{"id":318,"date":"2019-03-25T17:30:17","date_gmt":"2019-03-25T20:30:17","guid":{"rendered":"http:\/\/xexeu.elipse.com.br\/pt\/aquisicao-de-dados-criticos-e-redundancia-em-sistemas-scada\/"},"modified":"2019-05-09T11:44:12","modified_gmt":"2019-05-09T14:44:12","slug":"aquisicao-de-dados-criticos-e-redundancia-em-sistemas-scada","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/kb.elipse.com.br\/en\/aquisicao-de-dados-criticos-e-redundancia-em-sistemas-scada\/","title":{"rendered":"Aquisi\u00e7\u00e3o de Dados Cr\u00edticos e Redund\u00e2ncia em Sistemas SCADA."},"content":{"rendered":"
\n

1) Introdu\u00e7\u00e3o<\/span><\/p>\n

Devido a sua flexibilidade, os sistemas SCADA (Supervisory, Control and Data Acquisition) podem ser utilizados em uma grande variedade de processos, que incluem sua aplica\u00e7\u00e3o como ferramenta de an\u00e1lise operacional, dependendo das condi\u00e7\u00f5es desejadas, mas principalmente na aquisi\u00e7\u00e3o de dados e monitoramento. Em geral, os sistemas SCADA s\u00e3o usados com efici\u00eancia quando existe um grande n\u00famero de vari\u00e1veis a serem coletadas em intervalos relativamente pequenos (da ordem de segundos).<\/p>\n

Para algumas aplica\u00e7\u00f5es como (por exemplo) sistemas de vibra\u00e7\u00e3o, s\u00e3o necess\u00e1rios equipamentos e softwares espec\u00edficos para maior efici\u00eancia com poucas vari\u00e1veis a taxas muito menores (da ordem de milissegundos). Isto n\u00e3o impede, entretanto, que os softwares SCADA conectem-se a qualquer tipo de sistema – inclusive sistemas de monitoramento r\u00e1pidos – focando, por\u00e9m, as informa\u00e7\u00f5es em n\u00edvel operacional e gerencial. Um exemplo desse caso \u00e9 a coleta de perturba\u00e7\u00f5es em rel\u00e9s de prote\u00e7\u00e3o, conhecidos como arquivos COMTRADE. Esses arquivos cont\u00eam uma imagem de um per\u00edodo onde houve uma perturba\u00e7\u00e3o no sistema que est\u00e1 sendo monitorado. Apesar de possuir dados com resolu\u00e7\u00e3o de milissegundos, \u00e9 poss\u00edvel que um sistema SCADA capture os arquivos ap\u00f3s a ocorr\u00eancia da perturba\u00e7\u00e3o, para an\u00e1lise nos pr\u00f3prios consoles do sistema.<\/p>\n

2) Arquitetura de sistemas atuais<\/span><\/p>\n

Nos sistemas SCADA mais modernos, que trabalham com o conceito de servidores e consoles de opera\u00e7\u00e3o, a distribui\u00e7\u00e3o do processamento tem arquitetura bastante flex\u00edvel, podendo alocar todas as principais tarefas de monitoramento e supervis\u00e3o num \u00fanico computador ou separar as principais atividades em diversas unidades, com op\u00e7\u00e3o de redund\u00e2ncia nativa em cada uma delas. Podemos ver um exemplo dessa arquitetura na Figura 1<\/span>.<\/p>\n

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\nFigura 1<\/span>: Exemplo de arquitetura de sistema SCADA usando o E3, da Elipse Software<\/span><\/div>\n

A aquisi\u00e7\u00e3o dos dados pode ocorrer atrav\u00e9s de qualquer servidor OPC ou por drivers de comunica\u00e7\u00e3o nativos, que permitem um bom grau de otimiza\u00e7\u00e3o na comunica\u00e7\u00e3o e flexibilidade de configura\u00e7\u00e3o, inclusive de forma online. Podem ser alocados servidores apenas para execu\u00e7\u00e3o destes processos, que reportam as modifica\u00e7\u00f5es nos dados para outras m\u00e1quinas atrav\u00e9s de OPC ou de outros protocolos sobre TCP\/IP que, trabalhando em modo de exce\u00e7\u00e3o, reportam os dados no padr\u00e3o VQT (Valor, Qualidade e TimeStamp).<\/p>\n

3) Por que utilizar redund\u00e2ncia?<\/span><\/p>\n

Quando os sistemas SCADA passaram a adotar o conceito de thin client, em contraposi\u00e7\u00e3o a arquiteturas tradicionais rich client (onde cada esta\u00e7\u00e3o SCADA deveria ter uma c\u00f3pia n\u00e3o sincronizada de toda a base de dados), alguns t\u00e9cnicos passaram a criticar esta nova filosofia pela centraliza\u00e7\u00e3o em um \u00fanico servidor as principais atividades do sistema, criando um ponto vulner\u00e1vel.<\/p>\n

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\nFigura 2<\/span>: Arquitetura tradicional Rich Client versus arquitetura Thin Client<\/span><\/div>\n

A resposta para esse problema foi em criar um mecanismo de redund\u00e2ncia nativa para os servidores, de modo que, em situa\u00e7\u00e3o de failover (troca entre os servidores), as esta\u00e7\u00f5es clientes (ou thin clients) automaticamente redirecionassem o tr\u00e1fego para o novo servidor ativo. Na arquitetura demonstrada na Figura 1<\/span>, podemos ver um exemplo de redund\u00e2ncia em servidores que fazem o trabalho de consolida\u00e7\u00e3o e distribui\u00e7\u00e3o dos dados.<\/p>\n

A redund\u00e2ncia em equipamentos de aquisi\u00e7\u00e3o tamb\u00e9m \u00e9 suportada. Dessa forma, os drivers de comunica\u00e7\u00e3o podem chavear para o pr\u00f3ximo dispositivo dispon\u00edvel quando for percebida uma falha espec\u00edfica, e n\u00e3o somente quando houver erros de comunica\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

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\nFigura 3<\/span>: Distribui\u00e7\u00e3o de atividades em pares redundantes<\/span><\/div>\n

Avan\u00e7ando um pouco mais na solu\u00e7\u00e3o, atrav\u00e9s do uso de mecanismos de sincroniza\u00e7\u00e3o de arquivos e bases de dados, j\u00e1 \u00e9 poss\u00edvel distribuir partes das tarefas de um sistema complexo em diversos servidores, com a op\u00e7\u00e3o de redund\u00e2ncia em pares. Dessa forma, entretanto, ainda se mant\u00eam os benef\u00edcios em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 arquitetura antecessora, como o sincronismo autom\u00e1tico das telas de processo entre todas as consoles de opera\u00e7\u00e3o e outras facilidades de manuten\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

4) Arquitetura triplamente redundante<\/span><\/p>\n

Para sistemas onde o principal problema n\u00e3o \u00e9 exatamente o tamanho da aplica\u00e7\u00e3o, mas sim a necessidade de opera\u00e7\u00e3o 24×7 com MTBF (Mean Time Between Failures) de muitos anos, ou seja, com alto \u00edndice de confiabilidade, alguns usu\u00e1rios podem preferir uma arquitetura triplamente redundante para os servidores.<\/p>\n

Entretanto, a \u00fanica raz\u00e3o pr\u00e1tica para utilizar essa arquitetura em termos de servidores SCADA seria o fato de que quando houver uma falha em um servidor (e durante o tempo que esse estiver sendo reparado), a opera\u00e7\u00e3o ficar\u00e1 centralizada em apenas um servidor, sendo interessante ent\u00e3o que neste momento uma terceira m\u00e1quina possa assumir a funcionalidade de reserva.<\/p>\n

Mesmo que a possibilidade de que isto realmente venha a ocorrer seja bastante question\u00e1vel, j\u00e1 existem solu\u00e7\u00f5es de mercado que permitem tal configura\u00e7\u00e3o. A quest\u00e3o \u00e9 que se por algum motivo o MTTR (Mean Time To Repare) for alto, pode valer a pena manter uma m\u00e1quina pronta para assumir a atividade.<\/p>\n

Uma das arquiteturas poss\u00edveis para atender esse requisito exibe um servidor principal, um servidor standby ativo ou “quente” (com drivers de comunica\u00e7\u00e3o ativos ou n\u00e3o) e mais um terceiro servidor em standby inativo ou “frio”. Dessa forma, o caso o servidor principal fique indispon\u00edvel, o servidor standby passa a ser o principal, e o servidor inativo pode manualmente ou automaticamente ser colocado em standby ativo, caso o dano verificado no primeiro servidor seja suficiente para que essa atitude seja tomada.<\/p>\n

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\nFigura 4<\/span>: Exemplo de configura\u00e7\u00e3o com tr\u00eas servidores redundantes<\/span><\/div>\n

Entretanto, vale ressaltar que o MTBF de servidores redundantes j\u00e1 \u00e9 alto o suficiente para a grande maioria das aplica\u00e7\u00f5es, visto que esse n\u00famero \u00e9 calculado elevando-se o MTBF de cada servidor ao quadrado:
\nMTBF Par Redundante = (MTBF Individual)2<\/p>\n

5) Aquisi\u00e7\u00e3o de dados cr\u00edticos<\/span><\/p>\n

O estabelecimento de prioridades de aquisi\u00e7\u00e3o pode depender muito da rede e do protocolo utilizados. Para protocolos que suportam um sistema de exce\u00e7\u00e3o, ou seja, que transmitem apenas as mudan\u00e7as nos dados, a prioridade j\u00e1 \u00e9 definida pela pr\u00f3pria ordem em que as modifica\u00e7\u00f5es ocorrem. J\u00e1 para os protocolos que trabalham em sistema de polling, pode-se definir uma taxa de atualiza\u00e7\u00e3o individual ou de grupo mais baixa para as vari\u00e1veis mais cr\u00edticas, fazendo com que as demais vari\u00e1veis passem naturalmente a ter taxas um pouco mais altas.<\/p>\n

Como resultado da necessidade de se obter mais facilidade na administra\u00e7\u00e3o de sistemas de automa\u00e7\u00e3o e aquisi\u00e7\u00e3o de dados, temos visto o surgimento de novas redes e protocolos que permitem uma intera\u00e7\u00e3o muito mais abrangente e confi\u00e1vel com os dispositivos de ch\u00e3o de f\u00e1brica.<\/p>\n

Para se ter uma id\u00e9ia, em um protocolo tradicional e baseado em polling como o Modbus, \u00e9 necess\u00e1rio que o engenheiro ou t\u00e9cnico respons\u00e1vel pela configura\u00e7\u00e3o do sistema conhe\u00e7a todo o mapa de mem\u00f3ria Modbus no equipamento de campo. Cada endere\u00e7o deve ser identificado, tipado (ou seja, informar se \u00e9 um n\u00famero inteiro, real, texto, etc.) e ainda fica por conta da mesma pessoa definir uma taxa de polling ou scan individual, de grupo ou geral, isso tudo no pr\u00f3prio sistema SCADA. Isto porque as funcionalidades oferecidas pelo Modbus s\u00e3o bastante limitadas, apesar de bastante difundidas e de simples implementa\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

J\u00e1 em novos protocolos e redes, como o IEC 61850, Fieldbus HSE e SNMP (utilizado para monitora\u00e7\u00e3o de redes Ethernet), apenas para citar alguns exemplos, est\u00e3o dispon\u00edveis novos servi\u00e7os que, entre outros benef\u00edcios, privilegiam o tr\u00e1fego de informa\u00e7\u00f5es cr\u00edticas pelo modelo de comunica\u00e7\u00e3o por exce\u00e7\u00e3o, inclusive pelo uso de mensagens n\u00e3o solicitadas, onde o equipamento envia automaticamente os dados mais cr\u00edticos sem uma solicita\u00e7\u00e3o do servidor.<\/p>\n

Al\u00e9m disso, uma metodologia para identifica\u00e7\u00e3o autom\u00e1tica da base de dados dos equipamentos, ou Device Browsing, permite poupar um tempo enorme no desenvolvimento dos aplicativos, al\u00e9m de diminuir o aparecimento de erros de digita\u00e7\u00e3o ou configura\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Isso n\u00e3o impede, entretanto, que algumas otimiza\u00e7\u00f5es possam ser feitas em protocolos de polling tradicionais. Uma otimiza\u00e7\u00e3o poss\u00edvel seria o agrupamento de vari\u00e1veis em posi\u00e7\u00f5es pr\u00f3ximas, de modo a criar blocos virtuais de comunica\u00e7\u00e3o, com o objetivo de diminuir o n\u00famero de requisi\u00e7\u00f5es aos equipamentos. Isso faz com que se ocupe menos a rede, permitindo atualizar um maior n\u00famero de vari\u00e1veis por unidade de tempo.<\/p>\n

6) Atualiza\u00e7\u00e3o dos dados nos consoles de opera\u00e7\u00e3o<\/span><\/p>\n

Quanto \u00e0 interface gr\u00e1fica do operador, essa pode ser visualizada em qualquer computador ou em alguns sistemas, em dispositivos m\u00f3veis sem fio tipo PDA, que recebem tanto as interfaces gr\u00e1ficas (telas) quanto as vari\u00e1veis de processo atrav\u00e9s dos servidores principais.<\/p>\n

Importante observar que o envio das informa\u00e7\u00f5es coletadas pelos drivers de comunica\u00e7\u00e3o, depois de processadas pelos servidores de aplica\u00e7\u00e3o at\u00e9 chegarem \u00e0 interface gr\u00e1fica do operador, deve ocorrer da maneira mais otimizada poss\u00edvel, para que o atraso entre a chegada do dado no servidor de comunica\u00e7\u00e3o e sua atualiza\u00e7\u00e3o na tela do console de opera\u00e7\u00e3o ocorra de forma praticamente instant\u00e2nea.<\/p>\n

A solu\u00e7\u00e3o encontrada para esta comunica\u00e7\u00e3o baseia-se no conceito Publish-Subscribe. Nesta t\u00e9cnica, o servidor possui um contexto de informa\u00e7\u00f5es e um canal de comunica\u00e7\u00e3o dedicado e por exce\u00e7\u00e3o para cada console do operador. O console, ao abrir uma ou mais telas de supervis\u00e3o, faz uma assinatura das vari\u00e1veis que precisa ter atualizadas no servidor.<\/p>\n

O servidor, por sua vez, mant\u00e9m uma lista de assinaturas internamente para cada console que est\u00e1 logado. Quando uma vari\u00e1vel sofre uma altera\u00e7\u00e3o no servidor, automaticamente os seus processos internos verificam se algum console possui aquela vari\u00e1vel assinada atualmente. Caso positivo, essa notifica\u00e7\u00e3o \u00e9 inserida numa fila de notifica\u00e7\u00f5es que deve ser enviada para cada console.<\/p>\n

Dependendo de algumas configura\u00e7\u00f5es no sistema, \u00e9 poss\u00edvel definir que as filas de notifica\u00e7\u00f5es sejam enviadas somente ap\u00f3s terem atingido um certo tamanho ou tempo m\u00e1ximo, ou ent\u00e3o que sejam esvaziadas instantaneamente.<\/p>\n

Este sistema de notifica\u00e7\u00f5es pode ainda passar por mais um processo (criptografia e compacta\u00e7\u00e3o) que possui finalidade dupla: n\u00e3o apenas ele dificulta a a\u00e7\u00e3o de hackers e mant\u00e9m a seguran\u00e7a operacional de uma planta, como tamb\u00e9m diminui o tamanho das mensagens e o tempo de tr\u00e1fego, principalmente em redes de menor banda.<\/p>\n

Em contrapartida, esta tarefa exige mais processamento das m\u00e1quinas (tanto clientes como servidores) no processo de compacta\u00e7\u00e3o ou descompacta\u00e7\u00e3o, por isso em alguns casos pode at\u00e9 tornar mais lenta a resposta – por\u00e9m oferecendo maior seguran\u00e7a.<\/p>\n

7) Novas fronteiras<\/span><\/p>\n

Atualmente, as novas redes e protocolos permitem estabelecer m\u00e9todos de troca de dados bastante eficientes, o que faz com que as preocupa\u00e7\u00f5es atuais estejam voltadas para o fator humano no sistema, caso seja necess\u00e1rio que a interpreta\u00e7\u00e3o do dado cr\u00edtico seja feita por um operador humano. Um problema que desperta muita aten\u00e7\u00e3o \u00e9 o ac\u00famulo de mensagens de eventos (ou alarmes) para o mesmo operador, problema esse que encontra poucas solu\u00e7\u00f5es dispon\u00edveis no mercado.<\/p>\n

A principal quest\u00e3o est\u00e1 no fato de que a grande maioria dos SDC (Sistemas Digitais de Controle – onde se encontram os sistemas SCADA e SDCDs) n\u00e3o possuem ferramentas adequadas para o tratamento de grande quantidade de alarmes. Dessa forma, os operadores de sistemas, como seres humanos, possuem um limite de processamento de mensagens a cada intervalo de tempo. Em situa\u00e7\u00f5es de estresse cont\u00ednuo ou mesmo de avalanches, o excesso de mensagens geradas pode fazer com que os operadores passem a desprez\u00e1-las.<\/p>\n

Nesse contexto, entendemos que os softwares SCADA deveriam fornecer mais ferramentas que pudessem auxiliar os operadores nesses momentos, como por exemplo, distinguindo quais s\u00e3o as a\u00e7\u00f5es mais importantes e devem ter uma resposta mais imediata, e quais t\u00eam prioridade mais baixa, por serem apenas consequ\u00eancia de outros eventos.<\/p>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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