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Engenharia Eletrotécnica

Sistemas Distribuídos de Controlo

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Publicação em Diário da República: Despacho n.º 8500/2020 - 03/09/2020

6 ECTS; 1º Ano, 1º Semestre, 28,0 T + 28,0 PL + 5,0 OT + 2,0 O , Cód. 37783.

Docente(s)
- Manuel Fernando Martins de Barros (1)(2)

(1) Docente Responsável
(2) Docente que lecciona

Pré-requisitos
Não aplicável.

Objetivos
As tendências recentes na globalização, nos dispositivos móveis, nas operações remotas e na integração de sistemas estão a mudar a forma como os sistemas distribuídos de controlo (SDC) e o controlo de supervisão e aquisição de dados (SCADA) são implementados. Esta unidade curricular foi elaborada com estas tendências em mente, ao mesmo tempo que aborda e estuda os componentes principais de um SDC. A ênfase é colocada na operação do SDC, nas redes e protocolos de comunicação industriais, na elaboração de interface HMI e de alarmes. São abordados tópicos de importância para engenheiros e operadores de campo, como o estudo de alguns dos controladores de processo avançados de última geração, o estudo de redes de comunicação de dados robustas e em tempo real para comunicação com dispositivos industriais, o estudo das comunicações de alto-nível baseada no conceito de IIoT e na interoperabilidade de processos e a manipulação de Bases de Dados e ferramentas web na cloud.
Os alunos no final desta unidade curricular (UC) deverão ser capazes de:
- Conhecer a organização e arquitetura de um SDC, as suas principais componentes, e a suas tendências no contexto da IIoT. Conhecer as redes de sensores sem fios e Internet da Coisas para ambientes industriais (IIoT) como IEEE 802.15.4, ZigBee, WirelessHart e o ISA100.
- Estudar, projetar e programar aplicativos de tempo-real baseado em sistemas operativos de tempo-real (RTOS). Fazer a análise dos aspetos específicos dos sistemas de tempo real aplicado aos sistemas embebidos;
- Projetar, codificar e implementar uma rede de comunicação robusta e fiável baseado no protocolo CAN e no protocolo Modbus,
- Conhecer e identificar controladores de processo avançados de última geração baseados em IA, como os controladores de lógica fuzzy;
- Conhecer o conceito de IIoT e aprender a dominar alguns dos principais aplicativos web, como o Node-RED, a gestão de bases de dados e a utilização do protocolo MQTT tendo em vista a interoperabilidade de processos;
- Projetar e desenvolver uma aplicação distribuída de controlo para interagir com os dispositivos de uma rede industrial e a respetiva comunicação remota com aplicações de alto nível para fazer o registo, a visualização e o armazenamento de dados baseado num banco de dados. Esta aplicação deve ainda ser concebida ainda para alcançar uma estrutura de supervisão gráfica o mais próxima possível das conhecidas soluções SCADA.

Programa
1) Introdução.
- Apresentação do Programa, Avaliação e Organização da disciplina;
- Breve introdução aos Sistemas Embebidos (SE);
- Elementos de um Sistema Distribuído de Controlo Industrial (DCS);
- Breve visão dos sistemas de controlo em tempo real (RTS);
- Apresentação de projetos SDC de anos anteriores

2) Arquitetura dos sistemas embebidos
- Plataformas de hardware (AVR, PICs);
- Microprocessador de um ou vários núcleos, organização, mecanismo de interrupções, unidadeE/S, memórias e registos.
- Desenvolvimento de sistema de controlo por microcontrolador; - Executivos multitarefa de tempo-real em sistemas embebidos.

3) Sistemas de tempo-real (STR)
- Definição, classificação e características dum STR - FreeRTOS
- Políticas de escalonamento;
- Análise de Escalonabilidade - com prioridades fixas e com prioridades dinâmicas;
- Controlo de Tarefas, secção críticas, interrupções, Filas de mensagens, Semáforos;
- Comunicação em tempo-real; Comunicação Event-Trigger Vs Time-Trigger;
- Linguagens de programação de tempo real;

4) Sistemas de Controlo Distribuído (DCS) e Sistemas SCADA em ambientes Industriais
- Elementos dum sistema de controlo Industrial;
- Os modernos sistemas de controlo e instrumentação;
- Interfaces Homem-Máquina; Interfaces entre computador e processos;
- Hardware e Software de sistemas de controlo;
- Evolução dos Sistemas de controlo distribuído (DCS);
- Descrição geral de um sistema DCS;
- Característica chave de um sistema SCADA;
- Requisitos típicos de um sistema RTU;- Software SCADA;
5) Modelos e Redes de Comunicação para Sistemas DCS & SCADA & FieldBus
- Revisão de conceitos básicos sobre comunicações, redes dedicadas e Barramentos de Campo;
- Arquitecturas de redes e barramentos de campo à luz do modelo OSI;
- Classificação dos Métodos de Acesso;
- Rede Ethernet. Breve descrição
- O protocolo Modbus; Hart;
- Aplicações Típicas DCS & SCADA - Funções de um sistema Fieldbus - Arquitetura e componentes principais;
- Caso de estudo: CAN-Controller Area Network, soluções de implementação, camada física esoluções mais divulgadas para a camada aplicação.
- Classificação dos barramentos Fieldbus:
A- Soluções Não-Baseadas no protocolo Ethernet:
B- Soluções Baseadas no protocolo Ethernet:

6) Tecnologias e plataformas de Internet das Coisa para ambientes industriais (IIoT).
- Breve visão das redes de sensores sem fios (WSN) e IIoT.
- Ferramentas de visualização de dados para a Internet of Things
- Breve visão das plataformas de Cloud para IoT
- Estudo dos principais tecnologias, aplicações e protocolos IoT como o Node-RED, a gestão de bases de dados e a utilização do protocolo MQTT;
- Caso de estudo de aplicações IOT: ligação à plataforma IBM Watson IoT

Metodologia de avaliação
Trabalhos laboratoriais (50%);
Demonstração do projeto final (30%);
Relatório final de projeto (20%)

Bibliografia
- Barros, M. (0). Sebenta e Slides de - Sistemas Distribuídos de Controlo (in PT). Acedido em 24 de setembro de 2015 em http://www.e-learning.ipt.pt/course/view.php?id=1020
- Barry, R. (2016). Mastering the FreeRTOSTM Real Time Kernel. (Vol. 1). (pp. 1-371). https://www.freertos.org/Documentation/RTOS_book.html: https://www.freertos.org
- Mahalik, N. (2003). Fieldbus Technology, Industrial network Standards for realtime distributed control. (Vol. 1). Springer online: Springer
- Margolis, M. (2011). Arduino Cookbook. (Vol. 1). OReilly Media online: OReilly Media
- Technologies, I. (2004). Practical Distributed Control Systems (DCS) for Engineers and Technicians. (Vol. 1). (pp. 1-623). www.idc-online.com: IDC Technologies

Método de Ensino
Aulas teóricas expositivas
Aulas práticas laboratoriais
Metodologia baseada em projeto (PBL)

Software utilizado nas aulas
Ferramentas gratuitas:
- SCADABR (www.scadabr.com.br/)
- FreeRTOS (https://www.freertos.org)
- Arduino IDE (https://www.arduino.cc)
- Atmel Studio (www.atmel.com/microsite/atmel_studio6/)
- Visual Studio Code (Microsoft)
- Times Tool (www.timestool.com/)

 

Aprovado em Conselho Técnico Cientifico: 18 de outubro de 2023

Download da Ficha da Unidade Curricular (FUC)

 

 


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