quinta-feira, 22 de novembro de 2012

IEC 61850 em Sistemas de Automação

IEC 61850 é um conjunto de normas que define e garante a interoperabilidade entre equipamentos usados em Sistemas de Automação de Subestações (SAS). Este conceito inicial foi expandido, e hoje abrange outros sistemas tais como centrais hidrelétricas, centrais de geração eólica e sistemas de distribuição inteligente (smart grids).
 
O uso do padrão IEC 61850 em sistemas supervisórios permite monitorar equipamentos a partir de leitura de dados de relés e RTUs e enviar comandos para operar seccionadoras e disjuntores. 
 
O primeiro grande benefício do uso do IEC 61850 é a funcionalidade de auto-discovery. Esta funcionalidade permite que um driver de comunicação cliente IEC 61850, instalado junto com um supervisório, interrogue um driver servidor IEC 61850, em um equipamento, solicitando a lista de pontos existentes no equipamento e recebe como resposta a lista de pontos do equipamento. Esta função reduz em muito o tempo de configuração de pontos dos equipamentos no supervisório.
 
O segundo benefício é a padronização do mapeamento dos dados (incluindo nomes) nos equipamentos, imposto pelo IEC 61850. Este mapeamento define o nome do ponto e sua estrutura, de forma que a corrente média da fase A em qualquer equipamento que implementa o IEC 61850 será um ponto flutuante com o seguinte nome:
 
MX$A1$phsA$instCVal$Mag$f R Float
 
No nome acima ainda serão apostos dois prefixos que correspondem ao nome/endereço do relé e o nó lógico em que está alocada esta variável. A padronização de nomes facilita sobre maneira a vida do configurador do supervisório, pois ele não precisa usar uma tabela de endereçamento para identificar os pontos.
 
O terceiro benefício consiste na padronização dos métodos de comunicação. Para o supervisório ler dados / receber dados do equipamento o protocolo prevê o método de pooling (varredura periódica), ou seja, o supervisório estabelece uma taxa de varredura e dispara leituras ao equipamento nesta taxa. Porém, o mais usual em sistemas elétricos é o equipamento enviar dados para o supervisório somente quando os dados sofrem alteração. Para esta modalidade, o protocolo previu dois métodos:
 
Buffered Reports: o equipamento envia os dados e o supervisório envia uma confirmação de que os dados foram recebidos e que estão íntegros. Enquanto o equipamento não recebe esta confirmação, ele continua realizando retentativas de envio. Deve ser usado em aplicações do tipo SOE (Sequence Of Events).
 
Unbuffered Reports: o equipamento envia os dados que sofreram alteração, porem não espera por confirmação do supervisório. Muito bom para ler as variáveis físicas do sistema elétrico (tensão, corrente, potência, etc.).

O protocolo prevê também o envio de comandos (escrita do supervisório para o equipamento) nas modalidades tradicionais: comando direto (Select Before Operate), comando por pulso ou comando por memória (Let). O supervisório também pode enviar valores de set-point para o equipamento.
 
Acrescido de uma interface OPC, o driver cliente IEC 61850 permite monitorar dados de sistemas de energia em qualquer aplicação de supervisório / SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ou DCS (Distributed Control System) provido de uma interface Cliente OPC. Assim, abre a possibilidade de monitorar informações vindas dos sistemas elétricos no mesmo software-aplicativo que monitora a área de produção de uma planta industrial.
 
 
Exemplo de configuração de um driver IEC 61850 com interface OPC
 

Redundância de Servidores OPC


Maior Disponibilidade dos Dados do Chão de Fábrica

A tecnologia OPC é um dos desenvolvimentos mais bem-sucedidos na área de software para automação industrial. Hoje em dia praticamente todas as aplicações (seja supervisório, historiador, aplicativo de MES, gerenciador de alarmes) oferecem interface OPC DA. A tecnologia OPC DA provou ser confiável em praticamente todas as situações que requerem acesso a dados de dispositivos e sistemas. Com o sucesso da tecnologia OPC, não é de se admirar que tantos aplicativos e soluções passassem a depender desta tecnologia para a disponibilidade dos dados. 
 
As aplicações não podem perder a conexão com suas fontes de dados. Falhas de comunicação causam perda de produtividade, geração de rejeitos, redução da qualidade e até risco de vida.
 
Há muitos fatores que podem afetar a qualidade e a confiabilidade dos dados. Pode ocorrer falha na conexão entre a aplicação cliente e o servidor OPC, seja por um problema no computador onde roda o servidor OPC, uma falha na rede, ou até mesmo uma falha humana que cause o desligamento do servidor OPC. Em outros casos, a conexão entre o servidor e o cliente OPC pode estar funcionando perfeitamente, mas pode haver falha na conexão entre o servidor OPC e os dispositivos. Nestes casos, o servidor OPC está funcionando corretamente, mas não é capaz de fornecer os dados.
 
O diagrama abaixo apresenta uma arquitetura típica. Todas as aplicações cliente OPC estão acessando um único servidor OPC e este servidor OPC é o único responsável pela coleta de dados dos dispositivos. Se por qualquer motivo, falhar a conexão com o servidor OPC ou falhar a conexão com os dispositivos, as aplicações ficaram sem acesso aos dados. Para aumentar a confiabilidade do sistema, é necessário remover esses pontos únicos de falha.
 
 
Para eliminar o ponto único de falha, deve-se usar mais de um servidor OPC, ou seja, um par de servidores OPC redundantes. O problema é que isto requer que a aplicação cliente OPC seja capaz de gerenciar esta redundância.
 
Algumas aplicações tem a capacidade nativa de gerenciar a redundância de servidores OPC ou tem esta funcionalidade como opcional. Para estas aplicações nenhum software adicional é necessário, a menos que a solução não atenda algum critério técnico do usuário ou por razões de custo. Se o aplicativo cliente OPC não tiver esta capacidade é preciso então buscar outra solução.
 
Alguns usuários decidem desenvolver rotinas em seus sistemas para implementar o gerenciamento da redundância. Apesar de parecer uma boa solução, o desenvolvimento de rotinas pode apresentar problemas. Elas precisam ser criteriosamente testadas para garantir o funcionamento correto em situações críticas. Qualquer modificação no sistema implica em realizar todos os testes novamente. Além disso, é necessário treinar a equipe para suportar e manter estas rotinas. Em alguns casos, as rotinas não realizam o chaveamento de forma confiável ou podem causar falsos chaveamentos, por não serem otimizadas exclusivamente com objetivo de gerenciar a conexão aos servidores OPC redundantes.
 
Uma alternativa às rotinas é o uso de um software de gerenciamento de redundância específico que é instalado junto ao cliente OPC. Estes softwares são tipicamente otimizados para gerenciar a conexão com os servidores OPC redundantes, garantindo o desempenho do sistema.
 
Normalmente estes gerenciadores de redundância permitem a configuração de:
  • Critério que determina o chaveamento para o servidor secundário;
  • Servidor preferencial;
  • Critério para restaurar a comunicação com servidor primário;
  • Monitoramento da conexão;
  • Armazenamento dos eventos de chaveamento e;
  • Envio de notificação quando ocorre o chaveamento.

O software de gerenciamento da redundância deve ser capaz de ser inserido no sistema sem a necessidade de mudanças na configuração do cliente OPC ou do servidor OPC. O gerenciador de redundância deve “aparecer” como servidor OPC para o seu cliente OPC. Para a aplicação cliente OPC deve ser transparente se a conexão está sendo feita ao servidor OPC primário ou ao secundário. A aplicação cliente OPC não deve perceber que houve o chaveamento entre os servidores OPC, mas é importante que esteja ciente de que o evento ocorreu para sinalizá-lo, de forma que sejam tomadas medidas corretivas necessárias.
 
 
Em resumo, o software de gerenciamento de redundância aumenta a confiabilidade e a disponibilidade de dados OPC, permitindo que múltiplos servidores OPC sejam configurados em pares redundantes. Assim como em qualquer item de um bom projeto ele deve ser considerado o quanto antes possível, na fase inicial de projeto.

OPC Tunneling: uma alternativa ao DCOM no chão de fábrica

A facilidade de comissionamento e a simplicidade para estabelecer a comunicação Cliente / Servidor OPC, quando instalados em um mesmo computador, são as razões principais para a popularidade e a difusão do uso da Tecnologia OPC. O mesmo não pode ser dito quando Cliente e Servidor OPC são instalados remotamente, em computadores interligados por rede. Por exemplo, um sistema supervisório com driver Cliente OPC em um computador e um driver de comunicação com interface Servidor OPC em outro computador, interligados por rede.
 
O uso da tecnologia COM/DCOM é a responsável pelo sucesso da Tecnologia OPC, mas também é a fonte das dificuldades quando se trata de uma conexão remota. A Segurança DCOM controla as conexões remotas feitas aos programas instalados em um computador. A Segurança DCOM evita que um programa remoto controle um programa em seu computador, exatamente o comportamento de um vírus ou malware. De forma que, para estabelecer a comunicação entre o Cliente e o Servidor OPC remotos, é necessário fazer ajustes na Segurança DCOM para definir permissões de acesso e outras permissões necessárias. Este ajuste da Segurança DCOM, normalmente, requer um especialista com conhecimento nesta área.
 
Para responder a essa dificuldade, os desenvolvedores criaram uma tecnologia chamada “OPC Tunneling”, baseado em TCP/IP, e que pode ser usada para substituir o DCOM na comunicação remota entre o Cliente e o Servidor OPC. Com esta tecnologia, o Cliente OPC em um computador se conecta ao componente túnel em sua máquina e o Servidor OPC em outro computador se conecta ao componente túnel em sua máquina. Os componentes do túnel comunicam entre si, através da rede, transferindo os dados OPC entre os computadores e consequentemente entre o Cliente e o Servidor OPC remotos.
 
 
A Tecnologia OPC Tunnelling é usada apenas no transporte dos dados entre os computadores remotos. A atualização de dados entre os componentes remotos do túnel é feita por espelhamento, ou seja, se ocorre a mudança de valor de uma variável em uma ponta o novo valor é automaticamente transferido para a outra ponta (e vice versa). Não se usa mecanismo de transferência periódica, o que torna a comunicação OPC Tunnelling muito eficiente. Normalmente a comunicação OPC Tunnelling oferece as opções de transferência de dados com ou sem criptografia, aumentando a segurança caso esta transferência seja feita entre computadores situados em locais diferentes.
 
A Tecnologia OPC Tunnelling pode ser usada através de firewall ou pela internet, estendendo o alcance da Tecnologia OPC que não opera nestes ambientes. Configurar uma comunicação OPC Tunnelling é muito simples, é necessário apenas informar a porta e o endereço IP do componente túnel remoto (nos dois lados).
 
O uso desta tecnologia também transforma a comunicação Cliente / Servidor OPC remota em algo simples de configurar e fácil de comissionar. Existem, no mercado, diversos produtos que implementam a Tecnologia OPC Tunnelling.

Servidor de Comunicação OPC: otimizando a rede de automação

Ao longo dos anos, os desenvolvedores de softwares de automação desenvolveram drivers de comunicação dedicados para cada dispositivo de campo e seus diferentes protocolos de comunicação. O desenvolvimento da tecnologia OPC padronizou a interface de comunicação e permitiu que mais de um aplicativo de software com interface Cliente OPC pudesse buscar dados de um mesmo Servidor OPC. Abriu-se a oportunidade para se ter o conceito de um Servidor de Comunicação OPC, reduzindo drasticamente o número de interfaces entre os diversos sistemas de automação com os inúmeros dispositivos de campo.


Figura 1: Acesso aos dados diretamente no CLP



Figura 2: Acesso aos dados usando um Servidor de Comunicação OPC

O uso de um Servidor de Comunicação OPC centralizado reduz o número de interfaces e algumas de suas vantagens são:
  • Otimiza o tempo de resposta dos CLPs reduzindo a quantidade de mensagens solicitadas, uma vez que o mesmo dado necessário no sistema supervisório e no sistema historiador é consultado uma única vez.
  • Diminui o custo de novos projetos de automação e de gerenciamento da produção, não sendo necessário adquirir um driver de comunicação para cada novo sistema.
  • Facilita a manutenção dos sistemas de automação, havendo apenas um único driver de comunicação para gerenciar.
  • Diminui custo de projetos de ampliações, permitindo aproveitar controladores existentes.
  • Reduz o risco de paradas na produção devido a falhas nos controladores.
Com a nova topologia, o Aplicativo Cliente (um supervisório com driver cliente OPC) roda em um computador e os drivers OPC do Servidor de Comunicação OPC rodam em outro computador. Desta forma é necessário implementar uma comunicação remota cliente / servidor OPC. Como a Tecnologia OPC depende do DCOM para a troca de dados em rede e o ajuste do DCOM para comunicação entre máquinas remotas nem sempre é simples e direto, o uso da tecnologia OPC Tunneling é uma boa alternativa. A Tecnologia OPC Tunneling torna simples a configuração da troca de dados entre sistemas remotos, aumentando a segurança e confiabilidade.

Com o uso de um Servidor de Comunicação OPC todos os dados dependem agora deste sistema. Para aumentar a disponibilidade do sistema, em sistemas de missão crítica, é interessante prever a Redundância de Servidores de Comunicação.