SCADA Systems Supervision and Operational Control: Hardware and Firmware

1. SUPERVISÃO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

2. SISTEMAS SCADA – HARDWARE e FIRMWARE

3. 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

4. Um sistema SCADA difere de um sistema de controle de processos pelo operação remota O SCADA é uma integração de vários sub-sistemas Conceitos

6. 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

8. 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

9. 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

10. Tecnologias • Instrumentos Inteligentes (Smart) • significam usualmente sensores ou atuadores microprocessados • permitem comunicação com outros dispositivos

11. 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

12. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. Combinações possíveis

19. Arquitetura Típica da Estação Mestre

20. Arquitetura da Estação Sub-Mestre

21. Arquiteturas de Comunicação • Existem basicamente duas arquiteturas de comunicação mais usadas: • Ponto-a-ponto • Multi-ponto

22. 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

23. 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.

24. Filosofias de Comunicação • Existem basicamente duas filosofias de comunicação: • 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

25. Polled • Pode ser usado em uma configuração ponto-a-ponto 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

26. 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

27. Ilustração do polling DLE EOT: Data Link Escape End of Transmission

28. 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

29. 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

30. 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)

31. 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