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INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS APLICADAS ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ELÉTRICA SISTEMA SUPERVISÓRIO: Estação de Tratamento de Água Alan Aparecido dos Santos Limeira – SP 2012 1 ALAN APARECIDO DOS SANTOS SISTEMA SUPERVISÓRIO: Estação de Tratamento de Água Trabalho de conclusão de curso apresentado como exigência parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia de Produção Elétrica pelo Instituto Superior de Ciências Aplicadas, sob a orientação da Profa. Dra. Talía Simões dos Santos. Limeira – SP 2012 2 Alan Aparecido dos Santos SISTEMA SUPERVISÓRIO: Estação de Tratamento de Água Banca Examinadora _________________________ Profa. Dra. Talía Simões dos Santos ISCA Faculdades _________________________ Prof. Marcelo Pinto Athayde ISCA Faculdades Limeira, ___ de ____________ de 2012 3 Dedico este trabalho aos meus amigos, professores e principalmente à minha família e minha noiva. 4 AGRADECIMENTOS Agradeço este trabalho aos meus familiares, minha mãe Izaura, meu pai Euclides e meus irmãos Alex e Valeria, pelo incentivo que me ajudaram a chegar nessa etapa da minha vida e por acreditarem em mim com este sonho que está se tornando realidade. À minha noiva Jaqueline pela pessoa e companheira maravilhosa que é, e de diversas formas que me ajudou a realizar este trabalho sempre me incentivando, pela compreensão nesses últimos meses e ausência em alguns momentos, mas que irão valer pelo resto de nossas vidas. À minha orientadora Talía Simões dos Santos pela paciência e auxílio na conclusão deste trabalho. À minha turma com quem compartilhei momentos alegres ao longo do curso. 5 RESUMO Este trabalho trata da aplicação de sistemas de supervisão e aquisição de dados, monitorando e supervisionando uma estação de tratamento e distribuição de água. Mostra-se que com a aplicação desta tecnologia pode-se diminuir os desperdícios de água sem afetar o abastecimento de água da cidade, fornecendo uma visão geral de todo o processo em tempo real. 6 ABSTRACT This work discusses the application of systems monitoring and data acquisition, monitoring and supervising a treatment plant and water distribution. Shows that the application of this technology can reduce the waste of water without affecting the water supply of the city, providing an overview of the process in real time. 7 Sumário 1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 11 1.1 Objetivos..............................................................................................................................11 1.2 Motivação ............................................................................................................................11 1.3 Organização do Trabalho.....................................................................................................12 2 SISTEMAS SCADA ....................................................................................... 13 2.1 História ...............................................................................................................................14 3 CLP ................................................................................................................. 16 4 PAC ................................................................................................................. 19 5 TIPOS DE COMUNICAÇÃO E PROTOCOLOS ........................................ 21 5.1 Padrão Serial RS-232 ...........................................................................................................21 5.2 Padrão RS-485 .....................................................................................................................23 5.3 Padrão Ethernet ...................................................................................................................25 5.4 Tipos de Cabos e Topologias ................................................................................................28 5.5 Protocolos ...........................................................................................................................29 6 OPC ................................................................................................................. 30 6.1 Padrão OPC ........................................................................................................................31 6.2 A arquitetura cliente-servidor do OPC .................................................................................32 6.3 DCOM, OPC e Tunneling.....................................................................................................33 6.4 Redundância e OPC .............................................................................................................36 6.5 OPC e Sistemas Corporativos...............................................................................................38 7 SOFTWARES SCADA ................................................................................... 40 7.1 Vantagens dos sistemas SCADA ...........................................................................................40 7.2 Desvantagens dos sistemas SCADA ......................................................................................41 8 8 ELIPSE SCADA ............................................................................................. 42 8.1 Benefícios do Elipse SCADA ................................................................................................42 8.2 Recursos e informações técnicas...........................................................................................43 9 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO SCADA ......................................... 44 9.1 Características do projeto ....................................................................................................44 9.2 Tela inicial ...........................................................................................................................45 9.3 Tela Menu ............................................................................................................................48 9.4 Histórico de Acesso ..............................................................................................................49 9.5 Tela de Captação .................................................................................................................53 9.6 Tela ETA ..............................................................................................................................54 9.7 Telas de Distribuição ...........................................................................................................56 9.8 Tela de Alarmes ...................................................................................................................57 10 CONCLUSÃO................................................................................................. 59 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 60 9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Estrutura SCADA [2]. .............................................................................. 13 Figura 2 - Estrutura Básica do PLC [5]. ....................................................................16 Figura 3 - Transmissão de um bit [7]. ....................................................................... 22 Figura 4 - Padrões RS-232 (DB9 e DB25) [7]. .......................................................... 23 Figura 5 - Taxa de transmissão [8]. ........................................................................... 24 Figura 6 - Avanços tecnológicos ethernet [8]. ........................................................... 26 Figura 7 - Diagrama dos modos de transmissão [9]. .................................................. 27 Figura 8 - Topologia em estrela com cabo de par traçado [9]. ................................... 28 Figura 9 - Topologia em barramento utilizando cabo coaxial grosso [9]. ................... 28 Figura 10 - Topologia em barramento utilizando cabo coaxial fino [9]. ..................... 29 Figura 11 - A falta de conectividade dos sistemas tradicionais [10]. .......................... 30 Figura 12 - Arquitetura cliente-servidor OPC [10]. ................................................... 32 Figura 13 - OPC e COM [10]. ................................................................................... 33 Figura 14 - Funcionamento do OPC com DCOM [10]. ............................................. 34 Figura 15 - Substituição DCOM por OPC Tunneler [10]. .......................................... 36 Figura 16 - Redundância em OPC através do OPC Redundancy Broker [10]. ........... 37 Figura 17 - Integração do OPC com SAP R/3 [10]. ................................................... 39 Figura 18 - Tela inicial do sistema. ........................................................................... 45 Figura 19 - Identificação do usuário. ......................................................................... 46 Figura 20 - Configuração botão login. ....................................................................... 47 Figura 21 - Configuração botão logout. ..................................................................... 48 Figura 22 - Tela menu............................................................................................... 49 Figura 23 - Histórico de acesso. ................................................................................ 50 Figura 24 - Configuração do botão imprimir relatório. .............................................. 51 Figura 25 - Configuração do botão preferencia da impressora. .................................. 52 Figura 26 - Configuração botão apaga arquivo de acesso. ......................................... 53 Figura 27 - Tela de captação. .................................................................................... 54 Figura 28 - Tela ETA. ............................................................................................... 55 Figura 29 - Tela Região Norte................................................................................... 56 Figura 30 - Tela de alarmes....................................................................................... 57 10 LISTA DE ABREVIATURAS CLP – Controlador Lógico Programável CPU - Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento) OPC - OLE for Process Control PAC – Programmable Automation Controller PC - Personal Computer PLC - Programmable Logic Controller SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition VBA – Visual Basic for Applications VBS – Visual Basic Script COM - Component Objetc Model DCOM - Distributed Component Object Model 11 1 INTRODUÇÃO Sistema de supervisão e aquisição de dados, mais conhecido como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), é sistema que por meio de software e componentes conectados a uma rede de comunicação através de drivers, faz com que o usuário possa controlar, monitorar e receber dados em tempo real de um processo produtivo ou instalações físicas proporcionando interfaces em alto nível. Os sistemas SCADA coletam as informações, em seguida os dados são manipulados, analisados e apresentados ao usuário. 1.1 Objetivos O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA) de uma estação de tratamento de água, sendo o usuário capaz de monitorar e controlar o processo de tratamento, desde a captação da água em dois mananciais até a distribuição para a população. Para isso será utilizado o software Elipse SCADA na criação deste sistema supervisório. 1.2 Motivação Nos tempos de hoje o objetivo das organizações é diminuir o desperdício dos recursos humanos, que devido ao aumento da população no mundo, consequentemente aumenta o uso dos recursos naturais. Nos anos 90 o desperdício de água tratada era de 40%, com a implantação de novas tecnologias fez com que no processo de tratamento de água, tivesse uma redução em 2011 para 14% na cidade de Limeira e esta redução vem diminuindo a cada ano, um dos motivos desta redução é a implantação do sistema supervisório. 12 1.3 Organização do Trabalho O próximo capítulo trata dos sistemas SCADA, suas funções principais, sua história e desenvolvimento destes softwares. O capítulo 3 aborda sobre CLP (Controlador Lógico Programável), como é constituído, seu desenvolvimento histórico e tipos de programação para sua implementação. O capítulo 4 aborda sobre PAC (Programmable Automation Controller), ano que surgiu para o mercado, a diferença entre o CLP e o PAC, e uma breve explicação de suas diferenças. O capítulo 5 trata dos tipos de comunicação utilizados nos sistemas SCADA, os padrões utilizados e suas capacidades de alcance, tipos de cabos que utilizam os sistemas. O capítulo 6 aborda sobre OPC (OLE for Process Control), padrão de comunicação que pode integrar todos os dados de uma empresa, e também suas arquiteturas e seu surgimento nos sistemas SCADA. O capítulo 7 analisa as vantagens e desvantagens dos softwares SCADA. O capítulo 8 apresenta uma breve descrição sobre o software Elipse SCADA da empresa de desenvolvimento Elipse Software, suas características que faz com que seu software seja utilizado em várias empresas de grande porte. O capítulo 9 detalha toda construção de um sistema de supervisão de uma estação de tratamento de água. O capítulo 10 apresenta os resultados e detalhes do sistema da estação de tratamento de água desenvolvido. 13 2 SISTEMAS SCADA Os sistemas SCADA podem assumir várias arquiteturas, podendo ser mono-posto, cliente-servidor, servidor-cliente, múltiplos servidor-cliente, podendo liberar comunicação como os dispositivos PAC (Controladores Programáveis para Automação), CLP (Controlador Lógico Programável), módulos de entradas e saídas remotas, registradores [1]. Para desenvolver projetos de sistemas SCADA não é necessário ter o conhecimento de nenhuma linguagem de programação em específico. A maioria da programação é automatizada, suprindo a maior parte das necessidades de um projeto. Em casos mais complexos e específicos, onde os passos não estão automatizados, alguns sistemas SCADA incorporam módulos de programação em VBA (Visual Basic for Applications) ou VBS (Visual Basic Script). Em alguns casos encontram-se linguagem próprias, mas sempre parecidas com linguagens comerciais que já são conhecidas no mercado [1]. A figura 1 representa a estrutura de um sistema SCADA com os equipamentos de comunicação e controle.. Figura 1 - Estrutura SCADA [2]. Os sistemas supervisórios basicamente são utilizados em duas funções, função de supervisão e função de operação. 14 Funções de supervisão: Esse tipo de supervisão é utilizado para monitorar o processo, gerando gráficos de tendências, CEP (Controle Estatistico do Processo), verificação de alarmes, tempos de parada, etc. Funções de operação: Esse outro tipo de função de supervisão é utilizado para controlar equipamentos, conseguindo ligar e desligar,mudar modo de operação e processo de operação. 2.1 História Os primeiros sistemas supervisórios tiveram início no começo de 1980, mas devido à baixa capacidade dos computadores não era comum a utilização dos softwares SCADA, apenas nos projetos sofisticados. Com o passar dos anos os computadores foram evoluindo e com isso a redução dos custos em função do aumento do volume de produção dos componentes, começaram a ser lançados os primeiros softwares SCADA. Com esta evolução motivou o surgimento de diversas empresas de desenvolvimento de softwares SCADA, sendo que em 1992 mais de 120 diferentes fornecedores disputavam um mercado ainda em crescimento. Dentro desta mesma tendência, diferentes sistemas operacionais surgiram com propósitos e características distintas, e até o advento do Windows NT não houve uma convergência de desenvolvedores para uma plataforma única de sistemas operacionais. DOS, OS/2, Unix, QNX, Windows, VMS eram alguns dos sistemas operacionais encontrados, e a disputa entre supervisórios concorrentes também incluía a escolha do Sistema Operacional. Algumas empresas pioneiras marcaram época na década de 80, como a Heuristics e seu software Onspec, talvez o primeiro produto para computadores com projeção de mercado. A década de 80 teve também uma forte influência, no Brasil, da reserva de mercado e da SEI – Secretaria Especial de Informática, que limitava a importação de hardwares e softwares com o objetivo de estimular a geração de tecnologia nacional. Tal reserva trouxe um considerável atraso tecnológico às empresas brasileiras, mas gerou o surgimento dos primeiros sistemas de supervisão e controle de processos, motivados principalmente por empresas como a Cia. Vale do Rio Doce, na época estatal. Os produtos Pautom (da Paulo Abib Engenharia) e o Autovale (versão modificada para a CVRD), desenvolvidos em uma plataforma nacionalizada do sistema operacional QNX, foram possivelmente os embriões da produção nacional de softwares de supervisão. 15 Empresas internacionais lançaram, em meados dos anos 80, suas primeiras versões de softwares SCADA, além da Heuristics, empresas como Intellution (The Fix), PC Soft (Wizcon), Iconics (Genesis), US Data (Factory Link) e CI Technologies (Citect) tiveram destaque nesse período, sendo que a US Data buscou desenvolver uma versão de seu software como multi-plataforma para DOS, VMS e OS/2; a PC Soft tinha suas versões de Wizcon para OS/2 e DOS; a Intellution para DOS e em um momento chegou a lançar uma versão também em OS/2; e a Iconics, sempre em DOS. Existia no mercado, mas com participação reduzidas empresas RealFlex (QNX) ou Paragon. Com o passar dos anos, a grande maioria das empresas desenvolvedoras de softwares supervisórios migrou para a plataforma Windows e para padrões Microsoft. Ao mesmo tempo, os clientes foram requerendo funções similares nos produtos, resultando em uma convergência nos padrões e módulos. A consolidação da indústria de softwares supervisórios passa a ser inevitável, e dos 120 fornecedores mencionados anteriormente, passam a restar não mais que 15 empresas globais no mercado, em um período de apenas 10 anos. A empresa Wonderware (In Touch), sendo a pioneira em supervisórios em plataforma Windows, se beneficiou desse momento e conseguiu uma importante participação no mercado. No final dos anos 80 e inicio dos anos 90, duas empresas nacionais desenvolvedoras de supervisórios também surgiram, e merecendo destaque, a Elipse e a Indusoft. As empresas de desenvolvimentos supervisórios não pararam de evoluir e aprimorar seus softwares junto com os equipamentos que são conectados [3]. 16 3 CLP O controlador lógico programável, mais conhecido como PLC (Programmable Logic Controller) no termo Inglês, mas no mercado nacional normalmente usa-se o termo CLP, são definidos como um computador industrial, capaz de armazenar funções de controle, realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados de comunicação em rede [4]. Os PLCs são constituídos por blocos, os principais blocos são a CPU, Circuitos/Módulos de I/O, Fonte de Alimentação e Base. CPU (Central Processing Unit – Unidade Central de Processamento): Basicamente é constituído pelo microprocessador, microcontrolador, sistema de memória (ROM e RAM) e os circuitos auxiliares. Circuitos/Módulos de I/O (Input/Output – Entrada/Saída): podem ser discretos (sinais digitais: 12VDC, 110VCA, contatos normalmente abertos, contatos normalmente fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4-20mA, 0-10VDC, termopar). Fonte de Alimentação: É responsável pela alimentação da CPU e aos Circuitos/Módulos de I/O. Base ou Rack: Proporciona conexão mecânica e elétrica entre a CPU, os Módulos de I/O e a Fonte de Alimentação, contem também barramento de comunicação entre eles, no qual os sinais de dados, endereço, controle e tensão de alimentação estão presentes. A figura 2 mostra como é a estrutura básica de um PLC. Figura 2 - Estrutura Básica do PLC [5]. 17 A linguagem e as ferramentas para sua programação podem variar dependendo do fabricante, mas a linguagem de programação Ladder por meio de software para PC pode ser considerado padrão para a grande maioria dos PLCs encontrados no mercado. A programação Ladder foi a primeira linguagem criada para os PLCs. O fato de ser uma linguagem gráfica baseada em símbolos semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos foi determinante para aceitação por técnicos e engenheiros acostumados com os sistemas de controle a relés. Foi criada uma norma para definir cinco linguagens de programação utilizar, esta norma inicialmente era a 1131, mas a partir de agosto de 1992 se tornou a Norma IEC 61131- 3, sendo assim as linguagens são: Lista de instruções (IL – Instruction List) – É uma linguagem de baixo nível, similar ao Assembly, nessa linguagem é permitida apenas uma operação por linha, como o armazenamento de um valor em uma determinada variável. Texto Estruturado (ST – Structured Text) – É uma linguagem de alto nível, estruturado em blocos, semelhante ao Pascal. Essa linguagem pode ser usada para expressar declarações complexas envolvendo variáveis que representem uma ampla faixa de dados de diferentes tipos, incluindo valores analógicos e digitais. Linguagem Ladder (LD – Ladder Diagram) – O nome Ladder deve-se à representação da linguagem se parecer com uma escala, na qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela lógica de controle (rung), formando os degraus da escada. Além de simples contatos e bobinas, dispõem de contatos para detecção de borda de subida/descida (one shot – ‘Disparo’), contatos de comparação, temporizadores, contadores, blocos de processamento, controle total de fluxo de execução do programa, interrupções e blocos para manipulação de mensagens. Diagrama de Blocos de Função (FDB – Function Block Diagram) – É uma linguagem gráfica que permite aos elementos do programa, representados por blocos, serem conectados entre si de forma semelhante a um diagrama de circuito elétrico. Essa linguagem é apropriada para aplicações que envolvam fluxo de informação ou entre os componentes de controle. Diagrama Funcional Sequencial (SFC – Sequencial Function Chart) – É uma linguagem gráfica utilizada para estruturar a organização interna de um programa, além de auxiliar a decomposição do problema de controle, em partes menores. Cada 18 elemento do SFC pode ser programado em qualquer uma das linguagens definidas na própria norma (IEC 61131-3). 19 4 PAC O PAC (Programmable Automation Controller) foi desenvolvido pela ARC Advisory Group, entidade norte-americana de estudos e pesquisas sobre manufaturas, logística e cadeias de fornecimentos.Foi criado no ano de 2001 como auxílio ao usuário, de modo que o mesmo tivesse a possibilidade de definir com clareza o hardware de automação necessário e ao mesmo tempo, permitir ao fabricante do equipamento fornecer de maneira exata o produto e sua capacidade. Atualmente alguns fabricantes têm classificado seus produtos mais novos como PACs, enquanto outros alegam intercambialidade com os conhecidos PLCs. Apesar disso, PACs possuem características próprias e bem definidas, embora a sua similaridade com os PLCs sejam numerosas, há também suas diferenças. A seguir, algumas propriedades principais de um PAC são descritas: Multifunção: os PACs são multifuncionais, possibilitando o processamento de sinais digitais, analógicos, pulsos, seriais, etc, presentes na maioria das aplicações industriais. Porém, eles vão muito além, por exemplo, um PAC pode implementar algoritmos de controle sofisticados e complexos como a combinação de funções PID (Proporcional-Integral-Derivativo) com ganhos agendados e lógicos Fuzzy. Essa combinação de controles pode ser efetuada de maneira simultânea e rápida. Multidomínio: os PACs operam em domínio multiplo. Como o padrão de linguagem do software é poderoso, as funções avançadas, aquisição, armazenamento e compartilhamento de dados, controle de processos, controle de motores, lógica de intertravamento e segurança, etc, todos utilizam o mesmo hardware e software. Comunicações abertas standart: para ter a maxima integração e minimizando os custos, os PACs utilizam um sistema de protocolos de comunicação abertos e standart, a nível de hardware e software. Protocolos como Fieldbus, Profibus, HART, seriais como RS 232C/485 e Ethernet ou mesmo protocolos standart da Internet, como TCP/IP, UDP, FTP e SMTP podem ser facilmente utilizados. O estabelecimento de comunicações com displays locais não necessita de um PC ou mesmo de uma IHM para estabelecer a conexão. Multitarefas: um controle tipo PAC possui a capacidade de processar simultaneamente diversas tarefas. Simultaneamente ao controle de processos, o PAC pode processar aquisição de dados de diversas variáveis e dispositivos, como no caso 20 de sistemas com Processamento distribuído e ainda se comunicar com diversos clientes utilizando uma grande variedade de protocolos de comunicação. Arquitetura Modular: a modularidade de PAC é altamente flexivel, um PAC é expandido somente no tipo de controle que solicita a expansão. Por exemplo: num sistema de controles que utiliza Processamento Distribuído, um PAC pode ser expandido de modo que as funções de controle de contagem e malhas PID operem independentes das unidades I/O. Com isso, o controlador principal fica livre para exercer suas funções principais: processar o software de controle, efetuar comunicação com unidades distribuidas I/O quando necessário e se trocar dados (enviar+receber) para um sistema de servidor com aplicações de IHM ou cliente OPC. Devido ao design flexivel da modularidade, é facilmente possível adicionar ou mesmo substituir as unidades de acordo com as necessidades de controle da planta. Os PACs combinam a fiabilidade e robustez de um CLP com o desempenho, flexibilidade e facilidade de operação de um PC. 21 5 TIPOS DE COMUNICAÇÃO E PROTOCOLOS Para a utilização dos Sistemas Supervisórios necessita-se de um meio físico para que seja possível a aquisição de dados no controlador de campo (PLC). Este meio físico geralmente utiliza o padrão elétrico RS232, RS485 ou ethernet. O padrão RS232 pode ser utilizado até uma distância máxima de 12 metros. Já o padrão RS485 pode chegar a uma distância de até 1200 metros sem repetidores. Atualmente, utiliza-se em maior parte, o padrão ethernet. Chega à distância de até 100 metros entre seguimentos com cabeamento do 10BaseT. 5.1 Padrão Serial RS-232 O padrão RS-232 é um padrão bastante antigo, mas que continua sendo bem utilizado pela sua simplicidade e confiabilidade podendo ser encontrado com os nomes EIA RS-232C ou V.24. Como qualquer dispositivo de transmissão serial, os bits são enviados um a um, sequencialmente, e normalmente com o bit menos significativo primeiro (LSB). Por ser um protocolo assíncrono, isto é, sem uma linha de relógio (clock), é responsabilidade do transmissor e do receptor efetuar controles de tempo para saber quando cada bit inicia e finaliza. Na sua forma padrão o RS-232 utiliza dois sinais de controle, o RTS (ready to send) e o CTS (clear to send) para efetuar o controle de fluxo via hardware. Basicamente, quando o transmissor deseja começar um envio ele sinaliza através do pino RTS. O receptor, ao perceber que o transmissor deseja enviar algum dado, prepara-se para recebê-lo e seta o pino CTS. Apenas depois de receber o sinal CTS o transmissor pode começar a transmissão. Para cada byte existem bits de start e stop; o mais comum é utilizar 1 bit de início (start bit) e 1 bit de parada (stop bit), mas é possível encontrar aplicações que utilizam 1,5 ou 2 bits de início/parada. A figura 3 mostra como é a transmissão de um bit no RS-232. 22 Figura 3 - Transmissão de um bit [7]. Como já citado anteriormente, esta transmissão é assíncrona, tendo a velocidade de comunicação ajustada nos dois dispositivos inicialmente, cada um deles sabe quanto tempo um bit demora a ser transmitido, e é com base nisto que a identificação dos bits é possível. No transmissor o envio basicamente resume-se a enviar um bit de início, aguardar um tempo, e enviar os próximos 8 bits + bit de parada, com o mesmo intervalo de tempo entre eles. No receptor, após a primeira borda de descida (nível lógico de "1" para "0") (start bit) o receptor sabe que uma sequência de mais 8 bits de dados + bit de parada chegará. Ele também conhece a velocidade de transmissão, então tudo que ele precisa fazer é aguardar o tempo de transmissão entre cada bit e efetuar a leitura. Após receber o bit de parada, a recepção encerra-se e ele volta a aguardar o próximo start bit. Nos microcontroladores modernos todo este trabalho normalmente é efetuado por uma UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Este periférico encarrega-se de efetuar todo o controle e apenas gerar interrupções quando um byte é recebido. No entanto, algumas vezes o microcontrolador utilizado não possui uma UART, ou mesmo ela está sendo utilizada. Nestes casos é possível programar uma interface serial através de software, tratando a sequência de transmissão e recepção descrita anteriormente. Na interface RS232 o nível lógico "1" corresponde a uma tensão entre -3V e -12V e o nível lógico "0" a uma tensão entre 3V e 12V. Valores de tensão entre -3V e +3V são indefinidos e precisam ser evitados. O estado idle da linha é 1 lógico (-V). Porém, a grande maioria dos periféricos que trabalham com portas seriais não utiliza o padrão RS232 para níveis elétricos diretamente. Portanto é sempre necessário um circuito de conversão de níveis TTL/RS232. O circuito integrado mais comum para efetuar esta conversão, de baixo custo, é o MAX232 que possui alimentação TTL. 23 Através da Figura 4 podem-se visualizar os dois conectores mais utilizados no padrão RS-232, o DB9 e o DB25, com seus respectivos pinos. Figura 4 - Padrões RS-232 (DB9 e DB25) [7]. 5.2 Padrão RS-485 Se uma aplicação consiste de vários dispositivos em lugares diferentes, ou se um sistema é composto de diversas unidades, cada uma com determinada função, certamente um meio de comunicação entre eles se faz necessário. Apesar do RS-232 ser a interface mais comumente utilizada para comunicação serial, ele tem suas limitações. O padrão RS-485, criado em 1983, é capaz de prover uma forma bastante robusta de comunicação multiponto que vem sendo muito utilizada na indústria em controle de sistemas e em transferênciade dados para pequenas quantidades e taxas de até 10 Mbps. O padrão RS-485 é administrado pela Telecommunication Industry Association (TIA) que é responsável pelo setor de comunicação da Electronic Industries Alliance (EIA), e este último é credenciado pelo American National Standards Institute (ANSI). No RS-232, os sinais são representados por níveis de tensão referentes ao terra. Há um fio para transmissão, outro para recepção e o fio terra para referência dos níveis de tensão. 24 Este tipo de interface é útil em comunicações ponto-a-ponto a baixas velocidades de transmissão. Visto a necessidade de um terra comum entre os dispositivos, há limitações do comprimento do cabo a apenas algumas dezenas de metros. Os principais problemas são a interferência e a resistência do cabo. Já o padrão RS-485 utiliza um princípio diferente, no qual apenas dois fios são utilizados, que serão chamados de A e B de agora em diante. Nesse caso tem-se nível lógico 1 quando, por exemplo, se “A” for positivo e “B” negativo, consequentemente tem-se nível lógico 0 quando B for positivo e A negativo. Verifica-se que o nível lógico é determinado pela diferença de tensão entre os fios, daí o nome de modo de operação diferencial. Umas das vantagens da transmissão balanceada é sua robustez a ruídos e interferências. Se um ruído é introduzido na linha, ele é induzido nos dois fios de modo que a diferença entre A e D dessa interferência tende a ser quase nulo, com isso o alcance pode chegar a 4000 pés, aproximadamente 1200 metros. Pode-se citar que o padrão RS-232 em sua taxa máxima de comunicação alcança em torno de 50 pés, aproximadamente 12 metros. Conforme visto anteriormente, o alcance do padrão RS-485 pode chegar a 4000 pés, porém quanto maior a distância a ser percorrida pelos dados, menor será a taxa de transmissão. Tem-se como base que para distância de até 40 pés a taxa pode chegar a 10Mbps e para uma distância de 4000 pés a taxa varia em torno de 100Kbps. O gráfico da Figura 5 abaixo demonstra de forma clara a relação entre transmissão e taxa de comunicação. Figura 5 - Taxa de transmissão [8]. 25 Como o padrão RS-485 foi desenvolvido para atender a necessidade de comunicação multiponto o seu formato permite conectar até 32 dispositivos, sendo 1 transmissor e 1 receptor por dispositivo. Outra grande vantagem do padrão RS-485 é a facilidade de conversão do padrão RS- 232 ao RS-485, simplesmente utilizando um CI, com isso tem-se que a compatibilidade com dispositivos já existentes no mercado é mantida, visto que a maioria dos computadores possui saída RS-232. 5.3 Padrão Ethernet A necessidade de diminuir custos, aumentar a confiabilidade, disponibilizar o compartilhamento de recursos físicos (HD, impressoras) e informações (banco de dados, programas) fez surgir às redes de computadores. Estas características fazem com que estas redes não parem de evoluir. O padrão ethernet surgiu em 1972 nos laboratórios da Xerox com Robert Metcalfe, com uma rede onde todas as estações compartilhavam do mesmo meio de transmissão, um cabo coaxial; a configuração utilizada para esta conexão foi a de barramento, utilizava uma taxa de transmissão de 2,94 Mbps. No início este padrão era chamado de “Network Alto Aloha”, depois foi modificado para “ethernet” para deixar claro que este padrão pode suportar qualquer computador e para mostrar que pode ser desenvolvido fora de seus laboratórios. Metcalfe optou pela palavra “ether” de maneira a descrever uma característica imprescindível do sistema: o meio físico transporta os bits para todas as estações, como se acreditava que acontecia com o éter, o meio que preenchia o universo e o espaço entre os corpos celestes que propagava as ondas eletromagnéticas pelo espaço. A falta de padronização dificultava o processo e a venda de equipamentos, com o intuito de resolver este problema foi homologada ao IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), em 1980 a responsabilidade de criar e administrar a padronização da ethernet. Desde a sua regulamentação pelo IEEE suas especificações foram totalmente disponibilizadas. Esta abertura combinada com a facilidade na utilização e com sua robustez resultou no largo emprego desta tecnologia. O surgimento de avanços tecnológicos, sua padronização e o aumento da quantidade de redes que utilizavam este padrão no decorrer do tempo estão descritos na Figura 6. 26 Figura 6 - Avanços tecnológicos ethernet [8]. A tecnologia ethernet, basicamente, consiste de três elementos: o meio físico, as regras de controle de acesso ao meio e o quadro ethernet. O modo de transmissão é uma característica importante da ethernet, podendo ser: Simplex: durante todo o tempo apenas uma estação transmite, a transmissão é feita unilateralmente. Half-duplex: cada estação transmite ou recebe informações, não acontecendo transmissão simultânea. Full-duplex: cada estação transmite e/ou recebe, podendo ocorrer transmissões simultâneas. A figura 7 mostra os as três principais características do modo de transmissão. 27 Figura 7 - Diagrama dos modos de transmissão [9]. A Ethernet é um padrão de camada física e camada de enlace, opera a 10 Mbps, com quadros que possuem tamanho entre 64 e 1518 bytes. O endereçamento é feito através de uma numeração que é única para cada host com 6 bytes sendo os primeiros 3 bytes para a identificação do fabricante e os 3 bytes seguintes para o número sequencial da placa. Este numeração é conhecida como endereço MAC (Media Access Control). A subcamada MAC, pertence a camada dois da pilha de protocolos OSI, controla a transmissão, a recepção e atue diretamente com o meio físico, consequentemente cada tipo de meio físico requer características da camada MAC. As características da camada de MAC são: Modo de transmissão half-duplex, evoluindo para full-duplex. Encapsulamento dos dados das camadas superiores. Desencapsulamento dos dados para as camadas superiores. Transmissão dos quadros. Recepção dos quadros. O modo de transmissão em half-duplex requer que apenas uma estação transmita enquanto que todas as outras aguardam em “silêncio” esta é uma característica básica de um meio físico compartilhado. O controle deste processo fica a cargo do método de acesso Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD qualquer estação pode transmitir quando “percebe” o meio livre. Pode ocorrer que duas ou mais estações tentem transmitir simultaneamente; nesse caso, ocorre uma colisão e os pacotes são corrompidos. Quando a colisão é detectada, a estação tenta retransmitir o pacote após um intervalo de 28 tempo aleatório. Isto implica que o CSMA/CD pode estar em três estados transmitindo, disputando ou inativo. 5.4 Tipos de Cabos e Topologias Os principais cabos utilizados são: Coaxial fino. Coaxial grosso. Par trançado sem blindagem. As topologias suportadas são: Barramento: utilizando cabo coaxial fino ou grosso. Estrela: utilizando cabos de par trançado sem blindagem. Árvore: combinação das anteriores. A figura 8 mostra os quadros Ethernet. Já as figuras 9 e 10 mostra os padrões Ethernet em barramento, podendo ser com cabo grosso ou fino. Figura 8 - Topologia em estrela com cabo de par traçado [9]. Figura 9 - Topologia em barramento utilizando cabo coaxial grosso [9]. 29 Figura 10 - Topologia em barramento utilizando cabo coaxial fino [9]. O quadro ethernet é dividido em campos. Os principais campos podem ser descritos das seguintes maneiras: Destination Address: Contém o endereço MAC do destinatário. Sorce Address: Contém o endereço MAC do remetente. Type/Length: Indica o tamanho em bytes do campo de dados. Data: Contém os dados que deverão ser passado a próxima camada, deve ter tamanho mínimo de 46bytes e máximo de 1500 bytes. FCS (Frame Check Sequence): Contém o Cyclic Redundancy Check (CRC). 5.5 Protocolos Para que haja comunicação entre o controlador de campo e o sistema supervisório não basta apenas o meio físico. Os dois sistemas devem utilizar o mesmo protocolo de comunicação. Cada fabricante de PLC tem os seus protocolos de comunicação proprietária. Logo, os sistemas supervisório possuem vários “drivers” de comunicação, para que possam atender a maior parte dos fabricantes. 30 6 OPC Existem inúmeros sistemas nas áreas de produção, incluindo sistemas SCADA, SDCD’s, LIMS (Laboratory Information Management Systems), MES (Manufacturing Execution System), além dos sistemas de manutenção e historiadores. Muitos destes sistemas tendem a ser aplicação isolada umas das outras, ou em alguns casos possuem algum tipo de interface, mas no geral existe uma pequena integração entre eles. Décadas de protocolos de comunicação proprietários resultaram em sistemas desconexos dentro do próprio chão de fábrica. Tradicionalmente o usuário toma o caminho mais fácil e acaba agregando ferramentas do mesmo fornecedor inicial, mesmo que outro fornecedor possua soluções mais interessantes para sua necessidade. A figura 11 mostra como era falta de conectividade dos sistemas tradicionais. Figura 11 - A falta de conectividade dos sistemas tradicionais [10]. Já no ambiente corporativo existem vários outros softwares que preenchem necessidades específicas como planejamento de produção, gerenciamento de custos, contabilidade, entre outros. Estes softwares podem ser fornecidos por um único fabricante ou então adquiridos separadamente. No entanto, de um modo geral, estes softwares tendem a possuir uma maior integração do que a existente nas áreas de produção. Devido aos aspectos culturais e de negócios da organização, as pessoas e sistemas envolvidos nestas áreas frequentemente têm pouca interação, criando uma lacuna de comunicação. Como resultado desta lacuna as informações se tornam indisponíveis através da organização. Porém, em um ambiente competitivo como o encontrado atualmente, as 31 informações tornaram-se essenciais, uma espécie de vantagem estratégica. As tecnologias do padrão OPC permitem a integração dos dados de toda a empresa, sejam provenientes do chão de fábrica ou dos setores corporativos. Sendo um padrão aberto, o OPC separa os sistemas das dificuldades de comunicação, criando uma camada única e padronizada que permite a fácil integração de diversos sistemas, desde um simples instrumento de campo até os sistemas de ERP (Enterprise Resource Planning) e de Gestão Corporativa. 6.1 Padrão OPC O OPC é um padrão de comunicação aberto, que tem por principal objetivo permitir a interoperabilidade vertical entre sistemas dentro de uma organização. A primeira versão funcional do OPC foi desenvolvida por volta de 1996, resultado do trabalho conjunto entre fornecedores de sistemas para automação industrial. Deste esforço conjunto surgiu a OPC Foundation, organização que define os padrões do OPC e que busca constantemente sua melhoria e evolução. Desde o seu surgimento, há mais de 10 anos, novas especificações são elaboradas com o objetivo de agregar mais funcionalidades ao padrão OPC. Baseado nas tecnologias Microsoft OLE COM (Component Objetc Model) e DCOM (Distributed Component Object Model), o OPC é um conjunto comum de interfaces, métodos e propriedades de comunicação, agregados dentro de uma especificação padronizada e aberta para acesso público. Teoricamente qualquer pessoa com conhecimentos de programação pode desenvolver seus aplicativos OPC, basta acessar as especificações contidas na web site da OPC Foundation e desenvolver uma interface compatível. Para ficar mais claro o que é o OPC pode-se fazer uma analogia com um driver comum de impressora. Na época do MS-DOS, o desenvolvedor de um software como um editor de textos precisava desenvolver um driver de comunicação para cada uma das impressoras existentes no mercado: um para a Epson-FX, um para a HP LaserJet, entre outras impressoras. Em um software de supervisão, será visto que ele tem seus próprios drivers para cada um dos CLPs existentes no mercado. No entanto estes drivers não podem ser utilizados em outro software de supervisão. O Windows resolveu o problema dos drivers de impressoras ao incluir o suporte para impressão no próprio sistema operacional. A partir de então a impressora deveria possuir somente um driver para Windows, e não mais para cada um dos aplicativos utilizados. Este fato possibilitou uma redução de custos considerável para as 32 empresas de software. Ao basear o OPC na tecnologia OLE, nativa do Windows, este mesmo benefício chegou à área industrial. Com o surgimento do OPC os desenvolvedores de sistemas de automação podem escrever servidores OPC para seus equipamentos, e os demais softwares (como os supervisórios) passam a ser clientes OPC. Desaparece a necessidade de se desenvolver inúmeros drivers de comunicação. Enquanto o OPC permitiu aos fornecedores de automação reduzir seus custos de conectividade e assim manter o foco nas funcionalidades de sua solução, para os clientes o benefício foi a flexibilidade. Agora o usuário pode escolher seus softwares com base nas funcionalidades. 6.2 A arquitetura cliente-servidor do OPC O funcionamento do OPC é baseado na tradicional arquitetura cliente-servidor, conforme mostra a Figura 12. Figura 12 - Arquitetura cliente-servidor OPC [10]. O funcionamento desta solução é simples, um ou mais servidores fornecem dados para uma ou mais aplicações cliente. O interessante do OPC é que uma aplicação cliente pode solicitar os dados a um ou mais servidores OPC, e o inverso também é verdadeiro, um servidor OPC pode transferir dados a um ou mais clientes OPC. Portanto, o OPC possibilita uma variedade enorme de comunicações, basta que os aplicativos sejam compatíveis com OPC. 33 É importante ressaltar que o OPC não elimina o protocolo proprietário nativo do CLP ou equipamento de campo. O que acontece é que o servidor OPC “traduz” este protocolo proprietário para o padrão OPC. Portanto é necessário o desenvolvimento de um servidor OPC específico para cada um dos diferentes protocolos de comunicação existentes. Inicialmente o OPC foi desenvolvido com o objetivo de solucionar o problema dos drivers de comunicação proprietários, trazendo um padrão para onde antes só existiam soluções customizadas. A primeira especificação OPC posteriormente veio a se chamar Data Access e, como o nome sugere, permitia somente a troca de dados em tempo real. O OPC Data Access é largamente utilizado em todo mundo, é o mais comum de ser encontrado. Porém logo surgiram outras necessidades, como o acesso a dados e o acesso a alarmes e eventos gerados no sistema. Novas especificações surgiram para suprir estas e outras demandas. 6.3 DCOM, OPC e Tunneling Como visto anteriormente, o OPC é baseado nas tecnologias Microsoft OLE COM (Component Object Model) e DCOM (Distributed COM). Quando o servidor e o cliente OPC estão instalados no mesmo computador, o OPC utiliza o COM para estabelecer a comunicação entre ambos conforme mostra a figura 13. Geralmente não há problemas nesta configuração, o COM é de fácil configuração, envia e recebem dados a altas velocidades e raramente apresenta problemas. Figura 13 - OPC e COM [10]. 34 Porém, quando o servidor e cliente OPC estão instalados em computadores diferentes dentro de uma rede, o OPC passa a utilizar o DCOM. Surgido em 1996, com foco no ambiente de TI, o DCOM é uma extensão do COM, com foco na comunicação entre objetos em sistemas distribuídos. O DCOM atendia bem aos requisitos daquela época, basicamente o funcionamento dentro de LANs (Local Area Networks). A figura 14 mostrao seu funcionamento. Figura 14 - Funcionamento do OPC com DCOM [10]. Com o surgimento e popularização da Internet na década de 90, as demais tecnologias acabaram por evoluir rapidamente a fim de atender uma infinidade de novas demandas. A própria Microsoft acabou desenvolvendo uma nova plataforma de desenvolvimento, em resposta ao Java da Sun Micro systems e também como forma de combater a onda de vírus e invasões remotas que acompanharam a evolução da Internet. O DCOM deixava a desejar frente às novas demandas da tecnologia, e ainda por cima não estava acessível aos programadores para que os mesmos pudessem melhorar superar tais deficiências. Dentre as limitações do DCOM pode-se mencionar: 35 Dificuldade de se trabalhar em WANs (Wide Area Network): redes com diferentes usuários, senhas e domínios são um problema para o DCOM, que exige configurações detalhadas a fim de funcionar corretamente. Timeout demasiadamente longo: em caso de simples oscilações na rede, o DCOM pode levar vários minutos até restabelecer a conexão. Dificuldade de se trabalhar com firewalls: O DCOM inicia a comunicação através de uma porta TCP/IP e em caso de encontrar algum impedimento, utiliza outras portas aleatoriamente até conseguir estabelecer a conexão. Em uma época em que o próprio Windows já vem com firewall instalado para aumentar a segurança, a utilização do DCOM acaba obrigando o usuário a manter diversas portas TCP/IP abertas, ou até mesmo a desativar o firewall por completo, prejudicando criticamente a segurança do sistema. Tais limitações são um grande empecilho em aplicações industriais onde, por exemplo, alguns sistemas obrigatoriamente devem ser instalados em domínios diferentes, a velocidade de comunicação é fator essencial e a segurança contra hackers e invasões aumenta a cada dia. Algumas vezes os problemas do DCOM podem ser solucionados com muitas horas de trabalho e políticas corporativas que respeitem o ambiente industrial. Outra abordagem para eliminar estes problemas por inteiro é utilizar a tecnologia de Tunneling. Neste caso, um software chamado OPC Tunneler é colocado em cada uma das pontas da comunicação OPC, por exemplo, um no computador do servidor e outro na estação cliente OPC. Os dois objetos Tunneler se comunicam com seus OPC locais através do COM, confiável e rápido. Após isto os dois OPC Tunneler estão livres para trocar dados entre si através de outras tecnologias mais apropriadas para as necessidades da aplicação, como o TCP/IP, HTTP, HTTPS, XML, etc. Problemas com usuários, senhas e domínios diferentes são automaticamente anulados. O desempenho da rede já não tem tanta interferência sobre o OPC, uma vez que o timeout é configurável no OPC Tunneler. E o problema mais comum encontrado atualmente que é o de se trabalhar com OPC e firewalls ao mesmo tempo passa a ser resolvido, uma vez que o OPC Tunneler utiliza sempre a mesma porta de comunicação TCP/IP. Esta porta é configurável pelo usuário, portanto basta escolher a mais adequada e liberá-la no firewall. Conforme dito acima a figura 15 mostra os motivos para a substituição. 36 Figura 15 - Substituição DCOM por OPC Tunneler [10]. Em resumo o OPC Tunneler tem duas funções básicas: transferir data da maneira mais fácil, segura e confiável possível para o outro componente OPC Tunneler, e traduzir todos os dados para o padrão OPC novamente, tornando a comunicação mais consistente. Todas as dores de cabeça geralmente associadas ao DCOM são aliviadas. Basta especificar um endereço IP e uma porta de comunicação e assim estabelecer a comunicação em rede utilizando OPC. 6.4 Redundância e OPC Em muitos processos a segurança e confiabilidade são fundamentais. Os motivos para tanto podem ser diversos, tais como: Prevenção contra acidentes e fatalidades em sistemas críticos. Ex.: indústrias químicas e petroquímicas. Minimizar paradas de produção e/ou quebras de equipamentos caros e que demandam muito tempo para reparo. Ex.: indústrias siderúrgicas e de mineração. Impossibilite de se interromper a prestação de serviços sob a penalidade de sofrer multas e prejuízos na imagem. Ex.: empresas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Necessidade de se manter um histórico de dados confiável para facilitar a rastreabilidade e identificação de falhas. Ex.: indústria automobilística. 37 Uma solução bastante utilizada na indústria para o aumento da confiabilidade e segurança é a redundância, que basicamente consiste na utilização de dois ou mais sistemas iguais. Desta maneira, caso um dos sistemas apresente problemas, o outro estará pronto para entrar em operação e assumir suas funções. A redundância pode ser utilizada em diversos níveis dentro de um sistema de automação industrial, ou seja, pode-se encontrar CLPs com CPUs redundantes, softwares de supervisão em redundância, redes redundantes, etc. No entanto, apesar da grande importância da redundância para aumento da segurança e confiabilidade dos sistemas, a especificação OPC não aborda este tema de maneira satisfatório, abrindo uma grande lacuna na utilização do OPC. Para um sistema ser redundante não basta instalar dois softwares e/ou equipamentos iguais, é necessário um gerenciamento entre os mesmos com o objetivo de não aumentar o fluxo de dados na rede e ao mesmo tempo manter uma base de dados completa e confiável, sem duplicações que podem levar à dúvida. Muitas vezes tenta-se instalar dois servidores OPC em paralelo como objetivo de aumentar a segurança. No entanto o resultado é que ambos passam a funcionar em paralelo, aumentando o fluxo de dados na rede e deixando dúvidas sobre qual deles tem o dado de melhor qualidade. Soluções de terceiros foram desenvolvidas para preencher a lacuna da redundância no OPC. Também conhecido com OPC Redundancy Broker, este gerenciador de redundância sempre escolhe somente um OPC Server para realizar a comunicação, mantendo o outro em estado de espera. O OPC Server backup somente entra em cena em caso de falha no OPC Server primário, assumindo suas funções e garantindo a continuidade e confiabilidade da comunicação OPC, conforme mostra na figura 16 a seguir. Figura 16 - Redundância em OPC através do OPC Redundancy Broker [10]. 38 6.5 OPC e Sistemas Corporativos Inicialmente o OPC foi desenvolvido para o ambiente de chão de fábrica. Porém a evolução trouxe novas necessidades, como a troca de informações com sistemas de gestão. Através disso é possível, por exemplo, que uma ordem de produção gerada em um sistema de planejamento de produção seja levada diretamente aos sistemas de automação, permitindo uma agilidade muito maior nas operações. Conforme o andamento da produção, os sistemas de automação devolvem os dados de processo aos softwares de gestão, dando aos gestores informações em tempo real. Assim uma equipe de vendas pode saber, em tempo real, se pode aceitar determinado pedido ou não, dependendo do andamento da produção. A contabilidade pode calcular os custos de produção em tempo real. O departamento de compras pode saber qual fornecedor tem a melhor relação custo/benefício, em função do rendimento da matéria- prima no processo. Apesar de ainda não abordado em detalhes na especificação OPC DA – o que deve ocorrer na nova especificação OPC UA, existem soluções customizadas para a integração do OPC com sistemas corporativos. Um exemplo é o OPC Generic Data Access da empresa Matrikon OPC, que permite a troca de dados bidirecional com bancos de dados relacionais. Um sistema de automação de chão de fábrica pode enviar dados diretamente para um ERP baseado em um banco de dados como Oracle ou SQL Server, e este sistema podem devolver dados aos sistemas de produção. Já o Nlink OPC to SAP da Junot Systems é uma interface direta entre o OPC e o ERP mais famoso mundialmente,o R/3 da SAP. É uma solução pronta e que minimiza a criação de códigos em linguagens de programação. A Figura 17 mostra a integração dos sistemas. 39 Figura 17 - Integração do OPC com SAP R/3 [10]. 40 7 SOFTWARES SCADA Conforme visto anteriormente existem no mercado várias empresas de desenvolvimento de software SCADA, abaixo uma lista dos melhores softwares: DELTA V FIX DMACS INTOUTH LOOKOUT TCD-3000 IFIX ABB MICROSCADA PLANTSPAPE TPS GENESIS CIMPLICITY LINTOUCH SCAN3000 WIZCON RSVIEW ELIPSE Basicamente todos os softwares SCADA são parecidos, mudando apenas a linguagem de programação e modos de configuração. Será visto na continuação deste projeto uma breve explicação do Elipse SCADA, software que foi utilizado para o desenvolvimento de uma estação de tratamento de água. 7.1 Vantagens dos sistemas SCADA Ao utilizar o sistema SCADA pode-se obter diversas vantagens em comparação com os processos antigos, como redução de custo operacional, maior qualidade, maior desempenho no processo, conforme pode-se comprovar abaixo: Redução dos custos operacionais: Com um sistema SCADA é possível centralizar toda a leitura dos instrumentos de campo, gerar gráficos de tendência e gráficos históricos das variáveis do processo, controles estatistico do processo. São necessários poucos funcionários especializados e com comandos simples é possível realizar a leitura dos instrumentos de um processo industrial inteiro, reduzindo assim a necessidade de vários operadores em alguns procssos operacionais. Qualidade: Através do monitoramento das variáveis do processo produtivo é possível determinar níveis previstos no processo normal. Caso estes níveis não estejam na faixa aceitável o sistema SCADA pode gerar um alarme na tela, alertando o operador do processo para um eventual problema no processo produtivo. Desta forma, as intervenções no processo são feitas rapidamente, garantindo assim que não gere gastos, perdas no processo ou que o produto final não esteja dentro das características desejáveis. 41 Maior desempenho no processo: Através da rapidez da leitura dos instrumentos de campo, as intervenções necessárias podem ser feitas assim que ocorre o evento ou atraves dos alarmes gerados. Problemas de parada de máquina por defeitos podem ser diagnosticados mais pontualmente ou realizando com antecedência as manutenções preventivas e os setups de máquina também mais ageis, fazendo com que o processo seja mais produtivo. Base para outros sistemas: Coletar os dados do processo produtivo e armazenar em banco de dados. Estes dados podem ser utilizados para gerar informações importantes, sendo integrados com sistemas MES, ERP, SAP e etc. Podem também fornecer dados em tempo real, para sistemas que realizam cálculos de OEE, sistemas SFC, sistemas de PCP ou similares, ferramentas que são utilizados para a gestão da produção. 7.2 Desvantagens dos sistemas SCADA A desvantagem encontrada neste sistema é a necessidade de mão-de-obra especializada e dependendo do tipo de controle ou monitoramento é necessario investimento muito alto. 42 8 ELIPSE SCADA O software Elipse SCADA foi desenvolvido pela Elipse Software, esta empresa está a mais de 20 anos no mercado de automação, sempre inovando o desenvolvimento de soluções de gerenciamento de processos, este software não está vinculado a nenhum hardware específico, garantindo alto desempenho de comunicação e conectividade. A Elipse é uma empresa nacional, mas tem presença no mercado mundial, tendo sua sede em Porto Alegre e filiais em São Paulo, Curitiba, Belo Horizonte, Estados Unidos e Taiwan, e tem participação significativa em outros países como Alemanha, Índia, Rússia, Suécia, Coréia do Sul, Argentina, Colômbia, Chile, dentre outros. O software Elipse SCADA foi testado e implantado em grandes empresas e diversos segmentos produtivos no Brasil, empresas como a Alstom, Aracruz, Areva, Banco Itaú, Batavo, Braskem, Brasil Telecom, CENPES, Ceval, Cia. Vale do Rio Doce, Copel, CSN, Dana Albarus, DMAE, Elektro, Gerdau, Marcopolo, Nestlé, Perdigão, PETROBRAS, Randon, Rede Globo de Televisão, RGE, Sabesp, Sadia, Siemens, Stemac, Stihl, SuperVia, Tractebel, Usiminas e WEG são algumas empresas que utilizam o software. No mercado internacional conta com representantes que divulga este software de alta qualidade [12]. O software Elipse SCADA na ausência de um dispositivo de proteção (hardkey) pode ser executado na versão demonstrativo, mas trabalho com no máximo 20 Tags (variáveis de campo), permitindo a comunicação com equipamento de aquisição de dados por até 10 minutos, podendo assim verificar e avaliar o software. 8.1 Benefícios do Elipse SCADA Este software contém vários benefícios fáceis de notar, como sua fácil configuração por meio de sua ferramenta Organizer (Árvore do aplicativo), mantendo o seu projeto organizado e visualização geral do aplicativo. Contém uma interface clara e objetiva, fazendo com que o usuário realize sua operação com mais rapidez e clareza, com vários recursos visuais como, botões, displays, gráficos, animações e os TAGs (Variáveis de campo), podendo importar imagens de vários formatos (Bitmap, JPG), podendo a sua operação do sistema supervisório ser controlado por mouse, teclado ou touthscreen. 43 Conectividade com qualquer equipamento como PLCs, DACs (Cartões de Aquisição de Dados), RTUs (Unidades Remotas). 8.2 Recursos e informações técnicas Aplicações Remotas - supervisão e controle de estações à distância por meio de conexão Intranet (via protocolos TCP/IP ou IPX/SPX), Internet (Elipse WEB), linha discada ou linha privada, satélites, links de rádio ou serial. Drivers de comunicação - a maneira mais simples e eficiente de trocar informações com equipamentos, com mais de 400 drivers compatíveis com os equipamentos mais utilizados no mercado e suportando diferentes tipos de conexões como serial, Ethernet, linha discada, rádio modem ou outras redes específicas. Cross-Reference (Referência cruzada) - rápida visualização das ligações entre os objetos, permitindo que, em qualquer momento da configuração, se visualize todos os pontos onde um determinado Tag ou objeto está sendo referenciado. Históricos - registros de dados. Alarmes - até 999 níveis de prioridade e quatro intervalos de atuação para cada um. O usuário pode, em tempo de execução, alterar limites, habilitar/desabilitar e/ou modificar mensagens de alarmes. Bancos de Dados - A integração com qualquer base de dados é muito simples através de recursos ODBC (Open Data Base Connectivity) e DAO (Data Access Objects), Wizards auxiliam no processo de conexão ou criação de uma base de dados qualquer, dentre elas SQL Server®, Access®, Oracle® e DBase®. Ainda é possível a integração com sistemas corporativos (ERP) como o SAP. Relatórios - dispensa a utilização de módulos externos para a geração de relatórios. Scripts - maior flexibilidade e poder para realizar tarefas complexas, com linguagem de programação própria semelhante à linguagem Visual Basic. Ferramentas de depuração - status dos componentes e processos do sistema, facilita o processo de aplicativo utilizando ferramentas como WatchWindow e ScriptWindow, informando o estado do processo ou do componente do sistema. 44 9 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO SCADA Nos capítulos anteriores foram apresentados conceitos de PLCs, protocolos de comunicação e de sistema supervisório, os quais seus conhecimentos são fundamentais para a elaboração de um sistema supervisório. O foco principal deste projeto é desenvolver um sistema supervisório de uma estação e distribuição de água em um município, mostrando que essa tecnologia pode diminuir o desperdício de água, a falta de abastecimentoe ter controle em tempo real. 9.1 Características do projeto O projeto desenvolvido possui todas as características de um sistema de supervisão, pois monitora os eventos em tempo real, armazena dados, produz relatórios, gera simulação de alarmes, entre outras características. O processo utilizado para este projeto é realizado da seguinte forma: Na primeira etapa é necessária a identificação do usuário para entrar no sistema. A água é captada em dois mananciais, sendo que não é possível a utilização dos dois ao mesmo tempo. A captação é realizada por duas bombas, sendo uma em utilização contínua e outra como reserva, não sendo possível ligar as duas ao mesmo tempo. A água passa por um reservatório intermediário antes de chegar a ETA (Estação de Tratamento de Água), com duas bombas na saída deste reservatório com o mesmo critério das bombas na captação. Na ETA a água passa pelos processos convencionais do pré-tratamento, coagulação, floculação, decantação e a filtração. Logo após este processo é feita a dosagem de fluoretação, desinfectação e dosagem de cal, que neste processo não é automatizado e a água é enviada para o reservatório de distribuição. Na saída deste reservatório foi colocada uma bomba que realiza a distribuição de água. A distribuição é feita para quatro regiões, norte, sul, leste e oeste, cada região existe um reservatório. Na entrada deste reservatório foi colocada uma válvula que impede o abastecimento, e na saída a distribuição é feita por meio de bombas para os bairros. 45 9.2 Tela inicial A tela inicial do projeto foi realizada com o intuito de fazer um controle de acesso do usuário, podendo ser verificadas e impressas as informações de acesso, como data e hora do acesso ou quando foi desconectado do sistema. Nesta tela foram colocados quatro botões, sendo, login, logout, manutenção de senha e de acesso no sistema, conforme Figura 18 abaixo. Figura 18 - Tela inicial do sistema. Também foram adicionados dois displays que mostram o nome do usuário conectado ao sistema e o nível de acesso do usuário. Este nível de acesso informa quais são as telas e funções o usuário terá acesso, podendo variar de 0 a 100. Se o nível de acesso for 0, o usuário poderá entrar em qualquer tela sem restrições de funções, se for 1 este usuário poderá modificar, adicionar, remover os atributos de todos os usuários. No projeto em questão foram criados apenas quatro usuários, o Administrador com nível de acesso 1, e os demais com nível de acesso 2. Apenas a tela inicial e o menu estão com o nível de acesso 0, as outras que serão vistas adiante foram configuradas para nível 2. Alem disso, foi criado um tag RAM com o nome User para que as informações sejam armazenadas no sistema. 46 O botão login, quando acionado, solicitará ao usuário para digitar a sua identificação e senha. Caso a identificação ou senha estiver incorreta aparecerá uma mensagem “Login ou senha inválida” e o usuário não terá acesso para entrar no sistema, caso tente entrar no sistema também aparecerá uma mensagem de acesso negado. Para a construção deste botão foi colocado um botão com funcionalidade momentânea e associando duas imagens, que quando pressionado seu formato irá modificar e sua identificação será solicitada conforme a Figura 19. Figura 19 - Identificação do usuário. Para que ocorram os processos acima, foi realizada uma configuração na aba Scripts conforme Figura 20. É executada uma linguagem que no momento que o botão login é solto é feita a identificação do usuário. Caso não seja correto, aparecerá a mensagem dita anteriormente, se estiver correto, automaticamente os dados do usuário são enviados e salvos no histórico e gerado um relatório que pode ser impresso. A tela de histórico de acesso será dita no decorrer no trabalho. 47 Figura 20 - Configuração botão login. Ao contrário do botão login, que faz com que o usuário seja conectado no sistema, o botão logout faz com que o usuário desconecte do sistema. Na aba Scripts do botão logout, também foi realizada uma configuração que irá ler a função, fazendo com que as informações de data e hora que o usuário foi desconectado serão salvas no histórico de acesso conforme Figura 21, assim como o botão login. 48 Figura 21 - Configuração botão logout. Nesta tela foi adicionado o botão trocar a senha para que os usuários possam trocar a sua senha, porém, apenas o administrador tem liberdade de adicionar e excluir dados conforme dito anteriormente. 9.3 Tela Menu A tela menu foi construída para que o usuário tenha acesso a todas as outras telas e históricos do sistema com facilidade (Figura 22). 49 Figura 22 - Tela menu. Como se pode ver na figura acima foram criados sete botões que quando pressionados, automaticamente é feita a troca da tela a qual foi desejada. A configuração foi inserida nas propriedades do botão. Caso o usuário não tenha acesso à tela que foi pressionada, o usuário não irá conseguir ir para a tela desejada, mas no projeto em questão todos os usuários têm acesso a todas as telas, conforme mencionado anteriormente. Os botões do “Menu Principal” levam o usuário para a tela início, retornando assim para a tela vista anteriormente e suas funções. Pode-se também ir para ela histórico de acesso ou na tela de alarmes, que será visto ao longo do trabalho. Os botões do painel “Distribuição” levam os usuários às telas onde são verificados os reservatórios de água e bombas de captação e distribuição de água. 9.4 Histórico de Acesso Através da tela histórico de acesso pode-se verificar qual usuário estava conectado em uma determinada hora ou data, esta informação pode ser verificada devido à configuração dos 50 botões login e logout visto anteriormente neste projeto. Pode-se também imprimir este relatório, configurar a impressora e apagar os dados (Figura 23). Figura 23 - Histórico de acesso. Para a construção desta tela foi criado no comando “Organizer” um arquivo histórico e inserido os tags user.name e o User. Foi dado o nome de Histórico de Acesso para este arquivo, e também foi criado um arquivo de histórico com o nome “histoperador.dat”. Na tela de histórico de acesso foi criado um Browser e associado o arquivo de histórico criado, nos quis são criadas automaticamente as colunas das informações dos tags inseridos no arquivo histórico de acesso. 51 Nesta tela foram criados três botões, o primeiro, quando pressionado com o botão esquerdo do mouse, irá imprimir o relatório. Para isso foi realizada uma configuração na aba Scripts, conforme Figura 24 abaixo. Figura 24 - Configuração do botão imprimir relatório. Para poder imprimir este relatório, foi criado um relatório de texto no comando “Organizer”, “Relatórios”, do software Elipse SCADA e dado o nome de relatório 1. No segundo botão, pode-se configurar a impressora e suas preferências, também foi realizada uma configuração na aba Scripts, conforme Figura 25. 52 Figura 25 - Configuração do botão preferencia da impressora. E por ultimo o botão apaga arquivo que apaga o arquivo de histórico por completo. Neste botão foi realizada uma configuração na aba Scripts, que quando o botão for solto, aparecerá uma mensagem de alerta para que o usuário confirme se quer que o histórico de acesso seja apagado, conforme Figura 26. 53 Figura 26 - Configuração botão apaga arquivo de acesso. 9.5 Tela de Captação A captação neste projeto é realizada por dois mananciais, que são chamados de Rio Jaguari e Ribeirão Pinhal. As comportas dos mananciais não são acionadas juntas neste projeto. Quando o botão manancial for pressionado, irá trocar de manancial automaticamente. Para poder controlar os mananciais foi criado um tag RAM com o nome comporta, que foi associado aobotão manancial e aos textos que representam se a comporta está aberta ou fechada. A captação da água é feita por duas bombas, uma bomba em utilização contínua e outra que sempre fica como reserva, mas pode-se controlar ao utilizar. Foram criados dois tags Demo com os nomes B1 e B2, com limites de o a 6 com período de 70 e com incremento 2. Para a representação da movimentação das bombas, foram criados animações que foram dados os nomes de Bomba B1 e B2 e associadas aos tags B1 e B2 comentados acima, para o acionamento das bombas B1 e B2 foram criados dois botões que irão ligar e desligar e conforme o controle dos mananciais as bombas não serão acionadas juntas, devido à configuração na aba Scripts dos botões. 54 Após a passagem da água nas bombas de captação B1 e B2, ela passará por um reservatório chamado de Reservatório Intermediário, que foi associado ao tag intermediário, configurado para que seu limite seja de 17000 a 20000 e período de 150. Para a movimentação do nível de água, a aba alarme foi configurada para que assim que o nível chegar ao máximo registre um alarme. Foram colocadas duas bombas na saída do reservatório chamadas de B3 e B4, e seu funcionamento é o mesmo das bombas B1 e B2 comentadas acima. A Figura 27 abaixo mostra como é o processo da tela de captação. Figura 27 - Tela de captação. Também foi criado um tag Demo, com o nome água captada, com seus limites entre 0 a 250 e período de 1000. Este tag foi associado ao display que representa a quantidade de água captada por hora. O botão Menu foi colocado para que quando acionado o sistema volte para a tela menu do sistema. 9.6 Tela ETA Na tela ETA foram representados os processos convencionais do pré-tratamento de água, coagulação, floculação, decantação, filtração. Em seguida passa-se pela dosagem de 55 fluoretação, desinfectação e dosagem de cal, que não é automatizado neste projeto, conforme pode ser visto na Figura 28. A água é enviada para o reservatório de distribuição, e na saída deste reservatório foi colocada uma bomba que realiza a distribuição de água para as regiões. Figura 28 - Tela ETA. Para a construção da tela ETA foram criados quatro tags Demo, dois botões e as imagens para a representação dos processos. O primeiro tag Demo está representado com o nome “ETA” e serve para representação da movimentação da água no processo de pré-tratamento. Este tag foi configurado para que os limites fiquem entre 0 a 3, com o período de 250, e foi associado na animação do processo. O segundo tag foi dado o nome de “Água Distribuída” que mostra a quantidade de água distribuída. Este tag foi configurado para que os limites fiquem entre 0 a 240 e com período de 1000. Para representar este valor foi criado um display e associado a este tag. O terceiro tag foi dado o nome de “BD” que liga a bomba de distribuição, a sua configuração é a mesma das bombas de captação, com os limites de 0 a 6 e período de 70. Para realizar o processo de liga/desliga, foi também associado na animação da bomba. O último tag tem o nome “Res. ETA”, que representa o nível do reservatório na tela ETA. Este tag foi configurado para que os limites fiquem entre 17000 e 20000. Assim que o valor chegue em 20000 será disparado o alarme, conforme os outros reservatórios deste projeto. 56 Foi também adicionado um botão que faz com que o usuário volte para a tela menu conforme as outras telas. 9.7 Telas de Distribuição As telas de distribuição representam as regiões Norte, Sul, Leste e Oeste. As configurações e funcionalidade destas quatro telas são basicamente as mesmas, pois todas irão distribuir a água tratada para os bairros (Figura 29). Figura 29 - Tela Região Norte. Para a construção das telas de distribuição (Norte, Sul, Leste e Oeste) foram criados dois tags Demo e dois botões, para cada tela de distribuição. O primeiro tag Demo realiza a animação da bomba, e foram dados os nomes B5, B6, B7 e B8, respectivamente, conforme a sequência das telas especificadas acima. A sua configuração foi feita com limites de 0 a 6, e período de 75 com incremento 2. O segundo tag Demo realiza o fechamento e abertura da válvula de entrada de água no reservatório, e os nomes dos tags são Norte, Sul, Leste e Oeste. Estes tags também representam o nível de água em cada reservatório, cuja configuração foi realizada para que os limites fiquem entre 17000 a 20000, com período entre 130 a 170 para que não fiquem iguais. 57 Os botões adicionados no sistema irão ligar e desligar a bomba e a válvula, então foram associados os tags especificados acima um para cada botão. Foi colocado também o botão Menu que levará o usuário a tela menu do sistema, conforme as outras telas anteriores. 9.8 Tela de Alarmes A tela de alarme foi adicionada no sistema com o intuito de que o usuário possa verificar onde ocorreu o alarme, o usuário conectado no momento do alarme, a hora que ocorreu e o valor encontrado, como pode ser verificado através da Figura 30. Figura 30 - Tela de alarmes. A tela de alarmes foi criada para que quando o nível 0 passa de 19900, o alarme é acionado e realizado um som de aviso e aparecera a mensagem de nível alto e o local que ocorreu o alarme, assim que o nível volte ao normal aparecerá uma nova mensagem que o nível esta normal e o local. 58 Para a realização da tela alarme foi realizado a configuração nas abas alarmes dos tags dos reservatórios (Norte, Sul, Leste, Oeste, ETA e Intermediário) onde foi selecionado os comandos Low e High (Baixo e Alto), no comando Low foi colocado o valor 0 e no comentário “Nível Baixo – Local’ e para comando alto o valor foi 19900 e comentário “Nível Alto – Local”, no grupo de alarme foi selecionado o alarme “Nível”, criado no comando organizer, na aba alarmes do software Elipse. Para criar a tela que irá mostrar os alarmes, no Elipse SCADA existe um menu com o nome alarmes, e automaticamente todos os alarmes gerados irão ser mostrados nesta tela, conforme visto na Figura 30. 59 10 CONCLUSÃO Conforme visto, o sistema foi realizado no Elipse SCADA versão DEMO, por esse motivo os números de tags são limitados, mas se utilizar a versão completa o sistema pode ser melhorado em vários aspectos, principalmente no tratamento de água, podendo ser completamente automatizado. A maior dificuldade encontrada na realização do projeto no software foi o número limitado de tags e encontrar as imagens bitmap para inserir no projeto para que realize os movimentos das bombas, O sistema mostrou uma grande vantagem, pois antes o desperdício de água era de 40% e o município sofria muito com a falta de água, pois os reservatórios eram controlados a sua quantidade de água por bóias. Com a utilização do sistema haverá apenas a necessidade de ter um operador capacitado para controlar, supervisionar e monitorar o processo de captação ate a distribuição de água, mas o usuário terá todo o controle em tempo real e reduzindo drasticamente os dados acima. Com toda a experiência adquirida neste período de desenvolvimento, é possível concluir que os softwares de supervisão são de grande valia para qualquer indústria e ramos diferentes que tenha qualquer tipo de automação, pois com essa tecnologia pode-se diminuir o desperdício de qualquer processo. A tendência é que estes sistemas cresçam cada vez mais, uma vez que a tecnologia de automação está tomando conta de todos os setores industriais e até mesmo predial e residencial. 60 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados - SCADA Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistemas_de_Supervis%C3%A3o_e_Aquisi%C3%A7%C3%A3o _de_Dados, acessado em 02 de fevereiro de 2012. [2] – Estrutura
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