SISTEMA SUPERVISÓRIO EM JAVA PARA DISPOSITIVOS MÓVEIS

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1 SISTEMA SUPERVISÓRIO EM JAVA PARA DISPOSITIVOS MÓVEIS Carlos Henriques Marcelino Balan¹, João Paulo Carvalho Henriques¹, Alexandre Baratella Lugli¹ ¹Instituto Nacional de Telecomunicações INATEL Introdução Nos últimos anos, a Automação Industrial incorporou diversas tecnologias antes utilizadas apenas na Computação e Tecnologia da Informação, seguindo o desenvolvimento das redes de comunicação para a automação. Neste mesmo período, os dispositivos móveis (Tablets, Smartphones, Celulares, dentre outros) também passaram por uma grande evolução tecnológica, sendo que nos dias atuais, muitos destes dispositivos móveis possuem capacidade de processamento e armazenamento igual ou superior aos computadores de uso pessoal. Neste contexto, os dispositivos móveis poderão vir a se tornar uma grande ferramenta de apoio à automação, funcionando como dispositivos de visualização e controle para operadores, mantenedores e gerentes. Sua mobilidade permitirá a estes profissionais, verificar e controlar a linha de produção de qualquer local, e não apenas da sala de controle. Neste contexto, este trabalho aborda o uso dos dispositivos móveis na automação e apresenta um sistema supervisório didático embarcado em um dispositivo móvel, demonstrando assim, a viabilidade do uso dessa tecnologia na Supervisão de sistemas industriais. Para este desenvolvimento, serão utilizados a linguagem de programação JAVA, para o desenvolvimento do sistema supervisório, e o protocolo de comunicação OPC. Sistemas de Supervisão e Controle Os sistemas de supervisão e controle surgiram com a automação das plantas e indústrias de processo, possibilitando centralizar as informações e obtendo assim, um maior número de informações em um pequeno intervalo de tempo. No inicio eram utilizados painéis sinóticos centralizados, onde todas as sinalizações eram efetuadas através de lâmpadas e displays, e o controle do sistema feito através de botões e potenciômetros, como apresentado na Figura 2. Este tipo de supervisão e controle resultava em imensas salas de operação com centenas a milhares de instrumentos, tornando a função de operador um tanto quanto complexa, exigindo ainda destes, muito conhecimento e treinamento nos processos industriais [11]. Figura 2 - Exemplo de Quadro Sinótico O avanço computacional ocasionado com a descoberta dos transistores e aliado a crescente demanda dos processos industriais alavancou o desenvolvimento de sistemas de supervisão cada vez mais robustos. Em meados da década de 1980 surgiram os primeiros supervisórios denominados SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition), sistemas que não apenas supervisionavam, mas também permitiam controlar os processos de forma mais aprimorada. Estavam abertas as portas para um novo mercado, o mercado dos supervisórios [2]. No inicio, diversos sistemas operacionais foram utilizados na concepção dos supervisórios (MS- DOS, OS/2, Qnx, Windows, Unix, entre outros), e algumas empresas internacionais chegaram a formular supervisórios multi-plataformas, trazendo imensas vantagens com a portabilidade e conectividade. Foi então que a Microsoft lançou seu novo sistema operacional, o Windows NT, um sistema multitarefa essencial para o bom funcionamento dos supervisórios, conquistando o mercado [11]. Esta nova demanda fez com que as empresas desenvolvedoras de supervisórios migrassem para a plataforma Windows, resultando numa convergência de módulos e padrões e consolidando o mercado. Dentre estas empresas, algumas que se destacaram neste novo mercado foram a Wonderware (fabricante do InTouch) e as brasileiras Elipse e Indusoft [11]. Segundo De Moraes (2013) Sistemas Supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação da planta que gerenciam variáveis de processo. Estas são atualizadas continuamente e podem ser guardadas em banco de dados locais ou remotos para fins de registro histórico. O objetivo de um sistema supervisório é ilustrar o comportamento de um processo por meio de figu-

2 ras e gráficos em uma interface que seja amigável e de fácil compreensão ao operador, tornando objetiva a integração entre o operador e o processo. A Figura 3 apresenta um exemplo de sistema supervisório [3]. Figura 3 - Exemplo de sistema supervisório. O atual mercado tecnológico possui diversos softwares que foram concebidos exclusivamente para o desenvolvimento dos sistemas supervisórios, no entanto, este trabalho abordar a utilização de uma linguagem de programação já bastante difundida no ambiente da Tecnologia de Informação, mas ainda pouco utilizada no ambiente de Automação Industrial, a Linguagem JAVA. A Linguagem JAVA A história da linguagem de programação JAVA inicia-se em 1991, quando um grupo de engenheiros da Sun Microsystems, procuravam criar uma pequena linguagem para ser utilizada em dispositivos de consumo (switchboxes de TV a cabo, por exemplo). A linguagem teria que ser pequena e robusta vista a reduzida memória e potência destes dispositivos. Outro fator impactante no desenvolvimento desta linguagem se dava ao fato de diferentes fabricantes utilizarem diferentes processadores, sendo assim, a mesma deveria ser portável a todos os processadores, ou seja, não poderia estar amarrada a nenhuma das arquiteturas destes [6]. O funcionamento da linguagem JAVA baseia-se na JVM (Java Virtual Machine) responsável por compilar, em tempo real, o código binário neutro da linguagem, sendo por isso denominada JIT (Just-In- Time Compiler). Desta forma, como apresentado na Figura 4, tanto o código fonte da programação como o código binário criado (aplicação JAVA) independem do sistema operacional utilizado para compilar o programa no momento de desenvolvimento. Com isto, um programa JAVA pode ser criado em um sistema operacional e executado em outro. A mágica ocorre no momento de execução do programa, onde entra em cena a máquina virtual JAVA, que irá compilar o programa em tempo real para o código binário que será interpretado pelo processador. Figura 4 - Esquema genérico do relacionamento JAVA com o Sistema Operacional. As JVMs são dependentes do Sistema Operacional, porém as mesmas são distribuídas e atualizadas gratuitamente pela Oracle (atual detentora do JAVA). A instalação de uma JVM se faz necessária apenas uma vez, após isto, qualquer programa JAVA desenvolvido na mesma versão ou em uma versão anterior aquela da JVM poderá ser executado neste dispositivo. Sempre que ocorrem melhorias na linguagem JAVA, uma nova versão do compilador é lançada, assim como novas versões das JVM s são distribuídas [6]. Segundo Souza (2010) O JEE rapidamente se tornou a principal plataforma utilizada pelas grandes empresas do mundo todo, pois pela primeira vez elas tinham uma tecnologia sólida, confiável e multiplataforma para criar suas aplicações empresariais, principalmente web As aplicações JEE, assim como a maioria das aplicações web, são caracterizadas por possuírem uma organização em camadas, como apresentado na Figura 5 [5]. Dentre as camadas que formam as aplicações em JAVA, apenas a primeira (Cliente) é executada diretamente na máquina Cliente propriamente dita, enquanto que as demais são executadas ainda no servidor, enviando a primeira apenas o código HTML (Hyper Text Markup Language) puro e padrão para as aplicações WEB [5].

3 Figura 5 - Modelo geral de aplicações em camadas JAVA web. Antes do Padrão OPC, as empresas desenvolvedoras de sistemas para a automação desenvolviam drivers de comunicação de seus sistemas para com todos os demais, ou seja, um software de supervisão deveria possuir seus próprios drivers de comunicação para cada um dos Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) existentes no mercado, sendo que estes drivers não serviriam para outro software, o qual deveria também possuir seus próprios drivers. Com o padrão OPC, os desenvolvedores de sistemas podem escrever servidores OPC, e os demais softwares passam a ser clientes deste servidor, eliminando a necessidade de diversos drivers para comunicação direta com o CLP [10]. Na Figura 6 [9] pode-se observar que na arquitetura OPC toda comunicação é realizada através de um servidor. Desta maneira, os dispositivos de campo bem como os sistemas de controle e monitoramento necessitam de drivers unicamente para comunicação com este servidor. Tal fato facilita tanto a montagem de uma rede de comunicação quanto à manutenção desta no futuro. Atualmente existem diversos protocolos que possibilitam esta interligação. Neste trabalho iremos abordar uma tecnologia que está em crescente uso, e vem apresentando bons resultados nesta tarefa, o Padrão OPC. O Padrão OPC Até meados da década de 1990, a integração entre diferentes aplicações dentro de um sistema operacional eram efetuadas de forma precária exigindo grande esforço dos programadores. Para facilitar esta integração, a Microsoft desenvolveu a tecnologia OLE (Object Linking and Embedding), de modo a integrar as diferentes aplicações dentro da plataforma Windows e suprir os problemas de desempenho e confiabilidade do padrão anteriormente utilizado [4] [8]. Com o lançamento do Windows NT, a Microsoft lançou juntamente uma nova tecnologia em substituição a OLE, o DCOM (Distributed Component Object Model). O DCOM é basicamente um conjunto de definições que permitem a implementação de arquiteturas cliente-servidor [4]. Baseados nas tecnologias Microsoft (OLE e DCOM) e na necessidade de se criar um padrão para troca de dados entre os dispositivos da Automação, em 1995 algumas empresas se reuniram, juntamente com alguns membros da Microsoft e foi fundada a OPC Foundation, organização publica e sem fins lucrativos que definem os padrões do OPC (OLE for Process Control) e buscam constantemente sua melhoria e evolução [7] [1] [4] [10]. Segundo Puda (2013), O OPC é um padrão de comunicação aberto, que tem por principal objetivo permitir a interoperabilidade vertical entre sistemas dentro de uma organização. Figura 6 - Arquitetura Clássica do Padrão OPC. Na Seção a seguir, serão apresentados os passos utilizados para o desenvolvimento do sistema supervisório em JAVA, utilizando o padrão de comunicação OPC. Desenvolvimento do Supervisório JAVA Para o desenvolvimento do sistema supervisório em questão, inicialmente, realizou-se um estudo para a escolha da tecnologia suportada pela maioria dos dispositivos móveis de interesse neste trabalho (tablets, smartphones, celulares, computadores, notebooks, entre outros). Como grande parte dos dispositivos móveis já possuem um navegador WEB instalado de fábrica, optou-se pelo desenvolvimento da aplicação neste formato utilizando a tecnologia JAVA JEE.

4 O desenvolvimento da aplicação em formato WEB também traz uma grande vantagem, pois exige a instalação desta em apenas um equipamento, ou seja, em um servidor WEB. A implantação deste servidor WEB junto ao processo que se deseja controlar, também não apresenta grandes dificuldades, visto que todas as ferramentas utilizadas no desenvolvimento deste supervisório são multiplataformas. O supervisório proposto para desenvolvimento neste trabalho consiste de uma aplicação simples para controle e supervisão de uma Central de Água Gelada (CAG). Para o desenvolvimento desta aplicação, utilizou-se a plataforma de desenvolvimento NetBeans, disponível gratuitamente para download. Esta plataforma foi escolhida por ser completa e Open Source, com todos os APIs necessários para o desenvolvimento das aplicações JAVA, além de alguns tipos de servidores WEB. Dentre os servidores WEB disponíveis com a plataforma NetBeans, optou-se pela utilização do GlassFish Server, um servidor já preparado para a implantação de aplicações JAVA WEB. A implantação da aplicação é efetuada automaticamente pelo NetBeans ao final da compilação, dispensando a necessidade de conhecimentos avançados em implantação de páginas WEB. A Figura 7 apresenta a arquitetura básica de uma comunicação em rede de um processo industrial. Como se pode observar, a modificação necessária para a aplicação proposta neste trabalho, consiste na inclusão do servidor WEB para o armazenamento da aplicação supervisório. Seguindo o modelo de aplicações WEB detalhado anteriormente, a aplicação foi dividida em três classes distintas (Classe de Conexão OPC, Classe de Tratamento de Dados e Classe de Apresentação Gráfica), sendo cada uma responsável por uma das três primeiras camadas do modelo (Figura 5), com o servidor OPC operando na quarta camada. A primeira classe desenvolvida foi a Classe de Conexão OPC. Esta é responsável pela conexão do servidor WEB com o servidor OPC já existente. Nesta classe foram implementados os comandos de conexão ao servidor OPC (com a devida validação de dados de usuário e senha) e de comunicação com as tags de controle e supervisão do CLP. O teste e a validação desta classe foram realizados utilizando a janela de prompt de comando do NetBeans, observando o sucesso na conexão ao servidor OPC e a correta comunicação com as tags de controle existentes na aplicação. A segunda classe desenvolvida foi a Classe de Apresentação Gráfica. É esta classe irá gerar o código HTML responsável pelas imagens e textos que serão visualizadas na tela do dispositivo através do navegador WEB. Desta forma, nesta classe foram adicionadas as imagens de fundo que comporão a tela do supervisório, os campos onde serão apresentados os dados provindos do servidor OPC e os botões de controle que emitirão os comandos ao servidor OPC. Nesta etapa do trabalho, verificaram-se os aspectos visuais da aplicação, bem como a posição das tags na tela do navegador. A Figura 8 apresenta a tela do supervisório desenvolvido em um navegador WEB. Figura 8. Tela do supervisório para controle da CAG A terceira e ultima classe desenvolvida foi a Classe de Tratamento de Dados. Esta classe é responsável por converter dos dados entre os formatos utilizados pelo servidor OPC (Boolean, Integer e Real) e o utilizado no servidor WEB (String). O teste e a validação desta classe foram realizados com a implantação da aplicação completa no servidor WEB. O acesso à aplicação foi realizado através de um navegador WEB comum, verificando a correta comunicação com o servidor OPC e a correta apresentação dos dados deste na janela da aplicação supervisório. Nesta etapa, também foram verificados o correto funcionamento dos botões de controle e sua associação aos correspondentes controles do CLP. Na etapa final do trabalho, o sistema supervisório desenvolvido em Java foi acessado através de diferentes dispositivos móveis, como apresentado na Figura 9.

5 Figura 7 Arquitetura básica de uma comunicação em rede de aproximadamente 3,1 s. Esta latência na atualização das telas e variáveis do processo, se deve à limitação da velocidade nas comunicações utilizando a tecnologia 3G. Apesar da diferença no tempo de atualização das variáveis do processo, em ambos os casos obteve-se sucesso na conexão com o supervisório e no controle do processo a partir deste. Conclusão Figura 9 - Teste do supervisório nos diversos dispositivos móveis Para verificar a viabilidade e eficiência do sistema desenvolvido, foram realizadas medidas do atraso na atualização das variáveis do processo, utilizando duas formas de conexão, a conexão direta a rede ethernet e a conexão utilizando internet. Para a conexão direta a rede ethernet, utilizouse um roteador wireless para implementação da rede ethernet. Esta topologia apresentou um tempo de resposta de aproximadamente 100 ms, com um carregamento rápido da janela do supervisório e com os comandos sendo executados praticamente ao toque dos botões. Para a conexão a partir da internet, utilizando a rede 3G dos dispositivos e um plano básico de dados, o sistema apresentou um tempo de resposta A crescente procura por dispositivos móveis (smartphones e tablets), associada à atual evolução tecnológica faz com que estes equipamentos sejam cada vez mais utilizados nas mais diversas funções. Este trabalho abordou o uso dos dispositivos móveis na automação de processos industriais e foi apresentado, como exemplo, o desenvolvimento de uma aplicação supervisório para ser acessada a partir destes dispositivos. O supervisório proposto neste trabalho apresenta uma fácil implantação, visto que necessita unicamente da adição de um servidor WEB ao processo industrial. A utilização de softwares livres e multiplataformas, também maximiza a viabilidade desta aplicação, pois dispensa o uso de hardwares específicos, sendo que em alguns casos o servidor WEB poderá compartilhar o mesmo equipamento já utilizado pelo servidor OPC sem perdas ou prejuízos para ambos. Por fim, a facilidade de acesso ao supervisório através dos dispositivos móveis e/ou outros dispositivos também viabiliza o desenvolvimento da aplicação nos moldes aqui apresentados, pois ao ex-

6 tinguirmos a necessidade de instalação de aplicativos ou quaisquer outros arquivos nos dispositivos que irão acessar o supervisório, tornamos a manutenção do sistema mais rápida e fácil e eliminamos a necessidade de conhecimentos avançados de programação para esta operação. Referências Bibliográficas Cândido, R. V. B. (2004),C PADRÃO OPC: Uma Alternativa de Substituição dos Drivers Proprietários para Acessar Dados de PLCs. (monografia apresentada para obtenção do titulo de Bacharel em Ciência da Computação), Universidade FUMEC Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil. Da Silva, A. P. G. and Salvador, M. (2004) O que são Sistemas Supervisórios?, Disponível em: esaosistemassupervisorios.pdf. Acessado em Novembro de De Moraes, C. C. and Castrucci, P. L. (2013). Engenharia de Automação Industrial. 2nd ed. Editora LTC Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, Brasil. Fonseca, M. O. (2002) Comunicação OPC Uma Abordagem Prática. (artigo apresentado no VI Seminário de Automação de Processos), Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais Vitória, Espirito Santo, Brasil. Gonçalves, E. (2008). Desenvolvendo Aplicações Web com NetBeans IDE 6. Editora Ciência Moderna. Horstmann, C.S. and Cornell, G. (2007) Core Java, Volume I - Fundamentals. 8nd ed. Editora Prentice Hall. Jinghua Wu; Mao Ye; Dapeng Feng; Mianzhou Chen, "Application of OPC technology in monitoring system of AS/RS," Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design, CAID & CD IEEE 10th International Conference on, vol., no., pp.2136,2139, Nov Li Zheng; Nakagawa, H., "OPC (OLE for process control) specification and its developments," SICE Proceedings of the 41st SICE Annual Conference, vol.2, no., pp.917,920 vol.2, 5-7 Aug OPC Foundation, (2013) Disponível em: Acessado em Novembro de OPC Programmers Connection, (2013) Disponível em: Acessado em Novembro de Puda, A. P. (2013) Padronização da Comunicação Através da Tecnologia OPC. Disponível em: da-comunicacao-atraves-da-tecnologia- OPC.pdf. Acessado em Novembro de Ribeiro, M. A. (2001) Automação Industrial. 4th ed. Tek Treinamento e Consultoria Ltda, Salvador, Brasil. Rosário, J.M. (2009). Automação Industrial. Editora Baraúna SE LTDA, São Paulo, Brasil. Souza, B., Nardon, F. B. and Rehen, S. (2010) A História da Tecnologia JAVA. Easy JAVA Magazine 1. Disponível em: Acessado em Novembro de Contato Carlos Henrique Marcelino Balan - Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL). Av. João de Camargo, 510, Santa Rita do Sapucaí MG. (35) João Paulo Carvalho Henriques - Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL). Av. João de Camargo, 510, Santa Rita do Sapucaí MG. (35) Alexandre Baratella Lugli - Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL). Av. João de Camargo, 510, Santa Rita do Sapucaí MG. - (35)

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