SUPERVISÃO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

SISTEMAS SCADA – HARDWARE e FIRMWARE

Conceitos 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

Conceitos Um sistema SCADA difere de um sistema de controle de processos pelo operação remota O SCADA é uma integração de vários sub-sistemas

Conceitos 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

Tecnologias 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

Tecnologias 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

Tecnologias Instrumentos Inteligentes (Smart) significam usualmente sensores ou atuadores microprocessados permitem comunicação com outros dispositivos

Vantagens na Implantação de um 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 RTUs 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 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 Rack

CLPs 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 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 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 possíveis

Arquitetura Típica da Estação Mestre

Arquitetura da Estação Sub-Mestre

Arquiteturas de Comunicação Existem basicamente duas arquiteturas de comunicação mais usadas: Ponto-a-ponto Multi-ponto

Ponto-a-Ponto Os dados são exportados entre duas estações A comunicação pode ser em modo full-duplex: transmitindo e recebendo simultaneamente em 2 freqüências distintas simplex: uma única freqüência

Multi-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-peer), com aumento da complexidade do sistema.

Filosofias de Comunicação Existem basicamente duas filosofias de comunicação: Polled ou mestre-escravo Carrier 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

Polled 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

Polled Vantagens: Desvantagens: 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 polling DLE EOT: Data Link Escape End of Transmission

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 polling 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) 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/CD Exception 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 polling 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/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