Ficha 01 · HMI design e programação

HMI local: - Localização: junto à máquina (touch panel no quadro). - Audiência: operador da máquina. - Funções: comando + visualização de 1 máquina ou conjunto pequeno. - Dados: real-time, foco em operação. - Custo: 200-5000 € por unidade.

SCADA: - Localização: sala de controlo, em PC industrial. - Audiência: supervisor, gestor de turno. - Funções: visão global de múltiplas máquinas, alarmes consolidados, trends, receitas centralizadas. - Dados: real-time + histórico (semanas/meses). - Custo: 10-100 000 €.

MES (Manufacturing Execution System): - Localização: nível empresarial, integrado com ERP. - Audiência: gestores, planeadores de produção, qualidade. - Funções: gestão de ordens de produção, qualidade, manutenção, rastreabilidade, OEE. - Dados: agregados, foco em decisão estratégica. - Custo: 100 000 - vários milhões €.

Relação: - MES envia ordens para SCADA. - SCADA distribui parâmetros aos PLCs. - HMIs locais permitem operadores executar. - Dados sobem em hierarquia inversa (PLC → SCADA → MES).

Tendência: integração via OPC UA e cloud (Industry 4.0).

a) Máquina simples: - Siemens KTP400 Basic (4" mono). - Funções: 3-5 ecrãs simples. - Custo: ~250 €. - Suficiente para botões START/STOP, status, alarmes básicos.

b) Linha embalagem: - Siemens KTP700 ou KTP900 Comfort (7-9" cor). - Funções: múltiplos ecrãs (operação, manual, alarmes, receitas, trends). - Conectividade com PLC + impressora (USB ou Ethernet). - Custo: ~1500-3000 €.

c) Sala de controlo química: - PC industrial + WinCC Professional (ou Wonderware, Citect). - Múltiplos monitores 24-32". - Servidor central + 2-3 estações de operação. - Funções: SCADA completo + reports + alarmes avançados + receitas + integração ERP. - Custo: 30-100 000 €.

d) Mobile (tablets): - Siemens WinCC Mobile ou WinCC Unified Web ou Ignition Perspective. - Apps que comunicam com servidor SCADA via WiFi/4G. - Tablets industriais (Panasonic Toughpad, Zebra ET8x). - Funções: visualização + controlo simplificado. - Cybersegurança crítica: VPN, MFA, cifragem. - Custo: ~5-15 000 € (tablets + software + infraestrutura).

a) Todos os botões a vermelho:

Problema: viola standard ISA-101 (vermelho = alarme/paragem). Operador confunde.

Correcção: - Verde: START, operação normal. - Amarelo/laranja: paragem programada, aviso. - Vermelho: APENAS paragem de emergência, alarmes críticos. - Azul/cinza: navegação, informação.

b) STOP esquerda, START direita:

Problema: convenção mundial é START à esquerda (ou em cima), STOP à direita (ou em baixo). Operador pode trocar acidentalmente.

Correcção: - START verde à esquerda ou em cima. - STOP vermelho à direita ou em baixo. - Paragem emergência sempre destacada (canto, maior, vermelho cogumelo se físico).

c) Texto branco sobre fundo cinza claro:

Problema: contraste insuficiente → ilegível em luz solar, cansa olhos.

Correcção: - Texto preto sobre fundo cinza claro (ratio mínimo 4,5:1 para acessibilidade). - Ou fundo cinza escuro + texto branco (alternativa). - Verificar contraste com ferramenta (WebAIM Contrast Checker).

d) Emergência apenas no HMI:

Problema: - HMI pode travar/avariar — emergência não responde. - Não cumpre normas de segurança (Cat. 4 / PLe). - Tempo de reacção pode ser > 0,6 s.

Correcção: - Botão físico vermelho cogumelo, sempre presente. - HMI pode ter botão adicional como complemento, mas não substituto. - Botão físico ligado directamente a relé de segurança certificado, INDEPENDENTE do HMI.

e) Tudo num só ecrã:

Problema: - Ecrã cluttered, ilegível. - Operador confunde funções operacionais com configurações. - Risco de mudanças acidentais em parâmetros.

Correcção: - Múltiplos ecrãs: - Operação: ecrã principal, simples (START/STOP, status, alarmes). - Manual: comando individual de actuadores, para teste. - Configuração: parâmetros, password protegido. - Alarmes: lista detalhada. - Receitas: parâmetros por produto. - Navegação clara: barra inferior com botões para cada ecrã. - Permissões: operador vê apenas o necessário; configuração só para administrador.

Ecrã principal — Tanque de Mistura:

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│ [LOGO]    Tanque Mistura A                14:23  [PT|EN] │ Header
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                          │
│   Status: ⬤ EM OPERAÇÃO                                  │
│                                                          │
│       ┌─────────┐ Entrada 1                              │
│   ────│V1 ⬤ON │── Produto A                             │
│       └─────────┘                                        │
│                                                          │
│       ┌─────────┐ Entrada 2                              │
│   ────│V2 ⬤OFF│── Produto B                             │
│       └─────────┘                                        │
│                                                          │
│       ┌─────────┐ Entrada 3                              │
│   ────│V3 ⬤OFF│── Produto C                             │
│       └─────────┘                                        │
│                                                          │
│              │                                           │
│              ▼                                           │
│         ╔════════════╗                                   │
│         ║   TANQUE   ║                                   │
│         ║            ║                                   │
│         ║  ┌──────┐  ║                                   │
│         ║  │      │  ║      Nível: ████████░░  75%       │
│         ║  │ AGIT │  ║                                   │
│         ║  │ ⬤ ON │  ║      Temp: 65,3 °C                │
│         ║  │      │  ║                                   │
│         ║  └──────┘  ║                                   │
│         ║            ║                                   │
│         ╚════════════╝                                   │
│              │                                           │
│              ▼ Saída                                     │
│         ┌─────────┐                                      │
│         │V_saida  │                                      │
│         │  ⬤ OFF │                                      │
│         └─────────┘                                      │
│                                                          │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│   [▶ START]  [■ STOP]  [⏸ PAUSE]  [↻ RESET]              │ Controlo
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│ [OP] [MANUAL] [ALARMES] [RECEITAS] [TRENDS] [CONFIG]    │ Navegação
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ⚠ 1 alarme: Temp > 70°C esperada           [PT BR-001]  │ Footer
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

Características do design:

1. Mímica clara: o operador vê de imediato o estado do processo.
2. Cores:
3. Verde: válvula aberta / agitador ON.
4. Cinza: válvula fechada / agitador OFF.
5. Azul: nível do líquido.
6. Vermelho: alarmes (no footer).
7. Valores essenciais: temperatura e nível visíveis sem cliques.
8. Botões grandes e claramente identificados.
9. Navegação na barra inferior.
10. Alarme actual visível no footer.

Animações: - Válvulas: muda cor de cinza (fechada) para verde (aberta). - Agitador: animação de rotação quando ON. - Nível: barra dinâmica. - Temperatura: valor numérico actualizado. - Tubagens: animadas para mostrar fluxo (linha pontilhada movendo-se quando flui).

Acções disponíveis directamente: - START / STOP / PAUSE / RESET.

Em outros ecrãs: - Manual: comando individual de cada válvula, agitador. - Alarmes: lista detalhada com histórico. - Receitas: seleccionar produto (proporção de A, B, C, temperatura, tempo). - Trends: gráfico de temperatura e nível últimas 24h. - Config: setpoints, calibração, password.

Boas práticas aplicadas: - Hierarquia visual (mímica central, controlo embaixo). - Cores ISA-101. - Espaço em branco (não cluttered). - Texto legível. - Botões grandes.

Passo-a-passo — Projecto WinCC para KTP700 + S7-1200:

1. Abrir TIA Portal: - Pressionar ícone TIA Portal. - Create new project. - Nome: "MinhaMaquina_v1". - Path: localização. - Author: nome do programador.

2. Adicionar PLC: - Add new device → Controllers → SIMATIC S7-1200 → CPU 1212C DC/DC/DC (ou modelo concreto). - Configurar IP do PLC: 192.168.0.1.

3. Adicionar HMI: - Add new device → HMI → SIMATIC Basic Panels → 7" Display → KTP700 Basic PN. - Wizard de configuração do HMI: - Escolher conexão com PLC (que já adicionámos). - Definir nº de ecrãs iniciais. - Templates pré-feitos (cabeçalho, navegação).

4. Configurar conexão: - Network View (vista de redes). - Arrastar linha entre PLC.PROFINET interface e HMI.PROFINET interface. - Configurar IP do HMI: 192.168.0.2.

5. Definir Tags (variáveis partilhadas): - HMI → HMI tags → Add new tag table (ou usar a Default). - Adicionar tags: - tank_temp → REAL → PLC → DB1.DBD0. - tank_level → REAL → PLC → DB1.DBD4. - start_btn → BOOL → PLC → M0.0. - stop_btn → BOOL → PLC → M0.1. - valve1_on → BOOL → PLC → Q0.0. - ...

6. Desenhar primeiro ecrã (Screen_1): - Abrir Screen_1 (criado pelo wizard). - Da Toolbox, arrastar elementos: - Button "START" → connect to start_btn (set bit while button pressed). - Button "STOP" → connect to stop_btn. - I/O Field mostrar temp → connect to tank_temp. - Bar Graph para level → connect to tank_level. - Symbol válvula (da Library) → connect to valve1_on.

7. Animar objectos: - Botão da válvula: properties → Animations → Appearance → Color depending on valve1_on: - 0 (FALSE): cinza. - 1 (TRUE): verde.

8. Criar mais ecrãs: - Manual (comando individual). - Alarmes. - Configurações. - Trends.

9. Configurar alarmes: - HMI → HMI alarms → Discrete alarms. - Adicionar alarmes: - "Temperatura alta": triggered by temp_high_alarm (BOOL no PLC). - "Nível baixo": triggered by level_low_alarm. - Definir classe (Errors, Warnings). - Definir gravidade.

10. Configurar trends: - Tag para registar: tank_temp. - Frequência: cada 1 segundo. - Histórico: 24 horas.

11. Compilar: - Project → Compile (Ctrl+B). - Resolver erros se houver.

12. Descarregar: - Conectar PC ao PLC (cabo Ethernet directo). - Download → seleccionar PLC + HMI. - Confirmar.

13. Testar online: - HMI deve mostrar Screen_1. - Tocar START → ver bit a activar no PLC. - Verificar comunicação fluida.

14. Documentar e salvar: - Save (Ctrl+S). - Backup do projecto. - Comentários nas tags.

Tempo total para PME pequeno: 1-3 dias para HMI básico funcional.

Configuração de Permissões — HMI Industrial

Níveis de utilizador típicos:

1. Operador:
2. Permissões: ver ecrã de operação, premir START/STOP, RESET alarmes.

3. Restrições: não pode ir a configurações, manual, alterar parâmetros.

4. Operador sénior:

5. Operador + acesso a modo manual + alguns parâmetros não-críticos.

6. Manutenção:

7. Operador sénior + diagnóstico + acesso ao modo manual completo + receitas.

8. Engenheiro / Programador:

9. Manutenção + todas as configurações + parâmetros PID + calibrações.

10. Administrador:

11. Tudo + gerir utilizadores + acesso ao sistema operativo do HMI.

Implementação no WinCC:

1. User administration (configurações de utilizadores):
2. Add new group: Operador, Manutenção, Engenheiro, Administrador.

3. Definir permissões para cada grupo (checkboxes).

4. Add users:

5. Username, password, grupo.

6. Política de password (mínimo 8 caracteres, mudança anual).

7. Definir restrições por ecrã:

8. Cada ecrã: indicar grupos com acesso.

9. Configurações: apenas Engenheiro/Administrador.

10. Definir restrições por objecto:

11. Botão "alterar setpoint": apenas Operador sénior+.

12. Botão "calibrar sensor": apenas Engenheiro+.

13. Login obrigatório:

14. HMI exige login ao arrancar.
15. Logout automático após inactividade (15-30 min típico).
16. Logout manual disponível.

Audit log: - HMI grava todas as acções: data, hora, utilizador, acção. - Permite rastreabilidade em caso de problema. - "Quem alterou o setpoint para 95 °C às 23:42?".

Senhas seguras: - Mínimo 8 caracteres. - Combinação de letras, números, símbolos. - Mudança periódica (anual). - Sem reutilização de senhas anteriores. - Sem senhas óbvias (123456, password, admin).

Em caso de senha esquecida: - Administrador local pode resetar. - Em emergência, suporte do fabricante (Siemens) pode ajudar (com prova de propriedade do equipamento).

Boas práticas: - Cada utilizador tem conta pessoal (não conta partilhada). - Senhas únicas (não a mesma em vários sistemas). - Treinamento regular sobre cybersegurança. - Acesso reduzido em caso de saída de funcionário. - Auditoria periódica de utilizadores activos.

Padrões e regulamentação: - GMP (farmacêutico): acesso obrigatoriamente controlado. - HACCP (alimentar): rastreabilidade. - ISO 27001 (segurança da informação): controlo de acesso.

Configuração de Trends — Tanque com T e Nível

Configuração no WinCC:

1. Definir Tags a registar: - tank_temperature (REAL, 0-100 °C). - tank_level (REAL, 0-100%).

2. Logging settings: - HMI → Logging → Add new tag logging. - Adicionar as 2 tags. - Frequência de amostragem: 5 segundos (ou conforme criticidade). - Modo de gravação: cyclic (contínuo) ou on-change (apenas quando muda). - Compressão: 24h × 12 amostras/min = 17280 amostras → ~70 KB. Razoável para HMI standard.

3. Criar ecrã "Trends": - Novo screen: Trends_Screen. - Adicionar Trend View (objecto Trend) do Toolbox.

4. Configurar Trend View: - Properties → Trends → Add tags: - Add tank_temperature → cor vermelha, escala 0-100 °C, eixo Y esquerdo. - Add tank_level → cor azul, escala 0-100%, eixo Y direito. - Eixo X: tempo. Janela visível: últimas 4 horas (configurável). - Cursor / pointer: mostra valor em ponto específico do tempo.

5. Controles do utilizador: - Botão "Zoom in/out": mudar escala de tempo. - Botão "Scroll": navegar para a esquerda (passado) ou direita (futuro). - Botão "Pause": parar actualização para análise. - Botão "Export": salvar dados em CSV para análise externa.

6. Mostrar últimos valores: - I/O Fields ao lado da trend mostram valor actual de cada variável. - Min/max das últimas 24h.

7. Linhas de referência: - Linha horizontal a 80 °C (setpoint). - Linha a 90 °C (alarme alto).

Comportamento operacional:

• Operador abre Trends → vê histórico de 4h por defeito.
• Pode dar zoom out para ver 24h completas.
• Pode comparar como temperatura evoluiu com mudanças no setpoint.
• Pode identificar padrões (ex: temperatura sobe sempre às 10h).

Capacidade de armazenamento:

Compressão automática: - WinCC pode comprimir dados antigos (1 amostra/min em vez de 1/5s para histórico antigo). - Mantém análise útil sem saturar memória.

Exportação: - CSV (Excel-friendly). - Útil para análises avançadas, relatórios.

SCADA (em sistema maior): - Histórico vai para base de dados (SQL Server, InfluxDB). - Anos de histórico armazenados. - Análise com BI (Power BI, Tableau). - Manutenção preditiva baseada em padrões históricos.

Migração de HMI — Pro-face GP4000 → Siemens KTP

Razões da migração: - HMI obsoleto sem suporte do fabricante. - Peças de substituição difíceis de encontrar. - Software incompatível com sistemas modernos. - Necessidade de funcionalidades novas (web, OPC UA).

Cuidados:

1. Análise do existente: - Modelo exacto do HMI actual e sua configuração. - Lista de ecrãs, tags, alarmes, receitas. - Esquemas eléctricos do HMI (alimentação, comunicação). - PLC compatível (Pro-face comunica como? Profinet? Modbus? Outro?). - Documentação do programa original (se existir).

2. Selecção do novo HMI: - Tamanho equivalente (se Pro-face era 10", KTP1000 ou KTP1200). - Conectividade: Profinet standard (mesmo se PLC actual é diferente, pode-se adaptar). - Compatibilidade com PLC actual ou substituição também do PLC.

3. Cenários possíveis:

Cenário A — Apenas HMI: - PLC mantém-se. - Novo HMI deve comunicar com PLC existente. - Verificar compatibilidade de protocolos (Modbus TCP é universal). - KTP suporta Modbus TCP, Profinet, EtherNet/IP.

Cenário B — HMI + PLC: - Aproveitar para modernizar PLC também (S7-1200). - Mais investimento mas sistema todo coerente Siemens. - Standardização para outras máquinas.

4. Conversão do programa:

Não há conversão automática entre Pro-face e Siemens. Refazer:

1. Documentar completamente todos os ecrãs do antigo:
2. Print screen de cada ecrã.
3. Lista de elementos, suas funções.
4. Tags associadas.
5. Alarmes.

6. Receitas.

7. Redesenhar no WinCC respeitando estrutura familiar para operador (não confundir com mudanças radicais).

8. Recriar tags (PLC, se o mesmo, mesmas referências; se novo PLC, mapear correspondência).

9. Testar cada ecrã, cada botão, cada alarme.

5. Implementação:

Fase 1 — Preparação (1-3 semanas): - Documentação completa do existente. - Aquisição de novo equipamento. - Configuração inicial em ambiente isolado.

Fase 2 — Instalação (1 dia em paragem programada): - LOTO. - Remover HMI antigo. - Instalar novo HMI. - Conectar cabos. - Descarregar projecto. - Testar comunicação.

Fase 3 — Comissionamento (1-3 dias): - Testes funcionais completos. - Validação por operadores. - Ajustes finais. - Treinamento da equipa.

Fase 4 — Operação assistida (2 semanas): - Programador / integrador disponível para resolver problemas. - Documentação actualizada.

6. Considerações importantes:

• Mesmas funções acessíveis no mesmo lugar (operadores habituados a um layout, mudar sem necessidade gera confusão).
• Backup do HMI antigo antes de remover (em caso de necessidade voltar).
• Comunicação clara com produção (paragem programada, formação).
• Documentação: actualizar manuais.

7. Investimento estimado:

• HMI novo KTP1200 Comfort: 2500 €.
• Cabos e acessórios: 200 €.
• Engenharia (refazer programa, testes): 30-60h × 50 €/h = 1500-3000 €.
• Formação: 500 €.
• Total: ~4500-6500 €.

Benefícios: - HMI moderno com suporte por 10+ anos. - Funcionalidades novas (alarmes melhorados, trends, mobile). - Compatibilidade com restante instalação (se Siemens é standard). - Menor risco de paragem por falha de HMI obsoleto.