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O que é um sistema SCADA
O termo SCADA significa “Supervisory Control And Data Acquisition”. Esta definição descreve claramente as suas funções e objetivos: supervisão, controlo e aquisição de dados.
Um sistema SCADA é geralmente composto pelos seguintes elementos:
Um ou mais computadores interligados entre si, responsáveis pelas funções de supervisão e, em especial, pela interface homem-máquina
Uma série de unidades periféricas (RTUs, módulos deI/O ou PLCs) que se comunicam diretamente com o processo (maquinário, instalação, etc.) através de sensores e atuadores
Uma rede de comunicação, caracterizada por uma multiplicidade de meios de transmissão e protocolos de comunicação, capaz de garantir a correta troca de dados entre os computadores de supervisão e as unidades periféricas
Por software SCADA entende-se o ambiente de desenvolvimento integrado que disponibiliza todas as ferramentas necessárias para criar aplicações SCADA destinadas a ser executadas nos computadores de supervisão, a fim de cumprir as funções próprias dos sistemas SCADA: supervisão, controlo e aquisição de dados.
Supervisão
A supervisão deve permitir ao operador observar o estado de um processo e acompanhar a sua evolução no tempo através da análise da sucessão de estados.
Na prática, a supervisão é realizada através de uma interface homem-máquina (IHM), cuja eficácia depende da sua capacidade de fornecer uma representação clara e imediata do processo, da sua evolução e das anomalias em relação ao comportamento esperado.
Por isso, a forma como a informação é visualizada torna-se fundamental, uma vez que os dados sobre o estado do processo devem ser transmitidos ao operador humano com clareza e precisão.
Por exemplo, uma mudança de estado numa bomba pode ser representada por um ícone que muda de cor, os valores de pressão ao longo do tempo podem ser visualizados através de um gráfico, e o disparo de um alarme pode ser apresentado numa janela pop-up.
Controlo
A função de controlo de um sistema SCADA fornece ao operador a capacidade de intervir nos processos, quer manualmente, quer através de comportamentos pré-programados.
É importante salientar que um sistema SCADA não realiza o controlo de processo em tempo real, que compete antes aos controladores PLC. Neste contexto, o controlo refere-se à modificação intencional do comportamento do processo; por exemplo, pode ser enviada ao processo uma receita de produção diferente.
Como exemplo mais prático, podemos imaginar um processo que necessita de uma gama específica de temperatura; a camada de controlo em tempo real acciona os atuadores para manter a temperatura, enquanto o sistema SCADA determina o setpoint desejado, que pode provir da introdução do operador, de uma receita ou até ser calculado pelo programa a partir de outras variáveis.
Aquisição de dados
Por aquisição de dados entende-se principalmente a transferência de informação dos dispositivos periféricos para o computador de supervisão, mas também no sentido inverso; note-se que esta comunicação bidirecional é indispensável, uma vez que o controlo do processo pelo sistema de supervisão exige o envio de comandos ao processo, além da recolha dos seus dados.
Das três características dos sistemas SCADA, a aquisição de dados é a função principal, uma vez que, ao estabelecer a comunicação entre o processo e a supervisão, fornece a esta toda a informação sobre o estado do processo, necessária para tornar possível a sua observação.
O objetivo da aquisição de dados é garantir a transferência fiável e precisa de informação entre o processo e o sistema de supervisão, num contexto caracterizado por uma multiplicidade de meios de transmissão e protocolos de comunicação diferentes.
O que é o software SCADA
Por software SCADA entende-se um ambiente de desenvolvimento que permite criar aplicações de supervisão SCADA HMI. Existem diferentes software SCADA, de vários fabricantes, com diferenças significativas de preço e desempenho. No entanto, todos os software SCADA, independentemente da complexidade, apresentam características comuns que abrangem os seguintes aspetos: comunicação, interface homem-máquina, informação de processo, relatórios e arquitetura.
As funções de comunicação são conseguidas através de ferramentas de desenvolvimento e bibliotecas de drivers para trocar dados com dispositivos industriais (PLCs, reguladores, multímetros, etc.) de diversos fabricantes do setor da automação industrial. A transferência de dados é feita através de variáveis configuráveis e é possível graças a protocolos de comunicação como OPC, Siemens, Omron, Allen Bradley, Modbus RTU, Modbus TCP, KNX, Bacnet, etc.
A interface homem-máquina consiste em ferramentas de desenvolvimento e bibliotecas gráficas para a criação de sinóticos estáticos e animados. É importante salientar que a forma como a informação é apresentada é fundamental para o sucesso de uma aplicação SCADA.
Os módulos de informação de processo fornecem ferramentas de desenvolvimento utilizadas para comunicar ao operador humano o estado atual (dados online) do processo e a sua evolução (dados históricos). Dois componentes fundamentais desta funcionalidade são a gestão de alarmes e a representação gráfica (tendências) das variáveis registadas ao longo do tempo.
As funcionalidades de relatórios fornecem ferramentas de desenvolvimento para registar, organizar e processar dados. Isto é conseguido através da criação de ficheiros de relatório destinados à revisão da produção e ao controlo de qualidade. Os relatórios podem descrever um lote de produção específico, destacar as suas características e verificar a sua conformidade com os requisitos estabelecidos.
O aspeto de arquitetura descreve um conjunto de ferramentas e princípios de conceção para construir um sistema complexo de aplicações interligadas. Estas aplicações devem poder comunicar entre si através de redes locais (LAN) ou públicas (Internet) e ser acessíveis a múltiplos operadores, tanto local como remotamente através de um navegador web.
Vantagens do software SCADA
As aplicações SCADA são amplamente utilizadas na maioria dos setores industriais e oferecem valor significativo para empresas de todos os portes, independentemente do seu setor de atividade. O software SCADA é simples e intuitivo e foi projetado como o ambiente de desenvolvimento ideal para criar aplicações SCADA complexas.
As aplicações SCADA trazem várias vantagens; entre elas, podem aumentar a produtividade ao realizar tarefas repetitivas e monótonas sem intervenção humana, reagir mais rápida e consistentemente aos alarmes e reduzir os riscos ambientais ao permitir uma detecção e resposta mais rápida a condições anormais de operação. De forma mais geral, os sistemas SCADA fornecem as seguintes capacidades principais:
Fornecem uma grande quantidade de informações do processo. Todos os dados obtidos de sensores e dispositivos de controle em tempo real (CLPs) são coletados, armazenados e posteriormente processados para controle de qualidade, diagnóstico de eficiência e otimização da produção.
Oferecem uma visão clara e intuitiva da planta. A interface homem-máquina (IHM) fornece uma representação gráfica de todo o processo, sua evolução e as anomalias no comportamento esperado. Isso garante que os dados do estado do processo sejam apresentados ao operador com clareza e precisão.
Escalam facilmente e se adaptam ao crescimento dos sistemas. A arquitetura modular e flexível do software SCADA permite adaptar-se às mudanças em ambientes industriais em expansão e responder eficazmente aos desafios de um mercado globalizado.
Permitem o controlo centralizado de sistemas distribuídos. Muitos sistemas industriais, como os serviços públicos (água, eletricidade, etc.), estão geograficamente distribuídos por grandes áreas, exigindo tradicionalmente pessoal permanente no local ou visitas periódicas de técnicos de manutenção. As aplicações SCADA permitem a supervisão remota dos equipamentos de campo e o acesso à informação do sistema a partir de qualquer lugar através de um navegador web.
Tipos de software SCADA
Uma primeira distinção diz respeito ao tipo de plataforma de software:
Trata-se de plataformas dedicadas, constituídas por software desenvolvido "ad hoc" para supervisionar uma máquina ou instalação específica. Podem ser desenvolvidas pelo próprio fabricante que fornece a máquina a supervisionar, ou por uma empresa de software com base nas especificações fornecidas pelo cliente, por exemplo, para supervisionar uma instalação. Embora normalmente o operador possa alterar os parâmetros de configuração e as receitas de produção, este tipo de software de supervisão tem uma limitação fundamental: não pode crescer nem adaptar-se a condições de utilização diferentes das inicialmente previstas.
As plataformas abertas são concebidas para oferecer versatilidade, disponibilizando ao utilizador um ambiente de desenvolvimento integrado para criar uma aplicação SCADA, ou seja, as ferramentas necessárias para gerir as funções típicas de uma aplicação SCADA (protocolos de comunicação com os dispositivos de campo, bibliotecas gráficas para os sinóticos, etc.). O software está estruturado em dois níveis: um primeiro nível comum a todos os utilizadores, constituído pela plataforma SCADA, e um segundo nível, específico da máquina ou instalação a supervisionar, constituído pela aplicação SCADA desenvolvida pelo utilizador. A grande vantagem da plataforma aberta em relação à fechada é deixar ao utilizador a total possibilidade de ampliar ou modificar o projeto.
Um sistema SCADA pode consistir num único PC de supervisão conectado a dispositivos de campo. Esta é a configuração mais comum, embora não necessariamente a mais simples. Esses sistemas podem monitorizar várias instalações, por vezes distribuídas a grandes distâncias ou em vastas áreas geográficas; a complexidade depende também do número de variáveis a gerir (de poucas até dezenas de milhares), do número de dispositivos de campo ligados e dos protocolos de comunicação utilizados. O caso mais simples é um único PC conectado a uma única máquina, normalmente através de um só PLC; conhecido como SCADA-HMI.
Um sistema SCADA pode também consistir em vários PCs interligados entre si, que podem interagir através de redes locais (LAN) ou públicas (Internet), organizados numa hierarquia de vários níveis. A arquitetura mais comum apresenta um único PC central, ao qual se ligam vários PCs de segundo nível; estes PCs de segundo nível podem ser organizados por critérios geográficos (cada PC responsável por uma área diferente) ou funcionais (cada PC responsável por uma função diferente); o PC principal permite aceder a todos os dados do sistema a partir de um local centralizado.
Finalmente, uma terceira distinção diz respeito aos requisitos de tempo real:
Os sistemas SCADA clássicos não têm requisitos específicos de tempo real. A sua função principal continua a ser adquirir informação do processo para fornecer uma visão resumida do estado, sinalizar rapidamente o surgimento de alarmes, registar toda a informação e gerar relatórios destinados aos responsáveis de produção e qualidade. O envio de dados para o campo costuma limitar-se à configuração da instalação ou ao envio de receitas de processo; mesmo quando o SCADA é responsável pelo controlo do processo, aceita-se que possam ocorrer atrasos superiores a um segundo.
Outros sistemas SCADA exigem restrições de tempo real mais rigorosas. Esses sistemas geralmente consistem em vários microcontroladores conectados a um PC supervisor por meio de uma rede local e dependem de operação determinística com tempos de resposta em nível de milissegundos. Nestes casos, fala-se mais propriamente em sistemas DCS que, devido ao seu custo elevado, só se justificam em instalações de grande porte que exigem níveis excecionais de confiabilidade, precisão e segurança.
Escolha do Software SCADA
A escolha do software SCADA depende de vários fatores, incluindo preferências pessoais, complexidade da aplicação, funcionalidades necessárias, orçamento disponível e restrições impostas pelo cliente. Outro aspeto relevante é o tempo necessário para aprender o software, que aumenta com a sua complexidade. O uso de software mais complexo justifica-se normalmente em sistemas industriais grandes e complexos cujo custo ultrapassa em várias ordens de grandeza até o dos sistemas SCADA mais caros, tornando o custo das licenças e o tempo de desenvolvimento menos relevantes. Para sistemas mais pequenos e menos dispendiosos, é geralmente preferido um software mais simples e acessível, com menor necessidade de formação. Assumindo que o projeto requer uma aplicação relativamente simples, com um único PC ligado a vários dispositivos e sem requisitos rigorosos de tempo real, devem ser considerados os seguintes pontos:
Tamanho do projeto: o primeiro aspeto a considerar é o número de variáveis necessárias (tag) que devem ser partilhadas com os dispositivos externos. A escolha da licença, os tempos de resposta do sistema e o tempo de desenvolvimento dependem do número de tags.
Compatibilidade com dispositivos de campo: é essencial verificar se o software SCADA fornece todos os protocolos de comunicação necessários pelos dispositivos de campo; alternativamente, pode ser instalado um servidor OPC compatível no PC de supervisão. Um servidor OPC atua como intermediário entre a aplicação SCADA e os dispositivos de campo, expondo os seus dados através da interface OPC padrão.
Integração com outros softwares: se a aplicação tiver de interagir com outros sistemas empresariais como MES ou ERP, esta capacidade deve ser verificada. Isto é normalmente conseguido através dos protocolos OPC UA Client/Server.
Acessibilidade via navegador: se for necessário acesso remoto à aplicação através do navegador em dispositivos desktop ou móveis, esta capacidade deve ser verificada.
Compatibilidade com SGBD externo: se a aplicação tiver de interagir com um SGBD externo (MySQL, etc.) para registo de dados ou consultas via API (SELECT, INSERT, UPDATE, etc.), esta capacidade deve ser verificada.
Manutenção remota: se a aplicação tiver de fornecer uma interface para configurar dispositivos remotos (PLCs) sem acesso direto à rede (por exemplo IP fixo ou DNS), esta capacidade deve ser verificada.
A escolha do software SCADA e da respetiva licença deve equilibrar sempre a funcionalidade desejada com os custos, bem como os tempos de desenvolvimento e aprendizagem. Por vezes, o software mais potente não é a melhor solução, pois algumas funcionalidades podem não ser necessárias. Um software com menos funcionalidades pode ser mais barato, mais fiável, menos complexo e mais fácil de usar. O suporte técnico rápido e eficaz é um aspeto frequentemente subestimado que influencia fortemente o resultado final e deve ser considerado.
SCADA, IoT e Indústria 4.0
IoT (Internet of Things) e IIoT (Industrial Internet of Things) referem-se a qualquer tecnologia utilizada para ligar objetos (sensores, atuadores, veículos, módulos domóticos, etc.) à internet e enviar os seus dados para a nuvem através de protocolos de comunicação leves como o MQTT.
Para responder à crescente procura de aplicações na nuvem, os sistemas SCADA evoluíram para integrar e potenciar a Internet Industrial das Coisas. A combinação destas duas tecnologias permitiu que a recolha de dados dos processos industriais se tornasse mais rápida, mais precisa e ainda mais segura (cibersegurança).
Devido à sua arquitetura, estes sistemas são especialmente adequados para:
manutenção remota, diagnóstico remoto e controlo remoto
monitorização e controlo das condições de funcionamento das máquinas
monitorização do consumo de energia e água e redução de emissões
controlo de qualidade dos sistemas e processos de produção
Estes sistemas implementam as principais tecnologias habilitadoras (Key Enabling Technologies – KET) da Indústria 4.0 (SCADA, IoT, cloud, big data, cibersegurança) e vão perfeitamente ao encontro das diretrizes estabelecidas no Plano Nacional Indústria 4.0 de Itália, introduzido através da Lei do Orçamento de 2017.
Exemplos de aplicações SCADA
O desenvolvimento de aplicações SCADA tem origem na automação industrial como resposta à necessidade de sistemas de controlo centralizados capazes de aceder a toda a informação do processo de forma unificada, com especial foco na fiabilidade da instalação através da gestão de alarmes e apoio à manutenção.
As aplicações SCADA são amplamente utilizadas em setores de automação industrial como plástico, madeira, alimentação, cerâmica, têxtil e embalagem, apoiando a otimização da produção através de funções automatizadas como controlo de qualidade, conformidade regulamentar, monitorização de eficiência e relatórios.
Com o tempo, os sistemas SCADA expandiram-se para além da automação industrial, abrangendo a monitorização remota de redes de serviços públicos (eletricidade, água, ferrovias, etc.), automação de edifícios e automação residencial.
Abaixo apresenta-se um conjunto de exemplos de aplicações SCADA:
