SUPERVISÃO E SUPERVISÃO E CONTROLE CONTROLE

OPERACIONAL DE OPERACIONAL DE SISTEMASSISTEMAS

Prof. André Laurindo MaitelliProf. André Laurindo Maitelli

DCA-UFRN

SISTEMAS SCADA – SISTEMAS SCADA – HARDWARE e HARDWARE e FIRMWAREFIRMWARE

ConceitosConceitos

Um sistema SCADA é um sistema constituído por um número de Unidades Terminais Remotas (RTUs), coletando dados de campo e transmitindo a uma estação mestre via um sistema de comunicação

A estação mestre apresenta os dados adquiridos e permite ao operador realizar tarefas de controle remotamente

ConceitosConceitos

Um sistema SCADA difere de um sistema de controle de processos pelo operação operação remotaremota

O SCADA é uma integração de vários sub-sistemas

ConceitosConceitos

Em um sistema SCADA complexo existem cinco níveis hierárquicos: Nível de instrumentação de campo e

dispositivos de controle RTUs Sistema de comunicação Estações mestres Sistema de processamento de dados

TecnologiasTecnologias• Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD)

– as funções de aquisição de dados e de controle são realizadas por unidades microprocessadas distribuídas, situadas próximas dos dispositivos controlados

– usados em sistemas que necessitam de grande velocidade de processamento e transmissão de dados

TecnologiasTecnologias• Controladores Lógicos Programáveis (PLC)

– usados desde os anos 90– utilizam módulos de entrada e saída– linguagem de programação Ladder– são utilizados na implementação de um sistema

SCADA, praticamente como uma solução padrão de hardware

TecnologiasTecnologias• Instrumentos Inteligentes (SmartSmart)

– significam usualmente sensores ou atuadores microprocessados

– permitem comunicação com outros dispositivos

Vantagens na Implantação de Vantagens na Implantação de um Sistema SCADAum Sistema SCADA

• Melhoria operacional da planta ou processo• Acréscimo da produtividade do pessoal• Melhoria na segurança do sistema, devido a

maior quantidade de informações disponíveis

• Proteção dos equipamentos da planta• Proteção ao meio ambiente• Menor consumo de energia, devido à

otimização da planta

Unidades Terminais Remotas Unidades Terminais Remotas RTUsRTUs

• Uma RTU é uma unidade de controle, geralmente microprocessada, que monitora e controla equipamentos localizados longe da estação central

• A sua tarefa primária é controlar e adquirir dados dos equipamentos de processo na localização remota e transferir estes dados para a estação central

Componentes de uma RTUComponentes de uma RTU

• Processador e memória associada• Módulos analógicos (entradas e saídas):

multiplexador, amplificador, amostrador segurador, conversor A/D

• Módulos digitais (entradas e saídas)• Interfaces de comunicação: RS-232/RS-485,

linhas telefônicas dedicadas ou discadas, microondas, satélite

• Fonte de potência• RackRack

CLPs usados como RTUsCLPs usados como RTUs

• São equipamentos microprocessados muito utilizados para o controle de equipamentos e processos industriais

• Podem ser programados para executar uma grande variedade de funções

• Apresentam grande robustez para a aplicação em ambientes industriais

CLPs usados como RTUsCLPs usados como RTUs

• Os CLPs são comuns em sistemas SCADA pelas seguintes razões:– solução econômica– versatilidade e flexibilidade– facilidade de projeto e instalação– controle avançado– fisicamente compacto– fácil diagnóstico e detecção de falhas

A Estação MestreA Estação Mestre

• Uma estação mestre tem uma ou mais estações de operação conectadas a um sistema de comunicação, consistindo de modem e rádio transmissor/receptor

• Uma estação mestre tem duas funções principais:– obter periodicamente dados das RTUs e

estações sub-mestres– controlar dispositivos remotos através da

estação de operação

Combinações possíveisCombinações possíveis

Arquitetura Típica da Estação MestreArquitetura Típica da Estação Mestre

Arquitetura da Estação Sub-MestreArquitetura da Estação Sub-Mestre

Arquiteturas de ComunicaçãoArquiteturas de Comunicação

• Existem basicamente duas arquiteturas de comunicação mais usadas:– Ponto-a-ponto– Multi-ponto

Ponto-a-PontoPonto-a-Ponto

• Os dados são exportados entre duas estações• A comunicação pode ser em modo

– full-duplexfull-duplex: transmitindo e recebendo simultaneamente em 2 freqüências distintas

– simplexsimplex: uma única freqüência

Multi-pontoMulti-ponto• Nesta configuração geralmente existem uma

estação mestre e múltiplas estações escravas• Quando duas estações escravas necessitem

transferir dados entre elas, elas o farão através da estação mestre

• É possível duas estações escravas comunicarem-se diretamente entre si (peer-to-peerpeer-to-peer), com aumento da complexidade do sistema.

Filosofias de ComunicaçãoFilosofias de Comunicação

• Existem basicamente duas filosofias de comunicação:– PolledPolled ou mestre-escravo– Carrier Sense Multiple Access/Colision DetectionCarrier Sense Multiple Access/Colision Detection

(CSMA/CD)

• Uma maneira de reduzir a quantidade de dados transferidos de um ponto a outro é trabalhar por exceção (excepction reporting)

• Em sistemas de rádio, a excepction reporting é normalmente associada a CSMA/CD.

• Mas, excepction reporting pode ser aplicada a sistemas com grande massa de dados a serem transferidos

PolledPolled

• Pode ser usado em uma configuração ponto-a-ponto ou ponto-multiponto, sendo a filosofia mais simples

• A estação mestre está no controle total do sistema de comunicação e faz requisições regulares e repetitivas de dados a cada uma das estações remotas

• É essencialmente uma metodologia half-duplex em que a estação escrava somente responde a uma requisição da estação mestre

PolledPolled

• Vantagens:– Software simples– Falha de comunicação rapidamente detectada– Não ocorrem colisões na rede

• Desvantagens:– A estação mestre atende a uma estação remota

por vez– Sistemas com baixa transferência de dados são

desnecessariamente lentos– Não permite a comunicação direta entre

estações escravas

Ilustração do Ilustração do pollingpolling

DLE EOT: Data Link Escape

End of Transmission

CSMA/CD (peer-to-peer)CSMA/CD (peer-to-peer)

• Comunicação entre RTUs:– Em uma situação em que uma RTU quer

comunicar-se com outra, uma solução seria a RTU responder a seu pollingpolling com uma mensagem com um endereço destino diferente do endereço da estação mestre

– A mestre examinaria o campo de endereço destino na mensagem recebida e a retransmitiria a estação remota apropriada

– Esta técnica pode ser utilizada em uma rede mestre-escravo e quando existir um grupo de estações com status igual

CSMA/CD (peer-to-peer)CSMA/CD (peer-to-peer)• CSMA/CD:

– Esta técnica pode ser utilizada unicamente em casos em que todos os nós tem acesso ao mesmo meio

– Todos os dados são transmitidos pelo nó de transmissão encapsulando os dados em um frame que contém o endereço do nó destino na cabeça do frame

– Todos os nós lêem o frame e o nó que identificar o seu endereço na cabeça do frame lê o dado e responde

– O sistema deve evitar colisões “escutando” inicialmente o meio antes de iniciar a transmissão

– Caso o meio esteja ocupado, o sistema espera, caso esteja livre, transmite

– Se ocorrer uma colisão, toda transmissão é interrompida, sendo emitido um sinal para anunciar a ocorrência de uma colisão

– Para evitar colisões sucessivas, o nó espera um período aleatório e volta a transmitir

CSMA/CDCSMA/CD• Exception ReportingException Reporting:

– É uma técnica para reduzir transferências desnecessárias de dados

– É um método popularmente usado com a filosofia CSMA/CD, e pode ser utilizado no polled em casos em que existe uma grande quantidade de dados sendo transferidos desde as remotas

– As estações remotas monitoram as suas entradas– Quando existe uma mudança de estado, a estação

remota escreve um bloco de dados para a mestre, quando esta fizer o pollingpolling com a remota

– Razões para utilizar report by exception:• Baixa taxa de transmissão do canal de comunicação (<4800

bps)• Poucos dados sendo monitorados na remota• Existência de muitas RTUs ligadas à estação mestre (>10)

CSMA/CDCSMA/CD• O tipo de exception reporting depende da

aplicação e pode ser:• Limites máximo e mínimo (alarmes) de uma

variável analógica• Percentual de mudança de uma variável analógica• Intervalos de tempo máximo e mínimo