UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC Tópicos do Seminário SCADA Systems Sistemas de Informação 1º Trimestre de 2009 Noturno Prof. Nunzio Torrisi ESEQUIEL DE PAIVA FERREIRA LAURY LIERS LEWNEY FERREIRA MARIO MATIUSSO JR Santo André, 27 de abril de

2 Índice Glossário... 3 Introdução... 4 O que é na prática?... 4 Analogia com AutoCAD Porque a empresa precisa de um sistema de supervisão?... 4 Qualidade:... 4 Redução dos custos operacionais:... 4 Maior desempenho de produção:... 4 Base para outros sistemas:... 5 Onde se situa o sistema de supervisão na empresa?... 5 Funcionalidades e HMI (Human Machine Interface)... 6 Sinóticos... 6 Alarmes... 8 Relatórios Gráficos Históricos Comunicação Tipos de comunicação e protocolos Meio físico: Protocolos: OPC (OLE for process control) Sistema cliente/servidor Sistema Web Server Redundância e confiabilidade Banco de Dados PIMS

3 Glossário SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SSC Sistema de Supervisão e Controle (termo comum utilizado no Brasil) 3

4 Introdução O que é na prática? De forma genérica, um sistema de supervisão é um tipo software que permite monitorar e controlar partes ou todo um processo industrial. Analogia com AutoCAD. Imagine um AutoCAD. Você instala um programa e através deste programa você pode criar seus projetos de peças mecânicas, desenhar diagramas elétricos, etc. Terminado o projeto, você pode imprimi-lo. Um SSC, a grosso modo, trabalha de forma análoga. Você instala um programa e desenvolve seu projeto através deste programa. Finalizado o projeto, ao invés de imprimir, (como no AutoCAD) seu projeto é executado no computador. Os SSC geralmente têm 2 módulos básicos: O Studio e o Viewer. O Studio é o módulo de desenvolvimento do projeto do SSC. O Viewer é o módulo onde se executa o projeto. (Os nomes e a metodologia de desenvolvimento variam um pouco de fabricante para fabricante, mas sempre são bem parecidos) Atualmente, para desenvolver projetos de SSC não é necessário o conhecimento de nenhuma linguagem de programação em específico. A maioria dos passos de programação é automatizada, suprindo a maior parte das necessidades de um projeto. Em casos mais complexos e específicos, onde os passos não estão automatizados, alguns SSC s incorporam módulos de programação em VBA (Visual Basic For Applications) ou VBS (Visual Basic Script). Em alguns casos encontram-se linguagem próprias, mas sempre parecidas com linguagens comerciais que já são difundidas. Porque a empresa precisa de um sistema de supervisão? Qualidade, redução dos custos operacionais, maior desempenho de produção, base para outros sistemas, ou seja, VANTAGEM COMPETITIVA! Qualidade: Através do monitoramento das variáveis do processo produtivo, (pressão, temperatura, vazão, etc.) é possível determinar níveis ótimos de trabalho. Caso estes níveis saiam da faixa aceitável o SSC pode gerar um alarme na tela, alertando o operador do processo para um eventual problema no processo produtivo. Desta forma, as intervenções no processo são feitas rapidamente, garantindo que o produto final sempre tenha as mesmas características. Redução dos custos operacionais: Imagine um processo produtivo com inúmeros instrumentos de medição. Quantos tempo e quantos funcionários especializados seriam necessários para percorrer todo o processo de produção afim de realizar a leitura de todos os instrumentos? Quantas planilhas seriam necessárias e qual a probabilidade de erros humanos? Com um SSC é possível centralizar toda a leitura dos instrumentos de campo, gerar gráficos de tendência e gráficos históricos das variáveis do processo. São necessários poucos funcionários especializados e com poucos cliques de mouse é possível realizar a leitura dos instrumentos de um processo industrial inteiro. Maior desempenho de produção: Através da rapidez da leitura dos instrumentos de campo, as intervenções necessárias podem ser feitas mais rapidamente. Problemas de parada de máquina por defeitos podem ser diagnosticados mais pontualmente e os setup s de máquina também são agilizados. 4

5 Base para outros sistemas: Os SSC podem coletar os dados do processo produtivo e armazená-los em banco de dados. Estes dados podem ser utilizados para gerar informações importantes, sendo integrados com sistemas MES, ERP, SAP e etc. Podem também fornecer dados em tempo real, para sistemas que realizam cálculos de OEE, sistemas SFC, sistemas de PCP ou similares. OEE - Overall Equipment Effectiveness PCP Planejamento e controle de produção MES - Manufacturing Execution Systems SFC - Shop floor control Onde se situa o sistema de supervisão na empresa? Figura 1: Hierarquia de sistemas em uma empresa Os sistemas de supervisão nos dias atuais podem ser considerados como uma ponte entre o chão de fábrica e os sistemas corporativos. 5

6 Funcionalidades e HMI (Human Machine Interface) Sinóticos Através das telas de sinóticos é que um processo industrial pode ser monitorado. Estas telas são projetadas e desenhadas através do Studio (conforme dito anteriormente) e depois executadas através do Viewer. Figura 2: Studio Na figura acima, mostramos como é feita a confecção de uma tela no Studio. 1 Função para desenhar polígonos na tela; 2 Função para iniciar o Viewer, afim de visualizar e testar a tela que está sendo desenhada; 3 Funções que permitem adicionar botões, check Box, Labels, Caixas suspensas, etc; 4 Funções de edição similares ao do Microsoft Word; 5 Galeria com objetos prontos, tais como: tanques, bombas, tubulação, etc; 6 Janela de propriedades de cada objeto adicionado na tela; 7 Alternância entre o modo de desenho da tela e modo de customização de scripts. 6

7 Na figura abaixo, mostramos como é uma tela de sinótico em run time, ou seja, sendo executada pelo Viewer. Figura 3: Viewer Note que os botões de desenho e propriedades não são acessíveis ao usuário. 1 Visualização das variáveis do processo industrial. 2 Sumário de alarmes. 3 Representação gráfica do nível do tanque. 4 Situação de trabalho do equipamento. 7

8 Alarmes Os SSC s podem ser configurados para gerar alarmes, ou seja, avisar ao usuário do sistema quando uma variável ou condição do processo de produção está fora dos valores previstos. Os alarmes são mostrados na tela em formato de planilhas e/ou animações na tela. Figura 4: Configuração de um alarme no Studio Na figura acima, mostramos como configurar um alarme no Studio. 1 Tipo do alarme digital. Significa que o SSC monitora um ponto que assume apenas dois valores. 2 Descrição do alarme. Significa que quando o ponto monitorado estiver em alarme, o SSC mostrará a mensagem configurada. 3 Define se o alarme é crítico ao processo de produção. Na figura abaixo, mostramos como o alarme é mostrado na tela, em run time, ou seja, no Viewer. Figura 5: Sumário de Alarmes O gerenciamento de alarmes em SSC é um vasto tema de estudos. A principal questão está no fato de que a grande maioria dos sistemas SCADA não possui ferramentas adequadas para o tratamento de grande quantidade de alarmes. Dessa forma, os operadores de sistemas, como 8

9 seres humanos, possuem um limite de processamento de mensagens a cada intervalo de tempo. Em situações de estresse contínuo ou mesmo de avalanches, o excesso de mensagens geradas pode fazer com que os operadores passem a desprezá-las. Nesse contexto, os sistemas de supervisão deveriam fornecer mais ferramentas que pudessem auxiliar os operadores nesses momentos, como por exemplo, distinguindo quais as ações são mais importantes e devem ter uma resposta mais imediata, e quais têm prioridade mais baixa, por ser apenas conseqüência de outros eventos. TEMA VASTO PARA PESQUISA E DESENVOLVIMENTO. 9

10 Relatórios Atualmente, os SSC s do mercado possuem ferramentas para a geração de relatórios na própria estação de trabalho. Os relatórios mais comuns que são utilizados são: Relatório de alarmes: Lista um histórico com os alarmes ocorridos durante uma faixa de tempo escolhida pelo operador do sistema. Relatório de Acesso: Lista quais foram os usuários que acessaram o SSC ou modificaram algum parâmetro do processo. Relatório de variáveis: Lista a alteração de variáveis ao decorrer do tempo/lote/período. Os relatórios dependem da imaginação do desenvolvedor e das necessidades do cliente. Lógico que deve se observar as limitações de cada SSC para a geração de relatórios. Geralmente não são executados relatórios pesados (com muitos cálculos e relacionamentos) dentro do SSC, pois podem afetar drasticamente o desempenho do sistema (que geralmente é vital para o processo industrial). Relatórios complexos devem ser processados por outros sistemas de informação. Figura 6: Configurando um relatório do Studio A figura acima mostra a configuração de um relatório no Studio. 10

11 A figura abaixo mostra um relatório de produção visualizado em run time. Figura 7: Relatório de Produção em run time 11

12 Gráficos Históricos Uma das mais interessantes funcionalidades dos SSC é a possibilidade de geração de gráficos históricos. Gráficos históricos ajudam a avaliar valores de variáveis ao longo do tempo de forma rápida. Figura 8: Configurando um Gráfico Histórico Na figura acima, mostramos a configuração de um gráfico histórico através do Studio. 12

13 Na figura abaixo, mostramos 3 exemplos de gráficos históricos visualizados em run time. 13

14 Comunicação Tipos de comunicação e protocolos Meio físico: Os SSC s necessitam de um meio físico para que seja possível a aquisição de dados no controlador de campo (PLC). Este meio físico geralmente utiliza o padrão elétrico RS232, RS485 ou ethernet. O padrão RS232 pode ser utilizado até uma distância máxima de 12 metros. Já o padrão RS485 pode chegar a uma distância de até 1200 metros sem repetidores. Atualmente, utiliza-se em maior parte, o padrão ethernet. Chega à distância de até 100 metros entre seguimentos com cabeamento do 10BaseT. Para distância elevadas, utiliza-se fibra óptica. Protocolos: Para que haja comunicação entre o controlador de campo e o SSC não basta apenas o meio físico. Os dois sistemas devem utilizar o mesmo protocolo de comunicação. Cada fabricante de PLC tem o seu protocolo de comunicação proprietário. Logo, os SSC possuem vários drivers de comunicação, para que possam atender a maior parte dos fabricantes. Existem protocolos de comunicação abertos, como por exemplo, o MODBUS. Existe nas versões RTU (Padrão serial RS232/RS485) e TCP (Padrão Ethernet). A maioria dos fabricantes de PLC já implementa este protocolo de forma nativa. Figura 9: Modelo de comunicação SCADA/PLC 14

15 OPC (OLE for process control) OPC é um protocolo de comunicação aberto baseado na tecnologia OLE COM/DCOM do Windows que visa permitir a integração vertical entre os diferentes sistemas dentro de uma organização. Consiste em um programa servidor, geralmente disponibilizado pelo próprio fabricante do PLC, que se comunica com o PLC através do protocolo proprietário e disponibiliza os dados no padrão OPC. O cliente, ao invés de precisar ter um driver do protocolo proprietário, necessita ter apenas o driver OPC client instalado. Figura 10: Modelo OPC O servidor OPC pode estar instalado na mesma maquina que o OPC client. Figura 11: Arquitetura Local Quando o servidor e o cliente estão instalados no mesmo computados, o OPC utiliza o COM para estabelecer a comunicação. O COM é de fácil configuração e relativamente rápido. 15

16 Em aplicações distribuídas, o servidor e o cliente OPC serão instalados em computadores diferentes. Figura 12: Arquitetura Distribuída Neste caso, o OPC passa a utilizar o DCOM. O DCOM é de configuração complicada, difícil de trabalhar em WAN s, tem timeout elevado e exige configurações avançadas no firewall. Tipos de OPC: OPC DA Qual o valor da variável x AGORA? OPC HDA Qual o valor da variável x ONTEM? OPC A&E Trata de alarmes e eventos OPC UA: É a ultima evolução do OPC. Pretende unificar todas as especificações anteriores do OPC e não se baseia mais nas tecnologias COM e DCOM, ou seja, liberta-se das amarras da Micro$oft podendo basear-se em sistemas UNIX. Trabalha com tecnologia orientada para web, como SOAP, XML etc... Promete ser o padrão dominante nos próximos 10 anos. 16

17 Sistema cliente/servidor Imagine que é necessário visualizar e controlar o processo industrial em mais de um local dentro da planta industrial com a mesma confiabilidade e precisão do sistema SCADA local. Os SSC permitem arquiteturas onde o servidor SCADA permite que clientes se conectem a ele e coletem dados e informações de alarmes e históricos. O processamento dos dados do processo fica centralizado no servidor SCADA, garantindo que não haverão incertezas e diminuindo o trafego de rede. Figura 13: Modelo de Arquitetura Cliente/Servidor O servidor SCADA, neste caso, pode ou não ter uma interface gráfica. 17

18 Sistema Web Server De forma análoga ao sistema cliente/servidor o Web Server visa disponibilizar os dados do processo através da rede. Porém os clientes ao invés de acessarem os dados através de um software instalado na máquina, eles acessam via browser de internet. Figura 14: Web server - Thin Client A figura acima mostra uma tela de sinótico sendo visualizada através do Firefox. Geralmente é baseado no serviço IIS do Windows e através de um activex instalado no PC cliente, pode-se visualizar as telas do processo, gerar relatórios e até realizar comandos no processo. Tem como vantagem a não necessidade de instalação de softwares adicionais no micro cliente e pode-se acessar o SSC através da internet de forma fácil e segura. Permite o fácil acesso através de palms e celulares mais avançados. A principal desvantagem é a relativa perda de robustez do sistema. A tendência é a substituição dos clientes normais por sistemas web. Os custos são menores, há menor investimento em infra-estrutura e gera ótimos resultados. 18

19 Redundância e confiabilidade Existem processos industriais que não podem parar. A parada destes processos pode causar prejuízos financeiros imensos ou até mesmo riscos a vida. Desta forma alguns dos sistemas SCADA podem ser configurados de forma redundante. (depende do fabricante) Existem inúmeros métodos de arquitetura de redundância de dados, variando de fabricante a fabricante de SSCs. O mais utilizado é comumente chamado de hot standby. Figura 15: Modelo de Redundância Existem 2 servidores, um chamado primário e outro secundário ou backup. Os dois sistemas possuem base de dados idênticas (planilhas de comunicação com o PLC). Quando o servidor primário esta em funcionamento, os clients requisitam dos dados deste servidor. O próprio servidor secundário também requisita os dados do servidor primário e deixa a sua base de dados inativa. Quando o servidor primário não está mais ativo, os clients automaticamente começam a requisitar dados do servidor secundário (failover automático). O servidor secundário, por sua vez, ativa a sua base de dados local e inicia a leitura das variáveis no PLC. inicial. Quando o servidor primário volta à ativa, o sistema chaveia-se automaticamente, ou seja, volta a condição 19

20 Banco de Dados Os SSC s tem plena capacidade de armazenamento em banco de dados relacionais. Podem ser armazenados: Dados históricos; Informações Logísticas; Dados de logon/logoff; Etc; Os dados podem ser utilizado para gerar relatórios, gráficos, etc... Os bancos de dados mais utilizados são o SQL Server, Oracle e mysql. Em alguns casos que exijam menor complexidade pode-se utiliza MS Access (Porém não recomendado). Geralmente os SSC s e DBs encontram-se instalados em maquinas separadas. Porém há casos em que se utiliza o DB instalado localmente. PIMS Podemos chamar de banco de dados temporal. Basicamente, PIMS é um software que contém um repositório, onde são concentradas todas as informações relevantes das células de produção, diretamente ligadas aos sistemas de supervisão e controle. O PIMS coleta informações dos sistemas de supervisão, CLPs, SDCDs e sistemas legados e os armazena em uma base de dados real time. Tal base tem características não encontradas nos bancos de dados convencionais, como: Grande capacidade de compactação (tipicamente de 10:1) e alta velocidade de resposta a consulta em sua base histórica. Devido a isto, é capaz de armazenar um grande volume de dados com recursos mínimos, se comparado às soluções convencionais. 20