Trabalho de Modelagem

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UNIVERSIDADE ESTACIO DE SÁ
Campus Santa Cruz
Curso de engenharia
 TRABALHO DE MODELAGEM SISTEMAS DE CONTROLE
RIO DE JANEIRO
ABRIL 
CARLOS HENRIQUE ALVES MARTINS 201301163961
CLEISON DE PAULA ALVES 201301851809
GUSTAVO ELIEZER 201301164101
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................4
1.1 DEFINIÇÕES ..........................................................................................................4
1.2 EXEMPLOS.............................................................................................................5
1.3 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS..................................................................5
1.4 PROBLEMAS DE CONTROLE EM ENGENHARIA............................................................7
1.5 RESUMO DA HISTÓRIA DO CONTROLE AUTOMÁTICO..................................................8
1.6 TRANSFORMADA DE LAPLACE..................................................................................8
2 CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS ........................................................................12
2.1 MONOVARIÁVEIS E MULTIVARIÁVEIS ......................................................................12
2.2 CONTÍNUOS E DISCRETOS.....................................................................................12
2.3 VARIANTES E INVARIANTES NO TEMPO ..................................................................12
2.4 SISTEMA A PARÂMETROS CONCENTRADOS E DISTRIBUÍDOS ...................................13
2.5 DETERMINÍSTICOS E ESTOCÁSTICOS .....................................................................13
2.6 COM MEMÓRIA E SEM MEMÓRIA..................................................................13
2.7 SISTEMAS LINEARES E NÃO-LINEARES .....................................................13
2.7.1 Sistemas Lineares .........................................................................................13
2.7.2 Sistemas Não-Lineares .................................................................................15
2.7.3 Linearização de Sistemas Não-Lineares .......................................................16
3 SISTEMAS ESTAVEIS...........................................................................................19
4 SISTEMAS ESTAVEIS...........................................................................................19
4.1 Funções de sistemas de supervisorio ...............................................................21
4.2 Sistemas de supervisorio...................................................................................21
4.3 Funcionalidade...................................................................................................22
4.4 Scada ............................................................................................................... 22
4.5 Componentes de sistema scada............................................................................24
4.6 Estações de controle central .............................................................................25
4.7 Modos de comunicação......................................................................................26
4.8 Comunicação por interruptor ............................................................................ 27
4.9 Segurança nos sistemas scada ........................................................................ 27 
4.9.1 Controle de alarmes .......................................................................................28
5 Conclusão
RESUMO
O conteúdo abordado neste trabalho tem como intuito principal descrever alguns exemplos de aplicações para os seguintes sistemas de controle; estáveis, determinísticos, não lineares, estocásticos e lineares.
1 INTRODUÇÃO
1.1 Definições de sistemas de controle
 
Os diferentes tipos de sistemas e os modelos matemáticos utilizados na sua representação. Sistemas dinâmicos estocásticos possuem um comportamento imprevisível, e portanto não podem ser modelados. Um ruído é um exemplo de uma dinâmica estocástica. Sistemas determinísticos, ao contrário, possuem uma dinâmica previsível que pode ser modelada matematicamente. Se o sistema for determinístico, ele pode ser modelado por parâmetros concentrados ou distribuídos. Sistema a parâmetros concentrados significa que, dado as condições do sistema num instante, é possível prever a sua condição em qualquer instante. Já com parâmetros distribuídos, o estado é uma função de outros parâmetros. Um exemplo de um sistema com parâmetros concentrados é o sistema massa-mola-amortecedor. Este tipo de sistema é descrito por uma equação diferencial no tempo (df/dt). A distribuição de temperatura numa placa aquecida, por sua vez, é um sistema com parâmetros distribuídos, uma vez que a temperatura em cada ponto depende da posição onde é medida e do tempo. Sistemas a parâmetros distribuídos são governados por equações diferenciais parciais (∂f/∂x). Quando o sistema possuir parâmetros concentrados, ele poderá ser modelado por funções contínuas ou discretas no tempo. Sistemas discretos são aqueles que assumem valores apenas em determinados instantes de tempo. Eles podem, eventualmente, ser modelados por funções contínuas. A propriedade discreta pode tanto estar no próprio sistema quanto na forma de se medir o sistema. Se a medição for discreta, a intervalos regulares no tempo, este sistema é considerado discreto. Exemplos de sistema discretos são: o número de habitantes contaminados a cada ano pelo vírus da gripe, a temperatura máxima do dia observada durante um ano num dado local, etc.
Se um sistema dinâmico contínuo for simulado num computador, ele passa a ser discreto,
uma vez que é impossível obter o valor do estado a cada instante de tempo, mas somente nos
pontos calculados pelo computador. Na prática, porém, considera-se que o cálculo efetuado
pelo computador é preciso o suficiente para que o sistema possa ser admitido como contínuo.
Sistemas contínuos no tempo são aqueles nos quais é possível conhecer o estado a
qualquer instante de tempo. Dentro de sistemas contínuos, o comportamento dinâmico pode
ser linear ou não linear. Sistemas lineares são descritos por equações lineares (definidas logo
a seguir) que se assemelham à equação de uma reta, ao passo que sistemas não lineares
possuem termos com o quadrado, ou o cubo, ou o seno ou ainda a função exponencial das
variáveis de estado. Se o sistema for linear, os coeficientes da equação linear podem ser
constantes (sistema a parâmetros constantes) ou então variar lentamente no tempo
(sistemas variantes no tempo). Se os coeficientes variam rapidamente no tempo, é muito
provável que este sistema não seja linear. Exemplos de sistemas com parâmetros variantes no
tempo são aeronaves e foguetes. Neles, a massa do veículo varia conforme o combustível é
consumido, e as características dinâmicas sofrem influência desta variação. Finalmente, os
sistemas podem ainda depender de apenas uma ou de mais de uma variável de estado. No
primeiro caso tem-se os sistemas mono variáveis e, no segundo, tem-se sistemas multivariáveis. O sistema monovariável. Porém, o conjunto completo de suspensão de um veículo seria um sistema multivariável, já que dependeria do número de rodas presentes no veículo. Para cada roda, acrescenta-se uma equação a mais no modelo matemático e, portanto, mais uma variável de estado.
Exemplo para melhor compreenção
Agora vamos falar um pouco mais e depois sobre um deles:
Sistemas
É uma disposição, conjunto ou coleção de partes conectadas ou relacionadas de tal
maneira a formarem um todo. Pode ser físico, biológico, econômico, etc.
CONTROLE
Estuda como agirsobre um dado sistema de modo a obter um resultado arbitrariamente
especificado.
CONTROLADOR
Dispositivo utilizado para a obtenção do controle de um sistema.
SISTEMA DE CONTROLE
Conjunto formado pelo sistema a ser controlado e o controlador.
SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA
É aquele em que a saída ou resposta não possui nenhuma influência sobre a entrada.
SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA
É aquele em que a saída ou resposta influencia a entrada do sistema.
1.2 Exemplos
Ser humano tentando pegar um objeto
Controle de temperatura de uma sala
Controle do nível de um reservatório
1.3 Controles de Processos Industriais
Nas últimas décadas houve uma verdadeira revolução nos equipamentos de instrumentação. Quarenta anos atrás, muitos equipamentos eram mecânicos e pneumáticos.
Existiam tubos entre ligando os equipamentos do processo e a sala de controle. Atualmente,os sistemas de controle são distribuídos com microprocessadores controlando muitas malhas
simultaneamente.
A despeito destas mudanças, os conceitos básicos de sistemas de controle e algoritmos de controle permanecem essencialmente os mesmos. Agora é mais fácil implementar estruturas de controle, pois basta reprogramar um computador. A tarefa dos engenheiros de controle é a mesma: projetar um sistema de controle que atenda às especificações, seja estável, robusto.
A figura abaixo mostra os principais elementos de um sistema de controle típico de umProcesso industrial:
O sistema de malha fechada é composto por um sensor que detecta a variável de processo (PV), um transmissor que converte o sinal do sensor em um sinal adequado (um sinal do tipo ar pressurizado em sistemas pneumáticos ou um sinal elétrico em sistemas eletrônicos) e o transmite para um controlador que compara o valor da variável de processo (PV) com o valor do Set Point (SP) desejado e produz um sinal de controle apropriado e um elemento final de controle que muda a variável manipulada (MV). Usualmente o elemento final de controle é uma válvula de controle operada por ar que abre e fecha modificando uma razão de fluxo.
O sensor, transmissor e válvula de controle estão localizados fisicamente no campo,onde está o processo. O controlador é usualmente localizado em um painel ou computador em uma sala de comando distante do processo. A ligação entre o painel e o campo é feita através de sinais elétricos que são enviados do transmissor para o controlador e do controlador para o elemento final de controle.
Os equipamentos de controle utilizados em plantas químicas ou em plantas típicas da área de petróleo são analógicos (de pressão ou eletrônicos) ou digitais. Os sistemas analógicos utilizam sinais de ar pressurizado (3 a 15 psi) ou sinais de corrente/tensão (4-20 mA, 10-50
mA, 0-10 VDC). Sistemas pneumáticos transmitem sinais através de pequenos tubos, enquanto sistemas eletrônicos usam fios.
Visto que muitas válvulas são ainda acionadas por ar pressurizado, sinais de corrente
são usualmente convertidos para ar pressurizado. Um conversor I/P (corrente para pressão) é
usado para converter sinais de 4-20 mA em sinais de 3-15 psi.
Um controlador industrial possui um modo de operação manual (malha aberta) ou automático (malha fechada). Durante a partida ou em condições anormais, o operador do processo pode utilizar o modo de operação manual, determinando a abertura da válvula de controle, independentemente do controlador. O chaveamento é usualmente feito no painel de controle ou no computador.
Além disso, o ganho do controlador pode ser feito negativo ou positivo selecionando-se entre ação direta e reversa do controlador. Um ganho positivo resulta em uma saída do controlador decrescendo a medida que a variável do processo cresce (ação reversa). Já um ganho negativo resulta em uma saída do controlador crescendo a medida que a variável do processo cresce (ação direta). A escolha correta entre ação direta e reversa depende da ação do transmissor (que é usualmente direta), da ação da válvula (ar para abrir, AO, ou ar para
fechar, AC) e do efeito da variável manipulada (MV) na variável de processo (PV). A idéia
fundamental a ser seguida para a escolha correta da ação do controlador, é que a ação tomada
pelo controlador deve levar a variável de processo (PV) a se aproximar do Set Point (SP).
Em resumo, um controlador industrial deve possuir as seguintes características:
1. Indicar o valor da Variável de Processo (PV): o sinal que chega do transmissor
2. Indicar o valor do sinal enviado para a válvula: a saída do controlador (usualmente nominada MV)
3. Indicar o Set Point (SP)
4. Ter um chave para selecionar entre modo manual ou automático
5. Ter uma forma de alterar o valor do SetPoint quando o controlador está em automático
6. Ter uma forma de alterar o sinal para a válvula quando o controlador está em manual
7. Ter um modo de seleção entre ações direta e reversa do controlador
1.4 Problemas de Controle em Engenharia
1.5 Resumos da História do Controle Automático
1769 ⇒ Máquina a vapor de James Watt
1868 ⇒ J. C. Maxwell desenvolve o modelo matemático para o controle de uma
máquina a vapor
1913 ⇒ Henry Ford desenvolve uma máquina de montagem utilizada na produção de automóveis
1927 ⇒ H. W. Bode analisa amplificadores realimentados
1932 ⇒ H. Nyquist desenvolve um método para analisar a estabilidade de sistemas
1952 ⇒ Controle numérico desenvolvido pelo MIT
1954 ⇒ George Devol desenvolve o primeiro projeto industrial robotizado
1970 ⇒ Teoria de variáveis de estado e controle ótimo é desenvolvida
1980 ⇒ Projeto de sistemas de controle robusto é desenvolvido
1990 ⇒ Automação da manufatura é difundida
1994 ⇒ Controle automático é largamente utilizado em automóveis. Sistemas robustos são utilizados na manufatura
1.6 Transformada de Laplace
Definição
Seja
f(t) ⇒ Função do tempo t com f(t)= 0 p/ t < 0
s ⇒ Variável complexa
L ⇒ Operador de Laplace
F(s) ⇒ Transformada de Laplace de f(t)
Transformada de Algumas Funções Particulares
- Degrau unitário
- Parábola unitária
- Função exponencial
- Senóide
- Função pulso unitário
- Função impulso unitário
Propriedades da Transformada de Laplace
a) Homogeneidade
L [af(t)] = aL [f(t)] = aF(s)
b) Aditividade
L [f1(t) ± f2(t)] = L [f1(t)] ± L [f2(t)] = F1(s) ± F2(s)
c) Translação no tempo
L [f(t − a)] = e-as F(s)
d) Mudança de escala de tempo
L [f 1 F( s)
e) Translação no domínio s
f) Diferenciação
g) Valor final
Se sF(s) não tiver pólos no eixo imaginário ou semi-plano direito aberto (pólo é valor
para o qual sF(s) → ∞
h) Valor inicial
j) Integral da convolução
k) Integração
Transformação Inversa de Laplace (Expansão em Frações Parciais
Em controle:
onde p1(s), p2(s), ... ,pn(s) → polos de F(s)
Casos:
a) Pólos reais simples
b) Para um pólo de multiplicidade r
c) Para um par de pólos complexos conjugados
2 CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS
2.1 Monovariáveis e Multivariáveis
2.2 Contínuos e Discretos
Contínuos → Todas as variáveis são funções de um tempo contínuo
Discretos → Envolve uma ou mais variáveis que são conhecidas somente em
determinados instantes de tempo.
2.3 Variantes e Invariantes no Tempo
Ou seja, em um sistema invariante no tempo, a saída não depende do instante em que a
entrada é aplicada.
2.4 Sistemas a Parâmetros Concentrados e Distribuídos
Parâmetros Concentrados → Equações diferenciais ordinárias
Parâmetros Distribuídos → Equações diferenciais parciais
2.5 Determinísticos e Estocásticos
Um sistema de controle é determinístico se sua saída é prognosticável e repetível. Caso
contrário, ele é estocástico.
2.6 Com memoria e sem memoria
Um sistema é sem memória se a resposta atual é uma função somente da entradaatual,
sendo independente de entradas passadas. Caso contrário, o sistema é dito com memória.
2.7 Sistemas lineares e não lineares
2.7.1 Sistemas Lineares
Os sistemas dinâmicos são compostos por diversos elementos que interagem entre si, trocando energia e transmitindo potência. Um motor de combustão interna, por exemplo,
converte energia química presente no combustível em energia térmica na câmara de combustão. A energia térmica é convertida em pressão que por sua vez é convertida em força.
A força move o pistão do motor linearmente, mas este movimento é a seguir transformado
num movimento rotativo do eixo do motor. Parte da potência gerada no eixo é consumida por um alternador que converte a energia mecânica rotacional em energia elétrica, que será
utilizada para disparar a centelha na vela. Esta centelha provoca a queima do combustível com o ar na câmara de combustão do motor. Tem-se, assim, num motor, um sistema composto por elementos térmicos, mecânicos, elétricos e pneumáticos. A análise de um sistema como este é bastante complexa, mas pode ser simplificada mediante a adoção de componentes com comportamento linear, e pela generalização de regras para a composição destes elementos em sistemas escalonados, isto é, sistemas complexos compostos por sistemas mais simples, e estes, compostos por elementos. Cada elemento, por sua vez, é descrito por equações elementares, que traduzem, de forma matemática, a lei que governa seu comportamento dinâmico.
Um sistema inicialmente em repouso é dito linear se e somente se apresenta as seguintes propriedades:
a) Aditividade: (Princípio da superposição)
b) Homogeneidade
Combinando a) e b) :
Exemplos
1) y = au
 U1 → y = au
 U2 → y = au
( ) ( ) ( ) u2 = αu + βu → y = a αu + βu = α au + β au = αy + βy
Ou, seja, o sistema é LINEAR
2) y+y= u
U1 → y1 + y1 = u1
u 2→ y2 + y2 = u2
2.7.2 Sistemas Não-Lineares
EXEMPLOS
1) y = cosu
 U1 → y = cos u
U2 → y = cos u
( ) u2 = αu + βu → y = cos αu + βu ≠ α cos u + β cos u = αy + βy
Assim,
1 2 y ≠ αy + βy e o sistema é NÃO-LINEAR
Logo,
1 2 y ≠ αy + βy e o sistema é NÃO-LINEAR
3) Linear com Saturação
4) Liga-Desliga
2.7.3 Linearização de Sistemas Não-Lineares
Ponto de operação → (x0,y0)
y = f(x)
A função f(x) pode ser expandida em série de Taylor em torno do ponto (x0 , y0)
3 -Sistemas Estável e Instável
– Estabilidade é definida como interna ou externa, assim tem-se:
• Estabilidade Externa (BIBO): Se toda entrada limitada no sistema resulta em uma saída também limitada.
• Estabilidade Interna: Relacionada a variáveis internas ao sistema que devem possuir valore limitados e convergentes.
– Um sistema é dito instável se a condição de estabilidade não for atendida.
A estabilidade de um sistema pode ser definida de diversas maneiras e segundo vários pontos de vista. Nos fixaremos aqui no conceito de BIBO-estabilidade (bounded input-bounded output). Segundo este conceito, um sistema é dito ser estável se, para todo sinal de amplitude limitada aplicado em sua entarda, o sinal de saída é também limitado. Por outro lado, se o sistema é instável, ao aplicarmos um sinal de amplitude limitada em sua entarda, sua saída divergirá com o passar do tempo, ou seja, a amplitude do sinal de saída tenderá a crescer indefinidamente.
As figuras (1.7) e (1.8) mostram a resposta de dois sistemas a uma entrada do tipo salto unitário que constitui-se em um sinal de amplitude limitada. Note que a resposta do sistema (1.7) é limitada em amplitude e, portanto, este sistema é estável. Já o sistema da figura (1.8) apresenta uma resposta apresenta um comportamento divergente sendo, portanto, instável.
	
	Figure 1.7: comportamento estável
	
	Figure 1.8: comportamento instável
	Considerando-se sistemas lineares, a BIBO-estabilidade, é determinada pelos pólos da função de transferência, ou seja
sistema em malha aberta: pólos da .
sistema em malha fechada: pólos da , ou equivalentemente, pelos zeros da equação característica .
Note que um sistema estável em malha aberta pode vir a tornar-se instável ao fecharmos a malha e vice-versa.
De acordo com o posicionamento dos pólos no semi-plano esquerdo (SPE), semi-plano direito (SPD) ou eixo imaginário temos os seguintes comportamentos:
Estabilidade: todos os pólos do sistema devem estar no SPE.
Caso crítico: se o sistema possui ao menos 1 par de pólos complexos conjugados sobre o eixo imaginário. Neste caso a resposta em regime permanente do sistema a uma entrada de amplitude limitada será uma senóide.
Instabilidade: se o sistema possuir ao menos 1 pólo no SPD.
Cabe aqui ressaltar que, no caso de sistemas lineares, a estabilidade é uma característica do sistema, ou seja, independe do sinal de entrada.
4-Exemplo de aplicações
Depois da teoria vou citar exemplo sobre redes de supervisão e controle que abrange sobre o assunto.
Neste competitivo e complexo ambiente tecnológico em que vivemos os computadores assumem um papel importante no tratamento, na distribuição e no controle da informação, permitindo (ou negando) acesso rápido e fácil a esta e possibilitando ainda a execução de outras funcionalidades mais complexas.
Neste contexto, a evolução das redes de automação, seus processos e arquiteturas são influenciados por essa nova realidade computacional e fatores relacionados com a disponibilidade e a segurança da informação assumem grande relevância, tornando-se necessário garantir que esta informação esteja disponível e segura, independentemente da sua localização geográfica dentro da rede. Mostra-se necessário, portanto, implementar mecanismos de acessibilidade, de segurança e de tolerância à falhas capazes de garantir o acesso seguro e rápido a essa informação onde quer que ela esteja.
Com esse enfoque, as redes de supervisão e controle revelam-se de grande importância nos sistemas de automação, fato pelo qual deixaram de ser aplicadas como meras ferramentas operacionais e passaram a ser vistas como uma importante ferramenta para o controle e segurança de todo um processo produtivo.
4.1 Funções de um sistema de supervisão
Historicamente o processo de automação industrial começa na década de 1920 com Henry Ford e sua linha de montagem de automóveis. Posteriormente, nos anos de 1960 assistimos ao desenvolvimento da microeletrônica, o que possibilitou o desenvolvimento dos CLP’s (Controladores Lógicos Programáveis), que substituíram os painéis de controle com relés. Na década de 1990, encontramos os novos sistemas de supervisão e controle, desenvolvidos especialmente com o objetivo de obter maior produtividade, qualidade e competitividade para esta nova realidade.
Com as sucessivas evoluções acumuladas ao longo do tempo, os sistemas de supervisão atuais passaram a oferecer três funções básicas: supervisão, operação e controle:
• Função de supervisão – nesta função estão incluídas todas as operações de monitoramento do processo, sejam elas sinóticas, gráficos de tendências de variáveis analógicas e digitais, relatórios, dentre outras;
• Função de operação - oferece a vantagem de substituir as funções das mesas de controle manuais, otimizando os procedimentos de controle e modos de operação dos equipamentos do processo.
• Função de controle - apresenta duas possibilidades: um sistema que possibilita a ação de controle sem a dependência de níveis intermediários do processo, conhecido como DCC (Digital Direct Control) e o sistema supervisório, onde o controle é realizado dinamicamente, de acordo com o comportamento global do processo.
4.2- Sistemas Supervisórios
Um sistema de automação tem por objetivos básicos o desempenho, a modularidade e a expansibilidade da planta. Para que estes sejam alcançados, deve-se estruturar a planta industrial e organizar seus elementos constituintes (dispositivos de aquisição de dados ou remotas, CLP’s, instrumentos e sistemas desupervisão, entre outros). Para tanto, é necessário elaborar uma arquitetura capaz de suportar as duas hierarquias de rede mais utilizadas: informação e controle. A primeira é o nível mais alto dentro da arquitetura, sendo representada pela rede de informação. Já as redes de controle interligam os sistemas industriais aos sistemas representados pelos controladores e pelas unidades de aquisição de dados.
Um sistema supervisório permite que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são conhecidos como SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition).
4.3-Funcionalidades
Um sistema supervisório deve apresentar algumas funcionalidades básicas, entre as quais destacam-se:
• Aquisição de dados - processo que envolve a coleta e transmissão de dados desde a planta industrial (estações remotas) até às estações centrais de monitoração. As estações remotas lêem os valores dos dispositivos a eles conectados; após a leitura desses valores, segue-se a transmissão de dados em que, quer em modo de comunicação por polling, ou em modo de comunicação por interrupção (Report by Exception), os dados são transmitidos através da rede de comunicações até à estação central. O processo é concluído com o armazenamento da informação na base de dados;
• Visualização de dados - consiste na apresentação das informações através de interfaces homem-máquina (HMI), geralmente acompanhados por animações, de modo a simular a evolução do estado dos dispositivos controlados na instalação industrial;
• Processamento de alarmes - Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em função da sua gravidade, sendo reservada a maior prioridade para os alarmes relacionados com questões de segurança. Em situações de falha do servidor ou da rede de comunicações, é possível efetuar o armazenamento das mensagens de alarme em buffer, o que, aliado à capacidade de transmissão de mensagens de alarme para vários servidores, permite atingir um maior grau de tolerância à falhas. O processamento de alarmes assume um papel de elevada importância na medida em que permite informar anomalias verificadas, sugerir medidas e, em determinadas situações, reagir automaticamente mediante parâmetros previamente estabelecidos. Para além das situações de alarme detectadas com base nos valores lidos pelos dispositivos, os sistemas supervisórios podem acionar alarmes com base na ocorrência de determinadas combinações de eventos. Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em função da sua gravidade, sendo reservada a maior prioridade para os alarmes relacionados com questões de segurança;
• Tolerância à falhas - Para atingir níveis aceitáveis de tolerância à falhas é usual a existência de informação redundante na rede e de máquinas backup situadas dentro e fora das instalações das indústrias de forma a permitir que sempre que se verifique uma falha num computador, o controle das operações seja transferido automaticamente para outro computador, o qual possui todos os dados espelhados do computador que estava funcionando até então, para que não se tenha uma interrupção significativa.
4.4-SCADA
O objetivo principal dos sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) 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. 
Especificamente no ambiente das redes de supervisão e controle, os sistemas SCADA melhoram a eficiência do processo de monitoração e controle, disponibilizando em tempo real o estado da rede através de um conjunto de telas, de gráficos e relatórios, de modo a permitir a tomada de decisões operacionais apropriadas, quer automaticamente, quer por iniciativa do administrador da rede.
Os sistemas SCADA cobrem um mercado bastante extenso, podendo ser encontrados em diversas áreas, desde aplicações industriais (celulose, petróleo, metalurgia, química, etc), controle ferroviário e aeroviário, e mesmo nas redes de computadores comerciais e residenciais.
Sistemas SCADA são capazes de monitorar automaticamente os sinais e estado dos dispositivos associados ao sistema e efetuar o controle sobre sensores e atuadores, distribuir informações entre as estações da rede através de uma central de controle, com performance e segurança. Apresentam softwares mais robustos e confiáveis para aplicações de grande porte e para aplicações distribuídas em varias estações.
Os sistemas SCADA mais modernos utilizam as tecnologias de redes de computadores e das telecomunicações para automatizar a monitoração e controle de processos industriais, recolhendo os dados provenientes dos diversos tipos de sensores e atuadores, normalmente dispersos geograficamente, e a respectiva apresentação de modo amigável para os usuários do sistema através de interfaces Homem-Máquina.
Esses sistemas são utilizados nas mais diversas aplicações: processos industriais, fornecimento de energia, backbones de telecomunicações e Data Centers, sistemas de segurança, entre outros, sendo que atualmente é crescente sua aplicação nos novos projetos de automação predial.
Os sistemas SCADA permitem a racionalização da utilização dos recursos energéticos, incrementando a eficiência operacional e o controle dos sistemas de segurança. Possibilitam, por exemplo, o controle de elevadores, sistemas de ar condicionado e aquecimento e outros equipamentos eletroeletrônicos, proporcionando economia de energia e redução dos custos de operação e manutenção da edificação. Funções como iluminação e ventilação podem ser controladas automaticamente, com horários preestabelecidos para ativação e desativação, inclusive por setores. O consumo de água e energia elétrica é monitorado, evitando-se o desperdício e multas.
Figura 1 – Exemplo de aplicações de um sistema de supervisão e controle
4.5 Componentes do sistema SCADA
Um sistema SCADA possui como seus componentes integrantes sensores e atuadores, estações remotas e estações de controle central, todos se comunicando através de uma rede de comunicação.
Sensores e Atuadores
São os dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelo sistema. Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de líquido e temperatura, para sinais analógicos e digitais que são enviados para as estações remotas. Já os atuadores são utilizados para agir sobre o sistema, ligando, desligando ou movimentando determinados equipamentos.
Estações remotas
A aquisição de dados envolve a transmissão dos dados coletados pelos diversos sensores (presença, luminosidade, temperatura, etc) e atuadores, até às estações de controle centrais.
O processo de controle local e a aquisição de dados são executados nas estações remotas, os PLC’s (Programmable Logic Controllers) e RTU’s (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores apresentados pelos dos dispositivos que estão associados a cada estação.
Os PLC’s e as RTU’s são equipamentos equipados com processadores, através dos quais a estação central de monitoração se comunica com os dispositivos existentes nos diversos setores da edificação. O processo de aquisição de dados é concluído com o respectivo armazenamento em uma base de dados no controle central do sistema.
A diferença entre os PLC’s e as RTU’s está em que os primeiros possuem maior flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTU’s possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões de entrada e saída com maior precisão e sequenciamento de eventos.
Os PLC’s apresentam como vantagem uma facilidade de programação e controle de sinais de Input e Output (entrada e saída). Por outro lado, os RTU’s possuem capacidade de comunicação, incluindo comunicação sem fio (wireless), sendoindicados para situações onde a comunicação por uma rede de cabeamento convencional é difícil.
4.6 Rede de comunicação
A rede de comunicação é a plataforma através da qual as informações do sistema são transferidas para o controle central. A rede de comunicação pode ser implementada utilizando os seguintes meios de transmissão:
• Cabos coaxiais e de par trançado - São indicados para aplicação em redes de pequenas dimensões, seguindo as normas e padrões para cabeamento estruturado comercial;
• Cabos de fibra óptica – Indicados para aplicações onde é necessário cobrir grandes distâncias, áreas externas de campus ou entre edifícios e áreas sujeitas à interferência eletromagnética;
• Serviços discados - As linhas discadas podem ser usadas em sistemas de acesso remoto que não justifiquem uma conexão permanente ao sistema de supervisão;
• Serviços dedicados - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que necessitam de uma conexão remota permanente ao sistema de supervisão;
• Dispositivos sem fio – Usados em locais onde não é aplicável o cabeamento convencional. Diversas tecnologias de redes sem fio estão disponíveis atualmente.
As redes de comunicação incluem ainda as redes de campo, necessárias para a comunicação dentro do processo industrial. Essas redes de campo atendem pelo nome genérico de “fieldbus” ou barramento de campo e podem ser divididas em três tipos diferentes:
• Redes de sensores ou “Sensorbus” – são redes apropriadas para interligar sensores e atuadores discretos, tais como chaves limites, contactores, etc. Como exemplos temos as redes CAN e LonWorks;
• Redes de Dispositivos ou “Devicebus” – são redes capazes de interligar dispositivos mais genéricos como CLP’s, outras remotas de aquisição de dados e controle, conversores AC/DC, relés de medição, etc. Exemplos: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, SDS, LonWorks, CAN, ControlNet, ModbusPlus;
• Redes de instrumentação ou “Fieldbus” – são redes concebidas para integrar instrumentos analógicos no ambiente industrial, como transmissores de vazão, pressão, temperatura, válvulas de controle, etc. Exemplos: IECSP50-H1, HART, Profibus-PA.
4.7 Estações de controle central
As estações de controle central são as unidades principais dos sistemas SCADA, responsáveis pela monitoração e supervisão de todo o sistema de automação e incumbidas por recolher a informação enviada pelas estações remotas e atuar de acordo com os eventos detectados. Podem estar centralizadas em um único computador ou distribuídas por uma rede de computadores de modo a permitir o compartilhamento dos dados provenientes do sistema.
A interação entre os usuários do sistema e as estações de controle central é feita através de uma interface HMI – Human-Machine Interface (Interface Homem-Máquina), onde é comum a visualização de um diagrama representativo da planta industrial, com a representação gráfica das estações remotas, os valores constantes nos sensores e atuadores e a apresentação dos alarmes detectados na rede.
Os sistemas SCADA permitem ainda visualizar previsões e tendências com base em valores recolhidos e valores parametrizados pelo operador do sistema, bem como gráficos e relatórios relativos aos dados atuais existentes em um histórico.
Por exemplo, o processamento de alarmes permite informar anomalias verificadas, sugerir medidas e, em algumas situações, reagir automaticamente mediante parâmetros previamente estabelecidos. Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em função da sua gravidade, sendo reservada a maior prioridade para os alarmes relacionados com questões de segurança da própria rede.
Figura 2 - Estrutura do sistema de supervisão e controle
4.8 Modos de comunicação
Os sistemas SCADA utilizam genericamente dois modos de comunicação: comunicação por Polling e comunicação por interrupção, normalmente designada por Report by Exception.
Comunicação por Polling
Neste modo, também designado por Master/Slave, a estação central - Master - tem o controle absoluto das comunicações, realizando uma seqüência de polling para recolher os dados de cada estação remota - Slave -, que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em half-duplex.
Cada estação remota é identificada por um endereço único. Se uma estação remota não responder durante um período de tempo pré-determinado às solicitações que lhe são dirigidas a estação central executa novas tentativas de polling antes de avançar para a próxima estação.
Esse método apresenta algumas vantagens e desvantagens, como mostrado a seguir.
 Vantagens
• Simplicidade no processo de obtenção de dados;
• Inexistência de colisões no tráfego da rede;
• Graças ao método determinístico que utiliza, permite calcular a largura de banda utilizada pelas comunicações e garantir tempos de resposta;
• Facilidade na detecção de falhas de ligação;
• Permite o uso de estações remotas não inteligentes.
 Desvantagens
• Incapacidade, por parte das estações remotas, de comunicar situações que requeiram tratamento imediato por parte da estação central;
• O aumento do número de estações remotas afeta negativamente no tempo de espera;
• A comunicação entre estações remotas tem obrigatoriamente que passar pela estação central.
4.9 Comunicação por interrupção
Neste modo, a estação remota monitora os valores de entrada de dados e quando detecta alterações significativas ou valores que ultrapassam limites predefinidos, inicia a comunicação com a estação central para a transferência de dados.
O sistema é implementado de modo a permitir a detecção de erros e recuperação de colisões. Antes de iniciar a transmissão, a estação remota verifica se o meio de transmissão está sendo utilizado por outra estação. Se isto ocorrer aguarda um tempo aleatório antes de efetuar uma nova tentativa de transmissão.
No caso de colisões excessivas, em que o sistema é fortemente afetado, a estação remota cancela a transmissão aguardando que a estação central proceda à leitura dos seus valores através de polling.
A seguir são apresentadas as principais vantagens e desvantagens deste modo de comunicação.
Vantagens
• Evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego na rede;
• Permite a rápida detecção de informação prioritária;
• Permite comunicação direta entre as estações remotas (slave-to-slave).
Desvantagens
• A estação central consegue detectar falhas na ligação somente após um determinado período de tempo, ou seja, quando efetua polling ao sistema;
• É necessária a intervenção do administrador da rede para obtenção de valores atualizados.
4.9.1 Segurança nos sistemas SCADA
A exposição dos sistemas SCADA às ameaças como vírus e worms aumenta à medida que estes são conectados a um número cada vez maior de redes e sistemas para o compartilhamento de dados e fornecer serviços on-line.
Muitas dessas vulnerabilidades evidenciam a necessidade de se aplicar medidas de segurança tais como a autenticação, verificação de vírus e o gerenciamento de senhas, mesmo considerando os requisitos de precisão de tempo característicos dos sistemas SCADA.
Entretanto, vírus e worms são apenas algumas das ameaças enfrentadas por esses sistemas. Os ataques diretos são uma fonte de preocupação ainda maior. A manipulação de sistemas SCADA por meio de spoofing, por exemplo, podem possibilitar a invasão da rede corporativa da empresa e causar sérios prejuízos operacionais e financeiros.
Atualmente algumas empresas de segurança de informações oferecem serviços de avaliação da rede SCADA e da rede corporativa que podem, por exemplo, ajudar os administradores a avaliar suas redes SCADA e conexões corporativas, identificar vulnerabilidades e oferecer recomendações. Soluções como antivírus, firewall e detecção de intrusões também estão disponíveis.
Quando implementados em vários pontos da infra-estrutura da rede de comunicação, possibilitam reconhecer e deter códigos maliciosos e as tentativas de invasão. Por exemplo, um firewall posicionadoentre a rede corporativa e a rede de supervisão, poderia ser configurado para bloquear ataques oriundos de todos os endereços IP e portas desconhecidas. Além disso, dispositivos de segurança inseridos na conexão com o gateway do terminal remoto podem proteger a rede SCADA com maior eficiência.
Para identificar tentativas de ataque e, por sua vez, reconhecer que existem vulnerabilidades, as redes de supervisão podem tirar proveito dos sistemas de detecção de intrusões, principalmente os que usam tecnologia de detecção de anomalias em protocolos, para reconhecer protocolos SCADA padrão. Como os sistemas de detecção de intrusões não bloqueiam o tráfego, eles não introduzem latência indesejada no sistema.
Políticas de segurança e soluções de avaliação de vulnerabilidades existem para ajudar os administradores de rede a formular uma política de segurança de informações baseada em padrões, normas e práticas recomendadas da indústria e, depois, avaliar a aderência contínua.
4.9.2 Controle de alarmes
Através da informação proveniente do login, os sistemas SCADA identificam e localizam os operadores, de modo a filtrar e encaminhar os alarmes em função das suas áreas de competência e responsabilidade.
Os sistemas SCADA guardam em arquivos de log a informação relativa a todos os alarmes gerados, de modo a permitir que posteriormente se proceda a uma análise mais detalhada da sua origem. Para atingir níveis aceitáveis de tolerância à falhas é usual a existência de dados redundantes na rede e utilização de servidores de backup distribuídos pelas instalações, de modo a permitir que sempre que se verifique uma falha de uma estação de controle, o controle das operações seja transferido automaticamente para outro computador, sem que se notem interrupções significativas no sistema.
Conclusão
Os sistemas de controles estão hoje em dia em 90 % de toda a tecnologia mundial, todos os sistemas tem algum tipo de controle que veio para facilitar, acelerar algum tipo de produção, trabalho afim de facilitar a vida das pessoas e aumentar a produção
Assim para melhor compreenção segue a conclusão do exemplo acima.
Com a evolução da tecnologia, os computadores passaram a ter um papel importante nos sistemas de supervisão por coletar dados do processo e garantir a integridade das informações. Neste aspecto, o uso dos computadores permitiu a diminuição de grande parte os custos, complexidades e riscos nas tarefas dos processos de produção.
No que se refere à segurança das redes de comunicação, usadas individualmente, cada tecnologia e serviço de segurança de informações acrescenta um outro nível de segurança às redes SCADA e corporativas. Usadas em conjunto, essas soluções proporcionam um avanço significativo em direção a uma segurança on-line ideal. Portanto, é interessante criar políticas e assegurar a implementação de práticas de segurança adequadas que protegerão a produtividade e a continuidade dos serviços de ambas as redes.
Finalizando, os sistemas de supervisão revelam-se de grande importância na estrutura de gestão dos processos industriais, pois permitem observar remotamente as condições do sistema, facilitando o controle das variáveis de operação e disponibilizando em tempo real o estado da rede através de um conjunto adequado de ferramentas.
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