Rompendo os Limites dos Sistemas Tradicionais Aplicação de SOA no Ambiente da Automação

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1 Rompendo os Limites dos Sistemas Tradicionais Aplicação de SOA no Ambiente da Automação Carlos E. G. Paiola Engenheiro de Controle e Automação, M.Sc. Gerente Comercial - Aquarius Software Ricardo Caruso Vieira Engenheiro de Controle e Automação Gerente de Serviços Especiais - Aquarius Software 58 Introdução As empresas sofrem constantes mudanças. Elas têm sido, cada vez mais, impelidas a reduzir seus custos para manutenção da competitividade e para melhor atender aos requisitos de mercado. Esta realidade cria, inevitavelmente, a necessidade de novas formas de gestão do empreendimento. Independente do segmento industrial, cada empresa possui necessidades bastante específicas para serem preenchidas por seus sistemas e aplicativos. Se por um lado essa característica impede a adoção simples e imediata das novidades do setor de Tecnologia da Informação (TI), por outro ainda existem tantos pontos em comum que, cedo ou tarde, de forma pura ou adaptada, muitas das ferramentas e práticas utilizadas por TI são inseridas no ambiente industrial dentro do escopo da Tecnologia da Automação (TA). Este artigo objetiva apresentar uma proposta relevante originada no universo de TI, o conceito de SOA (Service Oriented Architecture), e discutir alguns detalhes de sua adaptação para o ambiente de TA. Essa discussão inclui o detalhamento do conceito, a apresentação de alguns métodos de implementação e a descrição de um exemplo importante de aplicação que se beneficia do conceito SOA: Smart Grid para a área de gestão de energia. SOA Arquitetura Orientada a Serviços Tradicionalmente, a arquitetura de software das empresas é composta por um conjunto de aplicativos dedicados a funções bastante específicas, desde o chão de fábrica até o ambiente corporativo. Todo o planejamento de desenvolvimento e manutenção tem como foco cada um desses aplicativos, de maneira individual, conduzindo a sistemas caros e inflexíveis. Nomeamos esse tipo de estrutura de Arquitetura Centrada em Aplicações. Nesse ambiente, cada aplicativo é construído com uma função bastante particular e com seu próprio conjunto de usuários, dados, objetivos e interfaces exclusivas. Desta forma, o sistema geral resultante é formado por ilhas de automação [Ref. 9]. O conceito de SOA tem por premissa eliminar essas ilhas de automação e criar sistemas de software como um conjunto de serviços que possam interagir entre si, coordenados por regras de negócio. Cada serviço consome ou fornece certa coleção de dados e consiste na implementação de uma determinada atividade, bem definida no contexto geral da empresa. As diferenças entre os dois modelos de arquitetura citados podem ser observadas na Tabela 1. Tabela 1 Comparação entre as arquiteturas Centrada em Aplicações e Orientada a Serviços [Ref. 9]. Característica Desenho e Implementação Sistema Resultante Arquitetura Centrada em Aplicações Orientada a funções Construída para durar Ciclos de desenvolvimento longos Ilhas de aplicação Fortemente acoplados Interações orientadas a objeto Arquitetura Orientada a Serviços Orientada à coordenação Construída para mudar Construída e implementada incrementalmente Soluções globais Fracamente acoplados Interações orientadas a mensagens semânticas Essa proposta de arquitetura tem ainda por objetivo seguir um conjunto de boas práticas que permitam criar um processo para facilitar a tarefa de encontrar, definir e gerenciar os serviços disponibilizados. [Ref. 7 e 8]. A arquitetura orientada a serviços também se insere em um processo de reorganização dos departamentos de tecnologia da informação das empresas, permitindo um melhor relacionamento entre as áreas que dão suporte tecnológico à empresa e as áreas responsáveis pelo negócio propriamente dito, graças a maior agilidade na implementação de novos serviços e reutilização dos ativos existentes [Ref. 10]. Esta tecnologia permite verdadeiramente a integração entre TA e TI. Alguns dos principais conceitos associados à estrutura do SOA são serviços, acoplamento flexível e interoperabilidade: Pode-se definir Serviço como um conjunto de funções ou abstrações de funcionalidades de um sistema, com uma interface bem definida. O Acoplamento Flexível é crucial para o funcionamento de um sistema distribuído. Esse conceito determina que diferentes partes e funcionalidades de um sistema sejam independentes umas das outras. Dessa maneira, alterações ou problemas em certas partes do sistema não trarão grandes consequências para o resto do sistema, trazendo grandes benefícios como escalabilidade, flexibilidade e tolerância a falhas. Uma das principais preocupações em um ambiente de computação distribuída, comum nas grandes soluções industriais, é a flexibilidade de comunicação entre diferentes sistemas, de modo que esses possam agir conjuntamente sem que haja conflitos na troca de informações entre eles. Essa comunicação é chamada de interopera-

2 bilidade. Qualquer implementação atual deve levar em conta esse conceito. Existem diversas tecnologias que visam prover interoperabilidade em um sistema distribuído e que propõem um barramento que serve de interface entre os serviços e os consumidores de serviços, não existindo mais as comunicações ponto a ponto que diminuem a flexibilidade do sistema. Essas tecnologias disponibilizam recursos para localizar e coordenar serviços, bem como para mediar a comunicação entre os serviços e os consumidores. Como foi dito, SOA resume um estilo de arquitetura de software onde as funcionalidades implementadas pelas aplicações são disponibilizadas na forma de serviços e são freqüentemente conectados através de um barramento único que disponibiliza interfaces ou contratos, acessíveis através de Web Services ou outra forma de comunicação entre aplicações. Dentro desta realidade de computação distribuída, faz-se uso do princípio de requisição/ resposta (request/ reply) para estabelecer a comunicação entre os sistemas clientes e os sistemas que implementam os serviços. mensagem que é passada através do cliente e o retorno enviado pelo servidor. As aplicações interagem entre si utilizando um protocolo que define toda a estrutura desses serviços. Um protocolo muito popular é o SOAP (Simple Object Access Protocol) que, por meio de um arquivo WSDL (Web Service Definition Language), define uma maneira comum de conversação entre as aplicações e os serviços. Esses serviços são gerenciados e conectados normalmente por um ESB (Enterprise Service Bus) que disponibiliza interfaces por meio de WebServices. Um exemplo de transação realizada nesta estrutura seria: o cliente faz uma chamada de requisição passando seus parâmetros necessários, e o servidor faz a execução da tarefa retornando um arquivo XML (Extensible Markup Language) resultante [Ref. 1]. Figura 2 Representação do Barramento de Serviços [Ref. 2]. Figura 1 Representação da Arquitetura Orientada a Serviços [Ref. 5]. A implementação via Web Services é considerada uma das principais maneiras de atender aos requisitos da arquitetura orientada a serviços. É uma tecnologia recente no que diz respeito a padrões de desenvolvimento de softwares distribuídos, fazendo com que aplicações consigam compartilhar facilmente informações heterogêneas. Os Web Services são componentes de desenvolvimento de aplicativos baseados em códigos abertos, oferecendo sistemas e informações pela internet que rodam em qualquer dispositivo, de desktops a celulares, de forma dinâmica. Web Services tem como sua principal característica a interoperabilidade, possuindo a capacidade de integrar aplicações e programas distintos, inclusive quando estes são criados utilizando linguagem ou plataformas diferentes. A identificação dos Web Services geralmente é feita através de URLs (Uniform Resource Locator), normalmente como é feito numa página Web. O acesso é muito semelhante ao tradicional feito na Internet, diferenciando-se na O ESB [Fig. 2] é um componente lógico de arquitetura que fornece uma infra-estrutura de integração consistente com os princípios da SOA, atendendo aos requisitos de operação em ambiente distribuído e heterogêneo [Ref. 2]. Esse barramento deve permitir a substituição de uma implementação de serviço por outra, sem qualquer efeito para os clientes desse serviço. Isso requer que as interfaces de serviços sejam independentes do local e do protocolo de comunicação que está envolvido. SOA no Universo da Automação A maioria dos sistemas de grandes empresas são legados de antigas gerações de gerências, que viviam em um mundo onde os sistemas eram projetados com o único intuito de funcionar. Eles conseguiram, pois os sistemas realmente funcionam até hoje; porém cada parte do sistema se comunica diretamente uma com a outra, e à medida que o sistema cresce essa rede de comunicações torna-se um emaranhado confuso e ilegível, e a qualquer necessidade de mudança, todo o sistema deve ser modificado, tornando-se indisponível e trazendo grandes prejuízos. Se pensarmos nos aplicativos relacionados ao universo da automação, desde o controle do processo até o nível corporativo, podemos incluir diversos sistemas nesta lista: sistemas supervisórios SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), sistemas de gerenciamento de energia EMS (Energy Management System), sistemas de histórico de processo PIMS (Plant Information Management System) 59

3 , sistemas de gestão da produção MES (Manufacturing Execution System), de gestão do empreendimento ERP (Enterprise Resource Planning), de planejamento APS (Advanced Planning & Scheduling), etc. A adoção de SOA possibilita que as funcionalidades de um sistema possam ser divididas em tarefas e abstraídas como serviços, que serão utilizados pelas aplicações do sistema. Esses diferentes serviços são entidades que podem se comunicar e podem ser combinadas para formar processos mais complexos, ou utilizadas em diversas tarefas através de uma interface comum, independentemente da plataforma de desenvolvimento das aplicações. Esse funcionamento acrescenta muito ao sistema em termos de interoperabilidade, reuso, flexibilidade e baixo acoplamento. É no SOA que está a modelagem global dos dados que estão distribuídos pelos diversos sistemas. No caso de um sistema de gestão de ativos, por exemplo, pode-se utilizar o modelo de um motor configurado e disponibilizado no barramento. Através deste modelo, o sistema pode contextualizar as informações deste motor e disponibilizá-las para cada sistema consumidor de dados. Um software SCADA, neste exemplo, pode disponibilizar os dados de monitoramento em tempo real, ao mesmo tempo que o MES forneceria os motivos de eventuais falhas ocorridas durante os últimos turnos. Para uma consulta das condições do motor pelo módulo de manutenção do ERP, bastaria acessar o conjunto de dados fornecidos sobre esse modelo. Com a modelagem e contextualização dos dados da empresa de maneira centralizada, é possível adicionar e modelar as regras de negócio da empresa em um único sistema responsável por orquestrar os processos do empreendimento. Neste cenário surge a aplicação da Gestão do Fluxo de Trabalho (Workflow Management), através da qual é possível realizar a análise e o controle da interação entre os processos, monitorando todas as informações relacionadas a cada passo da produção, a chamada orquestração do processo [Fig. 3]. Essa tecnologia é proveniente do universo de TI e representa mais um bom exemplo de convergência tecnológica, adaptada para atender às demandas da TA. cesso [Ref. 6]. Com este nível de automação dos processos e trabalhos envolvidos, pode-se atingir o nível de fluxo de trabalho contínuo, sem interrupções. O uso dessa tecnologia possibilita a execução das tarefas de uma maneira mais eficiente, integrando áreas e minimizando o problema da coordenação do trabalho entre os processos de um empreendimento industrial. Para tanto, essa tecnologia permite a troca multilateral de informações entre PLCs (Programmable Logic Controller), sistemas HMI/ SCADA, EMS, PIMS, MES, ERP, APS, etc. Algumas soluções de mercado possibilitam a utilização de uma plataforma única para atingir um ambiente de gerenciamento e configuração de produção centralizada criando uma espinha dorsal de envio de mensagens com modelos de equipamento de dados de toda a instalação e modelo de cada atividade envolvida [Ref. 3]. Essa plataforma tem a função de gerenciar e permitir a troca de dados entre diferentes serviços, responsáveis pelas mesmas funções originais de supervisão, histórico, relatórios gerenciais, alarmes/ eventos, cálculo de indicadores de desempenho do processo, etc. Essas soluções têm por objetivo consolidar e simplificar o sistema como um todo, diminuindo custos de operação, respondendo mais rapidamente às novas mudanças e facilitando o treinamento de operação/ manutenção. Dentre as características dessas soluções, podemos citar: Ambiente de Gerenciamento e Configuração Centralizado; Barramentos de Serviços em Tempo Real para dados e funcionalidades; Interface do Provedor de Serviço para Terceiros e Integração para Sistemas Legados; Dados Globais e Repositório de Serviços; Segurança Baseada em Tarefas; Serviços de Diagnóstico; etc. Figura 4 Interface gráfica de operação de processo industrial [Ref. 3]. Figura 3 Exemplo de etapas do processo e a orquestração das tarefas para produção. Workflow é definido pela WfMC (Workflow Management Coalition) como a automação total ou parcial de um processo de negócio, durante o qual documentos, informações e tarefas são passadas entre os participantes do pro- Essas soluções permitem, em geral, a interface com os sistemas SCADA originais, habilitando os usuários para operação do sistema em tempo real, de maneira integrada aos outros serviços do sistema. Exemplo desta funcionalidade pode ser visto na Figuras 4, onde é apresentada uma tela de operação de um processo industrial, com representação gráfica de elementos da planta e de alarmes do sistema. 60

4 Outro exemplo interessante é apresentado nas Figuras 5 e 6, onde pode-se observar o sistema elétrico e seus diversos circuitos, enquanto administra-se as informações de manutenção corretiva e preventiva dos equipamentos envolvidos (transformadores, seccionadoras, disjuntores, etc.). Na Figura 6, nota-se que é possível, por exemplo, armazenar e demonstrar procedimentos e conhecimentos específicos através do sistema, de modo a auxiliar os usuários em suas tarefas. Figura 5 Gerenciamento de manutenção relacionado a sistema elétrico [Ref. 3]. Figura 6 Detalhes sobre procedimento de manutenção [Ref. 3]. Exemplo de Aplicação: Smart Grid Dentro do contexto de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, a tecnologia de Smart Grid consiste numa rede de fornecimento mais inteligente que a convencional, possibilitando melhor resposta à demanda de energia, gestão inteligente de falhas, melhor integração das formas de energia renováveis e do armazenamento de energia, análise em tempo real do consumo, entre outros benefícios aos envolvidos. De maneira geral, uma rede inteligente faz uso de tecnologias da informação para melhorar a forma como a eletricidade passa de usinas de energia para os consumidores. Em segundo lugar, ela permite que os consumidores possam interagir com a grade. Em terceiro lugar, que integra tecnologias novas e melhoradas para a exploração da rede. O Smart Grid é um sistema de energia elétrica automático que monitora e controla as atividades da rede, garantindo o fluxo bidirecional de electricidade e de informações entre usinas, consumidores e todos os pontos entre eles. O que torna esta grade inteligente é a capacidade de medir, monitorar e, em alguns casos, controlar automaticamente como o sistema funciona ou se comporta em um determinado conjunto de condições. Na sua forma mais básica, a implementação de uma rede mais inteligente é a adição de inteligência para todas as áreas do sistema de energia elétrica para otimizar o uso da eletricidade [Ref. 4]. De maneira geral, as concessionárias de energia elétrica possuem diversos sistemas especialistas, cada qual com uma funcionalidade bem clara e definida. Exemplos destes sistemas são: SCADA sistemas supervisórios que permitem a operação e o controle remoto do sistema elétrico. É geralmente utilizado em Centros de Operação Centrais ou Regionais. Possui funcionalidades como: telas de operação para visualização da rede e comando remoto de elementos do sistema (disjuntores, seccionadoras, etc.), telas de alarmes e eventos (visualização de SOE, por exemplo), geração de relatórios de operação e de manobras do sistema, etc. GIS (Geographic Information System) sistema dedicado a capturar, armazenar, analisar e demonstrar informações referenciadas geograficamente. OMS (Outage Management System) sistema utilizado para controlar o serviço de equipes de campo, gerenciando o posicionamento e a disponibilidade destas equipes. Em geral, estes sistemas auxiliam o administrador a otimizar cada recursos e seus respectivos deslocamentos. Quando se utiliza uma estrutura orientada a serviços, sistemas originalmente isolados como os citados acima, tornam-se serviços fornecedores/ consumidores de dados do sistema e, através do emprego da tecnologia de Web Services, por exemplo, pode-se disponibilizar de maneira fácil e intuitiva estes serviços e suas respectivas funcionalidades para os usuários de interesse. Na Figura 7, é dado um exemplo bastante geral de Smart Grid e seus componentes de hardware e software. Uma grade inteligente permite aos fornecedores e distribuidores de energia benefícios como [Ref. 4]: Transmissão mais eficiente da eletricidade; Recuperação mais rápida da rede após os distúrbios de alimentação; Redução dos custos de operações e gestão de serviços públicos, e mesmo dos consumidores, através da integração de análises preditivas, auto-diagnóstico, e de tecnologias de auto-reparo; Redução de picos de demanda, o que também auxilia na redução das taxas de eletricidade; Maior integração da geração e da rede de distribuição; Maior segurança. 61

5 62 Figura 7 Exemplo de Smart Grid e seus componentes de software e hardware. Uma grade inteligente permite aos consumidores de energia consultar seu consumo em tempo real, sem ter de esperar a conta ao final do mês. Isso possibilita um controle maior sobre a utilização da energia em residências e escritórios, trazendo a possibilidade de planejar um escalonamento de carga e de utilização de equipamentos, além de permitir a estimativa da conta de energia que deverá ser paga ao final do mês [Fig. 8 e 9]. Um Smart Grid também poderia permitir, por exemplo, que um pequeno fornecedor de energia (eólica, solar ou outro tipo de geração local) pudesse adicionar sua energia no sistema e vender a eletricidade excedente para a rede nacional. Figura 8 Smart Grid: exemplo de visualização de dados sobre consumo e demanda. Figura 9 Smart Grid: exemplo de visualização de dados sobre consumo [Fonte: ilink Systems]. Conclusão O ambiente de automação tem utilizado cada vez mais as tecnologias e os conceitos provenientes do universo de TI. Sem dúvida, softwares de TA e soluções de TI caminham para a mesma direção. Algumas soluções são adequadas aos dois ambientes desde seu surgimento. Em praticamente todas as demais, nota-se que o tempo entre o surgimento de uma nova tecnologia em TI e sua adaptação ao mundo de TA tem sido reduzido rapidamente. Como visto, SOA é um modelo conceitual de arquitetura, ou seja, não é uma ferramenta de desenvolvimento, ou um produto de software que se compra. SOA é um paradigma, um estilo de desenvolvimento largamente utilizado para sistemas distribuídos de grande porte. Portanto, a forma como o SOA é implementado depende apenas do gerenciamento de TI da empresa ou de um projeto, que vai determinar a infra-estrutura e a arquitetura que melhor se adaptarão às suas necessidades de negócios. Vale ressaltar que SOA não é simplesmente uma questão de implantação de novas tecnologias e interfaces de serviços para construção de aplicações existentes; em geral, pode ser exigida a reformulação de todo o conjunto de aplicativos da empresa. Isso requer uma enorme mudança na operação do sistema e exige que a implementação da nova arquitetura seja muito bem justificada e largamente planejada. Como foi visto, a utilização de SOA pode facilitar e tornar efetiva a criação de sistemas complexos, tais como a aplicação de Smart Grid em elétrica, Cadeia de Fornecimento (Supply Chain), Gerenciamento de Ativos Industriais (Asset Management), entre outros sistemas. Quando devidamente implementado, SOA traz benefícios aos seus usuários ao possibilitar a representação de um sistema através de serviços, que podem ser utilizados por aplicações diferentes através de interfaces bem definidas, legíveis do ponto de vista dos negócios e independente da plataforma de desenvolvimento das aplicações. Afinal, interoperabilidade, reuso, flexibilidade e baixo acoplamento são características valiosas em qualquer ambiente. Referências [1] MESA International, IBM Corporation e Capgemini. SOA in Manufacturing Guidebook - White Paper 27. Maio, [2] IBM Corporation. Patterns: Implementing an SOA Using an Enterprise Service Bus. Julho, [3] GE Intelligent Platforms. Proficy SOA. Página visitada em 23 de fevereiro de [ [4] SmartGrid.gov. Smart Grid Basics and Benefits. Página visitada em 20 de fevereiro de [ [5] Eduardo Vieira. SOA Eu realmente preciso disso? Página visitada em 25 de fevereiro de [ [6] Workflow Management Coalition. Página visitada em 20 de maio de [ [7] SOA Working Group of The Open Group. Definition of SOA. Página visitada em 26 de maio de [ doc.tpl?gdid=10632] [8] OASIS. Reference Model for Service Oriented Architecture 1.0. Página visitada em 26 de maio de [ [9] Boris Lublinsky, IBM Corporation. Defining SOA as an architectural style. Página visitada em 26 de maio de [ developerworks/library/ar-soastyle/] [10] Chris Harding, The Open Group. Achieving Business Agility through Model-Driven SOA. Página visitada em 26 de maio de [