Componentes de um Sistema SCADA

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Laboratório B – Sistemas Supervisórios
N8LB9
Prof. Dr. Cesar da Costa
 3.a Aula: Driver de Comunicação e Comunicação OPC 
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COMPONENTES FÍSICOS DE UM SISTEMA DE
 SUPERVISÃO 
Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos, de forma simplificada, em: 
1. Sensores e atuadores; 
2. Rede de comunicação; 
3. Estações remotas (aquisição/controle); 
4. Monitoração central (sistema supervisório SCADA). 
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SENSORES 
Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelos sistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos tais como velocidade, nível de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. 
Os atuadores são utilizados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos.
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CLPs e REMOTAS 
O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, PLCs (Programmable Logic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle. 
Os PLCs e RTUs são unidades computacionais específicas, utilizadas nas instalações fabris (ou qualquer outro tipo de instalação que se deseje monitorar) para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar saídas. 
A diferença entre os PLCs e as RTUs é que os primeiros possuem mais flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões de entradas e saídas, com maior precisão e seqüenciamento de eventos. 
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REDES DE COMUNICAÇÃO
A rede de comunicação é a plataforma por onde as informação fluem dos PLCs/RTUs para o sistema SCADA e, levando em consideração os requisitos do sistema e a distância a cobrir, pode ser implementada através de cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio modems, etc. 
Principais Redes de Comunicação
Ethernet (nível Supervisórios – PCs);
ModBus (nível CLPs);
Fieldbus (nível CLPs e sensores);
Profibus (nível CLPs e sensores);
AS-I (nível sensores e atuadores).
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MONITORAÇÃO CENTRAL (SISTEMA SUPERVISÓRIO)
As estações de monitoração central são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas. 
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MODOS DE COMUNICAÇÃO
A principal funcionalidade de qualquer sistema SCADA está ligada à troca de informações, que podem ser, basicamente:
Comunicação com os PLCs/RTUs;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com outros sistemas. 
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MODOS DE COMUNICAÇÃO
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MODOS DE COMUNICAÇÃO
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MODOS DE COMUNICAÇÃO
A comunicação com os equipamentos de campo, realizada através de um protocolo em comum, cuja metodologia pode ser tanto de domínio público ou de acesso restrito, geralmente pode ocorrer por polling ou por interrupção, normalmente designada por Report by Exception.
A comunicação por polling (ou Master/Slave) faz com que a estação central (Master) tenha controle absoluto das comunicações, efetuando seqüencialmente o polling aos dados de cada estação remota (Slave), que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em half-duplex. 
Isto traz simplicidade no processo de coleta de dados, inexistência de colisões no tráfego da rede, facilidade na detecção de falhas de ligação e uso de estações remotas não inteligentes. No entanto, traz incapacidade de comunicar situações à estação central por iniciativa das estações remotas.
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MODOS DE COMUNICAÇÃO
Já a comunicação por interrupção ocorre quando o PLC ou o RTU monitora os seus valores de entrada e, ao detectar alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos, envia as informações para a estação central. 
Isto evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego na rede, além de permitir uma rápida detecção de informação urgente e a comunicação entre estações remotas (slave-to-slave). 
As desvantagens desta comunicação são que a estação central consegue detectar as falhas na ligação apenas depois de um determinado período (ou seja, quando efetua polling ao sistema) e são necessários outros métodos (ou mesmo ação por parte do operador) para obter os valores atualizados.
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A comunicação com outras estações SCADA pode ocorrer através de um protocolo desenvolvido pelo próprio fabricante do sistema SCADA, ou através de um protocolo conhecido via rede Ethernet TCP/IP, linhas privativas ou discadas. 
MODOS DE COMUNICAÇÃO
 A Internet é cada vez mais utilizada como meio de comunicação para os sistemas SCADA. Através do uso de tecnologias relacionadas com a Internet, e padrões como Ethernet, TCP/IP, HTTP e HTML, é possível acessar e compartilhar dados entre áreas de produção e áreas de supervisão e controle de várias estações fabris. Através do uso de um browser de Internet, é possível controlar em tempo real, uma máquina localizada em qualquer parte do mundo.
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O browser comunica com o servidor web através do protocolo http, e após o envio do pedido referente à operação pretendida, recebe a resposta na forma de uma página HTML. 
MODOS DE COMUNICAÇÃO
Algumas das vantagens da utilização da Internet e do browser como interface de visualização SCADA são o modo simples de interação, ao qual a maioria das pessoas já está habituada, e a facilidade de manutenção do sistema, que precisa ocorrer somente no servidor. 
Já a comunicação com outros sistemas, como os de ordem corporativa, ou simplesmente outros coletores ou fornecedores de dados, pode se dar através da implementação de módulos específicos, via Bancos de Dados, ou outras tecnologias como o XML e o OPC.
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Driver de Comunicação 
Um driver de comunicação é uma DLL que contém informações de software específicas sobre o equipamento remoto (CLP, single loop, medidores, Robos, etc.) e implementa o protocolo de comunicação.
Dezenas de drivers para dispositivo comuns e não tão comuns são instalados no IWS – Indusoft Web Studio e no Elipse E3.
A tarefa do driver permite definir a interface de comunicação entre o Supervisório e os equipamentos remotos, tais como CLP, single loop, transmissores e medidores.
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Driver de Comunicação 
Para possibilitar a troca de informações entre sistemas supervisórios e CLPs, foram desenvolvidos drivers de comunicação, já que os fabricantes de CLPs e softwares supervisórios podem não ser os mesmos.
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Driver de Comunicação 
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O que é OPC?
OPC é a sigla para “OLE for Process Control”, onde OLE significa “Object Linking and Embedding”. 
Este é o nome dado a uma interface padronizada de comunicação que foi criada na tentativa de minimizar os problemas relacionados à inconsistência dos “drivers” de equipamentos industriais de diferentes fabricantes. 
A “OPC Foundation” é a organização responsável pelas normas que estabelecem as características disponíveis aos clientes dos equipamentos que possuem o padrão OPC (veja o logo na figura 1).
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O que é OPC?
Os equipamentos dotados de comunicação via OPC (CLPs, câmeras industriais, robôs, etc.) disponibilizam dados internos em uma interface simplificada, onde aplicações externas podem interagir com a leitura e/ou escrita de valores em parâmetros, registradores de programas, resultados,etc. 
Cada fabricante disponibiliza os dados mais convenientes, de acordo com o equipamento. Normalmente, dados inerentes à segurança do equipamento não estarão mapeados no “driver” e consequentemente serão invisíveis ao usuário.
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O que é OPC?
A intermediação da comunicação entre aplicação cliente e equipamento é realizada por um servidor OPC (OPC Server). 
Este servidor possui os “drivers” referentes aos equipamentos suportados, e de acordo com o modelo configurado, disponibiliza a região de dados específica. 
Por exemplo, em uma comunicação com um CLP, é possível ler ou escrever valores de memórias internas, utilizadas no programa do usuário, ou até mesmo ler estado de entradas e saídas. 
Em câmeras industriais é possível obter o resultado da aplicação de análise de imagens, ou mesmo carregar as imagens, entre outras funcionalidades.
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O que é OPC?
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O que é OPC?
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O que é OPC?
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Como Funciona?
A tecnologia OPC faz parte do .NET Framework, da Microsoft, e baseia-se na especificação COM (Component Object Model), a mesma tecnologia usada na plataforma ActiveX, que provêm conectividade e interoperabilidade entre diferentes aplicações de forma “plug-and-play”. 
Estes componentes determinam a infraestrutura das aplicações compartilhadas sob sistemas operacionais da Microsoft, como o Windows, abstraindo as funcionalidades dos sistemas de software e expondo-as de forma interativa, através de propriedades, métodos e eventos dos objetos da aplicação.
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Plataforma Windows ou não ?
 Basicamente, o padrão OPC é nativo da plataforma Windows. Dentro desta plataforma, existem variações para as versões do Windows (CE, 9X, NT, 2000 e XP), mas para todas estas é possível a comunicação OPC. 
 Para plataformas não-Windows, existem alguma soluções que consistem em portar o DCOM (Distribuited Component Object Model) para estas plataformas. 
 O DCOM é um conjunto de definições para permitir a implementação
de aplicações distribuídas em uma arquitetura clente-servidor.
 No futuro, a especificação OPC para XML deverá facilitar a integração de plataformas não-Windows para a comunicação OPC.
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Cliente ou Servidor OPC ?
 As aplicações e produtos existentes no mercado podem ser somente um cliente, um servidor ou ambos, isto varia de caso a caso. Normalmente, os produtos para monitoração de dados (IHM’s; sistemas supervisórios, etc.) são clientes OPC. 
Já os produtos que fazem a comunicação direta com os dispositivos de campo utilizando protocolos proprietários são servidores OPC. 
Cada produto pode incorporar as duas funcionalidades, sendo o mais comum que uma aplicação normalmente cliente possa ser servidor, e não o contrário.
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Número de Clientes x Número de Servidores
 O número de servidores OPC necessários para uma determinada aplicação irá depender do produto a ser utilizado. 
Normalmente, os fabricantes de dispositivos de campo (CLPs; dispositivos inteligentes, etc.) fornecem um servidor OPC capaz de comunicar com todos os protocolos dos seus produtos de linha.
 
Este servidor é um software para o ambiente Windows que é executado em um microcomputador, normalmente PC. 
Ou seja, um servidor OPC da Rockwell, o RSLinx por exemplo, permite que diversos drivers de comunicação sejam configurados para as diversas redes (ControlNet, DeviceNet, Ethernet, DH+, etc.), na mesma máquina ou em máquinas remotas.
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Número de Clientes x Número de Servidores
Existem servidores OPC de terceiros que permitem que sejam configurados drivers de comunicação para diversas redes e protocolos de diferentes fabricantes. 
Como exemplo podemos citar os servidores da Kepware e da Matrikon. Neste caso, um único produto poderá servir dados de diferentes fabricantes.
Cada cliente OPC pode conectar-se à diferentes servidores, os quais podem estar processando na mesma máquina ou remotamente em máquinas diferentes. 
Portanto, qualquer produto que funcione como cliente OPC poderá se comunicar com quaisquer servidores OPC de quaisquer fabricantes.
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Servidor OPC
 O servidor OPC é dividido em 3 partes:
 a) Server: contendo todos os objetos do grupo;
 b) Group: camada de organização dos itens OPC;
 c) Item: elemento principal, o item é o objeto que carrega a informação desejada.
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Servidor OPC
O OPC Item representa uma variável específica de um sistema. Além do valor da variável, ele possui informações sobre a qualidade da informação.
Apesar da existência de todas estas características, geralmente, elas permanecem transparentes ao desenvolvedor, que apenas se preocupa em obter os valores para qual a comunicação foi implementada.
Em uma camada superior, no OPC Group, os itens são organizados e ocorre o controle de atualização dos valores.
Finalmente, na camada mais externa, no OPC Server, são executadas as interfaces entre as aplicações e controles como eventos de sistema e alarmes.
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Vantagens ao Utilizar a Comunicação OPC
Pode-se elencar as principais vantagens do emprego de uma comunicação OPC: 
Implementar uma comunicação confiável, entre diferentes equipamentos, certamente não é uma tarefa simples, obrigando a utilização de funções de baixo nível, onde o desenvolvedor precisará entender características cada vez mais próximas do hardware.
A redução do tempo de desenvolvimento é uma delas. 
Em um sistema com diversos equipamentos comunicando-se, as vantagens tornam-se ainda mais visíveis.
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Sistema com diversos equipamentos 
A topologia é simplificada e o controle do fluxo de informações fica sob responsabilidade apenas dos servidores OPC.
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