Blue Ocean Desenvolvimento de um Sistema SCADA para Pipelines

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Blue Ocean Desenvolvimento de um Sistema SCADA para Pipelines Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Thiago de Freitas Santos Florianópolis, Março de 2007

2 Blue Ocean Desenvolvimento de um Sistema SCADA para Pipelines Thiago de Freitas Santos Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Banca Examinadora: Fábio Dias Fagundez Paulo Armando Rêgo Orientadores da Empresa Prof. Agustinho Plucênio Orientador do Curso Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Nestor Roqueiro, Avaliador Guilherme Castro Royer, Debatedor Marcelo de Saulnier Fuchs, Debatedor

3 Agradecimentos Foram cinco anos excelentes, sobre todos os aspectos. Tenho muito a agradecer a todos que me ensinaram, sobre vida e Engenharia, e me apoiaram para chegar até aqui. Primeiramente, agradeço à Deus, Senhor desse mundo, pela vida, saúde e paz. Agradeço à minha família, minha inspiração, meu exemplo, pelo amor e apoio incondicional. Sem minha mãe, meu pai e meu irmão, certamente não chegaria tão longe. Não foi fácil suportar a distância, mas ela nos uniu e nos fortaleceu. Agradeço à Marianna, meu amor, leitora e revisora oficial, pela motivação, ajuda e carinho. Nossos planos tornam mais saborosas todas as conquistas, ainda teremos muitas. Ao Fábio, meu grande incentivador no projeto, pelo entusiasmo, orientação e amizade. Ao Paulinho e toda a equipe de desenvolvedores da Chemtech: Ricardo, André, Ramon, Loriato, Alexandre, Schirmer e Britto, pelo companheirismo, pela dedicação, pelos ensinamentos. Agradeço ao Agustinho, pela paciência, pelo comprometimento, pela ajuda. Aos professores do DAS, que ensinaram, cobraram e formaram uma base sólida. Aos amigos de faculdade, pela amizade verdadeira, pelos bons momentos, pela parceria. Vocês serão sempre especiais para mim. Agradeço ainda o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustiveis-ANP e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor do Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. A Todos, muito obrigado!

4 Resumo Sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) são de fundamental importância para indústria nos mais diversos setores. Esses sistemas concentram informações da planta, fornecendo status em tempo real de milhares de equipamentos e instrumentos. Áreas de operação e manutenção lidam diariamente com sistemas SCADA. SCADA s modernos têm expandido sua fronteira de atuação. Além de exibirem o panorama atual de operação eles têm armazenado dados históricos e distribuído informações através de interfaces padrão, como OPC. Eles têm também permitido o acoplamento de sistemas externos voltados para o ramo de atuação da indústria. Pipelines são componentes essenciais na distribuição de óleo e gás em todo o mundo. Sistemas SCADA são fundamentais no controle e manutenção dos dutos, estações de bombeamento e compressão e nas unidades de medição. Os SCADA s aplicados à pipelines possuem peculiaridades, principalmente devido à separação espacial dos equipamentos e a existência de sistemas externos, como os sistemas de controle de materiais transportados, detecção de vazamento e medição de órgãos de fiscalização. Esse trabalho propõe-se a mostrar as fases iniciais de desenvolvimento de um sistema SCADA moderno para pipelines, em um projeto chamado Blue Ocean, desenvolvido pela empresa Chemtech. O projeto Blue Ocean foi contratado pela Siemens, que visava, inicialmente, empregar o SCADA desenvolvido em pipelines de um cliente da África do Sul. O SCADA desenvolvido será empregado em pipelines novos e também substituirá sistemas já implantados. Será apresentada a arquitetura, a plataforma de desenvolvimento e as primeiras etapas de construção desse novo sistema, com ênfase na atuação do autor. ii

5 Abstract SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Systems are of great importance for industry in all areas. These systems concentrate information of the plant, providing real time status of thousand of equipments and instruments. Operation and maintenance staff deal daily with SCADA systems. Modern SCADAs have expanded its applicability. Beyond showing the current state of operation process, these systems have stored historical data and distributed information through standard interfaces, such as OPC. They have also allowed the coupling of external systems. Pipelines are the main way to transport oil and gas in the world. SCADA Systems are essential for controlling and maintenance of ducts, pumping and compressing stations, and in the units of measurement. SCADAs employed in pipelines has peculiarities, mainly due to space distribution of the equipment and the presence of external systems, such as batch tracking systems, leak detection and regulatory measurements. This document intents to show the initial phases of development of a modern SCADA system for pipelines, in a project called Blue Ocean, which were developed by Chemtech company. Blue Ocean project was contracted by Siemens, who aimed to use the SCADA in pipelines of a customer in South Africa. The built SCADA will be employed in brand new pipelines and also in operational ones. This document will present the architecture, platform and the first stages of development of this new system. It will be emphasized the tasks performed by the author. iii

6 Sumário Agradecimentos...i Resumo... ii Abstract... iii Sumário... iv Simbologia... vii Capítulo 1: Introdução : A Empresa : SCADA : Pipelines : Histórico : Organizacional : SCADA para pipelines : Projeto Blue Ocean : SiSchedX : Contexto de Engenharia de Controle e Automação : Estrutura do Documento...13 Capítulo 2: Estrutura do Sistema SCADA : Arquitetura : Requisitos do sistema : Atores do sistema SCADA : Modelos de arquitetura e subsistemas : Plataforma de Desenvolvimento : Linguagem de programação - JAVA...21 iv

7 2.2.2: Plataforma Eclipse RCP : J-Integra para COM : JGo : Gerenciador de Scripts BeanShell : Open Splice DDS middleware : MySQL : Cronograma : Fase Zero : Fase de Elaboração...28 Capítulo 3: Atividades Desenvolvidas : Preparação Treinamentos : Curso de PCS : Curso de P&ID : Curso de Java : Seminários em Eclipse RCP : Conhecer o sistema SCADA atualmente implantado : LSX : CS : Análise de mercado : Bancada de testes para a Prova de Conceito : Experimento do desafio de controle : Configuração de um servidor OPC : Estrutura completa da bancada de testes : Elaboração do Plano de testes : Testes de comunicação : MySQL...45 v

8 3.5.3: Interface Gráfica : Modularidade : Portabilidade : Testes : Apresentação : Ferramenta de Configuração de Engenharia : Importância : Estrutura do Aplicativo : Detalhamento do Aplicativo : Testes para Finalização da versão : Revisão da arquitetura : Definição da bancada final de testes : CLP S : Módulo TIM : Arranjo dos equipamentos : Detalhamento da bancada : Reformulação do Plano de testes : Teste versão para apresentação...63 Capítulo 4: Conclusões e Perspectivas...64 Bibliografia:...65 vi

9 Simbologia AOPL - Association of Oil Pipe Line CLP Controlador Lógico Programável COM Component Object Model DCOM Distributed Component Object Model DCS - Distributed Control System ISA - Instrument Society of America ODBC Open Database Connectivity OLE Object Linking and Embedding OPC OLE for Process Control OPC AE - Alarm and Event OPC DA - Data Access OPC DX - Data Exchange OPC HDA - OPC Historical Data Access P&ID - Piping and Instrumentation Diagram QoS Quality of Service RTRDB Real-time Relational Database RTU Remote Telemetry (or Terminal) Unit SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition vii

10 Capítulo 1: Introdução 1.1: A Empresa A Chemtech foi criada em 1989 por três engenheiros químicos recémformados do Instituto Militar de Engenharia (IME) do Rio de Janeiro. Inicialmente, os projetos eram voltados para sistemas na área de processos, sendo o maior cliente, na época, o centro de Pesquisas da Petrobras (CENPES). Os primeiros projetos, como o simulador de processos Petrox - ainda hoje utilizado na Petrobras, tiveram grande sucesso e abriram caminho para outros trabalhos. A qualidade dos produtos gerados e a gestão dos projetos permitiram que a Chemtech conquistasse gradativamente seu mercado, crescendo e expandindo sua carteira de clientes. O reconhecimento dos clientes, o padrão mundial de qualidade e a linha de soluções da Chemtech foram fatores decisivos de sua escolha pela Siemens, em 2001, para ser a responsável pela área de Tecnologia de Informação para plantas de processo nos países do Mercosul e México. Desde então, a Chemtech, aliada a uma das mais respeitadas corporações mundiais de engenharia, cresceu consideravelmente. O mercado de Óleo e Gás é, e sempre foi, o maior cliente da Chemtech, dividido entre empresas representativas como Petrobras, Exxon Mobil, Chevron e Shell. Os trabalhos nessa área permitiram a atuação em projetos em diversos países do mundo: Alemanha, Estados Unidos, Rússia, Japão, Cingapura, Tailândia, Arábia Saudita, França, África do Sul, Canadá e Espanha. Gradualmente, a Chemtech abriu as portas para as mais diversas áreas de atuação, como representado na Figura 1. Seus clientes se distribuem nos seguintes mercados: Software, Água e Energia Elétrica, Metais e Mineração, Papel e Celulose, Petróleo e Gás, Petroquímica e Química. 1

11 Figura 1 - Áreas de atuação Chemtech Dezoito anos depois de sua criação, a Chemtech tornou-se uma empresa líder de mercado, ocupando um nicho específico e aliando diversas áreas de engenharia, sempre combinando conhecimento de processo ao domínio das mais modernas soluções em Tecnologia da Informação. Como parte da Siemens, a Chemtech oferece basicamente três grandes grupos de soluções: Conceituar e projetar No projeto conceitual e na engenharia básica é feito um uso intensivo da simulação de processos e da fluidodinâmica computacional. O objetivo é chegar aos melhores arranjos e dimensões de equipamentos e às melhores condições operacionais para os processos de transformação e agregação de valor que ocorrem nas indústrias. Negócios e processos Fluxo de informação entre o chão de fábrica e o nível corporativo do cliente. Inclui desde os serviço de automação industrial até a integração com os sistemas ERP, envolvendo a implantação dos sistemas de informação e de sistemas LIMS e MES. O objetivo é desenvolver a integração entre as diversas áreas da empresa a fim de maximizar seu desempenho como um todo. 2

12 Operação e produção Otimização do processo e da produção. Inclui a sintonia de malhas de controle, o controle avançado do processo, a otimização e o planejamento e a programação avançada de produção. O objetivo é elaborar e executar estratégias para o melhor aproveitamento das oportunidades da empresa em relação aos recursos e às restrições existentes. 1.2: SCADA Um sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) é formado por terminais remotos que coletam dados de campo e transmitem esses dados a uma estação principal através de um sistema de comunicação. A estação principal exibe os dados adquiridos e também permite que o operador execute tarefas de controle remoto [ 1 ]. De forma simplificada, SCADA é um sistema que troca sinais codificados através de canais de comunicação com o intuito de prover controle sobre os equipamentos das Unidades Terminais Remotas (RTU) [ 6 ]. Sistemas SCADA surgiram da necessidade de um frontend (interface) para sistemas de controle com CLP s (Controladores Lógicos Programáveis). Os CLP s, embora executem tarefas de medição e controle, não disponibilizam uma interface para monitoramento e atuação dos operadores. Os sistemas SCADA podem adquirir dados dos CLP s através de diversos métodos e protocolos de comunicação. Eles, então, agrupam e formatam a informação de maneira adequada para a interpretação do usuário. A partir da década de 90, o papel dos sistemas incorporou maiores funcionalidades automáticas, como a conexão a bancos de dados para o fornecimento de gráficos em tempo-real, as informações de diagnóstico e logística, os procedimentos agendados de manutenção, os esquemas detalhados para máquinas e equipamentos, entre outros. Em questão de poucos anos, a maioria dos fabricantes de CLP s já ofereciam sistemas SCADA integrados, muitos desses já com protocolos de comunicação abertos e não-proprietários. 3

13 Os três componentes principais de um sistema SCADA são: Unidades Terminais Remotas (RTU s): Majoritariamente, são os CLP s distribuídos no nível de campo. Conectam-se aos equipamentos, lêem informações de status como o sinal aberto/fechado de uma válvula e realizam medições como pressão, fluxo, tensão e corrente. Tais equipamentos também podem ser controlados através do envio de sinais com comandos, tais como abrir/fechar ou definir o set point de uma bomba hidráulica; Estação Servidora e MMI s: As Estações Servidoras são responsáveis pela comunicação com os equipamentos de campo (RTU s, CLP s). MMI s (Man Machine Interface) são os elementos de visualização (clientes) das informações geradas pela Estação Servidora. As MMI s também permitem aos usuários o envio de comandos a Estação Servidora, as quais os repassam aos equipamentos de controle em campo. Infra-estrutura de Comunicação: Sistemas SCADA utilizam, tradicionalmente, combinações de rádio e conexões diretas seriais ou por modem, para realizarem a troca de dados. No entanto, a partir do ano 2000, ampliou-se o uso de Ethernet (IEEE 802.3) e IP sobre SONET (GR-253-CORE), especialmente em grandes plantas com grande número de pontos, como geradoras de energia. Padrões como IEC ou 104, Profibus e DNP3 - atualmente com extensões para TCP/IP, são reconhecidos pela maioria dos fabricantes de sistemas SCADA. 1.3: Pipelines 1 Pipelines (dutos) são usados predominante no transporte de petróleo e gás entre as unidades produtoras, de tratamento e distribuidoras em todo o mundo. A 1 O conjunto de dutos e demais componentes que viabilizam o transporte de óleo e gás recebe a denominação pipeline na língua inglesa. No português é feita a diferenciação entre gasoduto e oleoduto conforme o transporte seja de gás ou óleo. Para maior simplicidade utiliza-se neste documento o termo pipeline para referir-se a um duto que transporte óleo ou gás. 4

14 sua aplicação é a forma mais rápida, confiável e de baixo custo para o transporte de óleo e gás. Mais do que isso, os pipelines representam a única forma viável de atender a enorme demanda global. Por exemplo, para substituir um oleoduto de pequena dimensão que transporta 150 mil barris de petróleo por dia, é necessário carregar e descarregar 750 caminhões. Em escala mundial, são consumidos diariamente cerca de 80 milhões de barris de petróleo. Figura 2 - Etapas de produção do petróleo Além de eficiente, o transporte por pipelines também é seguro. Em 1998, uma pesquisa comparou a tecnologia com outras formas de transporte e apontou 3 que apenas 0,027x 10 % dos acidentes fatais nos Estados Unidos foram causados pelo sistema : Histórico Os primeiros pipelines construídos no mundo eram feitos de madeira ou ferro e atendiam predominantemente o transporte de gás natural na Europa e nos Estados Unidos. Após a Segunda Guerra Mundial, o desenvolvimento da metalurgia, das tecnologias de soldagem e de enrolamento de dutos provocou um grande crescimento da utilização deste sistema de transporte. Em 1998, havia mais de 857 mil quilômetros de pipelines voltados unicamente para o transporte de gás natural em todo o mundo. No Brasil, o bombeamento de petróleo por pipelines começou em Nos anos 60, foi construído o primeiro oleoduto de longa distância brasileiro, ligando 5

15 Terminal da Guanabara (TORGUÁ) e a Refinaria Duque de Caxias (REDUC), no Rio de Janeiro. Atualmente, a Transpetro (Petrobras Transportes S.A.), maior transportadora brasileira, é responsável por 10 mil quilômetros de rede dutoviária, transportando petróleo e derivados, gás natural e álcool. Em 2005, a carga transportada pela Transpetro registrou 640 milhões de metros cúbicos : Organizacional Os sistemas de pipelines são formados por três unidades básicas: os próprios dutos, as estações de bombeamento ou compressão e as estações de medição. Essas unidades se encaixam em uma estrutura organizacional que pode ser subdividida em Suporte Corporativo, Manutenção, Operação e Suporte ao Consumidor, [ 2 ]. Detalhes dessa divisão são mostrados na Figura 3. O sistema de automação implantado nos pipelines integra e agiliza a execução da maioria das funções da estrutura organizacional. Manutenção e Operação são diretamente impactadas e as outras esferas sofrem influência indireta, mas também significativa. O grau de automação dos pipelines é item determinante em sua performance e competitividade no mercado. 6

16 Figura 3 - Distribuição organizacional de um pipeline 1.3.3: SCADA para pipelines O centro de operações de qualquer pipeline, chamado Centro de Controle, monitora e controla os dutos, bombas, estações de compressão e unidades de medição. O sistema que usualmente realiza essa operação de controle e monitoramento é um sistema SCADA. 7

17 A tecnologia usada nos sistemas computacionais e de telecomunicações determinam a funcionalidade, escopo e capacidade dos sistemas SCADA utilizados em pipelines. Figura 4- Exemplo de tela de um sistema SCADA para pipelines Além das funções de monitoramento e controle, os sistemas SCADA concentram dados de outros sistemas de informação nas aplicações para pipelines. Alguns softwares usualmente associados aos sistemas SCADAS, têm as seguintes funções [ 2 ]: Simulação de pipelines; Gerenciamento de tanques; Detecção de vazamentos; Monitoramento de carregamentos (batch tracking); Totalização de vazão; Cobrança e rateio de taxas (billing); Geração de relatórios para clientes. 8

18 Atualmente, é possível apontar diversas melhorias e retrofits para os pipelines instalados em todo o mundo. Muitos sistemas são complexos para operar sem automação. Outros sistemas exigem mais recursos de automação com a ampliação da linha. Em alguns casos, a transição de sistema de operação manual para outro automático exige atualização completa desde a unidade de controle até o SCADA. As modificações nas unidades locais de produção e nos sistemas SCADA, com o intuito de torná-los mais automatizados, normalmente têm três objetivos principais: custo, confiabilidade e eficiência. 1.4: Projeto Blue Ocean O projeto Blue Ocean visa desenvolver um sistema SCADA voltado para o mercado de pipelines. O projeto foi contratado pela Siemens AG (Alemanha) para atender, inicialmente, a maior transportadora de Petróleo da África do Sul, que tem seus pipelines controlados por CLP's e SCADA da empresa alemã. No entanto, o sistema supervisório instalado pela Siemens, chamado LSX, se encontra ultrapassado, não atendendo a todas as necessidades da empresa. A falta de flexibilidade e custo de configuração do sistema atual exigiram que a operadora de pipelines pedisse ao seu fornecedor (Siemens) uma solução mais moderna e adequada aos padrões internacionais de monitoramento e controle. A Siemens dispunha no mercado de outros produtos que poderiam atender o cliente. Em particular, uma suíte de aplicações para SCADA e DCS (Distributed Control System) para plantas de processo. Entretanto, uma análise mais detalhada mostrou que a simples substituição do sistema SCADA, como ocorria em outras indústrias, era uma solução mais cara e menos eficiente que a construção de um sistema totalmente novo e voltado para essa área especificamente. Geralmente tal solução não é empregada na indústria, a qual prefere utilizar softwares convencionais configurados para suas aplicações. Contudo, os pipelines apresentam uma série de peculiaridades que fazem com que a adaptação de produtos convencionais seja bastante difícil e por vezes não atenda completamente as necessidades do sistema. 9

19 As principais características limitantes do pipeline até então instalado são: O SCADA (LSX) opera em um sistema operacional UNIX (Solaris) e o cliente não gostaria de migrar para outro sistema operacional, tal como Windows; As telas do sistema supervisório atual e sua estrutura de banco de dados dificilmente seriam adaptadas a um SCADA comercial; O hardware atualmente usado no pipeline limita consideravelmente a troca de dados a longa distância. Um protocolo especificamente desenvolvido para a aplicação sul-africana contorna essa limitação. Entretanto, esse protocolo não é suportado por nenhum outro SCADA; O procedimento de configuração do sistema SCADA demanda muito tempo e é feito apenas por engenheiros da Siemens na Alemanha. Nesse contexto, a Chemtech pertencente ao grupo Siemens e já atuante em outros projetos de sucesso - se mostrou como a empresa ideal para esse novo desenvolvimento. Apesar de inicialmente estruturado como solução para o pipeline do cliente sul-africano, o SCADA desenvolvido no projeto Blue Ocean tem um objetivo maior. O SCADA deve ser uma solução ampla voltada para o mercado, não apenas para o cliente inicial. Mais do que atender às necessidades do sistema da África do Sul, ele deve se basear em padrões modernos e largamente aceitos, atendendo os requisitos críticos dos sistemas de pipelines. Durante a fase de planejamento e análise, os pontos de enfoque do novo sistema foram enumerados: Integridade dos dados; Redundância e disponibilidade do sistema; Redução dos custos de configuração e engenharia; Facilidade de operação; Escalabilidade; Uso de modernas técnicas de software; Redução dos custos de operação dos pipelines; 10

20 Prover mecanismo de integração com aplicações externas e típicas do mercado de pipelines; Prover integração com sistemas e dispositivos legados; Modularidade; Segurança; Portabilidade; 1.4.1: SiSchedX Mesmo fazendo parte do grupo Siemens, a conquista do projeto Blue Ocean é fruto da qualidade de trabalhos anteriores realizados pela Chemtech. O reconhecimento da capacidade da empresa deu-se, principalmente, pela confiança adquirida em um outro projeto, liderado pela mesma equipe que assumiu o desenvolvimento do Blue Ocean. Esse outro projeto gerou o produto SiSchedX da Siemens. SischedX (Siemens Scheduling expert) é um produto para planejamento e programação de produção em refinarias de petróleo. Ele permite que a programação diária da produção em uma refinaria seja feita com auxílio de simulação e análise de cenários. Assim, ele oferece um desenho de toda a planta e acessa sistemas ERP, LIMS, PIMS ou quaisquer outros com informações relevantes. Utilizando dados reais, simula diferentes seqüências de produção. Atualmente, o SischedX é utilizado com sucesso numa das maiores refinarias brasileiras, a REPLAN. O conhecimento adquirido com esse projeto relaciona-se diretamente com os principais objetivos do Blue Ocean : Contexto de Engenharia de Controle e Automação O projeto de um sistema SCADA é um projeto de automação. O SCADA desempenha papel fundamental na automação industrial, ele reúne as informações de chão de fábrica e permite o controle sobre toda a planta. Um grande conjunto de disciplinas vistas durante o curso são abordadas no desenvolvimento de um sistema SCADA, dentre elas: Informática Industrial, Redes de Computadores para Automação, Sistemas de Banco de Dados, Sistemas 11

21 Distribuídos, Instrumentação, Integração de Sistemas Corporativos e Metodologia para Desenvolvimento de sistemas. Primeiramente, é necessário conhecimento de redes industriais, uma vez que serão desenvolvidos protocolos para comunicação com os CLP s. Fazem parte do escopo do projeto, a adequação tanto a protocolos padrões da indústria, como IEC , DNP3 e ModBus, quanto a um protocolo específico para o sistema de pipelines da África do Sul, o Siemens EDC (Event Driven Communication). Dentro do âmbito da disciplina de Integração de Sistemas Corporativos, o SCADA deverá prover servidor e cliente OPC, aderindo, novamente, aos padrões industriais de automação. A programação do sistema SCADA será feita em linguagem orientada a objetos, Java, utilizando-se técnicas de modelagem. O banco de dados relacional tem enorme importância em um sistema SCADA e no projeto Blue Ocean, especificamente. O banco de dados existente no pipeline deverá ser incorporado, o acesso a ele será feito utilizando-se interface JDBC/ODBC. A instrumentação de campo e estações SCADA são distribuídas pelos vários quilômetros de um pipeline. É fundamental conhecer a forma de comunicação e atuação dos instrumentos de campo e a integração entre as instâncias do SCADA nesse projeto, da mesma forma que a estrutura de armazenamento de dados do CLP e a sua forma de comunicação são importantes para o desenvolvimento de um SCADA eficiente. Desta forma, os conhecimentos adquiridos em informática industrial são imprescindíveis. Por fim, a integração entre várias tecnologias e disciplinas é um ambiente onde o Engenheiro de Controle e Automação sente-se confortável e pode desempenhar sua função da melhor forma. 12

22 1.5: Estrutura do Documento Este documento visa mostrar as etapas de desenvolvimento do projeto Blue Ocean, enfatizando as minhas atividades em seu contexto. A organização dos capítulos foi feita de seguinte forma: Capítulo 2 - Será dada uma visão geral do projeto, apresentando a arquitetura proposta, a metodologia de desenvolvimento e o cronograma de atividades. Capítulo 3 - Serão detalhadas as etapas do projeto em que tive uma participação efetiva. Os resultados de cada etapa são mostrados paralelamente. Capítulo 4 As conclusões e resultados são o foco desse capítulo. 13

23 Capítulo 2: Estrutura do Sistema SCADA 2.1: Arquitetura 2.1.1: Requisitos do sistema O sistema tem como objetivo se adequar a pipelines em diferentes etapas de desenvolvimento. Dessa forma, três distintos tipos de projetos de pipelines foram considerados: Green field Um novo pipeline está sendo instalado e tanto os instrumentos de campo quanto o software são projetados para trabalhar em conjunto; Retrofit Total Infra-estrutura, instrumentos de campo e o sistema SCADA é modernizado em um pipeline já em funcionamento; Retrofit do SCADA Apenas o sistema SCADA em funcionamento é modernizado. O sistema SCADA deve, assim, ter uma base sólida que o torne um produto aplicável nas três situações listadas, além de ser um produto competitivo comercialmente, reunindo todas as características que um moderno SCADA deve possuir. Os elementos centrais buscados para a arquitetura do projeto Blue Ocean são: Adequação a protocolos padrões (OPC e ODBC, por exemplo); Confiabilidade; Independência de sistema operacional; Troca de componentes durante a execução sem perda de desempenho; Integração com sistemas de banco de dados em tempo real; Escalabilidade da interface do usuário; Configuração de perfis de usuário; Permissões específicas para cada perfil de usuário; Cerne do sistema acessível através de múltiplas interfaces; 14

24 Ferramentas de configuração (também denominadas ferramentas de engenharia ) rápidas e fáceis de manusear; Mecanismo flexível para integração dos sistemas e dispositivos legados : Atores do sistema SCADA O ponto de partida para a construção do software foi o levantamento dos atores que deverão interagir com o sistema SCADA. Atores são usuários e/ou outros meios externos que desenvolvem algum papel em relação ao sistema. Os meios externos são hardwares e/ou softwares que, assim como os usuários, geram informações para o sistema ou necessitam de informações geradas a partir do sistema. Os possíveis atores para o Blue Ocean são: Operadores dos pipelines; Engenheiros de configuração; Gerentes de produção; Softwares externos (geram e consome informações do SCADA). sistema. A seguir, é feito um detalhamento do comportamento de cada ator perante o Operadores de pipelines Os operadores de pipelines são os responsáveis por verificar o funcionamento da planta. Eles geralmente atuam monitorando as variáveis de processo ou guiando as máquinas em caso de quebra ou erro na lógica que as comanda. Os operadores estão interessados em valores de variáveis restritos a um curto espaço de tempo, geralmente o próprio turno em que ele está operando, uma vez que sua função é garantir o funcionamento correto da planta, com máxima produtividade e risco mínimo. 15

25 Assim, o SCADA deve prover informações em tempo real (dados de processo e alarmes), além de uma forma de disponibilizar histórico recente, procurar itens e alterar valores de variáveis. Os interesses dos operadores podem ser resumidos em: Visualizar dados em tempo real e obter com facilidade (de preferência com um único clique) o histórico recente daquele dado se possível na forma de um gráfico; Controlar o sistema de múltiplas estações, e possivelmente de estações remotas; Modificar, comparar e procurar por itens e valores de forma rápida e fácil; Exportar dados em diferentes formatos, para confecção de relatórios de operação. Engenheiros Os engenheiros configuram a aplicação com o intuito de adequá-la ao processo e eles também desenvolvem conectores que permitem ao sistema SCADA comunicar com outras aplicações como sistemas legados e aplicações de pipelines. Engenheiros normalmente estão interessados em: Facilidade de extensão e customização; Criação de uma aplicação adequada ao processo; Facilidade de integração com outros sistemas e dispositivos; Escrita de aplicação baseada em plataforma moderna e difundida; Suporte remoto ao sistema através de redes públicas; Minimização do esforço de configuração através do reuso de aplicação e componentes de software; Gerentes 16

26 Em geral, os gerentes de produção são usuários de aplicações adjacentes ao SCADA, mas não do cerne do sistema. Os gerentes devem ter acesso a relatórios e gráficos informando estado e operação do pipeline. Os relatórios devem destacar os eventos mais relevantes como acionamento de alarmes de prioridade alta, paradas na produção, índices de produtividade. Possivelmente, os gerentes desejarão ter acesso ao sistema a partir de diferentes localidades através da rede mundial de computadores (World Wide Web). Outros Sistemas Tradicionalmente, sistemas SCADA estão completamente isolados de informações gerenciais e sistemas de decisão. Entretanto, ao passo que novas tecnologias de integração surgem, alguns dados adquiridos dos sistemas SCADA precisam ser disponibilizados para sistemas em um patamar superior. Essas informações permitem a tomada de decisões estratégicas em relação à operação e utilização dos pipelines. O mercado de pipelines tem sofrido alterações dramáticas e nos dias atuais os operadores devem ser capazes de planejar e reagir em curtos horizontes de tempo. Esse fator, em adição com o crescente nível de complexidade das operações, tem transformado informações anteriormente operacionais (leitura dos medidores, resultados do SCADA) em informações chave para os negócios. A Tabela 1 apresenta os sistemas comumente integrados ao sistema SCADA para pipelines e sua classificação por prioridade desde 1 (menor prioridade) a 5 (maior prioridade). Observe que as aplicações classificadas como 5 são extremamente recomendadas para serem incluídas na base de um sistema SCADA, de forma que esse se torne um produto comercialmente viável. Também é importante ressaltar que essas prioridades variam de segmento a segmento; para pipelines maiores e mais complexos as prioridades podem ser diferentes. A Tabela 1 apenas indica as prioridades de forma geral. 17

27 Tabela 1 - Sistemas externos ao SCADA Otimização do pipeline 1 Requisições para entrega de carregamento (para gases seria alterada para 4) Previsões e modelagem (Estudo hidráulicos off-line, provisão de carregamento, modelos preditivos) 2 3 Simuladores para treinamento de operadores 2 Detecção de vazamentos 4 Sistemas de informação geográfica 3 Gerenciamento de ativos e contabilidade 3 Relatórios: consumidores, internos e de regulação 5 Monitoramento de Pig / Batelada : Modelos de arquitetura e subsistemas O SCADA proposto está dividido em 5 módulos principais: Módulo de configuração e engenharia (EC) Modulo de gerenciamento de dados e eventos (DEM) Módulo de comunicação de campo (FC) Interface homem-máquina (MMI) API para aplicações externas (API) Os módulos acima listados foram projetados para possuir baixo nível de dependência, o que permite a criação de dois diferentes versões de servidores SCADA: uma versão com todas as ferramentas, denominada de SCADA Server e uma versão compacta denominada SCADA de campo. Servidor SCADA 18

28 Esta constitui a versão global do servidor SCADA, executando todas as funções de supervisão e gerenciamento providas pelos módulos EC, DEM, FC e MMI. Ela provê ainda uma API bem definida para conexão de aplicações relacionadas ao pipeline. Versão que suporta os clientes empregados por engenheiros e operadores e que serve a todos os atores do sistema SCADA. SCADA de Campo Esta versão compacta do SCADA contém apenas os módulos DEM e FC e, consequentemente, suportam apenas as funcionalidades relacionadas a esses. Ele pode ser usado somente por arquivos de configuração e para permitir a disponibilidade de informações em toda a rede de pipeline. Como conseqüência de tal aproximação modular, algumas vantagens podem ser listadas: Estações servidoras e de campo podem ser facilmente trocadas, sempre observando a adição e redução de funcionalidades em cada unidade; Estações servidoras e de campo podem compor ou deixar a topologia sem quebrar a redundância de dados através da rede; Consumidores podem escolher quantas licenças de cada tipo de servidor eles desejam e adquiri-los de forma a compor sua topologia SCADA. Uma configuração típica teria um Servidor SCADA na estação principal, Servidor SCADA de backup nas estações de backup e algumas instâncias do SCADA de campo na rede de pipeline, no caso dessa rede ser muito grande ou complexa. A Figura 5 apresenta um esquemático dos referidos servidores e os módulos que os compõem. 19

29 Figura 5 - Visão geral da arquitetura 20

30 2.2: Plataforma de Desenvolvimento Com a finalidade de preencher todos os requisitos expostos anteriormente, tais como: alta confiabilidade, acesso a dados em tempo real, facilidade de integração como aplicações externas, modularidade, compatibilidade com diferentes sistemas operacionais, aparência e usabilidade semelhantes às do Windows, foi escolhida uma plataforma de desenvolvimento e alguns componentes de terceiros. O detalhamento desses componentes é feito a seguir : Linguagem de programação - JAVA A escolha de Java deve-se a uma série de motivos. Primeiramente, pretendia-se usar uma linguagem completamente orientada a objetos, com uma grande variedade de ferramentas e componentes. Além disso, a máquina virtual de Java permite que as aplicações construídas nessa linguagem sejam executadas na maioria dos sistemas operacionais. Existe ainda diversas bibliotecas livres, amplamente difundidas e confiáveis disponíveis nessa linguagem. Outro motivo, não menos importante, é que a equipe da Chemtech estava habituada com desenvolvimento em Java : Plataforma Eclipse RCP Eclipse é uma comunidade de código aberto cujos projetos focam-se na construção de uma plataforma aberta de desenvolvimento. Essa plataforma permite a construção, implementação e gerenciamento de software durante seu ciclo de vida [ 4 ]. A mais conhecida e utilizada funcionalidade do Eclipse é o kit de desenvolvimento de software (SDK) que reúne tanto o ambiente integrado de desenvolvimento (IDE) para Java, quanto uma ferramenta para implementação de produtos baseados na Plataforma Eclipse. 21

31 O kit de desenvolvimento de software do Eclipse (SDK) combina várias frentes de desenvolvimento do projeto Eclipse: Plataforma, Ferramenta de desenvolvimento Java (JDT) e o ambiente de Desenvolvimento de Plug-ins (PDE). A plataforma Eclipse contém todas as funcionalidades necessárias para a construção de uma IDE. No entanto, a plataforma Eclipse nada mais é do que um conjunto de componentes. Assim, é possível usar um subconjunto dos componentes Eclipse para construir aplicações. Eclipse Rich Client Platform (RCP) é um subconjunto dos componentes da biblioteca Eclipse que podem ser facilmente aproveitadas para a implementação de outras aplicações. A Figura 6 representa alguns componentes que formam a plataforma Eclipse e ressalta os principais componentes que formam o Eclipse RCP. Figura 6 - Componentes Eclipse RCP O uso de Eclipse RCP tem se consagrado por construir aplicações diversas, especialmente aquelas que operam em conjunto com aplicações servidoras, banco de dados e outras fontes de dados. Aplicações para bancos, indústria de 22

32 automóveis, medicina já foram desenvolvidas utilizando-se as ferramentas dessa plataforma. Um grande diferencial do RCP é que ele está de acordo com padrão OSGi (Open Services Gateway initiative), permitindo o desenvolvimento de sistemas altamente modulares e desacoplados. Os programas construídos sobre essa plataforma aumentam a usabilidade do código, facilitam a manutenção, atualização e adição de novos componentes e plugins. Um exemplo de interface de usuário da Plataforma Eclipse pode ser visto na Figura 7. Figura 7 - Interface de usuário da Plataforma Eclipse Todas essas características são a razão da escolha de Eclipse RCP como a plataforma de desenvolvimento do SCADA no Projeto Blue Ocean. 23

33 2.2.3: J-Integra para COM OPC (OLE for Process Control) é uma base tecnológica para integração entre os componentes de automação, hardwares de controle e dispositivos de campo [ 3 ]. OPC permite ainda a integração de produtos do MS Office e sistemas de informação da indústria, como ERP (Enterprise Resource Planning) e MES (Manufacturing Execution Systems). O padrão OPC surgiu de uma iniciativa dos próprios fabricantes de componentes para automação, com o suporte da Microsoft, detentora do protocolo OLE-DB. No ano de 1995, grandes companhias de automação, Fisher-Rosemount, Intellution, Intuitive Technology, Opto22, Rockwell e Siemens AG, formaram uma força tarefa em busca de uma forma padronizada para acessar dados em tempo real no sistema operacional Windows. Assim, no ano seguinte, nasceu a especificação do OPC versão 1.0 e, no mesmo ano, a OPC Foundation foi estabelecida. Desde então, a lista de especificações para diferentes aplicações usando OPC tem crescido. Atualmente, as especificações OPC (já estabelecidas ou em construção) estão organizadas como representado na Figura 8. Cada especificação destina-se a uma área específica de aplicação. A tecnologia OPC é baseada na distribuição de dados utilizando a interface DCOM (Distributed Component Object Model) do Windows NT. Contudo, uma interface acoplada ao sistema operacional é limitante para o desenvolvimento de um sistema SCADA portável para várias arquiteturas. J-Integra é um pacote de software que faz a ponte entre Java puro e COM. Isso permite que as funcionalidades de OPC sejam disponibilizadas para qualquer sistema operacional. Utilizando-se o J-Integra o sistema SCADA poderá facilmente atuar como um cliente OPC. Além disso, é possível construir servidor OPC para aplicações externas. 24

34 Figura 8 - Especificações disponíveis para OPC 2.2.4: JGo JGo é um componente Java utilizado para construir gráficos. Os gráficos construídos são formados por nós e conexões interligando esses nós. Essa ferramenta suporta vários formatos de imagem e é bastante flexível. Sua utilização é de grande importância para a elaboração de telas no sistema de SCADA : Gerenciador de Scripts Bean Shell Bean Shell é uma ferramenta que permite ao usuário escrever e executar scripts Java em tempo de execução. A utilização desse tipo de script permite a construção de sinóticos em um sistema SCADA. O comportamento dinâmico dos objetos pode ser configurado através dessa ferramenta de forma fácil e flexível. 25

35 2.2.6: Open Splice DDS middleware DDS (Data Distribution Service) é um middleware que permite o particionamento de uma rede com diferente níveis de qualidade do serviço (QoS) e transmissão confiável sobre o protocolo UDP. A aplicação que implementa o middleware é desenvolvida pela Open Splice e compilada para cada sistema operacional. O módulo DDS é responsável pelas seguintes funcionalidades ao sistema SCADA: Mecanismo de sincronização em tempo-real; Mecanismo de redundância local; Mecanismo de redundância remoto; Classificação do status dos dados coletados: válidos, inválidos e antigos; Camada de produção de dados; Camada de Consumo de dados : MySQL MySQL foi escolhido como sistema de Banco de Dados Relacional a ser empregado no SCADA do projeto Blue Ocean. MySQL é um sistema de código aberto amplamente difundido no mercado. Para a aceitação desse sistema de banco de dados foram feitos os seguintes testes: Conectividade JDBC (Java Database Connectivity); Redundância / Hot standby; Triggers; Gerenciamento de tabelas;. Replicação de dados auto-adaptativa usando configuração mestre-escravo. 26

36 Todos os testes realizados foram aprovados. A principal funcionalidade que levou à utilização desse software foi a capacidade de replicar dados automaticamente entre instâncias do banco de dados. Para isso, os servidores são configurados como mestres e escravos entre si. No caso de parada de um dos servidores, o sistema se adapta automaticamente e mantém a replicação de dados entre as instâncias ativas. 2.3: Cronograma As atividades do projeto Blue Ocean foram divididas em fases. Cada uma dessas fases contendo uma ou mais iterações. A Tabela 2 mostra as fases e iterações desde a fase de Concepção até a fase de Transição do sistema SCADA nos pipelines na África do Sul. Tabela 2 - Fases e iterações projeto Blue Ocean Fase Iteração 0 Concepção Elaboração Construção 10 3 Transição As fases são finalizadas com uma apresentação do que foi desenvolvido e uma avaliação do cliente : Fase Zero A fase de Concepção foi finalizada em junho de 2006 e seu produto principal foi o documento de arquitetura do novo SCADA, cujas características já foram apresentadas anteriormente. 27

37 Nessa fase inicial também foram escolhidos componentes da plataforma de desenvolvimento como DDS, Eclipse RCP, J-Integra e JGo. A arquitetura proposta teve grande aceitação por parte do cliente e permitiu o início imediato da fase de Elaboração, a qual será o foco principal desse documento : Fase de Elaboração A fase de Elaboração possui dois objetivos principais: Levantar informações detalhadas do sistema de pipelines implantado na África do Sul; Preparar uma Prova de Conceito. O levantamento de informações do pipeline sul-africano será de fundamental importância para a adequação do projeto e para o plano de migração a ser desenvolvido. A Prova de Conceito tem como objetivo mostrar que a arquitetura proposta é viável e que o desenvolvimento atende aos critérios exigidos. Para tanto, uma apresentação reunindo todas as frentes de desenvolvimento será cuidadosamente preparada e um ambiente de testes construído. A Prova de Conceito dará segurança aos clientes para financiar a continuidade do projeto. As atividades desenvolvidas durante o Projeto de Fim de Curso tomaram parte nas duas iterações da fase de elaboração. Essas atividades estão organizadas na Figura 9. 28

38 Figura 9 - Cronograma da Fase de Elaboração A equipe com participação na fase de Elaboração está representada na Tabela 3. Tabela 3 - Equipe do projeto Blue Ocean durante a Fase de Elaboração Gerente de Projeto Chemtech 1 Líder de Projeto Chemtech 1 Engenheiro de Software Chemtech 3 Engenheiro eletrônico Chemtech 2 Designer de Interface Chemtech 1 Engenheiro de Automação Chemtech 2 Engenheiro Químico Chemtech 1 Infra-estrutura TI Chemtech 2 Consultores Software Chemtech 3 Consultor de Automação Chemtech 1 Consultor em projetos Siemens Corporate Research 3 Consultor pipeline BCT Consulting (CAN) 1 Consultor SCADA Black Bird Consulting (CAN) 1 29

39 Capítulo 3: Atividades Desenvolvidas 3.1: Preparação Treinamentos Durante o Projeto Blue Ocean, vários cursos de qualificação foram oferecidos. Essas atividades foram ministradas tanto por empregados da Chemtech quanto por empresas especializadas : Curso de PCS7 PCS7 é uma suíte de aplicações para a automação da indústria de processos. Esse sistema amplamente utilizado em todo o mundo foi cotado pela Siemens como uma solução para os projetos da África do Sul. O curso realizado na Chemtech teve o objetivo de mostrar as formas de programação de CLP, semelhante à empregada em nosso cliente, e ambientar a equipe com um SCADA comercial de sucesso : Curso de P&ID P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) é uma forma padrão de documentação na indústria de processos. Nesses diagramas são representadas as diversas etapas do processo de produção, assim como a instrumentação e estratégias de controle, exemplo na Figura 10. A documentação detalhada dos pipelines da África do Sul, em sua maioria, foi feita utilizando-se P&ID s. No curso, foram apresentadas as regras normalizadas de representar os sinais de campo, estratégias de controle, dados a serem apresentados no supervisório, tags dos instrumentos e equipamentos de campo e tipos de diagramas existentes. O material do curso foi compilado e foi preparado um seminário interno para os integrantes do projeto Blue Ocean. A equipe de desenvolvedores decidiu, após o seminário, usar a norma ISA (Instrument Society of America) para a nomenclatura das variáveis internas do sistema SCADA. 30

40 Figura 10 - Exemplo de P&ID 3.1.3: Curso de Java O curso de Java foi ministrado para um grupo de desenvolvedores da Chemtech, especialmente àqueles provenientes da engenharia sem uma base sólida em programação utilizando essa linguagem de alto nível. Nesse curso, foram apresentados conceitos básicos como orientação a objetos em Java, mas também tópicos mais avançados, tais como: acesso a banco de dados via ODBC e JDBC, e ferramentas de desenvolvimento web, como Struts e JSP. 31

41 3.1.4: Seminários em Eclipse RCP Eclipse RCP é uma plataforma de recente desenvolvimento e rápida evolução. Todo o grupo do projeto Blue Ocean participou de seminários web sobre essa plataforma, onde foram apresentadas e discutidas suas principais funcionalidades, formas adequadas de desenvolvimento e exemplos de utilização. A participação nesses seminários tinha a finalidade de aprimorar a utilização da plataforma, extraindo o máximo de seu potencial. Dessa maneira, o desenvolvimento do SCADA seria mais rápido e geraria um produto mais modular e robusto. 3.2: Conhecer o sistema SCADA atualmente implantado 3.2.1: LSX O SCADA implantado nos pipelines da África do Sul é o LSX da Siemens. LSX é um sistema SCADA de propósito geral, que roda sobre Solaris, sistema operacional UNIX da Sun Microsystems. Esse sistema SCADA apresenta uma série de funcionalidades para garantir aos operadores o monitoramento e controle dos processos: - Visualização da planta: os estados do processo podem ser mostrados através de telas totalmente gráficas. - Visualização de curvas: podem ser mostradas curvas em tempo real ou carregadas de arquivos. - Relatórios on-line: Para pegar informações acerca de um objeto desejado e para monitorar esse objeto. - Canais de mensagem: mensagens de objetos do processo são mostradas em uma tela específica de mensagem. O sistema de canais pode ser conectado diretamente a uma impressora. - Analisadores de mensagem: são usados para procura de mensagens arquivadas. LSX é caracterizado por suas três unidades principais: computador principal, computador de banco de dados e computador de operação. Essas unidades se 32

42 comunicam e trocam dados com os sistemas subordinados, tipicamente CLP s Siemens da linha S5 e S7, como mostrado na Figura 11. Dependendo do tamanho ou da estrutura do sistema, o computador principal pode ser instalado uma ou muitas vezes. Ele constitui o kernel do sistema com as funcionalidades conhecidas de um sistema SCADA para controle de processos. Entre o computador principal e os CLP s são trocados dados de valores medidos, contadores, sinais, comandos e set points. Figura 11 - Distribuição de componentes LSX A estrutura de dados do LSX tem sua parametrização definida nos computadores de operação. Todas as variáveis de campo com seu endereçamento, variáveis de engenharia, protocolos de comunicação são definidas nessa unidade. O computador de banco de dados com banco de dados da Oracle, armazena a estrutura parametrizada no computador de operação. Além disso, essa unidade realiza o arquivamento de longo prazo dos dados coletados. Os dados parametrizados aparecem, geralmente, na forma de típicos. Típicos são formados por um conjunto de objetos com a finalidade de representar um objeto complexo como um todo. A estrutura de típico permite que válvulas, motores, bombas, dentre outros equipamentos, sejam caracterizados de uma forma mais intuitiva. 33

43 Durante a criação do típico, são definidas os relacionamentos entre as variáveis lidas do CLP até sua representação no sistema supervisório, isso é melhor ilustrado pela Figura 12. Figura 12 - Elementos de um típico Apenas por uma simples referência a um objeto típico é possível mapear todas as variáveis associadas a ele. Isso reduz consideravelmente o tempo de configuração do sistema SCADA e organiza de forma mais intuitiva os dados. 34