SCADA_Hardware_Firmware - DCA

SUPERVISÃO E
CONTROLE
OPERACIONAL DE
SISTEMAS
Prof. André Laurindo Maitelli
DCA-UFRN
SISTEMAS SCADA –
HARDWARE e
FIRMWARE
Conceitos
 Um sistema SCADA é um sistema
constituído por um número de Unidades
Terminais Remotas (RTUs), coletando
dados de campo e transmitindo a uma
estação mestre via um sistema de
comunicação
 A estação mestre apresenta os dados
adquiridos e permite ao operador realizar
tarefas de controle remotamente
Conceitos
 Um sistema SCADA difere de um sistema
de controle de processos pelo operação
remota
 O SCADA é uma integração de vários subsistemas
Conceitos
 Em um sistema SCADA complexo existem
cinco níveis hierárquicos:
 Nível de instrumentação de campo e
dispositivos de controle
 RTUs
 Sistema de comunicação
 Estações mestres
 Sistema de processamento de dados
Tecnologias
• Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD)
– as funções de aquisição de dados e de controle são
realizadas por unidades microprocessadas distribuídas,
situadas próximas dos dispositivos controlados
– usados em sistemas que necessitam de grande
velocidade de processamento e transmissão de dados
Tecnologias
• Controladores Lógicos Programáveis (PLC)
–
–
–
–
usados desde os anos 90
utilizam módulos de entrada e saída
linguagem de programação Ladder
são utilizados na implementação de um sistema
SCADA, praticamente como uma solução
padrão de hardware
Tecnologias
• Instrumentos Inteligentes (Smart)
– significam usualmente sensores ou atuadores
microprocessados
– permitem comunicação com outros dispositivos
Vantagens na Implantação de
um Sistema SCADA
• Melhoria operacional da planta ou processo
• Acréscimo da produtividade do pessoal
• Melhoria na segurança do sistema, devido a
maior
quantidade
de
informações
disponíveis
• Proteção dos equipamentos da planta
• Proteção ao meio ambiente
• Menor consumo de energia, devido à
otimização da planta
Unidades Terminais Remotas
RTUs
• Uma RTU é uma unidade de controle,
geralmente microprocessada, que monitora
e controla equipamentos localizados longe
da estação central
• A sua tarefa primária é controlar e adquirir
dados dos equipamentos de processo na
localização remota e transferir estes dados
para a estação central
Componentes de uma RTU
• Processador e memória associada
• Módulos analógicos (entradas e saídas):
multiplexador,
amplificador,
amostrador
segurador, conversor A/D
• Módulos digitais (entradas e saídas)
• Interfaces de comunicação: RS-232/RS-485,
linhas telefônicas dedicadas ou discadas,
microondas, satélite
• Fonte de potência
• Rack
CLPs usados como RTUs
• São equipamentos microprocessados muito
utilizados para o controle de equipamentos
e processos industriais
• Podem ser programados para executar uma
grande variedade de funções
• Apresentam grande robustez para a
aplicação em ambientes industriais
CLPs usados como RTUs
• Os CLPs são comuns em sistemas SCADA
pelas seguintes razões:
–
–
–
–
–
–
solução econômica
versatilidade e flexibilidade
facilidade de projeto e instalação
controle avançado
fisicamente compacto
fácil diagnóstico e detecção de falhas
A Estação Mestre
• Uma estação mestre tem uma ou mais
estações de operação conectadas a um
sistema de comunicação, consistindo de
modem e rádio transmissor/receptor
• Uma estação mestre tem duas funções
principais:
– obter periodicamente dados das RTUs e
estações sub-mestres
– controlar dispositivos remotos através da
estação de operação
Combinações possíveis
Arquitetura Típica da Estação Mestre
Arquitetura da Estação Sub-Mestre
Arquiteturas de Comunicação
• Existem basicamente duas arquiteturas de
comunicação mais usadas:
– Ponto-a-ponto
– Multi-ponto
Ponto-a-Ponto
• Os dados são exportados entre duas estações
• A comunicação pode ser em modo
– full-duplex: transmitindo e recebendo simultaneamente
em 2 freqüências distintas
– simplex: uma única freqüência
Multi-ponto
• Nesta configuração geralmente existem uma
estação mestre e múltiplas estações escravas
• Quando duas estações escravas necessitem
transferir dados entre elas, elas o farão através da
estação mestre
• É possível duas estações escravas comunicarem-se
diretamente entre si (peer-to-peer), com aumento
da complexidade do sistema.
Filosofias de Comunicação
• Existem basicamente
comunicação:
duas
filosofias
de
– Polled ou mestre-escravo
– Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection
(CSMA/CD)
• Uma maneira de reduzir a quantidade de dados
transferidos de um ponto a outro é trabalhar por
exceção (excepction reporting)
• Em sistemas de rádio, a excepction reporting é
normalmente associada a CSMA/CD.
• Mas, excepction reporting pode ser aplicada a
sistemas com grande massa de dados a serem
transferidos
Polled
• Pode ser usado em uma configuração ponto-aponto ou ponto-multiponto, sendo a filosofia mais
simples
• A estação mestre está no controle total do sistema
de comunicação e faz requisições regulares e
repetitivas de dados a cada uma das estações
remotas
• É essencialmente uma metodologia half-duplex em
que a estação escrava somente responde a uma
requisição da estação mestre
Polled
• Vantagens:
– Software simples
– Falha de comunicação rapidamente detectada
– Não ocorrem colisões na rede
• Desvantagens:
– A estação mestre atende a uma estação remota
por vez
– Sistemas com baixa transferência de dados são
desnecessariamente lentos
– Não permite a comunicação direta entre
estações escravas
Ilustração do polling
DLE EOT: Data Link Escape
End of Transmission
CSMA/CD (peer-to-peer)
• Comunicação entre RTUs:
– Em uma situação em que uma RTU quer
comunicar-se com outra, uma solução seria a
RTU responder a seu polling com uma
mensagem com um endereço destino diferente
do endereço da estação mestre
– A mestre examinaria o campo de endereço
destino na mensagem recebida e a retransmitiria
a estação remota apropriada
– Esta técnica pode ser utilizada em uma rede
mestre-escravo e quando existir um grupo de
estações com status igual
CSMA/CD (peer-to-peer)
• CSMA/CD:
– Esta técnica pode ser utilizada unicamente em casos em
que todos os nós tem acesso ao mesmo meio
– Todos os dados são transmitidos pelo nó de transmissão
encapsulando os dados em um frame que contém o
endereço do nó destino na cabeça do frame
– Todos os nós lêem o frame e o nó que identificar o seu
endereço na cabeça do frame lê o dado e responde
– O sistema deve evitar colisões “escutando” inicialmente
o meio antes de iniciar a transmissão
– Caso o meio esteja ocupado, o sistema espera, caso
esteja livre, transmite
– Se ocorrer uma colisão, toda transmissão é
interrompida, sendo emitido um sinal para anunciar a
ocorrência de uma colisão
– Para evitar colisões sucessivas, o nó espera um período
aleatório e volta a transmitir
CSMA/CD
• Exception Reporting:
– É uma técnica para reduzir transferências
desnecessárias de dados
– É um método popularmente usado com a filosofia
CSMA/CD, e pode ser utilizado no polled em casos em
que existe uma grande quantidade de dados sendo
transferidos desde as remotas
– As estações remotas monitoram as suas entradas
– Quando existe uma mudança de estado, a estação
remota escreve um bloco de dados para a mestre,
quando esta fizer o polling com a remota
– Razões para utilizar report by exception:
• Baixa taxa de transmissão do canal de comunicação (<4800
bps)
• Poucos dados sendo monitorados na remota
• Existência de muitas RTUs ligadas à estação mestre (>10)
CSMA/CD
• O tipo de exception reporting depende da
aplicação e pode ser:
• Limites máximo e mínimo (alarmes) de uma
variável analógica
• Percentual de mudança de uma variável analógica
• Intervalos de tempo máximo e mínimo