. foi o prieiro americano a orbitar a Terra a bordo da cápsula Friendship 7, circundando o planeta três vezes em um voo de 4 horas e 55 minutos.
1968 - Usina hidrelétrica de Columbia Basin
Foto mostrando a sala de controle da usina hidrelétrica Coulee, distrito de Grant, Washington, EUA.
1979 - Produção de placas de gesso
A imagem é da central de controle da usina de produção de gesso e placas de gesso de Gypsum, na cidade de Kirkby Thore, Inglaterra.
2020 - Usina hiderelétrica de Itaipu
Sala de supervisão da usina hidrelética de Itaipú, na cidade de Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil.
2020 - Caminhões autônomos da Vale
A imagem mostra o sistema supervisório de caminhões autônomos operando na mina da Vale de Brucutu, São Gonçalo do Rio Abaixo, Minas Gerais, Brasil.
2020 - Monitoramento de barragens
Sala de monitoramento de barragens da mineradora Kinross.
2020 - Controle Integrado de Mineração
A foto mostra o centro de controle integrado da produção da mineradora da Usiminas.
2021 - James Webb Space Telescope
Sala de controle da missão do foguete Ariane-5, que em 2021 levou o James Webb Space Telescope (JWST) para o espaço.
A próxima foto é da sala de msisão do próprio JWST.
Funções principais
As principais funções de sistemas supervisório, porém não limitadas a estas, são:
- Aquisição de dados: Coleta contínua de informações sobre as variáveis de processo.
- Monitoramento: Visualização em tempo real dos parâmetros de processo, permitindo o acompanhamento da operação do sistema.
- Controle remoto: Envio de comandos para os dispositivos de campo.
- Geração de alarmes e eventos: Monitorar condições críticas da planta, notificando os operadores quando limites operacionais pré-estabelecidos são ultrapassados.
- Armazenamento de dados históricos: Registro contínuo das variáveis do processo, permitindo análises, diagnósticos e otimizações.
- Relatório de produção e falhas: Geração de relatórios que apresentam informações de alto-nível sobre os principais eventos e parâmetros operacionais da planta em um dado período de tempo.
Componentes e elementos básicos
Para se implementar de fato um sistema supevisório, geralmente utilizam-se os seguinte componentes e elementos:
- Instrumentos de campo: Sensores e atuadores imbuidos na planta que permitem quantizar e alterar as grandezas físicas do processo.
- Computadores de campo: Computadores localizados próximos aos processos que interagem com os instrumentos e executam algoritmos de controle, etc.
- Comunicação: Equipamentos, meios e protocolos que viabilizam a troca de dados e informações entre os instrumentos/computadores de campo com os demais dispositivos do sistema.
- Servidores: Computadores dedicados que proveem serviços relevantes para o sistema supervisório (e.g., banco de dados, interface, software SCADA, backup, etc.)
- Interfaces: Elementos que permitem a interação dos operadores humanos com as inforamações e capacidades disponibilizadas pelo sistema supervisório (e.g., tela, aplicação web, IHM, mouse, óculos de realidade aumentada, etc.).
Exemplo fictício: Siderúrgica Dergau
No alto-forno da siderúrgica Dergau, o sistema de automação instala em campo diversos sensores para monitorar as grandezas físicas deste processo, como sensores de temperatura, vibração e pressão. Além disto, há botoeiras de emergência espalhadas pela unidade a fim de permitir que os operadores interrompam o processo caso alguma situação anormal e potencialmente perigosa aconteça.
Em termos de atuação, o sistema implanta inversores de frequência para acionar motores e bombas, eletroválvulas para regular fluxos de gases e líquidos de refrigeração, bem como disjuntores para ligar/desligar equipamentos elétricos da planta.
Incorpora-se nesta planta um Controlador Lógico Programável (CLP), que é então interconectado a todos os instrumentos e atuadores de campo. Implanta-se neste CLP os algoritmos de controle local do alto-forno, como por exemplo, um controlador PID para regular a taxa de entrada de minério e outro para o fluxo de entrada/saída de gases a fim de regular a temperatura interna do forno. A lógica de interrupção do funcionamento quando a botoeira de emergência é acionada também é incorporada neste CLP.
Deseja-se instalar um sistema supervisório nesta planta. Para isso, instala-se um computador servidor em uma sala que fica a 1 km do alto-forno. Este computador servidor é ligado em rede com o CLP de campo, e nele instala-se softwares de servidor de banco de dados e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Este computador é conectado a uma monitor mais teclado/mouse para permitir que o operador tenha acesso aos recursos do sistema supervisório. Além disto, uma IHM é instalada localmente na planta e conectada ao servidor também através de rede.
Nesta fase, o sistema supervisório do alto-forno já é operacional. É comum classificar os componentes/elementos que constituem este sistema em "níveis" numerados, que começam de "baixo para cima" na perspectiva do chão-de-fábrica, sendo:
- Nível 1: Sensores e Atuadores (instrumentos de campo).
- Nível 2: Controle local (CLPs, PCs industriais, Arduino, Intel Nuc, etc).
- Nível 3: Supervisão (SCADA, SDCD, IHM, etc).
Imagine que agora adiciona-se instrumentos de segurança à planta, como indicadores operacionais, alarmes, luzes de emergência, etc. Um CLP dedicado é adicionado à planta para executar a lógica dos instrumentos de segurança.
Uma vez que o sistema de segurança é implementado, a tendência é adicioná-lo também ao sistema supervisório da planta. Para isto, basta comunicar o CLP deste novo sistema aos demais computadores (e.g., através de meios e protocolos de comunicação) e modificar o software do sistema supervisório para incluir os novos componentes e funcionalidades adicionados.
Este mesmo procedimento de adicionar novos instrumentos/computadores e conectá-los à rede já existente na planta é repetido sempre que novos sistemas vão sendo incluídos. Como exemplo, adiciona-se agora um sistema de monitoramento da planta via câmeras e sensores de monitoramento de temperatura e gases nocivos que são conectados a um computador Nvidia Jetson.
A esta altura, os sistemas de automação e supervisório do alto-forno já está totalmente implementado, interconectado e operacional. É possível monitorar e controlar a operação desta planta a partir de sua sala de supervisão.
Pela necessidade de se supervisionar a produção da usina de forma abrangente, os engenheiros receberam a incumbência de integrar os sistemas de automação e supervisório da planta de lingotamento aos sistemas do alto-forno.
Assim, conectam-se os computadores supervisórios de ambas as plantas a um novo computador servidor que irá executar o software de supervisão da produção da planta. Este supervisório de mais alto nível será capaz de interagir com os supervisórios locais, monitorando e ajustando as taxas de produção de cada planta em tempo real. A este novo nível hierárquico da-se o nome de "corporativo", pois ele permite aos gerentes e agentes administrativos da empresa supervisionarem a usina de maneira integrada, sem porém terem acesso a especificidades tecnicas da produção.
O nível corporativo é então conectado à internet através de um computador gateway que possui diversas estratégias de segurança implementadas (firewall, fail2ban, criptografia, etc.). Assim, além da sala de supervisão integrada, é possível acessar o sistema supervisório da usina através de qualquer disposivo que esteja na internet e possua as credenciais adequadas.
A pirâmide da automação
O exemplo alegórico acima nos mostra como que o sistema de automação naturalmente nasce na área operacional, com os instrumentos e computadores de campo, e vai se tornando cada vez mais integrado e com funcionalidades de alto nível à medida que as necessidades de supervisão vão sendo atendidas. Esta evolução natural do sistema acontece de maneira similar não somente na indústria, como também em diversas outras áreas que necessitam de sistemas interagindo tanto com o meio físico quanto com o digital.
Devido a este padrão similar em diversas áreas, é convencionado segmentar os componentes e elementos que constituem o sistema de automação/supervisão na célebre "pirâmide da automação":
O termo "pirâmide" é adotado pois o sistema normalmente possui muitos e diversos elementos no nível 1, que vão diminuindo em quantidade à medida que o sistema se afunila rumo aos níveis superiores, convergindo para um sistema centralizado de gestão mais ao topo.
Note que a pirâmide da automação é somente uma maneira de classificar e estratificar seus componentes. Ela pode ser utilizada como uma referência para o design de novos sistemas, porém não é estritamente uma regra que deve ser seguida. Há diversos tipos de sistema que não se encaixam totalmente neste padrão, como por exemplo os IoT (Internet of Things) onde cada instrumento de campo pode posssuir controlador interno e conectar-se direto à internet, não necessitando de um "nível 2" em sua hierarquia.
Pense sobre...
O que é um sistema supervisório?
Quais são as funções principais de um sistema supervisório?
Quais as diferenças entre sistemas de controle locais e sistemas supervisórios?
Que vantagens um sistema supervisório traz à operação e à manutenção da planta?
Você já viu ou usou alguma interface SCADA? Onde?
