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SISTEMA SCADA
SUPERVISÓRIO
DSc. William da Silva Vianna
Colaboração: Philipe Massad Bringhenti e Larissa dos Santos Martins
INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE
DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
DEZEMBRO – 2008
Sumário
- 1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................................................................
- 2 ARQUITETURA DO SISTEMA SCADA..............................................................................................................
- 2.1 EXEMPLOS DE ARQUITERURAS TÍPICAS DE SISTEMAS SCADA
- 2.1.1 SCADA com CLP (Compacto, Modular, Distribuído)..............................................................................
- 2.1.2 SCADA com FIELDBUS – Protocolo (Proprietário ou Aberto)
- 2.1.3 SCADA com SINGLELOOP e/ou MULTLOOP........................................................................................
- 2.1.4 SCADA com DDC (controle digital direto)
- 2.2 FLEXIBILIDADE DA ARQUITETURA SCADA.......................................................................................................
- 3 COMPONENTES DE HARDWARE E SOFTWARE BÁSICOS DO SISTEMA DE SUPERVISÃO...........
- 3.1 HARDWARE
- 3.2 SOFTWARE.........................................................................................................................................................
- 4 DRIVERS DE COMUNICAÇÃO
- 4.1 O PROTOCOLO OPC
- 4.2 PROTOCOLO DDE..............................................................................................................................................
- 5 TAGNAME OU VARIÁVEIS EM UM SISTEMA SCADA...............................................................................
- 5.1 VARIÁVEIS SIMPLES...........................................................................................................................................
- 5.1.1 Variável analógica....................................................................................................................................
- 5.1.2 Variável Discreta
- 5.2 VARIÁVEIS COMPOSTAS.....................................................................................................................................
- 6 ELEMENTOS DINÂMICOS
- 6.1 REPRESENTAÇÃO DE VARIÁVEL ANALÓGICA
- 6.2 REPRESENTAÇÃO DE VARIÁVEL DISCRETA.........................................................................................................
- 7 OBJETOS ATIVOS................................................................................................................................................
- 8 GRÁFICOS DE TENDÊNCIA..............................................................................................................................
- 8.1 TENDÊNCIA REAL
- 8.2 TENDÊNCIA HISTÓRICA
- 9 GERADOR DE RELATÓRIOS............................................................................................................................
- 10 CONSTRUTORES DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE..............................................................................
- 11 LINGUAGEM PARA DEFINIÇÃO DE APLICAÇÕES DO USUÁRIO - SCRIPT
- 12 ALARMES
- 12.1 GRUPOS E PRIORIDADE DE ALARMES
- 13 LOG DE EVENTOS...........................................................................................................................................
- 14 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA INTERFACE HOMEM MÁQUINA
- 14.1 CONCEITOS ERGONÔMICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE IHM............................................................................
- 14.2 PLANEJAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DA IHM
- 14.2.1 Entendimento do Processo........................................................................................................................
- 14.2.2 Tomada de Dados
- 14.2.3 Banco de Dados
- 14.2.4 Alarmes
- 14.2.5 Planejando a Hierarquia de navegação entre Telas
- 14.2.6 Desenho das Telas
- 14.2.7 Gráficos de Tendências.............................................................................................................................
- 14.2.8 Acesso e Segurança
- 14.2.9 Padrão Industrial......................................................................................................................................
- 15 TECNOLOGIAS WEB
- 16 LICENCIAMENTO DA IHM
- 17 ALGUNS SOFTWARES DE SUPERVISÃO EXISTENTES NO MERCADO............................................
- 18 INTOUCH
- 18.1 INSTALAÇÃO..................................................................................................................................................
- 18.2 CRIANDO UMA APLICAÇÃO
- 18.3 MODIFICANDO A LISTA DE DIRETÓRIOS DE APLICAÇÕES.
- 18.4 CRIANDO JANELAS.........................................................................................................................................
- 18.4.1 Propriedades de uma janela
- 18.5 DESENVOLVENDO APLICAÇÕES.....................................................................................................................
- 18.5.1 Tagname no Intouch
- 18.6 ATIVIDADES BÁSICAS PARA A EDIÇÃO DE TELAS.
- 18.6.1 Nova aplicação
- 18.6.2 Gráfico de Barras utilizando variável do sistema.
- 18.6.3 botão liga/desliga - Bomba - saída com estado da bomba.
- 18.6.4 Gráfico de Barras - valor entrado pelo operador - botão de deslocamento.............................................
- 18.6.5 5. Visibilidade e Blink - Texto...................................................................................................................
- 18.6.6 Tamanho de objeto - Detector de gás
- 18.6.7 Movimentação de objetos - Esteira...........................................................................................................
- 18.6.8 Script.........................................................................................................................................................
- 18.6.9 Script no botão - Ajuste Fino para o Gráfico de Barras
- 18.6.10 WIZARD - botão Liga/Desliga..............................................................................................................
- 18.6.11 WIZARD - botão Incremento/Decremento............................................................................................
- 18.6.12 Script - animar a esteira
- 18.6.13 Objeto mapa de bit................................................................................................................................
- 18.6.14 Janela Popup - mensagem para o operador
- 18.6.15 Gráfico de tendência.............................................................................................................................
- 18.6.16 Gráfico de Tendência Real
- 18.6.17 Gráfico de Tendência Histórica............................................................................................................
- 18.6.18 Alarmes
- 18.6.19 Sumário de alarmes
- 18.6.20 Navegação entre janelas.......................................................................................................................
- 18.6.21 Prioridades - Criação de grupos de alarmes........................................................................................
- 18.6.22 Botão de Reconhecimento de Alarmes
- 18.6.23 Histórico de Alarmes - botões PagUp e PagDown...............................................................................
- 18.6.24 Comunicação com equipamento de controle
- 18.6.25 Comunicação com CLP
- 18.6.26 Backup do aplicativo.............................................................................................................................
- 18.6.27 Atividade final.......................................................................................................................................
- 19 BIBLIOGRAFIA
- Figura 1 - Diagrama genérico de uma sistema SCADA Lista de Figuras
- Figura 2 - Diagrama básico esquemático SCADA com uso de um CLP
- Figura 3 – Arquitetura local de rede CLP com uso do CLP modular ou compacto..........................................................
- Figura 4 - Arquitetura local de CLP com I/O remotos ou distribuídos (RTU de I/O).
- Figura 5 - Arquitetura de rede de CLP`s...........................................................................................................................
- Figura 6 - Diagrama básico esquemático SCADA com FIELDBUS................................................................................
- Figura 7 - Diagrama basico esquemático SCADA com singleloop / multloop.................................................................
- Figura 8 –Diagrama básico esquemático SCADA com DDC
- Figura 9 - Exemplo da flexibilidade da arquitetura de um sistema SCADA
- Figura 10 - Esquema dos sofwares básicos de uma estação de supervisão.......................................................................
- Figura 11 - Esquema lógico e físico de comunicação com CLPs distintos.......................................................................
- Figura 12 - Parâmetros de configuração de um tagname..................................................................................................
- Figura 13 - Gráfico de tendência com taxa de amostragem baixa.
- Figura 14- Eventos no InTouch
- Figura 15 - Conceito de objeto virtual
- Figura 16 - Esquema básico do sistema SCADA
- Figura 17 - Tela do gerenciador de aplicações do Intouch
- Figura 18 - Tela de inserção de nova aplicação
- Figura 19 - Tela de criação de nova janela
- Figura 20 - Tela de definição do tipo do Tagname.
- Figura 21 - Tela com opções de script do Intouch
- Figura 22 - Tela com janela para edição de script no Intouch
1 INTRODUÇÃO
O termo SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) na automação refere- se a sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados composto por um ou mais computadores monitorando e controlando um processo. O processo pode ser industrial, infra-estrutura ou facilidade conforme descrito a seguir:
- Processos industriais incluem manufatura, geração de energia, refino de petróleo e muitos outros. Podem ser executados de forma contínua ou batelada. Os sinais tratados podem ser tanto analógicos quanto digitais;
- Processos de infra-estrutura podem ser públicos ou privados, e incluem tratamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto, linhas de óleo e gás, transmissão e distribuição de energia elétrica, e grandes sistemas de comunicação;
- Processos de facilidade ocorrem em instalações públicas e privado, incluindo edifícios, aeroportos, navios, plataformas offshore e estações espaciais. Esses sistemas monitoram e controlam HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) e consumo de energia. O objetivo principal dos sistemas SCADA é propiciar uma interface de alto nível do operador com o processo informando-o "em tempo real" de todos os eventos de importância da planta. A utilização de sistemas SCADA permite uma série de vantagens se comparados com os paineis convencionais: o Redução de gastos com montagem de paineis de controle e projeto; o Redução de custos da aquisição de instrumentos de painel, pois no sistema SCADA são virtuais; o Eliminação de custos com peças de reposição, pois tratam-se de instrumentos virtuais; o Redução de espaço necessário para a sala de controle; o Dados disponívies em formato eletrônico, facilitando a geração de relatórios e integração com sistemas ERP (Enterprise Resource Planning) ou SIGE (Sistemas Integrados de Gestão Empresarial); o Praticidade da operação, pois os instrumentos são apresentados ao operador em um simples clique do dispositivo apontador;
Geralmente é utilizada uma interface tipo sistema especialista para definição das regras de controle a nível de supervisão. Este tipo de estratégia é muito utilizado para controle avançado na área mineral onde é comum o modelamento matemático da planta.
2 ARQUITETURA DO SISTEMA SCADA
O termo SCADA normalmente se refere a sistemas centralizados que monitoram e controlam locais inteiros, ou sistemas complexos de áreas grandes (sistemas com dimensões entre uma planta industrial e um país). Muitas ações de controle são executadas automaticamente através de unidades terminais remotas (RTUs) ou por controladores de lógica programáveis (CLPs). Normalmente o supervisório não executa os funções de controle. Por exemplo, um CLP pode controlar a temperatura regulando o fluxo de água fria em um processo industrial de resfriamento, mas o sistema de supervisão pode permitir para os operadores apenas mudar o set-point para a temperatura, habilita condições de alarme, exibir e registrar dados do processo. O loop de controle é executado pelo controlador, seja ele um CLP, multloop ou RTU de controle. Enquanto o supervisório monitora o sistema e o desempenho global dos loops de controle. A aquisição de dados é iniciada no nível da RTU ou PLC. O dados é compilado e então formatado de tal um modo que o operador da sala de controle possa tomar decisões e intervir no controle. Os dados lidos pelos I/O de campo podem ser armazenados em séries temporais permitindo cria um banco de dados de gerenciamento do sistema, registros históricos e tendências. Sistemas SCADA tipicamente implementam banco de dados distribuídos, geralmente chamado de banco de dados de tagname que contém dados dos pontos de I/O. Um ponto representa um único valor de entrada ou saída monitorada ou controlada pelo sistema. Um tagname pode estar endereçado a uma entrada ou saída física do equipamento de controle, assim como pode permitir a leitura e escrita de outros endereços da memória do equipamento de controle. Os tagnames normalmente são armazenados como pares valor-timestamp: um valor, e o timestamp quando foi registrado ou foi calculado. Uma série de pares valor-timestamp permitem criar o história daquele ponto. Que são visualizados pelo operador por meio de uma interface homem máquina.
Uma Interface de Humano Máquina ou IHM é o aparato que apresenta dados de processo para o operador e por meio deste é possível intervir no processo. As IHMs eram inicialmente plataformas proprietárias e por isso limitadas em seu campo de atuação. Atualmente, baseadas na plataforma PC, podem, além de desempenhar suas funções básicas descritas anteriormente, gerar relatórios para CEP (Controle Estatístico de Processos), impressão de relatórios, ou se comunicar via Ethernet/TCP-IP à rede corporativa. Existem IHMs que podem ser aplicadas inclusive em ambientes ditos de “área classificada”, com risco de explosão devido, geralmente, à gases suspensos (como em plataformas de petróleo), ou em “salas limpas”, onde geralmente são laváveis e em aço inoxidável (como nas indústrias farmacêuticas). A IHM é ligada com o banco de dados do sistema SCADA, promove registros, diagnóstico de dados e informação de administração como: procedimentos de manutenção, informação de logística, detalhes de agendamento e guias para resoluções de problemas. Além disso, a IHM geralmente apresenta graficamente as informações do processo na forma de sinópticos. Isto significa que o operador pode ver uma representação esquemática da planta que é controlado. Os sinópticos fornecem uma representação gráfica geral da planta em substituição aos painéis sinóticos tradicionais. Cada sinótico representa uma área do processo em um certo nível de detalhe. Para se obter uma visão mais detalhada de uma determinada área pode-se recorrer a um novo sinótico, a um sinótico de hierarquia inferior (sub-sinótico), ou a uma visão de uma outra camada do mesmo sinótico (sistema "multi layer"). Para alguns tipos de processo, recomenda-se o uso de um sinótico tipo plano infinito que traz a representação global de uma sistema distribuído geograficamente, tal como um oleoduto, o sistema de controle de tráfego de uma cidade, um sistema de controle de subestações de trens, etc. Esta técnica é denominada full-graphics. As telas possuem uma parte fixa denominada de máscara ou fundo e diversos campos dinâmico atualizados dinamicamente. Os primeiros sistemas supervisórios possuíam interface com o usuário semi gráfica. Todos os espaços vagos da tabela do gerador de caracteres eram preenchidos com símbolos especiais que permitiam representar os equipamentos de processo. O sinóptico era formado pela justaposição dos caracteres gráficos, como num quebra-cabeças. Os símbolos utilizados para um determinado tipo de processo:
- Estação de supervisão. Esta unidade promove a Interface Humano Máquina ou IHM é o aparato que apresenta dados de processo para o operador humano, e por meio deste o operador monitora e controla o processo. Esta IHM é provida por um conjunto software de supervisão mais microcomputador compatível com o sistema a ser executado;
- Um sistema de controle e/ou aquisição de dados. Geralmente o sistema de controle de tempo real é constituído de unidade separada da estação de supervisão. Pode ser um ou conjunto de Controlador Lógico Programável (CLP), controlador multloop, controlador single loop, Unidade Terminal Remota (RTU), entre outros. Essas unidades são conectadas aos sensores e atuadores do processo. Convertem os sinais dos sensor para dados digitais e dados digitais de controle para os atuadores. Em alguns casos a estação de supervisão desempenha a tarefa de executar os algoritmos de controle (DDC);
- Infra estrutura de comunicação que conecta a estação de supervisão as unidades de controle e, quando emprega-se Unidades Terminais Remotas (RTUs) de I/O, unidades de controle as RTUs de I/O. A figura 1 apresenta um diagrama que ilustra as partes de um sistema SCADA.
Figura 1 - Diagrama genérico de uma sistema SCADA
2.1 EXEMPLOS DE ARQUITERURAS TÍPICAS DE SISTEMAS SCADA
2.1.1 SCADA COM CLP (COMPACTO, MODULAR, DISTRIBUÍDO)
A figura 2 apresenta diagrama esquemático SCADA com uso de um CLP. O CLP em questão pode ser compacto, modular ou com I/O distribuído. Cada cartão ou módulo de I/O possui um determinado número de entrada ou saídas que podem ser digitais ou analógicas de acordo com o tipo de sinal enviado/recebido. O sistema de supervisão pode ler as entradas digitais/analógicas e ler/escrever nas saídas digitais/analógicas. Além disso, outros endereços de memória podem ser lidos ou escritos, como por exemplo, bits auxiliares, dados de parâmetros de controle proporcional, integral e derivavo, valores de temporização e contagem, entre outros.
Figura 2 - Diagrama básico esquemático SCADA com uso de um CLP
Interface de comunicação
Cabeamento com sinais digitais e analógicos.
Estação de supervisão com IHM desenvolvida de acordo com o processo a ser monitorado e controlado.
Controlador lógico programável (compacto, modular ou distribuído).
Transmissores, sensores, valvular, motores elétricos, etc.
A instalação de um sistema automático com o uso de I/O locais, requer um gasto considerável de cabeamento, borneiras, caixas de passagem, bandejas, projeto e mão- de-obra para a instalação. Os blocos I/O remotos possibilitam uma redução drástica destes gastos, uma vez que todos os sinais não serão encaminhados para o rack do CLP e sim para pontos de entradas e saídas que ficarão localizados no campo. Este módulos de I/O, também conhecidos como “remotas” de I/O ou RTU de I/O, são independentes e configuráveis. Interligados entre si através de um barramento de campo (fieldbus) proprietário ou de padrão aberto. Nesta arquitetura existe a necessidade de cartões de interface para conexão entre os rack´s remotos e o rack central. Um barramento permite aprimorar o controle de I/O através do uso de comandos de comunicação no programa. O barramento também pode ser usado inteiramente para o controle de I/O, com múltiplos dispositivos de I/O e sem comunicação adicional. Pode ainda ser dedicado à comunicação da CPU, com múltiplas CPUs e sem dispositivos de I/O. Sistemas mais complexos também podem ser desenvolvidos, com CPUs duplas e uma ou mais CPUs adicionais para a monitoração de dados
Figura 5 - Arquitetura de rede de CLP`s.
RREEDDEE DDEE CCLLPP´´ss
Estação de supervisão. Interface de comunicação CLP I/Os Instrumentos de campo
Módulos de I/O montados localmente. Normalmente, a comunicação dos CLP´s com o sistema de supervisão é do tipo mestre-escravo ou polling.
2.1.2 SCADA COM FIELDBUS – PROTOCOLO (PROPRIETÁRIO OU ABERTO)
A figura 6 ilustra o esquema de um sistema SCADA com uso do Fieldbus Foundation. No esquema, esta mesma rede está integrada com um CLP possibilitando que os dados deste equipamento sejam acessados por meio da rede fieldbbus.
Figura 6 - Diagrama básico esquemático SCADA com FIELDBUS
2.1.3 SCADA COM SINGLELOOP E/OU MULTLOOP
Um sistema SCADA de gerenciamento centralizado pode ser implementado para monitorar controladores tipo singleloop ou multloop. Neste caso os controladores devem possuir interface de comunicação multiponto que permita a comunicação com a estação de supervisão.
2.2 FLEXIBILIDADE DA ARQUITETURA SCADA
Alguns elementos são básicos em um sistema SCADA (estação de supervisão, equipamento de controle com I/O e infra estrutura de comunicação). Um sistema SCADA pode compreender mais de uma estação de supervisão, podem existir estações específicas para relatórios, gráficos de tendência, controle estatítico do processo, entre outros. A infra estrutura de comunicação pode utilizar diversas tecnologias de transmissão de dados e até mesmo utilizar redes redudantes para aumentar a disponibilidade dos sistema. Além disso, todo os sitema pode ser monitorado a distância por meio da rede WAN. A figura 9 exemplifica a flexibilidade da arquitetura de um sistema SCADA.
Figura 9 - Exemplo da flexibilidade da arquitetura de um sistema SCADA
3 COMPONENTES DE HARDWARE E SOFTWARE BÁSICOS DO SISTEMA DE SUPERVISÃO
3.1 HARDWARE
- Microcomputador industrial ou workstation;
- Dispositivo de entrada de dados: teclado de engenharia, teclado funcional, mouse ou "Track-ball" e "Touch Screen".
- Dispositivo de comunicação com o operador: monitor ou terminal de vídeo.
- Dispositivo de comunicação com o equiapmento de controle: interface serial convencional: RS 232-C, RS485, RS422, IEE1158; cartão multiserial inteligente; cartão de comunicação direto com a rede de CLPs.
- Dispositivos de comunicação com outros sistemas: cartões de redes, distribuidores de conexão ("hubs" e “switchs”).
- Outros periféricos: impressoras, sinópticos tradicionais;
3.2 SOFTWARE
- Pacote supervisório básico: programa de execução da IHM, programa de desenvolvimento (construtor de sinóptico) e programa servidor de comunicação ou driver de comunicação.
- Pacote batch : contém as funções de gerenciamento de processo de batelada.
- Pacote SPC/SPQ: contém as funções estatísticas para Statistical Process Contro l, basicamente plotagem automática das cartas de controle e geração de alarmes quando um determinado processo foge de seu comportamento normal.
- Gerador de relatórios: linguagem de quarta geração para definição de programas pelo próprio usuário; Em nenhuma das arquiteturas apresentadas o software de supervisão tem ligação direta com o equipamento de controle. Todo software de supervisão possui pelo menos uma interface de comunicação (OPC, DDE, Suitelink, ActiveX, etc). Esta interface possibilida “falar” com outro software e este por sua vez possui o protocolo de comunicação com o equipamento de controle. Este software é chamado de servidor de comunicação que pode possuir um ou mais drivers de comunicação para os equipamentos de controle. Desta forma, é criada uma camada que permite abstrair o equipamento de controle utilizado. Portanto no pacote de execução de uma estação de supervisão existe pelo menos um driver de comunicação e o programa de execução da aplicação (figura 10). Além disso, para o desenvolvimento é empregado um programa que permite criar e animar as telas de sinópticos do processo.
Figura 11 - Esquema lógico e físico de comunicação com CLPs distintos.
4 DRIVERS DE COMUNICAÇÃO
Atualmente, quanto Sistema Operacional Windows é utilizado (GUI), dois protocolos se destacam na utilização de drivers de comunicação com equipamentos de campo: OPC e DDE.
4.1 O PROTOCOLO OPC
Um dos grandes problemas de se interfacear equipamentos e sistemas no chão de fábrica reside em se compatibilizar os protocolos da camada de aplicação. O MMS - Manufacturing Message Specification foi uma tentativa de padronização que entretanto fracassou por falta de adeptos. O padrão OPC foi inicialmente liderado pela Microsoft e especificado pela OPC Foundatio n. Este protocolo é hoje o padrão de fato da indústria. Geralmente um fabricante de equipamento de controle poderá fornecer com o seu produto um servidor OPC. O fabricante de SCADA também fornece o cliente OPC. O mesmo acontece com um fornecedor de inversores, de relés inteligentes ou de qualquer outro dispositivo industrial inteligente. Um sistema SCADA também pode oferecer um servidor OPC para comunicação com outro sistema de aquisição de dados, por exemplo, um PIMS ( (Process/Plant Information Management Syste m).
Como as aplicações precisam apenas saber como buscar dados de um servidor OPC, ignorando a implementação do dispositivo e o servidor precisa fornecer dados em um formato único: servidor OPC, a tarefa de escrever drives de comunicação fica muito facilitada. O servidor OPC fornece dados de tempo real proveniente de sensores (temperatura, pressão, etc.), comandos de controle (abrir, fechar, ligar, desligar, etc.), status de comunicação, dados de performance e estatística do sistema, etc. O protocolo OPC é baseado no modelo de componentização criado pela Microsoft e denominado COM (Componet Object Mode l), uma maneira eficiente de se estabelecer interfaces para aplicações que substitui as chamadas de procedimento e as DLL usadas inicialmente para encapsular uma aplicação. O nome OPC: OLE for Process Control foi cunhado na época em que o COM era um modelo embrionário de comunicação entre aplicativos como o nome de OLE (Object Linking and Embeddin g). O padrão OPC é baseado em comunicações cíclicas ou por exceção. Cada transação pode ter de 1 a milhares de itens de dados, o que torna o protocolo muito eficiente, superando o MMS para aplicações práticas, segundo técnicos da divisão Powertrain da GM. O protocolo OPC não resolve o problema de nomes globais. Você deve saber exatamente em que servidor uma dada variável pode ser encontrada. As especificações do protocolo OPC estão disponíveis no sítio da OPC Foundation e incluem além da especificação básica para a construção de drives (OPC Data Access Specification - versão 2.05) outras especificações tais como padrão OPC para comunicação de alarmes e eventos (OPC Alarms and Events Specification - Versão 1.02), padrão OPC para dados históricos (OPC Historical Data Access Specification - Versão 1.01). padrão OPC para acesso de dados de processo em batelada (OPC Batch Specification - versão 2.00) e outros. O servidor OPC é um objeto COM. Entre suas funções principais ele permite à aplicação cliente:
- Gerenciar grupos: Criar, clonar e deletar grupos de itens, renomear, ativar, desativar grupos.
- Incluir e remover itens em um grupo.
- Navegar pelas tags existentes (browser interfac e).
- Ver os atributos ou campos associado a cada tag.