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DSc. William da Silva Vianna Colaboração: Philipe Massad Bringhenti e Larissa dos Santos Martins

CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ DEZEMBRO – 2008

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1 INTRODUÇÃO5
2 ARQUITETURA DO SISTEMA SCADA7
2.1 EXEMPLOS DE ARQUITERURAS TÍPICAS DE SISTEMAS SCADA1
2.1.1 SCADA com CLP (Compacto, Modular, Distribuído)1
2.1.2 SCADA com FIELDBUS – Protocolo (Proprietário ou Aberto)14
2.1.3 SCADA com SINGLELOOP e/ou MULTLOOP14
2.1.4 SCADA com DDC (controle digital direto)15
2.2 FLEXIBILIDADE DA ARQUITETURA SCADA16
3 COMPONENTES DE HARDWARE E SOFTWARE BÁSICOS DO SISTEMA DE SUPERVISÃO16
3.1 HARDWARE16
3.2 SOFTWARE17
4 DRIVERS DE COMUNICAÇÃO19
4.1 O PROTOCOLO OPC19
4.2 PROTOCOLO DDE21
5 TAGNAME OU VARIÁVEIS EM UM SISTEMA SCADA2
5.1 VARIÁVEIS SIMPLES23
5.1.1 Variável analógica23
5.1.2 Variável Discreta24
5.2 VARIÁVEIS COMPOSTAS24
6 ELEMENTOS DINÂMICOS24
6.1 REPRESENTAÇÃO DE VARIÁVEL ANALÓGICA24
6.2 REPRESENTAÇÃO DE VARIÁVEL DISCRETA25
7 OBJETOS ATIVOS26
8 GRÁFICOS DE TENDÊNCIA27
8.1 TENDÊNCIA REAL27
8.2 TENDÊNCIA HISTÓRICA28
9 GERADOR DE RELATÓRIOS28
10 CONSTRUTORES DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE29
1 LINGUAGEM PARA DEFINIÇÃO DE APLICAÇÕES DO USUÁRIO - SCRIPT29
12 ALARMES32
12.1 GRUPOS E PRIORIDADE DE ALARMES32
13 LOG DE EVENTOS3
14 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA INTERFACE HOMEM MÁQUINA34
14.1 CONCEITOS ERGONÔMICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE IHM35
14.2 PLANEJAMENTO DO DESENVOLVIMENTO DA IHM36
14.2.1 Entendimento do Processo37
14.2.2 Tomada de Dados37
14.2.3 Banco de Dados37
14.2.4 Alarmes38
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14.2.6 Desenho das Telas40
14.2.7 Gráficos de Tendências41
14.2.8 Acesso e Segurança41
14.2.9 Padrão Industrial42
15 TECNOLOGIAS WEB42
16 LICENCIAMENTO DA IHM42
17 ALGUNS SOFTWARES DE SUPERVISÃO EXISTENTES NO MERCADO43
18 INTOUCH43
18.1 INSTALAÇÃO4
18.2 CRIANDO UMA APLICAÇÃO4
18.3 MODIFICANDO A LISTA DE DIRETÓRIOS DE APLICAÇÕES45
18.4 CRIANDO JANELAS46
18.4.1 Propriedades de uma janela47
18.5 DESENVOLVENDO APLICAÇÕES48
18.5.1 Tagname no Intouch48
18.6 ATIVIDADES BÁSICAS PARA A EDIÇÃO DE TELAS49
18.6.1 Nova aplicação50
18.6.2 Gráfico de Barras utilizando variável do sistema51
18.6.3 botão liga/desliga - Bomba - saída com estado da bomba52
18.6.4 Gráfico de Barras - valor entrado pelo operador - botão de deslocamento54
18.6.5 5. Visibilidade e Blink - Texto5
18.6.6 Tamanho de objeto - Detector de gás5
18.6.7 Movimentação de objetos - Esteira56
18.6.8 Script56
18.6.9 Script no botão - Ajuste Fino para o Gráfico de Barras57
18.6.10 WIZARD - botão Liga/Desliga58
18.6.1 WIZARD - botão Incremento/Decremento58
18.6.12 Script - animar a esteira58
18.6.13 Objeto mapa de bit59
18.6.14 Janela Popup - mensagem para o operador59
18.6.15 Gráfico de tendência60
18.6.16 Gráfico de Tendência Real60
18.6.17 Gráfico de Tendência Histórica60
18.6.18 Alarmes61
18.6.19 Sumário de alarmes61
18.6.20 Navegação entre janelas62
18.6.21 Prioridades - Criação de grupos de alarmes62
18.6.2 Botão de Reconhecimento de Alarmes62
18.6.23 Histórico de Alarmes - botões PagUp e PagDown63
18.6.24 Comunicação com equipamento de controle63
18.6.25 Comunicação com CLP64
18.6.26 Backup do aplicativo64
18.6.27 Atividade final65
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Figura 1 - Diagrama genérico de uma sistema SCADA10
Figura 2 - Diagrama básico esquemático SCADA com uso de um CLP1
Figura 3 – Arquitetura local de rede CLP com uso do CLP modular ou compacto12
Figura 4 - Arquitetura local de CLP com I/O remotos ou distribuídos (RTU de I/O)12
Figura 5 - Arquitetura de rede de CLPs13
Figura 6 - Diagrama básico esquemático SCADA com FIELDBUS14
Figura 7 - Diagrama basico esquemático SCADA com singleloop / multloop15
Figura 8 –Diagrama básico esquemático SCADA com DDC15
Figura 9 - Exemplo da flexibilidade da arquitetura de um sistema SCADA16
Figura 10 - Esquema dos sofwares básicos de uma estação de supervisão18
Figura 1 - Esquema lógico e físico de comunicação com CLPs distintos19
Figura 12 - Parâmetros de configuração de um tagname23
Figura 13 - Gráfico de tendência com taxa de amostragem baixa27
Figura 14- Eventos no InTouch30
Figura 15 - Conceito de objeto virtual34
Figura 16 - Esquema básico do sistema SCADA4
Figura 17 - Tela do gerenciador de aplicações do Intouch45
Figura 18 - Tela de inserção de nova aplicação46
Figura 19 - Tela de criação de nova janela47
Figura 20 - Tela de definição do tipo do Tagname49
Figura 21 - Tela com opções de script do Intouch57
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1 INTRODUÇÃO

O termo SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) na automação referese a sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados composto por um ou mais computadores monitorando e controlando um processo.

O processo pode ser industrial, infra-estrutura ou facilidade conforme descrito a seguir:

• Processos industriais incluem manufatura, geração de energia, refino de petróleo e muitos outros. Podem ser executados de forma contínua ou batelada. Os sinais tratados podem ser tanto analógicos quanto digitais;

• Processos de infra-estrutura podem ser públicos ou privados, e incluem tratamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto, linhas de óleo e gás, transmissão e distribuição de energia elétrica, e grandes sistemas de comunicação;

• Processos de facilidade ocorrem em instalações públicas e privado, incluindo edifícios, aeroportos, navios, plataformas offshore e estações espaciais. Esses sistemas monitoram e controlam HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) e consumo de energia.

O objetivo principal dos sistemas SCADA 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.

A utilização de sistemas SCADA permite uma série de vantagens se comparados com os paineis convencionais: o Redução de gastos com montagem de paineis de controle e projeto; o Redução de custos da aquisição de instrumentos de painel, pois no sistema SCADA são virtuais; o Eliminação de custos com peças de reposição, pois tratam-se de instrumentos virtuais; o Redução de espaço necessário para a sala de controle; o Dados disponívies em formato eletrônico, facilitando a geração de relatórios e integração com sistemas ERP (Enterprise Resource Planning) ou SIGE (Sistemas Integrados de Gestão Empresarial); o Praticidade da operação, pois os instrumentos são apresentados ao operador em um simples clique do dispositivo apontador;

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Instituto Federal Fluminese - IFF 6 o Entre outras.

Em contrapartida existe a necessidade de mão-de-obra capacitada para desenvolver as interfaces homem máquina (I.H.M.). Hoje os principais sistemas de supervisão oferecem três funções básicas:

• Funções de supervisão:

Inclui todos as funções de monitoramento do processo tais como: sinóticos animados, gráficos de tendência de variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressos, etc.

• Funções de operação:

Atualmente os sistemas SCADA substituíram com vantagens as funções da mesa de controle. As funções de operação incluem: ligar e desligar equipamentos e seqüência de equipamentos, operação de malhas PID, mudança de modo de operação de equipamentos, etc.

• Funções de controle: o Controle DDC ("Digital Direct Control")

Alguns sistemas de supervisão possuem uma linguagem que permite definir diretamente ações de controle, sem depender de um nível intermediário de controle representado por remotas inteligentes. Todas as operações de entrada e saída são executadas diretamente através de cartões de I/O ligados diretamente ao barramento do micro, ou por remotas mais simples. Os dados são amostrados, um algoritmo de controle como um controlador PID por exemplo, é executado, e a saída é aplicada ao processo (ação direta sobre uma variável manipulada). Isto entretanto só é possível quando a velocidade do processo assim o permite. Em alguns casos requisitos de confiabilidade tornam desaconselhável este tipo de solução. o Controle Supervisório:

Nesta classe de sistemas, os algoritmos de controle são executados pela unidade terminal remota (RTU), mas os set-points para as malhas de controle são calculados dinamicamente pelo sistema de supervisão de acordo com o comportamento global do processo. Esta arquitetura possui maior confiabilidade que os sistemas DDC e traz a vantagem de atuar sobre um grande número de malhas de controle simultaneamente enquanto o operador geralmente só consegue atuar malha a malha com um sistema convencional.

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Geralmente é utilizada uma interface tipo sistema especialista para definição das regras de controle a nível de supervisão. Este tipo de estratégia é muito utilizado para controle avançado na área mineral onde é comum o modelamento matemático da planta.

2 ARQUITETURA DO SISTEMA SCADA

O termo SCADA normalmente se refere a sistemas centralizados que monitoram e controlam locais inteiros, ou sistemas complexos de áreas grandes (sistemas com dimensões entre uma planta industrial e um país). Muitas ações de controle são executadas automaticamente através de unidades terminais remotas (RTUs) ou por controladores de lógica programáveis (CLPs). Normalmente o supervisório não executa os funções de controle. Por exemplo, um CLP pode controlar a temperatura regulando o fluxo de água fria em um processo industrial de resfriamento, mas o sistema de supervisão pode permitir para os operadores apenas mudar o set-point para a temperatura, habilita condições de alarme, exibir e registrar dados do processo. O loop de controle é executado pelo controlador, seja ele um CLP, multloop ou RTU de controle. Enquanto o supervisório monitora o sistema e o desempenho global dos loops de controle.

do sistema, registros históricos e tendências

A aquisição de dados é iniciada no nível da RTU ou PLC. O dados é compilado e então formatado de tal um modo que o operador da sala de controle possa tomar decisões e intervir no controle. Os dados lidos pelos I/O de campo podem ser armazenados em séries temporais permitindo cria um banco de dados de gerenciamento

Sistemas SCADA tipicamente implementam banco de dados distribuídos, geralmente chamado de banco de dados de tagname que contém dados dos pontos de I/O. Um ponto representa um único valor de entrada ou saída monitorada ou controlada pelo sistema. Um tagname pode estar endereçado a uma entrada ou saída física do equipamento de controle, assim como pode permitir a leitura e escrita de outros endereços da memória do equipamento de controle. Os tagnames normalmente são armazenados como pares valor-timestamp: um valor, e o timestamp quando foi registrado ou foi calculado. Uma série de pares valor-timestamp permitem criar o história daquele ponto. Que são visualizados pelo operador por meio de uma interface homem máquina.

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Uma Interface de Humano Máquina ou IHM é o aparato que apresenta dados de processo para o operador e por meio deste é possível intervir no processo.

As IHMs eram inicialmente plataformas proprietárias e por isso limitadas em seu campo de atuação. Atualmente, baseadas na plataforma PC, podem, além de desempenhar suas funções básicas descritas anteriormente, gerar relatórios para CEP (Controle Estatístico de Processos), impressão de relatórios, ou se comunicar via Ethernet/TCP-IP à rede corporativa.

Existem IHMs que podem ser aplicadas inclusive em ambientes ditos de “área classificada”, com risco de explosão devido, geralmente, à gases suspensos (como em plataformas de petróleo), ou em “salas limpas”, onde geralmente são laváveis e em aço inoxidável (como nas indústrias farmacêuticas).

A IHM é ligada com o banco de dados do sistema SCADA, promove registros, diagnóstico de dados e informação de administração como: procedimentos de manutenção, informação de logística, detalhes de agendamento e guias para resoluções de problemas. Além disso, a IHM geralmente apresenta graficamente as informações do processo na forma de sinópticos. Isto significa que o operador pode ver uma representação esquemática da planta que é controlado.

Os sinópticos fornecem uma representação gráfica geral da planta em substituição aos painéis sinóticos tradicionais. Cada sinótico representa uma área do processo em um certo nível de detalhe. Para se obter uma visão mais detalhada de uma determinada área pode-se recorrer a um novo sinótico, a um sinótico de hierarquia inferior (sub-sinótico), ou a uma visão de uma outra camada do mesmo sinótico (sistema "multi layer").

Para alguns tipos de processo, recomenda-se o uso de um sinótico tipo plano infinito que traz a representação global de uma sistema distribuído geograficamente, tal como um oleoduto, o sistema de controle de tráfego de uma cidade, um sistema de controle de subestações de trens, etc. Esta técnica é denominada full-graphics.

As telas possuem uma parte fixa denominada de máscara ou fundo e diversos campos dinâmico atualizados dinamicamente. Os primeiros sistemas supervisórios possuíam interface com o usuário semi gráfica. Todos os espaços vagos da tabela do gerador de caracteres eram preenchidos com símbolos especiais que permitiam representar os equipamentos de processo.

O sinóptico era formado pela justaposição dos caracteres gráficos, como num quebra-cabeças. Os símbolos utilizados para um determinado tipo de processo:

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Instituto Federal Fluminese - IFF 9 petroquímico, por exemplo, não serviam para representar um processo mineral ou de outra natureza.

No sistema gráfico ao contrário, o desenho é formado livremente pela combinação de entidades geométricas fundamentais como: retas, retângulos, elipses e círculos, texto bitmapeado e vetorados ("stroke-fonts"), arcos, poligonos, etc.

Após definidos, os símbolos são armazenados numa biblioteca. Se a representação armazenada corresponde a descrição das entidades geométricas tem-se um sinóptico orientado para geometria. Se o símbolo armazenado corresponde a uma configuração fixa de bits (mapa de bits), tem-se um editor bitmapeado.

O construtor de sinópticos é a ferramenta que permite ao usuário criar novos sinópticos. De preferência deve ser possível se usar o construtor com o sistema on-line. Alguns construtores são editores gráficos que definem duas estruturas de dados básicas: uma para a máscara e outra para os campos dinâmicos. Alguns construtores entretanto necessitam compilar a descrição de campos para obter um código executável para as animações.

Sinópticos com estrutura de dados geométrica (modelados) são mais flexíveis para modificações futuras e parecem ser uma tendência para sistemas SCADA atuais. Sinópticos bitmapeados são mais rápidos de se exibir e permitem definir um maior nível de detalhe para cada símbolo.

Atualmente os editores orientados para objetos são ainda mais flexíveis. Cada equipamento corresponde a um objeto. Os objetos podem ser transformados por translação, rotação e mudança de escala, podem ter qualquer uma de sua propriedades (atributos) alterada e ter ações complexas a ele associadas (click actions). O sistema se torna totalmente dirigido a eventos: eventos de processo e eventos de operação. O Intouch é um exemplo de supervisório que permite a configuração orientada os objetos na tela.

Os sistemas IHM modernos para Windows tipicamente são constituídos do programa de desenho (contrutor de sinóptico) e outro para execução da IHM.

Uma parte importante da maioria das implementações de sistemas SCADA são os alarmes. Um alarme é um estado digital de uma comparação realiada. Pode possuir dois valores: NORMAL ou ALARMADO. Um sistema SCADA normalmente consiste nos seguintes subsistema:

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• Estação de supervisão. Esta unidade promove a Interface Humano Máquina ou IHM é o aparato que apresenta dados de processo para o operador humano, e por meio deste o operador monitora e controla o processo. Esta IHM é provida por um conjunto software de supervisão mais microcomputador compatível com o sistema a ser executado;

• Um sistema de controle e/ou aquisição de dados. Geralmente o sistema de controle de tempo real é constituído de unidade separada da estação de supervisão. Pode ser um ou conjunto de Controlador Lógico Programável (CLP), controlador multloop, controlador single loop, Unidade Terminal Remota (RTU), entre outros. Essas unidades são conectadas aos sensores e atuadores do processo. Convertem os sinais dos sensor para dados digitais e dados digitais de controle para os atuadores. Em alguns casos a estação de supervisão desempenha a tarefa de executar os algoritmos de controle (DDC);

• Infra estrutura de comunicação que conecta a estação de supervisão as unidades de controle e, quando emprega-se Unidades Terminais Remotas (RTUs) de I/O, unidades de controle as RTUs de I/O. A figura 1 apresenta um diagrama que ilustra as partes de um sistema SCADA.

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