UNIVERSIDADE DE CUIABÁ FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA SISTEMA OPEN-SOURCE DE SUPERVISÃO CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS MÁRCIO COIADO RAYSARO

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1 0 UNIVERSIDADE DE CUIABÁ FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA SISTEMA OPEN-SOURCE DE SUPERVISÃO CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS MÁRCIO COIADO RAYSARO CUIABÁ 2012

2 1 MÁRCIO COIADO RAYSARO SISTEMA OPEN-SOURCE DE SUPERVISÃO CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS. Monografia apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade de Cuiabá, para obtenção do título de Bacharel em Sistema de Informação. Orientador: Prof. Leandro Gustavo Alves. Cuiabá 2012

3 FOLHA DE APROVAÇÃO 2

4 3 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus que me deu saúde e forças para chegar até aqui. Agradeço a todos os professores que me acompanharam durante a graduação, em especial ao Prof. Leandro Augusto Alves, pelas orientações no decorrer do trabalho. A empresa Heineken Brasil e aos colegas de trabalho por contribuir direta ou indiretamente para realização deste trabalho.

5 4 RESUMO Este trabalho apresenta, dentro de um contexto industrial, as funções, características e aplicabilidades dos sistemas de supervisão controle e aquisição de dados - SCADA proprietários e open-source. Estes sistemas conseguem monitorar e controlar, através da aquisição de dados de um processo, variáveis como: pressão, vazão, temperatura, tempo, nível, corrente, tensão, entre outras, em tempo real. Mostra o gerenciamento dos dados na tela do computador, por meio de sinóticos ou telas gráficas, compostas por objetos e gráficos que representam o layout do processo. Abrangem aplicações bem diversificadas não só industriais, podendo atender os mais variados processos, sendo quase obrigatórios em qualquer sistema de automação modernos rodando em computadores. Este trabalho propõe também o desenvolvimento de um protótipo para teste com o sistema open-source ScadaBR, e a instalação deste mesmo sistema numa empresa, para monitorar e supervisionar, em tempo real, uma variável dentro de um processo de produção de frio, mostrando a relação do usuário com o processo através de interfaces gráficas. Palavras-chave: SCADA. ScadaBR. Supervisão. Interfaces Gráficas.Open-Source

6 5 ABSTRACT This paper presents, within an industrial context, functions, characteristics and applicability of supervisory control and data acquisition - SCADA proprietary and open source. These systems can monitor and control, data acquisition through a process, variables such as pressure, flow, temperature, time, level, current, voltage, among others, in real time. Displays data management on a computer screen by means of synoptic or graphic displays, consisting of objects and graphics that represent the layout process. Applications cover not only well diversified industry, can meet the most varied processes, which is almost mandatory in any automation system running on modern computers. This work also proposes the development of a prototype for testing the system to ScadaBR open source, and the installation of this system in a company, to monitor and monitor in real time, a variable within a process for producing cold, showing the relationship the user through the process via graphical interfaces. Key-words: SCADA. ScadaBR. Supervisory. Graphical User Interfaces. Open Source

7 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura: 1 - Primeiro SCADA Figura: 2 - Sala de monitoramento e controle Figura: 3 - Exemplo de Sinótico de Um Processo Químico e Pretoquímico Figura: 4 - Exemplo de Tela Sinótica ( Geral ) das Temperaturas dos Tanques de Maturação e Fermentação (ODs- Outdoor - Unitanques) do SCADA GE FANUC Figura: 5 - Exemplo de Sinótico de Processo de Dosagem de Substância Figura: 6 - Componentes Físicos de Um Sistema SCADA Figura:7 - Tela de Alarmes / Eventos Figura: 8 - Tela de Alarmes de Temperaturas dos Tanques de Fermentação e Maturação (ODs) do SCADA GE FANUC Figura: 9 - Gráficos de Tendências Instantâneas Figura: 10 - Tendências Históricas Figura: 11 - Tela de Relatório Paradas Figura: 12 - Tela de Relatório Figura:13 - Exemplo de Representação Gráfica em Um Processo de Geração de Energia Figura: 14 - Exemplo de Representação Gráfica em Várias Dimensões Figura:15 - Estrutura Típica do Hardware de uma RTU Figura: 16 - Componentes de um Controlador Lógico Programável Figura: 17 - CLP com Instrumentos de Campo Figura: 18 - Controlador N 1100 Single Loop ou Single Station Figura: 19 - Controle de Malha Aberta Figura: 20 - Malha Fechada Figura: 21 - Arquitetura de uma Rede Industrial Figura: 22 - Arquitetura de uma Rede de Instrumentos Fieldbus Figura: 23 - Camadas de Protocolos no Modelo OSI Figura: 24 - Exemplo de Comunicação com Padrão RS Figura: 25 - Exemplo de Arquitetura de Rede de Comunicação com DNP

8 7 Figura: 26 Servidor ScadaBR Figura:27 - Tela Inicial no Navegador e Start do Tomcat no ScadaBR Figura: 28 - Exemplo de Seleção e Configuração de Data Sources Figura: 29 - Tela com Exemplos de Data Point Figura: 30 - Tela com Exemplo de Detalhes de Data Point Figura: 31 - Tela de Supervisão de uma Pequena Central Hidrelétrica Figura: 32 - Tela de Sistema Fábrica Visual do LABelectron Figura: 33 - Exemplo de Relatório de Dados Históricos Figura: 34 - Telas de Configurações de Script com JavaScript e Contagem de Peças pelo Sistema Figura: 35 - Exemplo de Monitoramento de Pontos em Tempo Real Usando Watch List e Gráficos de Tendências Históricos Figura: 36 - Exemplo de Gráficos de Tendências Instantâneos Figura:37 - Exemplo de Gráfico de Tendência Histórico com Detalhes do Data Point Figura: 38 - Exemplo de Imagens Animadas com Visualizações Dinâmicas do Processo Monitorado Figura: 39 - Configuração de Controle para Modbus-RTU Figura: 40 - Exemplo de Controle com Alteração de Set Point Figura: 41 - Visualização de Alarmes na Tela de Watch List e de Alarmes Pendentes Figura: 42 - Tela de Configuração de Detecção de Eventos e Ocorrências de Eventos do Sistema Figura:43 - Criação de schema de dados e tabelas num servidor externo Figura: 44 - Configuração e visualização dos dados no data source SQL do ScadaBR Figura: 45 - Criação dos data points para consulta Figura: 47 - API Web-Services Figura: 48-Tela API Java Figura: 49 - Tela API HMI Builder comunicando com ScadaBR Figura:50 - Foto de representação do protótipo criado Figura: 51 Foto do Sistema de Refrigeração por Amônia com Armazenamento do Etanol, Bombeamento, Medição, Monitoramento e Supervisão da Temperatura pelo Sistema ScadaBR... 88

9 8 Figura: 52 - Foto do Registrador de Temperatura de Saída de Etanol Figura: 53 - Representação do Processo Real com Alarmes de Temperaturas Figura: 54 - Gráficos de Tendências Instantâneas e Históricos de Temperaturas Figura: 55 - Alarmes de Temperaturas Figura: 56 - Relatório de Importação Para o Excel e Gráfico Consolidado dos Dados... 93

10 9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Estrutura dos Telegramas Modbus-RTU... 50

11 10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO HISTÓRICO DEFINIÇÃO DE SISTEMA SCADA E SUAS FUNÇÕES Supervisão Operação Controle ARQUITETURA: COMPONENTES DE UM SISTEMA SCADA COMPONENTES FÍSICOS Componentes lógicos Sistema de aquisição de dados Banco de dados em tempo real Gerenciamento de alarmes Gráficos de Tendências Instantâneas Gráficos de Tendências Históricas Geração de Relatórios Interface Gráfica Módulo de cálculo Geração de Script Receitas Log de Eventos INSTRUMENTOS DE AQUISIÇÃO E CONTROLE RTU CLP Controlador Inteligente Malha aberta Malha fechada ARQUITETURA DE UMA REDE INDUSTRIAL Rede de informação Rede de controle Rede de campo Redes de sensores ou Sensorbus Redes de Dispositivos ou DeviceBus Redes de instrumentação ou fildbus MODOS DE COMUNICAÇÃO Comunicação por Polling ( Mestre-Escravo ) Comunicação por interrupção PADRÕES DE INTERFACES FÍSICAS MAIS UTILIZADOS E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Padrões de Interfaces físicas RS RS RS

12 Protocolo Modbus Protocolo DNP Protocolo IEC Protocolo OPC Protocolo TCP/IP SISTEMAS SCADA PROPRIETÁRIOS Indusoft Proficy-IFIX Lab View SISTEMAS SCADA OPEN-SOURCE Mango Argos Scada Beremiz Access Point Likindoy Sistema Open-Source de Supervisão Controle e Aquisição de Dados Brasileiro (ScadaBR ) Funcionamento do sistema ScadaBR Servidor Web Estrutura do Sistema Funcionalidades do ScadaBR Data sources Data Points Representações Gráficas ou Telas Relatórios Scripts Monitoramento Controle Alarmes Eventos Integração com Sistemas Externos API DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE AQUISIÇÃO DE DADOS Computador Instalação e configuração Controlador indicador de temperatura Cabo de comunicação Conversor RS232/ Conversor USB/Serial Conclusão APLICAÇÃO SCADA OPEN-SOURCE NA HEINEKEN BRASIL Descrição Geral Requisitos da aplicação O processo Monitoramento dos dados do processo antes da instalação do sistema ScadaBR Representação gráfica do processo Monitoramento e supervisão dos dados do processo depois da instalação do sistema ScadaBR.. 90

13 Alarmes das temperaturas Relatórios CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 96

14 13 1 INTRODUÇÃO Os processos industriais estão mais complexos e necessitam cada vez mais ser controlados e monitorados em tempo real, para garantir uma maior confiabilidade e qualidade nos dados gerados e consequentemente no produto a ser desenvolvido. Através da aquisição de dados em tempo real são processadas as informações necessárias à sobrevivência na era da informação. Uma ferramenta computacional, cara e em sua maioria de caráter proprietária tem que pagar licença de uso, complexa e que pode ser instalado, em um computador, que pode estar perto do processo ou a quilômetros de distância, e que permite esta aquisição de dados, e a representação destes dados de forma amigável para o usuário, são os sistemas reconhecidos mundialmente como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Estes são sistemas de supervisão controle e aquisição de dados que conseguem monitorar e controlar variáveis como: pressão, vazão, temperatura, tempo, nível, corrente, tensão, entre outras funções. Com a utilização dos sistemas de supervisão controle e aquisição de dados SCADA, uma enorme ampliação em termos de capacidade, funcionalidades e ferramentas para que o usuário venha interagir com o processo é disponibilizada. Abrangem aplicações cada vez mais diversificadas podendo atender os mais variados processos e estes não somente industriais, mas, como geração de energia - convencional ou nuclear, tratamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto, grandes sistemas de comunicação, sendo quase obrigatórios em qualquer sistema de automação modernos rodando em computadores, onde cada equipamento ou dispositivo do processo que é monitorado ou controlado por algum instrumento, pode ser manipulado a partir do sistema supervisório. Estes sistemas disponibilizam uma interface que segundo Pressman é um mecanismo por meio do qual se estabelece um diálogo entre um programa e o ser humano, para trocar dados com um computador (Pressman, 2006, p.603). Esta interface de alto nível do usuário com o processo permite o gerenciamento dos dados na tela do computador, por meio de sinóticos ou telas gráficas, compostas por objetos e gráficos que representam o layout do processo, registrando o comportamento das variáveis, mostrando alarmes, eventos, históricos, relatórios, enfim, o status do andamento da produção. Possuem as funções de supervisão, controle, operação, aquisição de dados, comunicação com outros sistemas externos, entre outras, contendo uma arquitetura física que é composta basicamente por: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas de aquisição/controle e de monitoração central -

15 14 sistema computacional SCADA. Permitem várias formas de comunicação com a utilização de protocolos como: Modbus-RTU, TCP/IP, DNPO3, OPC entre outros. Nos últimos anos, devido há um crescente avanço tecnológico em várias áreas, surgiram vários modelos de SCADA open-source pelo mundo, e aqui no Brasil com apoio do governo e com parcerias entre empresas e universidades públicas, foi disponibilizado um sistema SCADA open-source com grandes performances de desempenho. Este exemplo é o sistema open-source de supervisão controle e aquisição de dados brasileiro ScadaBR, que pode ser instalado, tanto em laboratórios de universidades, como em qualquer processo industrial, predial ou residencial com um custo muito baixo. Conforme citado acima, o sistema pode ser aplicado em diversas áreas, no caso foi escolhido a área industrial, onde será descrito tanto como funciona o sistema SCADA com sua estrutura, componentes físicos e lógicos, equipamentos, arquitetura de redes industriais, protocolos de comunicação e como os dados são obtidos em campo entre outros, alguns modelos de sistemas proprietários e por fim, vários tipos de sistemas open-source e especificamente sobre o ScadaBR, com quase todas as suas funções e diferentes aplicabilidades. Algumas abordagens são relatadas neste trabalho com o objetivo de apresentar tanto as funções, como a relação da interface gráfica do sistema open-source ScadaBR, entre o usuário e um processo em tempo real, através de gráficos e objetos que estão relacionados com as variáveis físicas de campo, para que através da aquisição e supervisão remota destes dados a empresa possa ter mais confiabilidade, rapidez, qualidade e rastreabilidade no seu processo. Estas abordagens serão finalizadas com a implementação e a montagem de um protótipo prático para teste e posteriormente a instalação do sistema ScadaBR na empresa Heineken Brasil, podendo melhorar parte do processo, com esta supervisão em tempo real da variável a ser medida, ou seja, dando condições favoráveis para que o processo possa ser mantido com as características desejáveis pela empresa.. Nos capítulos abaixo, serão abordados os seguintes temas: Capítulo 2 Histórico - aborda a origem dos primeiros sistemas SCADA, primeiras empresas a desenvolver os sistemas, evolução dos sistemas; Capítulo 3 Definição de Sistema SCADA e Suas Funções - apresenta a definição dos sistemas de supervisão controle e aquisição de dados com as funções de supervisão, operação e controle ; Capítulo 4 Arquitetura: Componentes de Um Sistema SCADA apresenta os componentes físicos e lógicos que compõem o sistema;

16 15 Capítulo 5 Instrumentos de Aquisição e Controle - aborda os principais instrumentos de aquisição como: RTU, CLP, Controlador Inteligente, malhas de controle e suas funções e componentes; Capítulo 6 Arquitetura de Uma Rede Industrial - apresenta os vários tipos de redes industriais como: rede de informação, controle, campo, sensores, dispositivos, rede de instrumentação e suas devidas hierarquias; Capítulo 7 Modos de Comunicação - aborda genericamente dois modos de comunicação que são: por Polling (Mestre-Escravo) e interrupção com suas características; Capítulo 8 Padrões de Interfaces Físicas Mais Utilizados e Protocolos de Comunicação - apresenta os padrões RS 232, RS 422 e RS 485 com os protocolos Modbus, DNP3, IEC , OPC e TCP/IP, bem como suas definições e funções; Capítulo 9 Sistemas SCADA Proprietários - apresenta os sistemas Indusoft, Proficy-ifix, Lab-view, Elipse com algumas funções e características; Capítulo 10 Sistemas SCADA Open-Source - aborda definições sobre opensource e alguns tipos de SCADA open-source como: Mango, Argos, Beremiz, Acess Point, Likindoy, com suas características e o ScadaBR com explicação de seu funcionamento, estrutura e várias funcionalidades e aplicações; Capítulo 11 Desenvolvimento do Protótipo de Aquisição de Dados - demonstra a criação do protótipo, instalação e configuração do sistema, IHM, instrumentos, isto é, suas características técnicas; Capítulo 12 Aplicação SCADA Open-Source Na Heineken Brasil - apresenta uma descrição geral, requisitos, aplicações, o processo, monitoramento dos dados antes da instalação do sistema, representação gráfica do processo, monitoramento e supervisão depois da instalação do sistema, alarmes e relatórios; Capítulo 13 Considerações Finais relata as finalizações do projeto proposto neste trabalho com sugestões para trabalho futuro.

17 16 2 HISTÓRICO Os primeiros sistemas SCADA originaram-se de antigos sistemas de telemetria 1 e controle, onde em meados dos anos 70 é que começaram a utilizar o nome SCADA para indicar os sistemas de telemetria e controle ( MOREIRA, 2011 ). No início os sistemas SCADA informavam de tempos em tempos o estado corrente do processo industrial e permitiam o monitoramento de sinais representativos de medidas e estados de dispositivos através de um painel de lâmpadas e indicadores, onde o controle era feito manualmente pelo operador através de botões, sem que houvesse praticamente nenhuma interface de aplicação com o operador. ( ROSÁRIO, 2005 ). Figura: 1 Primeiro SCADA ( Adaptado: BAILEY, 2003) Próximo do final da década de 70, através do surgimento do computador pessoal (PC), foi possível a substituição dos antigos painéis de lâmpadas e indicadores e mesas de controle. Começaram a surgir em meados de 1980 às primeiras plataformas de supervisão e operações de processos com computadores, dotados de poucos recursos tecnológicos e extremamente caros, isto é, tinham uma arquitetura centralizada, fechada e sem conectividade externa, de difícil programação e utilização, sendo realizada apenas por pessoas altamente qualificadas e devido a esses fatores tinham um elevado custo de implantação e manutenção, onde estes sistemas computacionais eram utilizados somente por empresas de grande porte como petróleo e energia. 1 TELEMETRIA É a transmissão da informação de medição para locais remotos por meio de fios, ondas de rádio, linhas telefônicas ou outros meios. Telemetria é o sistema completo de medição, transmissão e recepção para indicar ou registrar uma quantidade à distância. Telemetria é também chamada de medição remota. (RIBEIRO, 2001, p ).

18 17 Com a evolução do computador pessoal e o crescimento de vários processos industriais, a exigência por informações em intervalos de tempo cada vez mais curtos, e a consequente redução de custos da produção de componentes para computadores, começaram a aparecer softwares SCADA em diversos tamanhos, em vários sistemas operacionais e com várias funcionalidades. Nesta época, diversas empresas internacionais lançaram suas primeiras versões de softwares SCADA empresas como intellution (ifix), PC Soft (Wizcon), Iconics (Genesis), CI Technologies (Citetic) entre outras. Esta evolução motivou o surgimento de diversas empresas de desenvolvimento, desta forma, criou-se o mercado de softwares supervisórios. No início de 1990 existiam mais de 120 empresas de desenvolvimento. As empresas que produziam estes softwares foram consolidadas e ficaram no final reduzida a uma dezena delas. Os sistemas operacionais de tempo real (RTOS) deram lugar ao Windows NT que é padrão Microsoft, de uso genérico e de desempenho questionável em aplicações críticas, mas, tem vantagens em relação ao custo total de propriedade, possui uma interface gráfica popular e uma grande quantidade de drives de comunicação com dispositivos existentes no mercado. Nos últimos anos, estes avanços tecnológicos perpetuados, em diversas áreas como: eletrônica, automação e computação contribuíram para que se possam utilizar tanto o Windows XP, Windows 7, Linux e outros, em uma aplicação com SCADA. Desta forma os sistemas supervisórios se tornaram mais velozes, chegando ao ponto de monitorar mais de tags, com arquiteturas cada vez mais complexas de rede, e com os servidores proporcionando a replicação e a comutação em caso de falha da base de dados do sistema. Hoje em dia, com o desenvolvimento dos sistemas open-source de supervisão, controle e aquisição de dados, é possível a implantação desses sistemas para supervisão nos mais variados processos, tanto nas pequenas, médias e grandes empresas dos mais diversificados setores industriais com custo mais acessível.

19 18 3 DEFINIÇÃO DE SISTEMA SCADA E SUAS FUNÇÕES De acordo com Filho (2011), o sistema SCADA, sigla do inglês para Supervisory Control and Data Acquisition, significa Controle Supervisório e Aquisição de Dados e são sistemas de supervisão de processos industriais que coletam dados do processo através de controladores lógico programáveis, unidades terminais remotas ou outros instrumentos de aquisição de dados, formatam esses dados, e os apresenta ao operador em uma multiplicidade de formas numa tela de computador, fornecendo as mais diversas informações do processo monitorado, como por exemplo: tempo de máquina parada, tempo de ciclo, quantidades de peças produzidas, motivos de parada, etc. É um conjunto de ferramentas avançadas que atende as necessidades de gerenciamento dos mais variados processos, possibilitando a comunicação com diversos outros sistemas sendo utilizados desde plantas industriais complexas até a automação predial. Dependendo do fabricante as funcionalidades dos sistemas de supervisão podem variar, assim, de uma forma geral são relacionadas algumas abaixo: 3.1 Supervisão Na supervisão as funções de monitoramento do processo industrial em tempo real são feitas através de interfaces gráficas com sinóticos animados, gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, gráficos estatístico, relatórios sob a forma visual ( no monitor ) e impressos, supervisão do processo através de imagens, históricos dos dados, condições de alarmes, gestão de receitas etc.( FILHO, 2011 ). Atualmente na área industrial é mais comum quando se tem a necessidade de ter uma supervisão e ou controle de um determinado processo, seja este grande ou pequeno ser necessário ter informação visual de como está funcionando este processo. Na medida em que os sistemas de controle vão evoluindo e se tornando cada vez mais completos, vão aumentando também a complexidade dos elementos que proporcionam a informação dos dados ao usuário. O sistema supervisório disponibiliza janelas aos usuários, que podem ser de controle individualizadas para comandos como: ligar/desligar, seleção de modo de operação - manual, automático, manutenção e indicação de status como por exemplo - ligado/desligado, em

20 19 alarme, podendo ser feitas de maneira individual e para todos os equipamentos supervisionados e ou controlados. A partir de computadores que são posicionados junto ao processo ou em salas de monitoramento e controle que são situadas a quilômetros de distância, podem através da aquisição de dados de um processo industrial, monitorar e controlar variáveis como: pressão, vazão, temperatura, tempo, nível. Figura: 2 - Sala de monitoramento e controle Fonte: Acesso: O gerenciamento destes dados na tela do computador se dá através de uma interface de alto nível do usuário com o processo, isto é, permitindo uma visualização e acompanhamento da produção em forma de gráficos que registram o comportamento das variáveis e as telas sinóticas, citadas em vários exemplos abaixo, e que representam o layout do processo, alarmes, status do andamento da produção, relatórios, confirmando que tanto a IHM - Interface Homem Máquina, como a maior parte da IHC- Human-Computer Interface é realizada por meio visual - por exemplo, relatórios ou gráficos impressos, CRT - Cathodic Ray Tube ou display em painel plano. ( PRESSMAN, 2006, p.603 ). Neste ambiente computacional onde predomina também além de outros sentidos humanos o sentido visual o usuário percebe as informações procedentes do sistema supervisório e desta forma os olhos e o cérebro trabalham juntos para receber e interpretar informações visuais com base no tamanho, forma, cor, orientação, movimento e outras características que completam este sentido.( PRESSMAN, 2006).

21 20 Todos os dados que são visualizados pelo operador neste processo se dá em tempo real, onde o tempo real esta relacionado ao tempo de resposta do sistema, portanto, é o tempo dentro do qual um sistema detecta um evento interno ou externo e responde com uma ação os dados de todos os eventos mais importantes da planta industrial. ( PRESSMAN, 2006). Figura: 3 Exemplo de Sinótico de Um Processo Químico e Pretoquímico Fonte: Software Elipse. Figura: 4 - Exemplo de Tela Sinótica ( Geral ) das Temperaturas dos Tanques de Maturação e Fermentação (ODs- Outdoor - Unitanques) do SCADA GE FANUC Fonte: Heineken Brasil

22 Figura: 5 Exemplo de Sinótico de Processo de Dosagem de Substância Fonte: Acesso:

23 Operação Na função de operação substituíram com vantagens as funções de mesa de controle e incluem: ligar e desligar equipamentos, operações de malhas PID, alterar parâmetros e tempos, quantidades a produzir, etc.( FILHO, 2011 ). 3.3 Controle Nas ações de controle 2 assim chamados de DDC ( Digital Direct Control ), alguns sistemas através de linguagens de scripts usadas para lógicas de automação permitem uma ação de controle direta, isto é, as operações de entrada e saída são executadas diretamente com cartões de I/O ligados diretamente ao barramento do micro, sem depender de remotas inteligentes, e portanto, os dados são amostrados e através de um algoritmo de controle é executado e a saída é aplicada ao processo e este controle é representado pela ação direta sobre uma variável manipulada. (Filho, 2011). Também existe outra classe de controle mais avançada, chamada de controle supervisório 3 onde é comum o modelamento matemático da planta sendo muito usado na área mineral. Possuem além destas as funções de drivers de comunicação, que representa a interface de comunicação entre as estações de operação e os controladores, base de dados em tempo real que é um repositório do sistema de supervisão atualizado em tempo real, funções lógicas e matemáticas, função de segurança implementada através de senhas com níveis de restrição e outras que serão relacionadas mais abaixo em sua arquitetura. 2 Controle É a ação de fazer um sistema físico comportar-se conforme as especificações de desempenho. ( MAITELLI, 2000, p. 5 ). 3 Controle Supervisório Nesta classe de sistema os algoritmos de controle são executados pela unidade terminal remota (UTR ), mas os set-points para malhas de controle são calculados dinamicamente pelo sistema de supervisão de acordo com o comportamento global do processo. Esta arquitetura possui maior confiabilidade que os sistemas DDC e traz a vantagem de atuar sobre um grande número de malhas de controle simultaneamente enquanto o operador geralmente só consegue atuar malha a malha com um sistema convencional. Geralmente é utilizada uma interface tipo especialista para definição das regras de controle a nível de supervisão. (FILHO, 2011, p. 2).

24 23 4 ARQUITETURA: COMPONENTES DE UM SISTEMA SCADA COMPONENTES FÍSICOS Os componentes da arquitetura física de um sistema SCADA são classificados da seguinte forma: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas de aquisição/controle e de monitoração central - sistema computacional SCADA. Os sensores são instrumentos de medições definidos como transdutores, isto é, convertem grandezas físicas tais como: temperatura, velocidade, nível, pressão, vazão em grandezas elétricas para o caso de sensores analógicos 4 e sensores digitais 5 que medem variáveis com estados distintos, ligado e desligado, alto e baixo. Os atuadores são dispositivos que ao receberem sinais de controle o convertem em uma ação física no sentido de alterar a variável manipulada, ligando e desligando determinados equipamentos. Através das estações remotas de entrada e saída é que se tem o controle e aquisição de dados dos equipamentos de processo, onde são compostas basicamentes, tanto por instrumentos diversos, como CLPs 6 (Controladores Lógicos Programáveis) e/ou UTRs (Unidades de Terminal Remotas), portanto, são entendidas como unidades computacionais dedicadas, nas funções de entrada de dados e saída de comandos para o processo a ser manipulado. Os CLPs possuem características de relativa facilidade em termos de linguagem de programação, podendo ser programados e reprogramados rapidamente, também controlam dispositivos através de entradas e saídas com maior versatilidade e flexibilidade. De outra forma, os UTRs possuem uma hábil capacidade de comunicação, sendo indicadas para ambientes em que a comunicação é mais difícil. Através de uma rede de comunicação ocorre a transferência de dados entre os CLPs/UTRs e o sistema SCADA e dependendo das funções do sistema a ser utilizado e da distância a alcançar, esta rede pode ser implementada através de fibras ópticas, cabos Ethernet, linhas dedicadas, equipamentos wireless, cabos coaxial, satélites etc. Nas estações de monitoração central é onde se encontram as IHMs (Interfaces Homem-Máquina) do sistema supervisório. 4 Analógico É aquele que assume determinado valor compreendido dentro de uma escala; entre os exemplos podemos citar um valor de pressão indicado num manômetro, o valor de tensão indicado em um voltímetro e o valor de temperatura indicado em um termômetro. ( ROSÁRIO, 2005, p. 57 ). 5 Digital é aquele que pode assumir um número finito de valores em determinada escala. ( ROSÁRIO, 2005, p. 57 ). 6 CLP É aparelho digital que usa memória programável para armazenar instruções que implementam funções como: lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e operações aritméticas, para controlar através de módulos de entrada e saída (digital e analógica) diversos tipos de máquinas e processos. São sistemas modulares compostos basicamente de: fonte de alimentação, CPU, memória, módulos de entrada e saídas, linguagens de programação, dispositivos de programação, módulos de comunicação e módulos especiais (opcionais). (MAITELLI e YONEYAMA, 2000, p. 33).

25 24 Segundo Rosário (2005), estas estações de monitoração centrais são consideradas como as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsáveis por reunir a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos acontecidos, podendo estar centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações reunidas. Figura: 6 - Componentes Físicos de Um Sistema SCADA Fonte: Acesso: Componentes lógicos Os sistemas SCADA tem a capacidade de ser multitarefa e esta característica faz com que o software execute várias tarefas ou módulos aplicativos ao mesmo tempo, priorizando-as. Desta forma os principais componentes da arquitetura lógica do sistema são divididos nas seguintes tarefas: Sistema de aquisição de dados Este módulo do sistema funciona como uma interface entre o ambiente real de parâmetros físicos do processo, que é o analógico e o ambiente do computador, que é o digital. O sistema de aquisição de variáveis coordena a interrogação ou a aquisição automática das variáveis das RTUs, CLPs e outros instrumentos, recebendo seu status on

26 25 line, registrando seus eventos em um banco de dados, armazenando na memória de massa, podendo ser usados por outros aplicativos do sistema de acordo com parâmetros prédeterminados. (RIBEIRO, 2003). Desta forma a RTU ou CLP situadas em cada local do processo reúne os dados de campo que compreendem todas as informações dos equipamentos e da instrumentação de campo ( pressão,vazão, nível, temperatura, etc..), em pacotes e estes são enviados através dos sistemas de comunicações para o computador central e assim, o sistema de aquisição automática de variáveis lê os dados que entram nos dispositivos de campo e passam estas informações para um gerenciador de dados para arquivar temporariamente os dados que são capturados pelo sistema tendo o propósito de colocar estes dados nos seus devidos lugares na base de dados do sistema. (RIBEIRO, 2003) Banco de dados em tempo real No centro de um sistema de supervisão controle e aquisição de dados estão inseridos um grande banco de dados que formam uma coleção de dados com uma estrutura hierárquica precisa, contendo todas as variáveis atualizadas em tempo real provindas do processo para alimentação de dados do software e tendo a responsabilidade de identificar, isolar, reunir e organizar os dados, para que desta maneira, outros módulos do sistema possam utilizá-los em suas tarefas quando solicitados. (RIBEIRO, 2001). Esta base de dados em tempo real mantém um cadastro onde cada dado lido do campo, através do CLP ou RTUs, tem seu valor armazenado e estes são representados por variáveis de aplicações do sistema que tem a identificação de Tag. As Tags são nomes que associam um endereço ou registrador de um dispositivo ao sistema de supervisão e controle,isto é, liga um objeto gráfico aos dispositivos de campo e são usadas como unidade básica de dados ( ZEILMANN,2002 ). Essas unidades básicas de dados não são só representadas pelos dados lidos de equipamentos de campo, mas, qualquer variável de aplicação criada internamente no sistema de supervisão. Também podem ser representadas por variáveis do CLP que são entradas analógicas e digitais, saídas analógicas e digitais acessadas pelo supervisório através de um driver de comunicação, assim as Tags podem implementar diversos tipos de dados como: numérico, string, booleano on/off, binário 8-bits, etc.

27 Gerenciamento de alarmes Através do módulo de gerenciamento de alarmes, presente em todos os sistemas SCADA é feito o monitoramento das condições de alarme recebendo os eventos de mensagens - inclusive sonoras e por - ou situações que saíram de um determinado limite dentro do processo e por questões de segurança só desaparecerá com um aceite do operador e que de acordo com Filho (2011), registra e identifica: data e hora do evento, variável alarmada, valor no momento do alarme, descrição do evento, data e hora da normalização do evento e status do evento que pode ter as seguintes condições: alarmado, normalizado e reconhecido pelo operador. Logo abaixo seguem duas telas representando os alarmes. Conforme citado quando há uma ocorrência de alguma condição definida no sistema isto pode ser considerado como um evento e estes são armazenados em uma região de memória temporária utilizada para escrita e leitura de dados, podendo corresponder a um turno de operação ou vários e dependendo de um prazo maior o arquivo pode ser salvo em disco para posterior análise histórica ou se for o caso transferido para outro computador de maior potencial de armazenamento ou ainda ser excluído. ( FILHO, 2011 ) Figura: 7 - Tela de Alarmes / Eventos Fonte: Software Elipse

28 27 Figura: 8 - Tela de Alarmes de Temperaturas dos Tanques de Fermentação e Maturação (ODs) do SCADA GE FANUC Fonte: Heineken Brasil Gráficos de Tendências Instantâneas Os gráficos de tendências são um dos instrumentos mais importantes dos sistemas de supervisão controle e aquisição de dados, pois, através destes gráficos disponibilizados em tempo real são permitidas análises dos dados visualizando a evolução temporal do valor medido de uma ou várias variáveis geralmente analógicas. Podem ser representados por várias penas coloridas cada uma com uma variável medida e os períodos de amostragem podem ser escolhidos de acordo com a velocidade real do processo variando no caso por exemplo de milissegundos até horas.

29 28 Figura: 9 - Gráficos de Tendências Instantâneas Fonte: Software Elipse Gráficos de Tendências Históricas Permitem armazenar valores das variáveis medidas no decorrer de um processo com um período de tempo mais longo para posterior análise dos dados. No caso específico o período de amostragem é maior que o da tendência instantânea e pode ser até em anos. Figura: 10 - Tendências Históricas Fonte: Manual Elipse, 2004

30 Geração de Relatórios No caso desta também importante função dos sistemas SCADA que tem a capacidade de armazenar dados de arquivos de históricos ou de alarmes de produção ao final de um período seja ele dia ou mês e que portanto, estes relatórios demonstram segundo (Filho, 2011), o quanto uma determinada planta produziu, quanto ela consumiu de insumos, de energia, isto é, a eficiência da produção e que constituem de forma clara uma das principais ferramentas de interesse para tomada de decisão dos gerentes de produção e processo em geral. Através de relatórios de monitoramento de equipamentos os gerentes de manutenção também podem tomar decisões mais corretas, em relação a que tipo de manutenção que deve ser executada em cada tipo de máquina já que vai ficar sabendo com precisão quando cada equipamento ficou parado e por que motivo parou e por quanto tempo ficou parado. Figura: 11 - Tela de Relatório Paradas Fonte Acesso dia É possível a geração de diferentes formatos de relatórios e estes podem ser produzidos sob a forma visual - na tela ou escrita - na impressora e customizados conforme as necessidades específicas de cada planta. Por exemplo, no supervisório Elipse SCADA existem quatro tipos de relatórios: (Manual Elipse, 2008 ).

31 30. Texto: imprime os dados de arquivos de históricos ou de alarmes em formatos de texto;. Gráfico: imprime os dados de arquivos de históricos ou de alarmes de forma gráfica;. Formatado: usado para imprimir dados em tempo real, como por exemplo, um valor de uma Tag em determinado momento;. Análise Histórica: é um relatório em tela que possui dentro dele um relatório gráfico; Figura: 12 - Tela de Relatório. Fonte: Acesso dia Interface Gráfica Uma comunicação visual adequada é importante para se ter uma interface gráfica amigável e nos sistemas SCADA são utilizadas modernas interfaces como Point And Pick - Ponto a Escolher, que são baseadas em janelas e são consideradas interfaces de terceira geração, permitindo ao usuário executar muitas tarefas interativas diferentes ou multitarefas, exibindo grande parte das informações usuais, que também podem ser apresentadas na forma de imagens, sons e textual onde a leitura o processo de extrair informações de textos é

32 31 uma atividade primordial na maioria das interfaces, inclusive nestes sistemas. ( PRESSMAN, 2006) Os sistemas SCADA possuem uma capacidade gráfica que são extremamente importantes em relação ao usuário(s) do sistema, pois, esta interação do usuário com o sistema está embasada na observação das aplicações de supervisão e na utilização de funções específicas para atuação dos dispositivos. Proporcionam representações gráficas que permitem visualizar a planta toda de uma forma geral e assim substituem os painéis sinóticos tradicionais de antigamente. Figura: 13 - Exemplo de Representação Gráfica em Um Processo de Geração de Energia. Fonte: Software Elipse. Praticamente todos os sistemas SCADA existentes no mercado possuem editores gráficos para desenvolvimento de sinóticos e as telas (Janelas) que representam o processo, tem uma parte fixa designada de máscara ou fundo e diversos campos ativos atualizados dinamicamente em que cada área do processo pode ser representada por um sinótico mais detalhado ou de hierarquia inferior. Dependendo do tipo de processo usam-se sinóticos tipo plano infinito podendo representar globalmente um sistema distribuído geograficamente, como um oleoduto ou um sistema de controle de tráfego de uma cidade, por exemplo. Através das ferramentas de edição gráficas, softwares CAD - Computer-Aided Design, é possível desenhar em ambientes bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) praticamente todo tipo de entidades, no qual são formadas livremente pela combinação de objetos geométricos básicos

33 32 como retas, retângulos, elipse e círculos, arcos, texto bitmapeado - mapas de Bits para geração de imagens e vetorados - imagens vetoriais, curvas, esplines, curvas de biélzer, etc.. e após definidos os símbolos são arquivados em uma biblioteca. ( FILHO, 2011 ). Figura: 14 - Exemplo de Representação Gráfica em Várias Dimensões Fonte: Acesso dia Hoje em dia os sistemas SCADA usam editores orientados para objetos, onde cada equipamento corresponde a um objeto e estes podem ser transformados por rotação, translação, mudança de escala, agrupamento e alinhamento. Possuem a capacidade de definir objetos de forma dinâmicos e estáticos. Representa dinamicamente as variáveis analógicas através de: Filho (2011).. Texto: pode visualizar texto com fontes e tamanhos variáveis, identificando valor de engenharia das variáveis analógicas sendo que a cor do texto pode codificar o status da variável ( Baixa, Alta, Normal ).. Barras horizontais e verticais: representam o porcentual do valor da variável, mostrando por exemplo um enchimento de um tanque, silo.. Deslocamento vertical e horizontal : Movimenta um objeto de um ponto a outro na tela em função do valor de um variável de processo associado às posições dos extremos do percurso ( 0 a 100 % ).

34 33. Rotação: Define ângulos de rotação ( 0 a 360 ) de um objeto como as pás de um ventilador.. Tendência: Gráfico de visualização da evolução temporal da variável medida.. Mostrador circular: Simulam mostradores circulares como gauges e dials. Também pode representar dinamicamente variáveis de estado e discretas - 0 ou 1, exibindo com um texto e mudando a cor do objeto de acordo com o status - aberto/fechado, ligado/desligado, local/remoto. No caso as variáveis estáticas - não mudam e os objetos são, por exemplo, esquemas de estação, símbolos de válvulas, unidades de engenharia, tabelas, imagem de fundo Módulo de cálculo Uma importante parte do sistema de supervisão em que são realizados todos os cálculos, computações, manipulações de dados na base de dados, operações matemáticas, lógicas, estatísticas e conforme Ribeiro (2003), apresentam as seguintes finalidades: - Avaliar dados não processados e converte-los a dados processados. - Comparar valores correntes com valores anteriores. - Interpretar dados e tomar decisões. - Introduzir dados numa equação algébrica. - Transferir dados para outro local. - Comparar dados com um valor fixo. Também é possível realizar simulações com valores de variáveis de um determinado processo verificando o comportamento deste para entradas e saídas específicas sem colocar o processo real em tal condição Geração de Script Através de módulos de linguagem de programação são gerados os scripts, nos quais podem ser criadas linhas de códigos que permitem maior flexibilidade para associar ações a eventos específicos. Assim o usuário poderá criar programas que serão executados na ocorrência de um evento específico. Os eventos são ocorrências relacionadas a um objeto, que podem ser tratadas de modo a se realizar um ação. Os eventos podem ser físicos, como alguma ação no teclado. Neste caso, a informação relevante seria a tecla pressionada, dentre outras, ou se o evento vem do mouse, a informação relevante seria a posição do cursor e os

35 34 status dos botões. Os eventos podem ser internos, como mudança do valor de uma variável, mas que podem ter associações físicas, como a mudança de uma temperatura de uma câmara de 10 para 11 graus. Utilizam linguagens como o Visual Basic ou VBA como linguagem de geração de suas aplicações ou subconjuntos desta linguagem como VBScript,desenvolvida para uso em navegadores para a internet e outras aplicações que usam ActiveX Controls, Automation Servers e Java Applets (Manual Elipse Software, 2008 ) Receitas Este módulo apresenta um conjunto de valores pré-definidos, que são enviados ao CLP e que definem as matérias-primas, equipamentos e procedimentos requeridos para produzir um determinado material processado de batelada acabada, estando incluídos as quantidades e valores alvo para o produto desejado, sendo normalmente armazenados em disco, num arquivo de receitas e podendo ser criadas por qualquer pessoa envolvida no desenvolvimento de fontes para fazer determinado produto ( RIBEIRO,2003 ) Log de Eventos Registra no arquivo de diário de bordo todos os eventos relevantes de operação, com data, hora, descrição do evento e operador logado na hora do evento. Os eventos de interesse geralmente são:. Eventos de configuração da base de dados. Eventos de operação críticos críticos, etc. Este registro está vinculado a existência de um sistema de senhas para identificar cada operador que assuma a operação. O operador que deixa a operação deverá realizar o logoff da estação enquanto o novo realiza o login identificando-se ( FILHO, 2011 ).

36 35 5 INSTRUMENTOS DE AQUISIÇÃO E CONTROLE 5.1 RTU A unidade terminal remota é uma unidade de controle mais robusta podendo operar numa faixa de temperatura maior, possuindo também maior robustez elétrica, podendo existir várias no mesmo sistema SCADA, sendo geralmente microprocessada, monitora e controla equipamentos localizados longe da estação central, centenas ou dezenas de quilômetros. A sua tarefa primária é controlar e adquirir dados dos equipamentos de processo na localização remota e transferir estes dados para a estação central mediante algum canal de comunicação. Possui processador e memória, módulos analógicos de entradas e saídas, módulos digitais de entradas e saídas, várias interfaces de comunicação como: RS232/RS485, linhas telefônicas dedicadas, microondas, satélites, etc. ( Fonte: ). Acesso dia Figura: 15 - Estrutura Típica do Hardware de uma RTU. Fonte: Bailey, 2003

37 CLP A partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana o Controlador Lógico Programável - CLP ou Programable Logic Controller - PLC, do inglês foi desenvolvido nos anos 70 para atender esta demanda substituindo os sistemas de controle baseado em relés. É um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais, podendo ser considerado como um computador adaptado para o ambiente industrial podendo ser usado inclusive como uma RTU, possuindo uma linguagem de programação simplificada e sendo no momento os sistemas de controle mais utilizados em todos os tipos de plantas industriais, do controle de máquinas até grandes processos industriais ( FILHO, 2002 ). Sua função principal é ler as entradas e atuar sobre as suas saídas no processamento de seu programa realizando a leitura dos instrumentos de campo, armazenando os dados em locais específicos na memória, implementando as funções de lógicas, seqüenciamento, temporização, contagem e operações aritméticas para controlar através de módulos de entradas e saídas que podem ser digitais 0/1 e analógicos 4 a 20 ma, 0 a 10Vcc nos mais diversos tipos de máquinas e processos. Desta forma conforme citado acima representa um computador, portanto, possui uma CPU, memória e unidades de entradas e saídas ( E/S ) se comunicando através de um barramento de comunicação, apresentando: três partes principais 7 : 7 Três partes principais CPU, memória e unidades de entradas e saídas ( E/S ), todas se comunicando através de um barramento de comunicação. A CPU coordena todas as tarefas do CLP e executa o programa de controle armazenado na memória. Os estados reais do processo são monitorados e amostrados pela unidade de entrada e saída ( E/S ). Além das instruções lógicas, o CLP atual também possui grande capacidade aritmética. Portanto muitos fabricantes estão adotando o termo Controlador Programável ( CP ) ao invés de CLP. A programação de CLPs é feita através de um computador externo, o qual é chamado de estação de engenharia. O programa compilado é carregado na CPU e depois armazenado na memória utilizando-se uma porta serial ou uma rede local ( LAN ). A maioria dos CLPs permitem a monitoração dos estados do processo no modo on-line utilizandose a estação de engenharia, enquanto o programa está sendo carregado. (FILHO, 2011, p. 8 ).

38 37 Figura: 16 - Componentes de um Controlador Lógico Programável Fonte: Acesso em: Figura: 17 - CLP com Instrumentos de Campo Fonte: Acesso dia

39 Controlador Inteligente Através do uso de microprocessadores em instrumentos digitais tornou-se possível associar circuitos adicionais de entrada e saída e outros periféricos formando um controlador 8 que desta forma representa um grande computador digital. Devido ao seu baixo custo pode ser distribuído em larga escala para monitorar e controlar dezenas de malhas em diferentes partes de um processo industrial. Conforme Ribeiro (2001), os sinais analógicos do processo - temperatura, vazão, pressão, por exemplo, são convertidos em digitais pelo microprocessador 9 que tem inserido em seu circuito uma função de multiplexagem 10 de sinais e logo após efetuar os cálculos matemáticos devidos o microprocessador gera um sinal digital que é transformado de volta em analógico para atuar nos elementos finais de uma malha de controle do processo, podendo este ser interligado de forma distribuída a vários outros microprocessadores com vantagem de ser multifuncional, podendo realizar várias medições simultâneas, cálculos matemáticos - multiplicar, dividir, subtrair e somar, corrigir erros, formando uma rede e aumentando a exatidão, confiabilidade e eficiência das malhas de controle dos processos. Os controladores microprocessados single loop ou single station - controlam e monitoram uma única malha, através de um algoritmo de controle, produzindo uma única saída controlada, podendo ter qualquer função configurável, incorporando todos os avanços da tecnologia eletrônica, microprocessadores, displays novos e programas mais complexos. (RIBEIRO, 2001 ). 8 Controlador É a entidade que afeta o sistema físico de modo que sejam atendidas as especificações de desempenho. ( MAITELLI, 2000, p. 5 ). 9 Microprocessador O prefixo micro significa que o processador é fabricado em um chip semicondutor, onde há um circuito eletrônico com larga escala de integração, ou seja, há milhões de componentes passivos e ativos eletrônicos dentro de extrato semicondutor medindo alguns poucos centímetros. Não há um computador no chip, mas uma unidade de processamento central ( CPU ) que interligados a ela há circuitos de entrada/saída ( I/O ), memórias de vários tipos e os periféricos.( RIBEIRO, 2001, p.7.1 ). 10 Multiplexagem É a capacidade que um dispositivo tem de codificar as informações de duas ou mais fontes de dados num único canal. (Fonte: Acessado dia

40 39 Figura: 18 - Controlador N 1100 Single Loop ou Single Station Fonte: Acesso dia Entretanto conforme citado acima esses controladores fazem parte de malhas de controle das quais devem manter as variáveis analógicas 11 automaticamente num determinado valor e estas malhas podem ser: Malha aberta Figura: 19 - Controle de Malha Aberta. Em malha aberta o controle é exercido sem que haja uma amostra do resultado ao longo do processo, a saída não exerce qualquer ação no sinal de controle, não possuem 11 Variável analógica É a entidade que afeta o sistema físico de modo que sejam atendidas as especificações de desempenho. ( MAITELLI, 2000, p. 5 ).

41 40 realimentação, isto é, a saída do processo não é medida nem comparada com o valor de referência que é fornecido pelo usuário. ( ROSÁRIO, 2005 ) Malha fechada Em malha fechada existe uma realimentação da saída proveniente de um sensor que mede a variável de controle, o qual será comparado a entrada de referência do sistema. O sinal controlado é realimentado e comparado com uma entrada de referência, e um sinal atuante proporcional à diferença entre a entrada e a saída é enviado para toda malha a fim de corrigir o erro mantendo um controle mais preciso. ( ROSÁRIO, 2005 ). Figura: 20 - Malha Fechada

42 41 6 ARQUITETURA DE UMA REDE INDUSTRIAL Hoje em dia devido a grande complexidade dos processos industriais os sistemas de supervisão, automação e controle apóiam-se cada vez mais em redes de comunicação que mantém sistemas distribuídos e interconectados com arquiteturas em vários níveis hierárquicos diferentes mantendo a complexidade, vários tipos de padrões e protocolos, segurança, confiabilidade, integrabilidade e distribuição de todos os elementos de uma estrutura de automação, através de um meio físico adequado e definido para a transmissão de dados, gerando um sistema de comunicação em rede em que os elementos possam trocar dados e compartilhar recursos entre si, reduzindo cada vez mais o custo de fabricação e aumentando assim a produtividade no seu processo industrial. Podemos dizer que em uma rede industrial temos equipamentos e softwares dos mais variados tipos e que são agrupados hierarquicamente para estabelecer ligações mais adequadas para cada área de um determinado processo. Assim sendo, para Filho (2011), uma das arquiteturas mais utilizadas é a que define hierarquias de redes independentes, cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação, podendo ser definidas como na figura abaixo: Figura: 21 - Arquitetura de uma Rede Industrial ( Adaptado FILHO, 2011 ). Fonte: Acesso em:

43 Rede de informação Representa o nível mais alto, o qual é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta em que estações clientes SCADA se comunicam com seus servidores SCADA e com clientes e servidores que permitem operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado geralmente por softwares gerências como PIMS - Plant Information Management System, ERP - Enterprise Resource Planning, EPS - Enterprise Production Systems, MÊS - Manufacturing Execution System. Ela é responsável pela comunicação entre as áreas de gestão e engenharia de uma empresa. O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível. 6.2 Rede de controle É uma rede central localizada na planta que interliga os sistemas industriais de nível 2 ou sistemas SCADA aos sistemas de nível 1 representados por CLPs, RTU e remotas de aquisição de dados. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação, possuindo aspectos importantes como imunidade a falhas e disponibilidade. 6.3 Rede de campo Esta rede é responsável pela aquisição de dados do processo, havendo a interação entre os diversos dispositivos de monitoração e controle presentes em uma planta industrial, mantendo o funcionamento e controle do processo de produção, se referindo geralmente ás ligações físicas da rede ou o nível de I/O, através de aquisição de variáveis e atuação sobre equipamentos. Por meio dela esses dispositivos trocam informações e coordenam o controle da planta. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível, sensores e contatores, entre as partes físicas de controle. Esta rede é composta por uma rede digital de instrumentos e sensores que atende pelo nome genérico de fildbus ou barramento de dados e pode ser dividida em 3 tipos distintos: ( FILHO, 2011 ). 6.4 Redes de sensores ou Sensorbus Esta rede conecta sensores e atuadores simples e pequenos de baixo custo como: contactores, chaves limites, etc. São exemplos de rede Sensorbus: ASI da Siemens, Seriplex, e Interbus Loop.

44 Redes de Dispositivos ou DeviceBus Esta rede tem a mesma capacidade de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, no entanto, consegui gerenciar mais equipamentos e dados do que esta. Interliga dispositivos mais genéricos como CLPs, outras remotas de aquisição de dados e controle, conversores AC/DC, relés de medição inteligentes, etc. São exemplos deste tipo as redes: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, Smart Distributed System ( SDS ), LonWorks, CAN, ControlNet, ModbusPlus. 6.6 Redes de instrumentação ou fildbus É representada de acordo com a arquitetura da figura abaixo e que desta forma interliga os instrumentos analógicos no ambiente industrial, tais como, transmissores de vazão, pressão, temperatura, válvulas de controle e instrumentos que possuem certa inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. São exemplos de redes fildbus IECSP 50-H1, HART, WordFIP, Profibus-PA, Fildbus Fundation. Figura: 22 - Arquitetura de uma Rede de Instrumentos Fieldbus. Fonte: Acesso em:

45 44 7 MODOS DE COMUNICAÇÃO Os sistemas SCADA conseguem se comunicar com equipamentos de campo tipo: CLPs / UTRs, com outros SCADAS utilizando protocolos via rede Ethernet TCP/IP, demais sistemas com a implantação de módulos específicos que podem ser via banco de dados, ou tecnologias como XML, activex e o OPC, mas, genericamente utilizam dois modos de comunicação: comunicação por Polling e comunicação por interrupção. 7.1 Comunicação por Polling ( Mestre-Escravo ) Nesta comunicação que também é chamada de Mestre/Escravo, a estação central - Mestre - tem o controle total das comunicações, realizando uma seqüência de polling ou votação, isto é, o mestre espera até que o dispositivo esteja pronto para recolher os dados de cada estação remota - escravo - que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, caracterizando um sistema half-duplex, onde temos um dispositivo transmissor e outro receptor, sendo que ambos podem transmitir, mas não simultaneamente e receber dados caracterizando uma comunicação de sentido bidirecional. Cada escravo é identificado por um endereço único e se ele não responder durante um período de tempo prédeterminado às solicitações que lhe são dirigidas, a estação central mestre - executa novas tentativas de polling antes de avançar para a próxima estação. Esta comunicação traz vantagens de simplicidade no processo de coleta de dados, não existência de colisões no tráfego da rede, facilidade na detecção de falhas de ligação e permite também o uso de estações remotas não inteligentes. Em contrapartida traz desvantagens de incapacidade de comunicar situações que requeiram tratamento imediato ao mestre e aumento do tempo de espera, pois, a comunicação entre os escravos passa pelo controle do mestre. ( BAILEY 2003). 7.2 Comunicação por interrupção Nesta comunicação a estação remota, isto é, os escravos - PLC ou RTU, monitoram os valores de entrada de dados e quando detecta alterações significativas ou valores que ultrapassam limites definidos, inicia a comunicação com a estação central - mestre - para a transferência de dados, permitindo a detecção de erros, recuperação de colisões, diminuindo o tráfego na rede e a comunicação direta entre as estações remotas, escravo para escravo. No

46 45 entanto tem a desvantagem da estação central conseguir detectar falhas na ligação somente após um determinado período de tempo, quando é efetuado o polling do sistema contribuindo para um determinado atraso na aquisição da informação e também para obter valores atualizados é necessário outras ações do administrador da rede do sistema. ( BAILEY 2003 )

47 46 8 PADRÕES DE INTERFACES FÍSICAS MAIS UTILIZADOS E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Protocolo de comunicação de uma rede é uma norma de controle de transmissão de dados, isto é, um conjunto de regras semânticas e sintáticas que controla o formato e o significado dos pacotes ou mensagens que são trocadas pelas entidades pares contidas em uma camada. (TANEMBAUM, 1997). Inicialmente as redes de computadores eram proprietárias e desta forma somente um ou alguns fabricantes possuíam a tecnologia para construí-la e usá-la. Em meados de 1977, a International Standards Organization- ISO, desenvolveu um modelo de referência para interconexão de sistemas abertos chamado de OSI - Open Systems Interconnection, para que os fabricantes pudessem criar novos protocolos a partir deste modelo, almejando uma possível padronização internacional de protocolos empregados nas mais variadas camadas de redes. Atualmente os protocolos adotados em redes industriais são na sua maioria baseados no modelo OSI e assim são considerados softwares abertos, isto é, podendo qualquer fabricante de equipamentos desenvolver produtos para serem empregados em rede, trazendo redução nos custos dos dispositivos. Este modelo de protocolo apresenta sete camadas que são demonstradas na figura abaixo: Figura: 23 Camadas de Protocolos no Modelo OSI ( Adaptado CLARKE, 2004 )

48 Padrões de Interfaces físicas 8.2 RS 232 São os padrões de interfaces físicas entre os computadores e dispositivos microprocessados mais utilizados em redes industriais. No caso do padrão RS 232 que funciona como uma conexão serial, isto é, os bits individuais de informação são transferidos em longas séries, que são encontradas em PCs, servindo para diversos propósitos como: conexão para impressora, mouse, e também para monitoração de controle de instrumentação industrial. No entanto este padrão é de certa forma limitado a uma conexão de ponto-a-ponto entre a porta serial do computador e o dispositivo microprocessado permitindo uma distância máxima de 15 metros com a transmissão do sinal digital feita como nível lógico 0 ( +3 a +15 Vcc ) e 1 ( -15 a -3 Vcc ). ( CLARKE, 2004 ) RS 422 Este padrão tem um modo de transmissão diferencial onde utiliza duas linhas para transmissão e duas para recepção, sendo o nível lógico 0 associado a tensão 5 Vcc e o nível 1 a tensão de -5 Vcc. É de uso bastante comum na indústria principalmente nas conexões de longas distancias com altas taxas de comunicação em que são feitas no processo mestre/escravo, isto é, o computador central faz a função de mestre - gerência e os periféricos são os escravos. Possui como vantagem de poder ter vários equipamentos conectados em paralelo na linha de comunicação, multiponto e também uma maior imunidade a ruídos conseguindo transmitir uma quantidade maior de dados e uma velocidade mais alta. ( Fonte: Apostila redes Petrobras - Acesso RS 485 É um dos padrões mais utilizados e com grande disseminação em aplicações industriais e também em sistemas de aquisição e controle de dados, devido a sua instalação ser simples e barata e os protocolos MODBUS, PROFIBUS E FIELDBUS FOUNDATION fazer uso deste tipo de interface física. Tem características parecidas com o padrão RS 422, pois, requer apenas dois fios para a transmissão e recepção dos dados sendo a comunicação bidirecional com transmissão

49 48 balanceada suportando conexões multiponto - mais de dois dispositivos são interligados usando apenas uma conexão, mas, somente um endereço é atribuído para evitar qualquer conflito com outros dispositivos do sistema, assim é possível a conexão de um mestre a vários escravos em paralelo, propiciando altas taxas de transmissão de até 10 Mbps, permitindo a criação de redes com até 32 nós e transmissão a longas distância de até 1200 metros por segmento com boa imunidade a ruídos podendo estender a distância de transmissão com a instalação de repetidores e utilização de fibras óticas chegando até 15 Km. ( CLARKE, 2004) Figura: 24 - Exemplo de Comunicação com Padrão RS 485. Fonte: - Acesso RS Protocolo Modbus Este protocolo atualmente é um protocolo aberto e muito difundido nos meios industriais, sendo utilizado por vários fabricantes no mundo inteiro em diversos equipamentos

50 49 diferentes, inclusive em sistemas de supervisão e controle, sendo concebido em meados de 1979 pela empresa Modicon ( Hoje parte do grupo Schneider Electric ). A razão de ser um protocolo largamente utilizado, conforme citado acima é pelo fato de ter uma comprovada capacidade de comunicação e das normas e especificações serem de domínio público, assim se tornou uma das opções de rede mais baratas, de fácil operação e manutenção, a serem encontradas na área de automação industrial nos dias de hoje. Usa o princípio de comunicação mestre, que pode ser CPL ou computador e o escravo - sensores, atuadores, controladores entre dispositivos conectados em diferentes tipos de barramentos e redes, desta forma a comunicação é feita com perguntas e respostas onde a estação mestre inicia enviando uma mensagem de solicitação aos escravos para que enviem uma resposta com os dados lidos pela instrumentação ou enviam sinais a serem escritos nas saídas para controle dos atuadores, assim o protocolo fornece quadros para a transmissão de mensagens entre mestre e escravos e nestes quadros à informação na mensagem é o endereço do destinatário pretendido, o que o receptor deve fazer, os dados necessários para executar a ação e um meio de verificar erros. Em contrapartida o escravo lê as mensagens, e se não há erro para realizar a tarefa envia uma resposta para o mestre. Da mesma forma a informação na mensagem de resposta é o endereço do escravo, a ação executada, o resultado da ação e um meio de verificar erros. Normalmente, o mestre pode enviar outra pergunta tão logo receber a mensagem da resposta e se uma resposta não for recebida dentro de um tempo, o mestre detecta que o escravo não responde e toma outra ação a partir disso - função de timeout, assegurando o funcionamento do sistema mesmo quando a pergunta não foi respondida corretamente. Já na outra forma de comunicação broadcast todos os escravos recebem o dado, mas não enviam resposta de volta ao mestre. ( CLARKE, 2004) O protocolo utiliza como meios físicos de transmissão os padrões RS-232, RS-485 ou Ethernet e permite um mestre e a inclusão de 247 estações escravos. Utilizando a transmissão serial apresenta duas variações nos modos de transmissão: Modbus - RTU e Modbus - ASCII definindo a forma como são transmitidos os bytes da mensagem, mas, não permitem a utilização dos dois modos de transmissão na mesma rede. Entretanto no modo de comunicação Ethernet apresenta duas variações que podem ser o Modbus/TCP onde o protocolo dos dados são encapsulados em formato binário em frames TCP/IP para utilização do meio físico Ethernet. No Modbus PLus, o protocolo continua usando o TCP, mas são adicionados vários recursos de diagnóstico, roteamento, endereçamento e consistência dos dados. O modo de transmissão ASCII, que utiliza caracteres ASCII de sete bits, tem uma

51 50 mensagem típica que é de cerca de duas vezes o comprimento da mensagem RTU equivalente, isto é, tem maior consumo de dados. Já no modo RTU - Remote Terminal Unit, cada byte de dados é transmitido como sendo uma única palavra com seu valor diretamente em hexadecimal, permitindo a compactação dos dados em pequenos pacotes, podendo os endereços e valores ser representados em formato binário e os números inteiros podem variar entre e sendo representados por 2 bytes. Em ambos os telegramas, tanto pergunta e resposta, a estrutura utilizada é a mesma: Endereço, Código da Função, Dados e CRC - verificação de erro. Possui taxa de comunicação de: 9600 Kbits/sec, Kbits/sec e Kbits/sec. Tabela 1 - Estrutura dos Telegramas Modbus-RTU - Endereço: O mestre inicia a comunicação enviando um byte com o endereço do escravo para o qual se destina a mensagem. - Código da Função: O mestre especifica o tipo de serviço ou função solicitada ao escravo ( leitura e escrita, etc. ). - Dados: São os dados necessários para a execução da função. - CRC: Checagem de erros de transmissão. 8.3 Protocolo DNP3 O DNP3 ( Distributed Network Protocol Version 3.3 ) ou protocolo de rede distribuída é um padrão de telecomunicações que define a comunicação entre a estação mestre - computador e as estações escravas CLPs, UTRs e IEDs - dispositivos eletrônicos

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