NavCim Uma Arquitectura Distribuída de Suporte ao Controlo e Supervisão em Tempo-real de Processos Industriais.

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1 NavCim Uma Arquitectura Distribuída de Suporte ao Controlo e Supervisão em Tempo-real de Processos Industriais. António Casimiro Ferreira da Costa (Licenciado) Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Setembro de 1995

2 Tese realizada sob a orientação do Prof. Doutor Paulo Jorge Esteves Veríssimo Professor Associado com Agregação do Departamento de Informática da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

3 À Beta e à Maria.

4 NAVCIM UMA ARQUITECTURA DISTRIBUÍDA DE SUPORTE AO CONTROLO E SUPERVISÃO EM TEMPO-REAL DE PROCESSOS INDUSTRIAIS. António Casimiro Ferreira da Costa IST 1 - INESC 2 - JNICT 3 casim@inesc.pt 1 Instituto Superior Técnico. 2 Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores. 3 Este trabalho foi suportado por uma bolsa da Junta Nacional de Investigação Científica e Tecnológica, através do Programa Ciência.

5 Resumo Este trabalho é dedicado ao estudo de uma arquitectura distribuída, a arquitectura NavCim, que pretende fornecer os mecanismos essenciais para a supervisão e o controlo de processos em ambientes industriais. As soluções inovadoras nela propostas tentam suprimir as limitações evidenciadas pela generalidade dos sistemas actualmente existentes. As principais características dos sistemas de supervisão e controlo são analisadas e sistematizadas em diversas vertentes, nomeadamente em termos de funcionalidades disponibilizadas, de capacidades de configuração e de comunicação e, ainda, do suporte à heterogeneidade e distribuição. Estas características são ilustradas com exemplos retirados de alguns sistemas, representativos do actual panorama de mercado. A modularidade da arquitectura proposta é uma característica fundamental, bem patente na descrição que é feita do seu modelo do fluxo de informação e do seu modelo computacional. São analisadas as soluções propostas para transporte, armazenamento e distribuição da informação e são focados os aspectos relativos ao funcionamento dos módulos e às suas interacções. A concretização de uma plataforma baseada na arquitectura proposta é também descrita, sendo fornecido um exemplo da sua utilização e algumas medidas de desempenho que permitem sugerir novas direcções para a evolução do trabalho já desenvolvido. i

6 Abstract This work studies the NavCim architecture, a distributed architecture, which is supposed to supply the essential mechanisms to the supervision and control of processes in industrial environments. The solutions proposed aim to suppress the limitations shown by the majority of the nowadays existing systems. The essential characteristics of the supervision and control systems are analyzed and systematized in different ways, namely for what concerns the available functionalities, configuration and communication capacities and support to the heterogeneity and distribution. Examples taken from some systems, representative of the actual market panorama, are given to illustrate these characteristics. That the modularity of the proposed architecture is a fundamental characteristic reveals itself obvious in the description made of the information flow model and of the computational model. The solutions proposed to the transport, storage and distribution of information are analyzed and the aspects concerning module operation and interactions are focused. The development of a platform based in the designed architecture is also described and an example of its use is given as well as some performance measures that suggest new directions to the persecution of the up to now developed work. ii

7 Palavras Chave Sistemas Distribuídos Sistemas SCADA Automatização Industrial Sistemas de Informação Keywords Distributed Systems SCADA Systems Industrial Automation Information Systems iii

8 Agradecimentos Ao meu orientador, Prof. Paulo Veríssimo, a quem desejo expressar o meu reconhecimento pelo empenho que colocou na orientação deste trabalho. As conversas que tivémos, as suas críticas e sugestões constituiram um incentivo fundamental para a concretização da presente tese. Ao Eng. Luís Rodrigues, meu colega de trabalho, devo um especial agradecimento pelo seu exemplo e pelos preciosos ensinamentos que sempre me transmitiu. Aos restantes elementos da minha equipa de trabalho no INESC: Eng. Sérgio Melro, Eng. Henrique Fonseca, Eng. José Rufino, Eng. Luis Silva, Eng. Carlos Almeida, Eng. François Cosquer e Eng. Jorge Frazão, pela excelente camaradagem, espírito de equipa e elevado profissionalismo. À Isabel Miguel e ao José Martins pela sua colaboração na construção das interfaces gráficas da plataforma NavCim. Ao INESC, pela disponibilização dos meios técnicos e de enquadramento científico, essenciais para a realização deste trabalho. Finalmente, deixo aqui uma palavra de agradecimento a todos aqueles que de alguma forma contribuíram com sugestões, críticas ou simplesmente palavras de incentivo para a realização deste trabalho. Lisboa, Setembro de 1995 António Casimiro Ferreira da Costa iv

9 Índice Resumo Abstract Palavras Chave Agradecimentos Índice Lista de Figuras Lista de Tabelas i ii iii iv v ix x 1 Introdução Estrutura da Tese Panorâmica Sobre Sistemas SCADA Os Sistemas Estudados EasyMAP FactoryLink IV InTouch Processyn Características Principais dos SCADA A Modularização dos Sistemas Aplicações e Funcionalidades Configuração do Sistema Controlo de Acesso Gestão da Execução v

10 2.4.4 Monitorização Sinópticos Temporizações Colecção de dados Alarmes e Eventos Gráficos de Tendência Receitas Gestão de Ficheiros Processamento de Dados Processamento Estatístico Relatórios Capacidades de Representação e Manipulação de dados Capacidades Gráficas Capacidades de Configuração Capacidades de Comunicação Comunicação com os Dispositivos Comunicação entre Aplicações Expansibilidade Compatibilidade Resumo A Arquitectura NavCim Requisitos Heterogeneidade Distribuição Escalabilidade Expansibilidade Tempo-Real Custo Descrição Geral Nível dos Dispositivos Nível de Célula Nível de Gestão A Modularização NavCim Módulos de Suporte vi

11 3.3.2 Módulos de Interface Módulos Nucleares Modelo do Fluxo de Informação Dados de Supervisão e Controlo Distributividade da Informação Distributividade da Informação de Tempo-Real Distributividade da Informação Estável Eventos e Estado Longevidade da Informação Modelo Computacional Visão Integrada Inicialização e Configuração VMD-Célula Colecção de Dados Pré-processamento de Dados Arquivo de Dados Gestão de Eventos Gestão de Alarmes Serviço de Tempo Global Resumo Concretização Ambientes e Sistemas de Suporte Sistema de Ficheiros Distribuído (NFS) Plataforma MMS (SWCP) Emulador de pilhs OSI (ISODE) Ambiente de Suporte Local (LSE) Interfaces Interface de Célula Interface de Dados A Célula NavCim Linguagem de Configuração Mecanismos de Execução Concorrente Arquitectura de Software Colecção de Dados vii

12 4.3.5 Tratamento de Eventos Serviço de Tempo Global Sincronização Interna Sincronização Externa Tolerância a faltas Cenário de Aplicação Desempenho Resumo Conclusões e Perspectivas Futuras 144 Bibliografia 146 viii

13 Lista de Figuras 2.1 Interligação entre aplicações e dispositivos no EasyMAP Arquitectura Open Software Bus do sistema FactoryLinkIV Mecanismo de comunicação no InTouch Arquitectura básica do Processyn A arquitectura NavCim face à heterogeneidade de sistemas e aplicações Resolução dos problemas de distribuição utilizando a arquitectura Nav- Cim A hierarquia NavCim e as entidades do sistema: plataforma, dispositivos e aplicações Os três cenários possíveis de localização de um VMD A plataforma NavCim no nível de célula Módulos da arquitectura NavCim Fluxo de informação. Dados de supervisão e de controlo Distributividade da informação de tempo-real Distributividade da informação estável Transformação de eventos em estado Longevidade dos dados Relações entre os módulos e a informação Controlo hierárquico proporcionado pelo VMD-Célula Políticas de organização de dados na colecção Tipos de eventos e sua representação estática Sincronização de relógios Agentes SE e CM no modelo de referência OSI Utilização do TCP/IP no agente CM-ISODE Os dois núcleos de execução da célula NavCim Temporizações na colecção de dados Algoritmo utilizado Cenário de demonstração da plataforma NavCim A aplicação PMtool As aplicações PMrob, PMtool e a célula NavCim ix

14 Lista de Tabelas 2.1 Alguns sistemas SCADA disponíveis no mercado Características principais dos sistemas SCADA estudados Sintaxe da linguagem de configuração Tempos de execução utilizando o agente CM-TCP/IP Influência do agente CM Influência do NFS nos tempos de leitura de dados x

15 Capítulo 1 Introdução Os sistemas informáticos são cada vez mais utilizados em ambientes industriais. A automatização dos procedimentos é aplicada na realização de tarefas muito diversificadas que vão desde o controlo dos dispositivos físicos até à planificação e à elaboração de relatórios sobre os dados da produção. Verifica-se, no entanto, que a automatização destes procedimentos é realizada de uma forma geral por sistemas dedicados, os quais, por não interagirem entre si, dão origem ao aparecimento de ilhas de automatização. Esta situação traduz-se num visível desperdício de recursos e num desaproveitamento de potencialidades inerentes à existência de múltiplos nós computacionais. No domínio das soluções para este problema enquadram-se os sistemas designados na nomenclatura inglesa por SCADA 1, que permitem realizar de uma forma integrada a supervisão e o controlo dos equipamentos industriais, fornecendo os mecanismos de ligação a controladores industriais, computadores, sensores, terminais e outros dispositivos e disponibilizando diversas funcionalidades, tais como visualização de gráficos e sinópticos animados, gestão de alarmes e arquivo de dados, que os tornam plataformas capazes de atender à generalidade das necessidades encontradas na automatização de sistemas industriais. São no entanto reconhecidas algumas limitações aos sistemas SCADA. As soluções propostas, indissociáveis do seu carácter comercial, são sistematicamente soluções proprietárias que requerem a utilização de equipamentos e produtos específicos. Tal característica facilmente inviabiliza a sua utilização em ambientes heterogéneos ou onde os equipamentos já existentes não são suportados. Por 1 Supervisory, Control And Data Acquisition 1

16 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2 outro lado, sendo a eficiência do sistema adoptado determinada pelo equilíbrio entre os requisitos e as soluções, é naturalmente difícil encontrar um sistema SCADA que apresente as características ideais. Na verdade, e mesmo que tal aconteça, as possibilidades de evolução, expansão ou alteração do sistema supervisionado estão até certo ponto condicionadas pelo sistema SCADA utilizado. Justifica-se assim a procura de soluções no domínio dos sistemas distribuídos que proporcionem o preenchimento das lacunas evidenciadas pelos sistemas actualmentes disponíveis, nomeadamente no respeitante a problemas de heterogeneidade, escalabilidade e desempenho. Esta tese propõe uma arquitectura distribuída, concebida no sentido de proporcionar a fácil integração de soluções no domínio dos sistemas de supervisão e controlo, oferecendo ao mesmo tempo o suporte necessário para realizar ajustamentos ao nível da distribuição e da escala. O esforço desenvolvido na concepção desta arquitectura assenta em grande medida na discussão de temáticas dos sistemas distribuídos, com especial relevo nos aspectos relacionados com a comunicação, com os sistemas de ficheiros e com os ambientes de suporte. São também abordados aspectos relacionados com desempenho em tempo-real, numa perspectiva lata (Soft Real-Time). A arquitectura proposta incorpora algumas das ideias desenvolvidas no seio do projecto Esprit DINAS-DQS 2 (no qual esteve envolvido o grupo de Sistemas Distribuídos e Automatização Industrial do INESC), tendo sido utilizada, em particular, a plataforma de comunicação SWCP 3. Esta plataforma, inicialmente desenvolvida no IPK-Berlim, foi cedida ao INESC no âmbito de um acordo de cooperação celebrado entre ambas as instituições. A validação da arquitectura proposta será realizada através da concretização de uma plataforma de software, a plataforma NavCim, que integrará os diversos componentes especificados na arquitectura: o ambiente de suporte, as plataformas de comunicação, as interfaces e os módulos funcionais. Do desenvolvimento e da utilização desta plataforma poderão ser obtidos alguns resultados e retiradas algumas conclusões acerca dos conceitos propostos na arquitectura. 2 Design and Implementation of CNMA-Based Networks for CIM Applications in SMEs Distributed Quality System. 3 System Wide Communications Platform.

17 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Estrutura da Tese Dado que os sistemas SCADA constituem um dos elementos fundamentais de estudo neste trabalho, o capítulo 2 traçará uma panorâmica acerca destes sistemas. Serão analisados os seus aspectos mais importantes e as funcionalidades normalmente disponibilizadas, sendo a discussão centrada num pequeno conjunto dos sistemas mais relevantes actualmente existentes no mercado. A arquitectura NavCim é descrita no capítulo 3, sendo feita uma abordagem inicial dos requisitos que esta deve verificar, seguida de uma descrição geral dos seus elementos mais importantes. Será depois feita uma análise da arquitectura na perspectiva do fluxo de dados, que permitirá compreender o papel por esta desempenhado nas perspectivas da integração de sistemas e do acesso das aplicações aos dados de supervisão. Este capítulo finaliza com a apresentação do modelo computacional da arquitectura, onde serão descritos os diversos módulos funcionais que a compõem e as interacções que entre eles se verificam. No capítulo 4, serão abordados os aspectos relacionados com a concretização da plataforma NavCim, nomeadamente os componentes de software de suporte e de comunicação, as interfaces desenvolvidas, as ferramentas utilizadas e a arquitectura de software. Será também apresentado o cenário de demonstração que foi utilizado para validar a plataforma desenvolvida, sendo explicitadas algumas medidas de desempenho relativas à mesma. Finalmente, no capítulo 5 são expostas as conclusões mais importantes resultantes do trabalho efectuado e são indicadas as perspectivas em termos das possíveis evoluções deste trabalho.

18 Capítulo 2 Panorâmica Sobre Sistemas SCADA Dado que temos vindo a assistir, nos últimos anos, à utilização cada vez mais generalizada de sistemas SCADA em empresas e indústrias, que existe uma grande diversidade de sistemas SCADA disponíveis no mercado e que estes não oferecem, obviamente, as mesmas funcionalidades, é interessante proceder ao estudo das suas características para que possamos fazer uma análise comparativa. Nesta medida, começaremos por descrever de uma forma informal os sistemas SCADA abordados ao longo do capítulo, dando ainda algumas indicações sobre outros sistemas existentes no mercado. Faremos um resumo das principais características destes sistemas dando relevo aos seus aspectos modulares. Analisaremos ainda as suas funcionalidades mais importantes e discutiremos alguns aspectos relativos às capacidades gráficas, de representação e manipulação de dados, de configuração e de comunicação. Debruçar-nos-emos, finalmente, sobre as capacidades de expansão e a compatibilidade dos sistemas com outras aplicações. 2.1 Os Sistemas Estudados Os domínios de aplicabilidade de sistemas SCADA são muito diversificados, abrangendo sectores industriais como a indústria química, farmacêutica, alimentar, automóvel, metalo-mecânica ou da pasta de papel. É também possível encontrar aplicações de sistemas SCADA na produção, tratamento e distribuição de gás, electricidade e outros recursos energéticos. A tabela apresentada em seguida contém informações gerais relativas a alguns dos 4

19 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 5 sistemas SCADA disponíveis no mercado. Não faremos um estudo exaustivo de cada um deles, pois pensamos ser mais proveitoso fazer uma abordagem temática relativa a funcionalidades normalmente fornecidas. Nos momentos oportunos faremos as referências que considerarmos convenientes em termos de comparação dos diversos sistemas SCADA. SCADA Companhia País Tipo de Solução Contronic S Hartmann & Braun Alemanha Sistema Integrado DCI System Six Fischer & Porter Estados Unidos Sistema Integrado EasyMAP PROCOS A/S Dinamarca Software OS/2 FactoryLink IV USDATA Estados Unidos Software Multi-plataforma FIX DMACS Intellution Estados Unidos Software Windows Genesis ICONICS Estados Unidos Software MS-DOS InTouch Wonderware Estados Unidos Software Windows LabVIEW National Instruments Estados Unidos Software Multi-plataforma Processyn Logique Industrie França Software MS-DOS e OS/2 Process Window Taylor Canadá Software Windows SCAN 1000 Hexatec Inglaterra Software Windows VXL Control Systems International Estados Unidos Software VMS Tabela 2.1: Alguns sistemas SCADA disponíveis no mercado. Não incluímos nesta tabela os sistemas que, apesar de relacionados com a temática da supervisão e controlo, oferecem outro tipo de funcionalidades, sendo mais vocacionados para a concretização de aplicações na área da gestão fabril, como sejam aplicações para gestão de operações, controlo da qualidade e gestão da manutenção. Referimo-nos, por exemplo, à ferramenta PROFIT 1, colocada no mercado por um consórcio Luso-Alemão, que permite concretizar as aplicações atrás mencionadas. Dos sistemas apresentados na tabela apenas alguns foram estudados em maior profundidade. Foram eles o EasyMAP[EM92], o FactoryLink[FL93], o InTouch[IT93] e o Processyn[PRO91]. A selecção deste subconjunto de sistemas, que consideramos representativo do estado actual do mercado de sistemas SCADA, foi realizada com base nos seguintes critérios: conhecimentos prévios acerca do sistema, experiência de utilização e quantidade de informação disponível. 1 PRoduction Optimization through Flexible and Integrated software Tools.

20 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA EasyMAP O EasyMAP é um sistema SCADA que permite o desenvolvimento de uma vasta gama de aplicações no âmbito da automatização de sistemas e do controlo de processos. A única plataforma de execução suportada é o OS/2, da IBM, para computadores PC/AT ou compatíveis. A sua característica mais particular reside no método utilizado para comunicação com os dispositivos industriais. Para este fim o EasyMAP segue a norma MAP/TOP 2 para comunicações, o qual especifica o protocolo MMS 3 como um dos protocolos de nível superior, em termos do modelo de referência OSI 4 (ISO ) para os níveis de comunicação. A especificação do MMS é totalmente orientada às características dos ambientes industriais, fornecendo às aplicações o tipo de serviços de comunicação adequados a este ambiente. As características específicas do protocolo são escondidas ao integrador de sistemas, ao qual são fornecidas interfaces de programação e de configuração gráficas que simplificam e aceleram o desenvolvimento do sistema de supervisão. Na figura 2.1 apresentamos um panorama do ambiente de comunicações encontrado no EasyMAP. Ressalta o facto do MMS ser o protocolo utilizado, mesmo para comunicação entre as aplicações do sistema. Observa-se, ainda, que é possível interligar o EasyMAP a redes proprietárias utilizando o Novell Netware ou o Microsoft LAN Manager. Esta opção pode ser utilizada para interligar múltiplas instâncias do Easy- MAP, ou seja, para alargar o leque de possibilidades de comunicação entre aplicações. Verifica-se também que é possível interligar o EasyMAP a aplicações tais como o EX- CEL ou o ORACLE, graças à utilização de gateways específicas. Refira-se que a gateway entre o EasyMAP e o EXCEL é baseada no protocolo DDE 6. As aplicações existentes no EasyMAP permitem a visualização gráfica da informação através de sinópticos, janelas de alarme e de eventos ou gráficos de tendência e permitem ainda construir e configurar o sistema. Finalmente, são disponibilizadas aplicações diversas, das quais destacamos uma interface de programação para lingua- 2 Manufacturing Automation Protocol/TOProtocol. 3 Manufacturing Message Specification. 4 Open Systems Interconnection. 5 International Standards Organization. 6 Dynamic Data Exchange.

21 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 7 CTL-EXEC COLLECT/LOG ALARMDISP FORMTOOL ORACLE MIMIC PICTOOL EXCEL OUTRAS APLICAÇÕES CLIENT GATEWAY STACK Microsoft LAN Manager Novell NetWare GATEWAY UWYO UPSE IBM OSI / MMS SISCO MMS-EASE AEG-Computrol ISO comm HW Ethernet Token Ring Ethernet Token Ring Outras CONCORD CONCORD AEG-Computrol Figura 2.1: Interligação entre aplicações e dispositivos no EasyMAP. gem C, que permite o desenvolvimento de gateways entre o MMS e qualquer protocolo proprietário FactoryLink IV O FactoryLink é constituído por um núcleo de software de base e por um conjunto de programas, chamados módulos, que permitem o desenvolvimento de aplicações de supervisão e controlo. Uma das suas características principais consiste na diversidade de sistemas operativos suportados, entre os quais salientamos o Microsoft Windows, o VMS, o OS/2, o HP-UX e o DEC Alpha AXP. As interfaces de programação e configuração do sistema utilizam um ambiente gráfico baseado em janelas, menús, preenchimento de tabelas, editores e outras ferramentas de uso intuitivo. A construção das aplicações de supervisão não requer, na maioria das situações, conhecimentos específicos acerca das tecnologias de suporte, tais como sistemas operativos, bases de dados ou redes de comunicação. Outra das características relevantes deste sistema é a utilização da arquitectura Open Software Bus para comunicação entre os diversos módulos. Esta arquitectura,

22 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 8 representada na figura 2.2, permite que os módulos sejam totalmente independentes uns dos outros e, no entanto, compatíveis. A comunicação entre os módulos é realizada através de uma base de dados de tempo-real incorporada no Open Software Bus, a qual desempenha um papel fundamental na execução global do sistema. A interface de acesso ao Open Software Bus éúnica e pública, o que permite a interligação de módulos funcionais desenvolvidos por outros fabricantes Figura 2.2: Arquitectura Open Software Bus do sistema FactoryLinkIV. A comunicação com os dispositivos industriais é feita por módulos EDI 7, os quais proporcionam uma interface uniforme entre a base de dados de tempo-real e os diversos equipamentos. A comunicação entre diversas instâncias do FactoryLink é realizada através de um módulo de acesso à rede local. Este módulo suporta diversos protocolos de comunicação: TCP/IP, NetBIOS, DECnet e MMS. Através deste módulo é possível transferir informação entre duas bases de dados de tempo-real, a qual fica disponível a todos os módulos a elas ligados. Esta opção permite distribuir as aplicações de supervisão pelos vários nós da rede, facto que se pode revelar de grande utilidade. Para finalizar, refira-se que existe um módulo de comunicação por DDE que, 7 External Device Interface.

23 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 9 funcionando como servidor DDE, permite a interligação entre a base de dados de tempo-real e qualquer aplicação com suporte para DDE InTouch O recurso a interfaces homem-máquina extremamente sofisticadas é uma realidade que se verifica cada vez com mais frequência no actual universo aplicacional. O InTouch é mais um exemplo desta evolução. Este sistema proporciona uma interface baseada no ambiente gráfico do Microsoft Windows para desenvolvimento de aplicações SCADA. A construção das aplicações é orientada a objectos: os gráficos são constituídos por objectos, disponibilizados em bibliotecas de objectos, ou previamente definidos, cujos métodos correspondem às suas características dinâmicas. A activação dos métodos é feita através de associações entre os objectos e os dados do sistema. A característica principal deste SCADA é, de facto, a simplicidade das ferramentas de desenvolvimento das aplicações. Internamente, o InTouch possui uma base de dados que contém os nomes das variáveis definidas no sistema, com uma capacidade máxima de nomes. A arquitectura de comunicações deste sistema baseia-se nos protocolos DDE e netdde, utilizando para comunicações internas uma extensão ao DDE, proprietária, denominada fastdde. Na figura 2.3 é possível observar este mecanismo de comunicação,eas aplicações que dele dependem. Como se pode verificar, a comunicação com os dispositivos industriais e com outras entidades da rede local é levada a cabo através interfaces dedicadas, que funcionam como gateways entre um protocolo específico e o DDE. O utilizador pode optar por utilizar servidores DDE disponibilizados no InTouch ou construir os seus próprios servidores, utilizando uma ferramenta de desenvolvimento própria para esse fim. Todos os servidores, incluindo aqueles desenvolvidos pelo utilizador, podem ser acedidos por aplicações com interface DDE, tais como o EXCEL ou o Lotus É possível interligar aplicações em máquinas distintas da rede ao InTouch através do NetDDE. Este protocolo pode ser utilizado em redes TCP/IP, DECnet, NetBIOS e Novell, ou ainda sobre ligações série através de modem.

24 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 10 Figura 2.3: Mecanismo de comunicação no InTouch Processyn O Processyn, de origem francesa, é uma solução no domínio dos sistemas SCADA que diverge em alguns aspectos da generalidade das soluções existentes no mercado. Uma característica particular deste sistema consiste no método utilizado para criar as aplicações de supervisão. A configuração do Processyn recorre à programação das aplicações, utilizando instruções específicas para cada tipo de aplicação, após a qual é necessário gerar o programa executável, o que é feito através da utilização de um compilador. Devido ao método utilizado para criação das aplicações, o Processyn consegue apresentar um bom desempenho durante a execução. Talvez por isso se justifique o elevado número de empresas onde é referida a utilização deste sistema. A execução do sistema é suportada por uma base de dados que contém as variáveis utilizadas. Apenas existem três tipos de variáveis: lógicas, analógicas e sequências de caracteres. A definição das interacções entre o sistema e o exterior é realizada em módulos relativos a cada unidade externa. Na figura 2.4 pode observarse a arquitectura básica do Processyn, sendo visíveis os quatro tipos de módulos

25 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 11 respeitantes às interfaces existentes: comunicação, visualização, comando e arquivo. Figura 2.4: Arquitectura básica do Processyn. Devido à arquitectura do sistema, a interacção com os dispositivos industriais é feita por módulos de interface específicos para cada tipo de dispositivo. O Processyn disponibiliza um elevado número de módulos de interface de forma a abranger os equipamentos mais comuns. Em todo o caso, é possível desenvolver programas em C ou PASCAL que executem qualquer funcionalidade não suportada pelo Processyn, inclusivamente funcionalidades de interface a outros dispositivos. Estes programas são ligados a um módulo especial do Processyn, denominado Módulo Residente, que disponibiliza uma interface de acesso à base de dados do sistema e funções de acesso à porta série do computador. A comunicação em redes locais entre aplicações Processyn pode ser realizada utilizando módulos específicos para o tipo de rede utilizada. Existe suporte para redes compatíveis com a interface NetBIOS e para redes MS-NET (em sistemas MS-DOS). 2.2 Características Principais dos SCADA Genericamente, a análise de sistemas e das suas características pode ser realizada de uma forma metódica, decompondo o conjunto em módulos mais pequenos e, como tal, mais fáceis de analisar. Os sistemas SCADA são apenas um caso particular, sendo

26 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 12 assim proveitoso começarmos por identificar as suas características mais relevantes, para em seguida nos debruçarmos com mais profundidade sobre cada uma delas. Assim, após uma análise alargada dos diversos sistemas SCADA, concluímos que uma das possíveis abordagens ao estudo das suas características se pode basear na seguinte repartição temática: Aplicações: Supervisão, Controlo, Gestão da produção, Planeamento da produção, Controlo da qualidade, Simulação, Manutenção e Teste automático. Funcionalidades disponíveis: Curvas de tendência, Históricos, Tratamento de alarmes, Arquivo da dados, Ordenação (temporal) de eventos, Receitas e Tratamentos específicos (programação). Capacidades de representação e tratamento: Tamanho das aplicações, tipo dos dados e mecanismos de actualização. Capacidades gráficas: Mecanismos de suporte à configuração das aplicações, à edição de sinópticos, à sua animação e à qualidade geral da representação. Configurabilidade: Capacidades de gestão de configurações (criação ou modificação, estática ou dinamicamente). Expansibilidade: Possibilidades de expansão do sistema (escalabilidade, suporte à heterogeneidade). Adaptabilidade: Possibilidades de adaptação a novos produtos e possibilidades de evolução. Comunicação: Tipos de redes ou interfaces (Ethernet, Token Ring, Token Bus, portas série e paralela) e protocolos suportados (TCP/IP, Novell, NetBIOS, MAP, DECnet, Arcnet, DDE, NetDDE, Dedicados). Compatibilidade: Interacção com bases de dados (DBASE IV, ORACLE, Ingres, Informix, Sybase, WIN-Access), folhas de cálculo (Lotus, Excel, MultiPlan) e aplicações desenvolvidas pelo utilizador (em linguagem C ou Pascal, por exemplo). Sistemas operativos: Suporte para os sistemas operativos mais divulgados: MS-DOS, WINDOWS, OS/2, SunOS, HP-UX, VMS, SCO-UNIX, AIX.

27 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 13 A tabela 2.2 sintetiza, de acordo com a repartição temática proposta, as características dos quatro sistemas SCADA que foram escolhidos como objecto de estudo. O aprofundamento de cada um destes temas será matéria das secções seguintes. No entanto, dedicaremos ainda algum espaço à discussão de uma característica que se revelou constante nos diversos sistemas SCADA estudados. Referimo-nos à estruturação modular dos SCADA. 2.3 A Modularização dos Sistemas No estudo que efectuámos, registámos a tendência para a apresentação dos sistemas SCADA como pacotes de software constituídos por diversos módulos, muitas vezes independentes. A modularidade apresentada é efectiva, e revela-se no facto de as diversas aplicações ou funcionalidades suportadas por um determinado sistema estarem agrupadas em módulos, os quais serão ou não utilizados de acordo com o critério do utilizador e de acordo com os requisitos do sistema de controlo. Este tipo de abordagem flexibiliza consideravelmente a instalação e a configuração do sistema SCADA. Permite também melhorar alguns parâmetros com importância em sistemas deste tipo, tais como o desempenho e a facilidade de utilização. A modularização traduz-se numa maior facilidade de utilização dado que, por um lado, permite uma maior especialização com consequente ganho de rendimento e, por outro lado, graças à clara definição das interfaces entre os diversos módulos, não impede a congregação dos esforços separados na concretização de um sistema coerente. Como exemplos de sistemas que fazem da modularização um argumento para a sua valorização podemos salientar o EasyMAP, o FactoryLink e o InTouch. Tipicamente, funcionalidades tais como a criação de receitas, o controlo estatístico, a edição de sinópticos, a comunicação entre aplicações (DDE) e a simulação, são apresentadas como módulos separados. A modularização tem também consequências do ponto de vista económico. Normalmente, os sistemas apresentam determinados módulos como componentes totalmente separados do sistema de base, os quais apenas terão de ser adquiridos quando necessário. Por outro lado, aproveitando as interfaces de compatibilidade oferecidas

28 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 14 AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAAA Aplicações Sistemas SCADA FactoryLink IV EasyMAP Processyn InTouch Controlo de Célula Supervisão e Aquisição de dados Controlo da Qualidade Controlo de processos contínuos e discretos Controlo Distribuído Controlo de Célula Gestão de Alarmes Gestão e Controlo da Produção Supervisão e Aquisição de dados Controlo da Qualidade Instrumentação Interfaces: Sinópticos Alarmes Curvas de Tendência Gestão de Receitas Computação: Linguagem de Controlo Sequencial Programação em C Lógica Fuzzy Execução: Históricos Eventos Relatórios Passwords Supervisão Controlo de Célula Gestão da Produção Controlo da Qualidade Simulação Teste Automático Funcionalidades Interfaces: Sinópticos Curvas de Tendência Alarmes Gráficos Estatísticos Gestão de Receitas Computação: Funções Lógicas e Matemáticas Processamento Estatístico Programação em C e C++ Execução: Eventos Contadores Relatórios Históricos Passwords Interfaces: Sinópticos Curvas de Tendência Alarmes Gráficos de barras Computação: Tratamentos específicos Programação em Microsoft C, Pascal ou Macro Assembler Execução: Históricos Eventos Receitas Relatórios Estatísticas Cronómetros Passwords Capacidade Memória disponível Memória disponível Memória disponível ou Visualização Configuração Comunicação Compatibilidade Interface com dispositivos Plataformas X Windows Microsoft Windows Presentation Manager DEC Windows Utilização de interfaces gráficas e recurso a programação. Redes: Ethernet Token Ring MAP Protocolos: DECnet MMS NetBIOS TCP/IP Bases de dados: dbase IV IBM Database manager Ingres ORACLE Rdb/VMS SYBASE Aplicações: Interface DDE Larga gama de drivers Plataforma para desenvolvimento de novos drivers Windows e NT OS/2 VMS AIX HP-UX OSF/1 SCO Open Desktop Presentation Manager Utilização de interfaces gráficas e recurso a programação. Redes: Ethernet Token Ring Token Bus MAP Protocolos: MMS LAN Manager NetWare Bases de dados: ORACLE Aplicações: Interface DDE Plataforma para desenvolvimento de Gateways entre a interface MMS e protocolos proprietários OS/2 variáveis CGA (320x200x4) EGA (640x350x16) VGA (640x480x16) GALAXY, MERCURY (1024x768x16) Editores gráficos, semi-- gráficos e Editores de texto. Programação. Redes: Ethernet Token Ring Protocolos: NetBIOS MS-NET Bases de dados: dbase IV Aplicações: Formatos Standard Larga gama de drivers MS-DOS OS/2 Interfaces de Operação Aquisição de dados Controlo e Supervisão Gestão de Alarmes Controlo da Qualidade Interfaces: Sinópticos Curvas de Tendência Alarmes Gestão de Receitas Gráficos Estatísticos Computação: Processamento Estatístico Expressões Lógicas e Matemáticas Execução: Históricos Eventos Relatórios Passwords 64, 128, 256 ou variáveis Microsoft Windows Interfaces Gráficas. Redes: Ethernet Token Ring Protocolos: DECnet NetBIOS NetWare TCP/IP Série/Modem Aplicações: Interface DDE Larga gama de servidores DDE Plataforma para desenvolvimento de servidores DDE Windows Tabela 2.2: Características principais dos sistemas SCADA estudados.

29 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 15 pelos sistemas SCADA para acesso aos dados, é possível realizar tarefas de cálculo ou de apresentação de gráficos utilizando aplicações externas. Esta utilização de aplicações previamente disponíveis comporta não só benefícios económicos mas também a nível da utilização para os utilizadores com conhecimento dessas aplicações. A decomposição modular dos sistemas SCADA permite racionalizar o esforço despendido na sua configuração. Um bom exemplo deste facto pode ser ilustrado pela decomposição das funcionalidades relativas à edição de sinópticos em dois módulos. Um dos módulos permite a criação e gestão de símbolos gráficos que são armazenados numa base de dados para posterior utilização e o outro permite a criação e edição de sinópticos construídos por composição dos símbolos existentes na base de dados. Neste exemplo cada módulo tem uma função específica bem determinada. A criação de símbolos é normalmente necessária apenas na instalação do sistema, ao passo que a edição dos sinópticos será provavelmente realizada sempre que se verifique alguma alteração do sistema supervisionado. Faz portanto sentido separar estas funcionalidades em dois módulos distintos. Ao nível da comunicação, quer com os dispositivos industriais, quer com outras entidades ligadas à rede, a modularização do sistema é também vantajosa. Cada módulo de comunicação concretiza os serviços especificados numa interface para um determinado protocolo ou rede, isolando a dependência do sistema relativamente ao suporte de comunicação utilizado. Por outro lado, se a interface entre os módulos de comunicação e o SCADA for aberta, é ainda possível, utilizando ferramentas apropriadas, desenvolver novos módulos, por exemplo, para comunicação através de protocolos proprietários. Alguns SCADA suportam múltiplos sistemas operativos. A este nível, a modularização no contexto aplicacional não comporta vantagens evidentes. No entanto, no contexto da arquitectura de software, a modularização é um aspecto fundamental, determinante em termos de portabilidade do código. Finalmente, não podíamos deixar de referir as vantagens da modularização do ponto de vista da evolução do sistema. Dado que os módulos são blocos independentes, é possível melhorá-los ou mesmo substituí-los por novos módulos sem que isso afecte o funcionamento dos outros módulos ou de outras aplicações. A evolução do sistema pode, portanto, ser gradual.

30 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 16 Uma possível desvantagem da modularização prende-se com questões de desempenho. Em comparação com soluções de software integrado, onde todas as funcionalidades são realizadas num único bloco, é natural que se note um menor desempenho das soluções modulares. Em seguida apresentamos uma análise das funcionalidades e das aplicações mais comuns encontradas nos sistemas SCADA. 2.4 Aplicações e Funcionalidades As empresas que comercializam os sistemas SCADA apresentam-nos através da indicação das suas características principais, explicitando os requisitos de hardware, de software e as funcionalidades oferecidas. Optámos por não seguir uma lógica semelhante, pois pensamos ser mais frutuoso explorar o significado e a necessidade das funcionalidades mais comuns, dando apenas indicadores das grandezas relativas à diversidade e qualidade das concretizações. A prova do que acabámos de dizer pode ser obtida por inspecção da tabela 2.2. Como pode ser observado existe uma grande uniformidade em termos das funcionalidades oferecidas, o que reforça a nossa opção estratégica de abordar o problema numa perspectiva temática. A análise individual de cada SCADA seria certamente muito repetitiva. Vimos na secção anterior que algumas funcionalidades oferecidas pelos sistemas SCADA são realizadas por módulos de software independentes. No entanto, como foi também referido, as funcionalidades básicas, essenciais para a construção de um sistema de supervisão, estão incorporadas num único módulo, normalmente o módulo principal do SCADA. O texto que se segue traçará uma panorâmica muito alargada de funcionalidades comummente suportadas pelos sistemas SCADA, independentemente da forma como nos são apresentadas: como módulos, como aplicações independentes ou simplesmente como opções em menús de escolha múltipla Configuração do Sistema No seu sentido mais lato, um sistema de supervisão é composto por diversos componentes que devem ser configurados, e que podem ser agrupados de acordo

31 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 17 com a parte do sistema a que dizem respeito. Referimo-nos, entre outros, ao meio de comunicação, aos dispositivos fabris, à infraestrutura computacional e aos periféricos. Nesta secção iremos apenas descrever os aspectos que dizem respeito à configuração do próprio SCADA, ou seja, do software de supervisão. Na secção 2.7 serão então abordados os aspectos relativos a configuração mais genérica de um sistema de supervisão. Aí será também exposta a nossa visão crítica relativamente às capacidades de configuração dos diferentes SCADA. Todos os sistemas SCADA possuem ferramentas que de alguma forma permitem facilitar as tarefas de configuração. Fazendo um esforço de sistematização, poderemos considerar dois grupos básicos de ferramentas que se distinguem pelos objectivos a que se destinam. Aquelas que permitem configurar variáveis e serviços globais ao sistema e as que são utilizadas na construção e na configuração das aplicações de supervisão. As variáveis globais do SCADA, que indicam nomes de ficheiros, determinam o modo gráfico ou características sonoras, especificam formatos a utilizar ou nomeiam serviços de rede, são normalmente configuradas directamente a partir do programa principal do SCADA. Este tipo de acções de configuração, bem como as ferramentas que lhes estão associadas, são pouco complexas e de importância superficial no contexto das tarefas de configuração. Como tal não lhes dedicaremos mais espaço. A configuração das aplicações de supervisão é uma tarefa bem mais complicada. Engloba diversas acções, tais como a definição das variáveis que vão ser supervisionadas, a criação dos sinópticos, o estabelecimento de associações entre objectos gráficos e variáveis, a definição de alarmes e do tratamento a dar-lhes e a definição de acções de processamento e arquivo de dados. As soluções propostas pelos diversos SCADA para a execução destas tarefas não podem ser consideradas uniformes. O Processyn, por exemplo, oferece uma interface semi-gráfica de auxílio à programação (semelhante a um editor), através da qual se pode descrever o ciclo de processamento que será realizado. A mesma interface é também utilizada para descrever os sinópticos ou os gráficos de tendência. Todas as descrições são baseadas numa linguagem específica que exige conhecimentos de programação.

32 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 18 Em contraste com esta aproximação, podemos citar o InTouch, sistema cuja filosofia assenta fundamentalmente na simplicidade das interfaces e na ausência de requisitos de programação. Este apresenta um ambiente gráfico e uma metodologia de utilização que tem por base o Microsoft Windows, revelando-se assim muito familiar para a grande maioria dos utilizadores. A integração das diversas ferramentas de definição e configuração é também uma característica deste sistema. Num ponto intermédio podemos ainda encontrar sistemas SCADA que, sem desprezarem as vantagens da utilização de atraentes interfaces, permitem o recurso à programação e descentralizam as tarefas de configuração e modelação. Referimo- -nos ao FactoryLink, que, fazendo juz à sua arquitectura muito modular, possui módulos específicos que suportam cada uma das funcionalidade do sistema (e que são configurados independentemente). Alguns módulos apresentam ferramentas de configuração baseadas no preenchimento de tabelas e na parametrização de variáveis, como por exemplo os módulos de supervisão de alarmes e de carregamento de receitas, ao passo que outros obrigam o utilizador a criar programas obedecendo a uma linguagem própria, como é o caso do módulo de funções lógicas e matemáticas. A informação de configuração é armazenada em ficheiros, normalmente em formato binário, apenas legíveis pelo SCADA onde foram gerados. No entanto, alguns sistemas utilizam bases de dados como meio preferencial para armazenamento da informação. Por exemplo, o EasyMAP utiliza uma base de dados ORACLE para guardar a informação relativa aos elementos gráficos que compõem os sinópticos. Alguns sistemas permitem a criação de múltiplas configurações para um determinado componente (por exemplo, podem criar-se diversos sinópticos que diferem apenas nas cores utilizadas), sendo seleccionada durante a execução a configuração mais adequada de cada componente. A configuração do sistema de supervisão deve iniciar-se pela definição das variáveis que serão supervisionadas. De uma forma simplista, pode dizer-se que tal definição corresponde à atribuição de nomes às variáveis existentes nos dispositivos acedidos. Em concreto, deverão definir-se pontos de acesso ao dispositivo, utilizados nas acções de comunicação para atribuição de valores às variáveis. Um ponto de acesso pode ser visto como uma entidade que apenas possui a informação para aceder a uma determinada variável num dispositivo, não tendo autonomia para decidir

33 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 19 quando deverão ser executadas acções de leitura ou escrita. Estas acções só serão realizadas quando tal for solicitado por outras entidades do sistema. É possível definir diversos pontos de acesso associados ao mesmo gestor de dispositivo: o gestor conhece os detalhes específicos do protocolo de comunicação com o dispositivo e o ponto de acesso fornece os dados que permitem endereçar uma determinada variável. No EasyMAP um ponto de acesso tem de descrever uma variável MMS, ou seja, tem de indicar o VMD 8 que a disponibiliza, o nome pelo qual é referenciada nesse VMD e o seu tipo. No Processyn, os pontos de acesso são definidos nos módulos de interface aos dispositivos, e contêm informação que dependente do módulo utilizado. Por exemplo, num módulo de interface a um PLC, um ponto de acesso terá de indicar um endereço do PLC. No caso do InTouch, como a interface aos dispositivos é realizada por servidores dedicados que são acedidos por DDE, um ponto de acesso terá de conter a indicação do servidor a utilizar. No FactoryLink, o acesso aos dispositivos é realizado através do módulo EDI (External Device Interface), que é mais do que uma simples interface como nos casos anteriores. Como foi referido na secção 2.1.2, todos os módulos deste SCADA comunicam entre si através da base de dados de tempo-real. Assim, a leitura ou escrita de variáveis dos dispositivos, realizada pelo módulo EDI, é implicitamente comandada pelas aplicações de supervisão através da modificação de variáveis nessa base de dados. Cada ponto de acesso tem de definir não só o endereço a aceder no dispositivo, mas também as variáveis que determinam a execução de leituras e escritas e ainda a variável da base de dados que será utilizada na transferência. Durante a definição das diversas aplicações que constituem o sistema, a referência a uma determinada variável será feita sempre através do mesmo nome, que aponta para uma entrada na base de dados de tempo-real, em memória. Assim, o número máximo de variáveis que se podem definir numa sistema de supervisão será limitado, na pior das hipóteses, pela dimensão máxima da base de dados. Contudo, alguns SCADA limitam explicitamente o número máximo de pontos de acesso que podem ser definidos, no intuito de obter lucros do ponto de vista comercial. O custo destes sistemas é função do número máximo de pontos de acesso disponibilizados. Após a definição das variáveis pode iniciar-se a construção dos sinópticos e a confi- 8 Virtual Manufacturing Device Nos ambientes de comunicação por MMS os dispositivos são representados por VMDs, entidades virtuais que disponibilizam o estado do dispositivo, através das quais se processa a comunicação.

34 CAPÍTULO 2. PANORÂMICA SOBRE SISTEMAS SCADA 20 guração das diversas aplicações e funcionalidades de supervisão. Não continuaremos aqui a descrever as particularidades da configuração de cada uma delas, dado que isso será feito nas secções que as descrevem. Para finalizar, será interessante referir a incapacidade de configuração dinâmica que se verifica em todos os sistemas. Queremos com isto dizer que não é possível modificar o comportamento do sistema durante a sua execução, quer ao nível da definição de variáveis, quer mesmo ao nível das acções realizadas. O que é possível fazer, mas apenas em alguns sistemas, é activar ou desactivar a execução de determinadas aplicações, por exemplo aplicações de detecção de eventos ou colecção de dados. No Processyn, o método de construção das aplicações, por conter uma fase de geração da aplicação, impede totalmente a activação de módulos isolados durante a execução. Neste sistema, a modificação de apenas um módulo implica a reconstrução do sistema na sua globalidade! Controlo de Acesso Quase todos os SCADA estudados permitem a distribuição de aplicações de supervisão por várias entidades do sistema espalhadas numa rede local. É assim natural que existam múltiplos utilizadores com acesso ao sistema SCADA, eventualmente com responsabilidades específicas no respeitante à manutenção e à interacção com as diversas aplicações de supervisão. As funcionalidades para controlo de acessos permitem limitar o acesso de utilizadores a determinadas partes do sistema, ou ao sistema na sua totalidade. A mais simples das protecções consiste na obrigatoriedade de introdução de uma senha para inicialização do sistema. Outros tipos de protecção consistem, por exemplo, na definição de níveis de acesso ou na definição de operações condicionais. Neste último caso, a condição para a realização de uma operação pode consistir, simplesmente, na introdução de uma senha. No EasyMAP e no InTouch, as funções do controlo de acesso permitem a distinção de utilizadores e consequente atribuição individual de privilégios. No Processyn, como o sistema é baseado na execução sequencial de instruções, a definição de protecções de acesso torna-se relativamente simples, bastando que sejam introduzidas instru-