O que é um sistema SCADA: Arquitetura e seu funcionamento

Um grande número de processos ocorre em grandes estabelecimentos industriais. Cada processo que você precisa monitorar é muito complexo porque cada máquina fornece uma saída diferente. O sistema SCADA costumava coletar dados de sensores e instrumentos localizados em áreas remotas. O computador então processa esses dados e os apresenta imediatamente. O sistema SCADA reúne as informações (como ocorreu um vazamento em um duto) e transfere as informações de volta para o sistema, ao mesmo tempo em que dá os alertas de que o vazamento ocorreu e exibe as informações de maneira lógica e organizada. O sistema SCADA costumava ser executado em sistemas operacionais DOS e UNIX. Todo este processo é conhecido como automação . Este artigo descreve uma visão geral do sistema SCADA.

O que é um sistema SCADA?

SCADA significa controle de supervisão e aquisição de dados. É um tipo de programa aplicativo de software para controle de processos. SCADA é um sistema de controle central que consiste em controladores interfaces de rede, entrada / saída, equipamento de comunicação e software. Os sistemas SCADA são usados ​​para monitorar e controlar o equipamento no processo industrial que inclui manufatura, produção, desenvolvimento e fabricação. Os processos de infraestrutura incluem distribuição de gás e petróleo, energia elétrica e distribuição de água. Os serviços públicos incluem um sistema de tráfego de ônibus, aeroporto. O sistema SCADA faz a leitura dos medidores e verifica o estado dos sensores em intervalos regulares para que exija o mínimo de interferência de humanos.

Rede SCADA geral

História do SCADA

Anteriormente, o controle de plantas industriais e pisos de fabricação pode ser feito manualmente com a ajuda de equipamentos analógicos e botões. À medida que o tamanho da indústria está crescendo, eles empregaram temporizadores e relés para fornecer controle de supervisão a um nível fixo para automação mínima. Portanto, era necessário um sistema totalmente automatizado com um sistema mais eficiente para todas as indústrias.

Sabemos que, para fins de controle industrial, os computadores foram implantados no ano de 1950. A partir daí, foi implantado o conceito de telemetria tanto para transmissão de dados quanto virtual comunicação . No ano de 1970, o sistema SCADA foi desenvolvido juntamente com os microprocessadores e também o PLC.

Portanto, esses conceitos foram totalmente auxiliados no desenvolvimento de automação que é operada em indústrias remotamente. Os sistemas SCADA distribuídos foram implementados no ano 2000. Depois disso, novos sistemas SCADA foram desenvolvidos para monitorar e controlar dados em tempo real em qualquer lugar do globo.

Arquitetura do Sistema SCADA

Geralmente, o sistema SCADA é um sistema centralizado que monitora e controla toda a área. É um pacote de software puro posicionado no topo do hardware. Um sistema supervisório reúne os dados do processo e envia os comandos de controle para o processo. O SCADA é uma unidade terminal remota também conhecida como RTU.

A maioria das ações de controle são executadas automaticamente por RTUs ou PLCs. As RTUs consistem no conversor lógico programável que pode ser configurado para requisitos específicos. Por exemplo, na usina termelétrica, o fluxo de água pode ser definido para um valor específico ou pode ser alterado de acordo com a necessidade.

O sistema SCADA permite que os operadores alterem o ponto de ajuste do fluxo e habilite as condições de alarme em caso de perda de fluxo e alta temperatura, e a condição é exibida e registrada. O sistema SCADA monitora o desempenho geral do loop. O sistema SCADA é um sistema centralizado para se comunicar com a tecnologia com fio e sem fio para dispositivos Clint. Os controles do sistema SCADA podem operar completamente todos os tipos de processos industriais.

Por exemplo, se muita pressão estiver se acumulando em um gasoduto, o sistema SCADA pode abrir automaticamente uma válvula de liberação.

Arquitetura de Hardware

O sistema SCADA geralmente pode ser classificado em duas partes:

• Camada de cliente
• Camada de servidor de dados

A camada Clint atende à interação homem-máquina.

A camada do servidor de dados lida com a maior parte do processo de atividades de dados.

A estação SCADA refere-se aos servidores e é composta por um único PC. Os servidores de dados se comunicam com dispositivos em campo por meio de controladores de processo como PLCs ou RTUs. Os PLCs são conectados aos servidores de dados diretamente ou por meio de redes ou barramentos. O sistema SCADA utiliza redes WAN e LAN, a WAN e LAN consistem em protocolos de Internet usados ​​para comunicação entre a estação mestre e os dispositivos.

Os equipamentos físicos como sensores conectados aos PLCs ou RTUs. As RTUs convertem os sinais do sensor em dados digitais e enviam dados digitais para o mestre. De acordo com o feedback do mestre recebido pela RTU, ela aplica o sinal elétrico aos relés. A maioria das operações de monitoramento e controle são realizadas por RTUs ou PLCs, como podemos ver na figura.

Arquitetura de Hardware do Sistema SCADA

Arquitetura de software

A maioria dos servidores são usados ​​para multitarefa e banco de dados em tempo real. Os servidores são responsáveis ​​pela coleta e tratamento de dados. O sistema SCADA consiste em um programa de software para fornecer tendências, dados de diagnóstico e gerenciar informações como procedimentos de manutenção programada, informações logísticas, esquemas detalhados para um sensor ou máquina em particular e guias de solução de problemas de sistemas especializados. Isso significa que o operador pode ver uma representação esquemática da planta que está sendo controlada.

Arquitetura de Software SCADA

Os exemplos são verificação de alarme, cálculos, registro e arquivamento de controladores de sondagem em um conjunto de parâmetros, que normalmente são conectados ao servidor.

Sistema SCADA funcionando

O sistema SCADA executa as seguintes funções

• Aquisições de dados
• Comunicação de dados
• Apresentação de informações / dados
• Monitoramento / Controle

Essas funções são realizadas por sensores, RTUs, controladores, uma rede de comunicação. Os sensores são usados ​​para coletar informações importantes e os RTUs são usados ​​para enviar essas informações ao controlador e exibir o status do sistema. De acordo com o status do sistema, o usuário pode dar o comando a outros componentes do sistema. Esta operação é feita pela rede de comunicação.

Aquisições de dados

O sistema em tempo real consiste em milhares de componentes e sensores. É muito importante saber o status de componentes e sensores específicos. Por exemplo, alguns sensores medem o fluxo de água do reservatório para o tanque de água e alguns sensores medem o valor da pressão conforme a água é liberada do reservatório.

Comunicação de dados

O sistema SCADA usa uma rede com fio para se comunicar entre usuários e dispositivos. Os aplicativos em tempo real usam muitos sensores e componentes que devem ser controlados remotamente. O sistema SCADA usa comunicações pela Internet. Todas as informações são transmitidas pela internet por meio de protocolos específicos. Sensores e relés não são capazes de se comunicar com os protocolos de rede, portanto, as RTUs são utilizadas para comunicar sensores e interfaces de rede.

Apresentação de informações / dados

As redes de circuitos normais possuem alguns indicadores que podem ser visíveis para controle, mas no sistema SCADA em tempo real, existem milhares de sensores e alarmes que são impossíveis de serem tratados simultaneamente. O sistema SCADA usa o interface homem-máquina (HMI) para fornecer todas as informações coletadas dos vários sensores .

Monitoramento / Controle

O sistema SCADA usa diferentes interruptores para operar cada dispositivo e exibe o status da área de controle. Qualquer parte do processo pode ser LIGADA / DESLIGADA da estação de controle usando essas chaves. O sistema SCADA é implementado para funcionar automaticamente sem intervenção humana, mas em situações críticas, é manuseado por mão de obra.

Componentes SCADA

Os componentes do sistema SCADA incluem o seguinte.

Sistema de Supervisão

O sistema de supervisão funciona como um servidor de comunicação entre o software de interface homem-máquina dentro da sala de controle das estações de trabalho, bem como seus aparelhos, como RTUs, sensores, PLCs, etc. Sistemas SCADA menores incluem simplesmente um único computador pessoal para servir como um mestre sistema de outra forma supervisório, enquanto grandes sistemas SCADA incluem vários servidores, locais para recuperação de tragédias, bem como aplicativos de software distribuídos. Os servidores são conectados como formação hot-standby, caso contrário redundante dupla para monitorar a falha do servidor continuamente.

RTUs (unidades terminais remotas)

A UTR ou unidade terminal remota é um dispositivo eletrônico e também conhecida como unidade remota de telemetria. Este sistema compreende objetos físicos que têm interface por meio de RTUs.

O controle desses dispositivos pode ser feito por meio de microprocessadores. Aqui, microprocessadores são utilizados para controlar RTUs, que são usados ​​para transmitir os dados gravados para o sistema de supervisão. Os dados podem ser recebidos do sistema mestre para controle dos objetos conectados.

PLCs (controladores lógicos programáveis)

O termo PLC significa controladores lógicos programáveis ​​que são usados ​​em sistemas SCADA com a ajuda de sensores. Esses controladores são conectados aos sensores para converter o sinal de saída do sensor em dados digitais. Em comparação com RTUs, estes são usados ​​devido à sua flexibilidade, configuração, versatilidade e acessibilidade.

Infraestrutura de comunicação

No sistema SCADA, uma combinação de rádio e conexão direta com fio é usada. Mas, SONET ou SDH também podem ser utilizados para sistemas superiores, como estações de energia e ferrovias. Poucos protocolos padronizados 7 reconhecidos são usados ​​entre os protocolos SCADA compactos para entregar informações simplesmente uma vez que as RTUs são pesquisadas através da estação supervisora.

Programação SCADA

Na HMI, caso contrário, estação mestre, a programação SCADA é usada principalmente para fazer mapas, diagramas para fornecer informações muito importantes ao longo da progressão, caso contrário, quando ocorrer falha de evento. A maioria dos sistemas SCADA comerciais utiliza interfaces consistentes na linguagem de programação C, caso contrário, a linguagem de programação derivada também pode ser usada.

Interface homem-máquina

O sistema SCADA usa a interface homem-máquina. As informações são exibidas e monitoradas para serem processadas por um ser humano. HMI fornece acesso a várias unidades de controle que podem ser PLCs e RTUs. O HMI fornece a apresentação gráfica do sistema.

Por exemplo, ele fornece uma imagem gráfica da bomba conectada ao tanque. O usuário pode ver o fluxo da água e a pressão da água. A parte importante da HMI é um sistema de alarme que é ativado de acordo com os valores predefinidos.

Interface homem-máquina

Por exemplo , o alarme de nível de água do tanque está definido para valores de 60% e 70%. Se o nível de água ultrapassar 60%, o alarme emitirá um aviso normal e se o nível de água ultrapassar 70%, o alarme emitirá um aviso crítico.

Tipos de sistema SCADA

Os sistemas SCADA são classificados em quatro tipos, que incluem o seguinte.

• Sistemas SCADA monolíticos
• Sistemas SCADA Distribuídos
• Sistemas SCADA em rede
• Sistemas IoT SCADA

Sistemas SCADA monolíticos

Os sistemas SCADA monolíticos são chamados de sistemas iniciais ou de primeira geração. Nestes tipos de sistemas, são usados ​​minicomputadores. O desenvolvimento desses sistemas pode ser feito quando os serviços de rede comuns não estão disponíveis. O projeto desses sistemas pode ser feito como sistemas independentes, sem qualquer relação com outros sistemas.

Os dados podem ser coletados de todas as RTUs usando um mainframe de backup. As principais funções desses sistemas de primeira geração são restritas a processos de sinalização em casos de crise e para monitorar os sensores.

Sistemas SCADA Distribuídos

Os sistemas SCADA distribuídos são chamados de sistemas de segunda geração. A distribuição das funções de controle pode ser feita em vários sistemas conectando-se a uma rede local. As operações de controle podem ser realizadas compartilhando dados em tempo real e processamento de comandos.

Nestes tipos de sistemas, o tamanho e o custo de cada estação são reduzidos, entretanto não havia protocolos de rede consistentes. Como os protocolos eram proprietários, menos pessoas entendiam a segurança do sistema SCADA enquanto a instalação e esse fator eram amplamente ignorados.

Sistemas SCADA em rede

Os sistemas SCADA em rede também são conhecidos como sistemas de terceira geração. A rede e a comunicação dos sistemas SCADA atuais podem ser feitas usando o sistema WAN por meio de linhas de dados ou telefones. A transmissão de dados entre dois nós pode ser feita com o auxílio de conexões Ethernet ou de fibra óptica.

Este tipo de sistema SCADA usa PLC para ajustar e monitorar as operações de sinalização simplesmente quando houver a necessidade das escolhas principais.

Sistemas IoT SCADA

Os sistemas IoT SCADA são sistemas de quarta geração. Nesses sistemas, o custo de infraestrutura do sistema é reduzido pela implementação de IoT por meio computação em nuvem . Manter e integrar esses sistemas é fácil em comparação com outros.

Em tempo real, a condição desses sistemas pode ser relatada por meio da computação em nuvem. Portanto, a implementação de algoritmos como controle intrincado pode ser feita, os quais são freqüentemente usados ​​em CLPs comuns.

Segurança SCADA

Atualmente, as redes SCADA são amplamente utilizadas nas indústrias atuais para verificar e examinar dados em tempo real, os processos industriais podem ser controlados e se comunicar com dispositivos. Portanto, os sistemas SCADA são essenciais para organizações industriais porque esses sistemas incluem hardware e software. Portanto, a segurança do SCADA também é essencial nas indústrias.

O termo segurança SCADA é usado para proteger as redes SCADA que são fabricadas com hardware de computador. As redes SCADA usadas por alguns dos sistemas são eletricidade , gás natural, etc. As organizações privadas e governamentais tomaram as medidas dessas redes devido ao valioso papel de garantir a segurança dos sistemas SCADA.

Exemplos de segurança SCADA

As ameaças que ocorrem nos sistemas SCADA incluem o seguinte.

• Hackers
• Terroristas
• Malware
• Erro dentro

A fraqueza da segurança do SCADA ocorre principalmente pelos motivos a seguir.

• Mau treinamento
• Desenvolvimento de lacunas de aplicativo
• Problemas durante o monitoramento
• Menos manutenção

O sistema SCADA pode ser protegido mapeando todos os sistemas presentes, monitorando e detectando o instituto e criando processos para a segurança da rede.

Diferença entre PLC e SCADA

A diferença entre PLC e SCADA inclui o seguinte.

SCDA para planta industrial remota

Em grandes estabelecimentos industriais, muitos processos ocorrem simultaneamente e cada um precisa ser monitorado, o que é uma tarefa complexa. Os sistemas SCADA são usados ​​para monitorar e controlar os equipamentos nos processos industriais que incluem distribuição de água, distribuição de óleo e distribuição de energia. O objetivo principal deste projeto é processar os dados em tempo real e controlar o ambiente industrial remoto de grande escala. No cenário em tempo real, um sistema de registro de temperatura para uma operação de planta remota é utilizado.

Diagrama de blocos da planta industrial de controle de temperatura

Os sensores de temperatura são conectados ao microcontrolador, que é conectado ao PC na parte frontal, e o software é carregado no computador. Os dados são coletados dos sensores de temperatura. Os sensores de temperatura enviam continuamente o sinal para o microcontrolador, que exibe esses valores em seu painel frontal.

Pode-se definir os parâmetros como limite inferior e limite superior na tela do computador. Quando a temperatura de um sensor fica acima do ponto definido, o microcontrolador envia um comando ao relé correspondente. Os aquecedores conectados por meio de contatos de relé são DESLIGADOS e LIGADOS.

Este é um sistema de registro de temperatura. Aqui, 8 sensores de temperatura em modo de multiplexação são conectados ao microcontrolador através do ADC 0808. Em seguida, os valores de todos os sensores são enviados serialmente pelo microcontrolador através de Max 32 para a porta de comunicação do PC. Um software “DAQ System” carregado no PC pega esses valores e os mostra em seu painel frontal, e também os registra no banco de dados “daq.mdb”.

Pode-se definir pela forma interativa alguns parâmetros como set point, limite baixo e limite alto na tela do computador. Quando a temperatura de algum sensor aumenta além do ponto de ajuste, o microcontrolador envia comandos para o IC do driver do relé. Os aquecedores conectados por meio de contatos de relé são (específicos para aquele sensor) DESLIGADOS (ou LIGADOS no caso oposto). Limites altos e baixos são para alarme. Quando a temperatura ultrapassar o limite superior ou inferior, o alarme será acionado.

SCADA para planta industrial remota

Vantagens

As vantagens do sistema SCADA incluem o seguinte.

• A qualidade do serviço pode ser melhorada
• A confiabilidade pode ser melhorada
• O custo de manutenção é menor
• A operação pode ser reduzida
• Grandes parâmetros do sistema podem ser monitorados
• A mão de obra pode ser reduzida
• O tempo de reparo pode ser reduzido
• Detecção de falha e localização de falha
• Ele armazena uma grande quantidade de dados
• De acordo com a necessidade do usuário, ele exibe os dados em vários formatos.
• Milhares de sensores podem ter interface com o SCADA para controle e monitoramento
• Simulações de dados reais podem ser obtidas por operadores
• Dá resposta rápida
• É flexível e também escalonável ao adicionar recursos extras.
• O sistema SCADA fornece informações mecânicas e gráficas a bordo
• O sistema SCADA é facilmente expansível. Podemos adicionar um conjunto de unidades de controle e sensores de acordo com a necessidade.
• O sistema SCADA é capaz de operar em situações críticas.

Desvantagens

As desvantagens do sistema SCADA incluem o seguinte.

• É complexo em termos de módulos dependentes e unidades de hardware.
• Necessita de analistas, programadores e operadores qualificados para manter
• Alto custo de instalação
• As taxas de desemprego podem ser aumentadas
• Este sistema suporta dispositivos de hardware e software restrito

Formulários

As aplicações do sistema SCADA incluem o seguinte.

• Geração e Distribuição de Energia
• Transporte público
• Sistema de Água e Esgoto
• Manufatura
• Indústrias e edifícios
• Redes de comunicação
• Indústrias de petróleo e gás
• Geração, transmissão e distribuição de energia
• Distribuição de água e sistema de reservatório
• Edifícios públicos como sistema elétrico de aquecimento e refrigeração.
• Geradores e turbinas
• Sistema de controle de semáforo

Portanto, isso é tudo sobre uma visão geral do sistema SCADA (Controle de Supervisão e Aquisição de Dados). Esse sistema é controlado por um computador, usado para controlar e monitorar diferentes processos nas fábricas. Este sistema usa GUI (interface gráfica do usuário), comunicação de dados e gerenciamento estendido para sistemas de monitoramento. Aqui está uma pergunta para você, o que é PLC?

Crédito da foto:

• Rede SCADA geral por mycpanel