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Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI I
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ALEXANDRE BARATELLA LUGLI
UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ANÁLISE DE
TOPOLOGIA E TRÁFEGO PARA REDES ETHERNET INDUSTRIAIS.
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica como
parte dos requisitos para obtenção do Título
de Mestre em Ciências em Engenharia
Elétrica.
Área de concentração: Automação e Sistemas
Elétricos Industriais.
Orientador(a): Dra. Profa. Lúcia Regina
Horta Rodrigues Franco.
Dezembro de 2007
Itajubá - MG
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Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI II
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer em especial à minha esposa Thays, à empresa Sense
Eletrônica, na figura do Sr. Sérgio Augusto Bertoloni pelo apoio e ajuda nos momentos
decisivos deste trabalho, aos meus pais Silvana e José Roberto e meu irmão Arthur pela
ajuda nos momentos difíceis que passei até chegar aqui e aos meus grandes amigos
Humberto Figueiredo de Carvalho, Edson Beraldo Júnior e Otávio de Souza Martins Gomes
pela ajuda técnica neste trabalho.
À minha orientadora, Profa. Dra. Lúcia Regina Horta Rodrigues Franco, pela
paciência e atenção em suprir minhas lacunas de conhecimento e experiência, na análise e
correção do texto da dissertação, bem como nas informações e conselhos que auxiliaram na
elaboração do modelo final e sua realização prática.
E finalmente a Deus que, ao me presentear com características pessoais essenciais,
me delegou a capacidade de utilizá-las em proveito de minha evolução pessoal e de toda a
humanidade.
A TODOS, A MINHA ETERNA GRATIDÃO.
Dezembro – 2007
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Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI III
DEDICATÓRIA
Dedico carinhosamente este trabalho à minha esposa e à minha mãe, pela
persistência e coragem que elas me passaram para enfrentar os grandes
desafios deste trabalho. Obrigado!
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI IV
RESUMO
A arquitetura do protocolo TCP/IP é uma das redes mais difundidas para comunicação
à longa, média e curtas distâncias envolvendo computadores. Assim, tentando uma
padronização das redes industriais, há alguns anos, tal padrão foi implementado também no
meio industrial.
O trabalho explora esta tecnologia, porém voltada para os ambientes industriais. A
grande dificuldade do usuário final de redes industriais é iniciar o processo produtivo da sua
planta, devido a erros de projetos e dificuldades na configuração do sistema. Várias pessoas
encontram dificuldades em dimensionar física e logicamente tais redes. Um erro nessa etapa
significa muita perda de tempo e de custo com a planta parada e com o baixo desempenho da
rede, ocasionando em perdas de tempos e altos custos para reparos da planta da industrial.
O objetivo do trabalho é propor uma ferramenta computacional, independente da
tecnologia de rede em questão (todas as redes Ethernet industriais utilizam arquitetura TCP/IP
e camada física padronizada IEEE802.3), onde o usuário possa realizar uma série de testes
para possibilitar a conexão e instalação dos elementos da rede com o menor tempo e custo
possível. Foram realizadas diversas simulações e comparações a fim de testar e validar a
ferramenta computacional.
Essa ferramenta computacional implementada pode ser utilizada por qualquer pessoa
afim com a área de redes industriais, auxiliando e evitando grandes perdas no projeto de
plantas industriais.
Palavras Chaves: Redes Industriais, Ethernet, Simulação, Meio Físico, Análise Física e
Análise Lógica.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI V
ABSTRACT
The standard protocol TCP/IP is one of the most wild spread architectures for long,
average and short distances involving computers. So, for trying the industrial networks
standardization, there are some years, it was also implemented in the industrial way.
The work explores this technology, however gone back to the industrial atmospheres.
The industrial networks final user has great difficulty to accomplish the start up of its plant,
due to mistakes of projects and difficulties in the configuration of the system. Many people
have physically and logically difficulties in projecting such industrial networks. An error in
this stage means a lot of waste of time and cost with the stopped plant and with the bad
operation of the network, having a low efficiency of the system.
The subject of the work is to propose a software tool, independent on the network in
subject (all industrial Ethernet networks use architecture TCP/IP and physical layer
standardized IEEE802.3), where the user can accomplish a lot of tests to make possible the
connection and installation of the elements of the network with the smallest time and cost.
Several simulations and comparisons were fulfilled in order to test and to validate the
accomplished software.
The software tool can be used by anybody from the industrial networks area, helping
and avoiding great problems in the industrial start up.
Key Words: Industrial Networks, Ethernet, Simulation, Physical Layer, Physical
Analysis and Logical Analysis.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI VI
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resumo dos tipos de comunicação para rede Ethernet/IP. ....................................18
Tabela 2 – Comparativo H1/HSE. ...........................................................................................19
Tabela 3 – Características físicas das redes Ethernet industriais. ............................................20
Tabela 4 – Principais funções dos elementos do software. ......................................................29
Tabela 5 – Atenuação do cabo Ethernet industrial em função da freqüência. ........................37
Tabela 6 – Comparativo entre as rede industriais.....................................................................60
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI VII
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 – Cálculo do tempo utilizado para cada módulo, bytes de entrada.........................33
Equação 2 - Cálculo do tempo utilizado para cada módulo, bytes de saída.............................33
Equação 3 – Cálculo do tempo utilizado total (todos os módulos de campo)..........................33
Equação 4 – Cálculo do tempo disponível. ..............................................................................33
Equação 5 – Porcentagem de cada módulo em relação ao tempo total disponível. .................34
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI VIII
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
ARP – Address Resolution Protocol
AS-i – Actuator Sensor Interface
CAN – Controller Área Network.
CBA – Component Based Automation
CIP – Control Information Protocol
CPU – Central Processing Unit
CRC – Cyclic Redundancy Check
CSMA/CD – Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect
DARPA – Defense Advance Research Projects Agency
dB – Unidade de Decibel
DC/DC – Direct Current/Direct Current
DP – Decentralized Periphery
EDS – Electronic DataSheet
ENIP – Protocolo de rede Ethernet / Industrial Protocol
EPA – Ethernet for Plant Automation
EPL – Ethernet PowerLink
FLEX I/O – módulo de campo para redes industriais fabricado pela empresa Rockwell
FSK – Frequency Shift Keying
FTP – File Transfer Protocol
Gbps – 10
9
bits transmitidos em um segundo.
GSD – General Station Description
HSE – High Speed Ethernet
HTTP – Hyper Text Transfer Protocol
ICMP – Internet Control Message Protocol
IGMP – Internet Group Management Protocol
IEC – International Electric Committee
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IHM – Interface Homem-Máquina
I/O – Input/Output
IP – Internet Protocol
IP67 – Índice de proteção número 67 (a prova de submersão em água até 30
centímetros)
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI IX
IRT – Isochronous Real Time
ISO – International Standards Organization
Kbps – 10
3
bits transmitidos em um segundo
Km – Unidade de Quilômetros
m – Unidade de metros
MAC – Media Access Control
Mbps – 10
6
bits transmitidos em um segundo
ms – 10
-3
segundos
nF – 10
-9
Faradays
Non-RT – Non Real Time
ODVA – Open Device Vendors Association
OSI – Open System Interconnection
PD – Powered Device
pF – 10
-12
Faradays
PLC – Programable Logic Controller
PoE – Power over Ethernet
PSE – Power Sourcing Equipments
PSK – Phase Shift Keying
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
RARP – Reverse Address Resolution Protocol
RFC – Request for Comments
RJ – Registered Jack, número 45
SNMP – Simple Network Management Protocol
SRT – Soft Real Time
TCP – Transport Control Protocol
TCP/IP – pilha de protocolos para comunicação a longa, média ou pequena distância
UDP – User Datagram Protocol
UML – Unified Modeling Language
us – 10
-6
segundos
Vac – Tensão no modo alternado
Vcc – Tensão no modo contínuo
WWW – World Wide Web
XML – Extensible Markup Language
∑ – Somatório
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI X
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Classificação e divisão dos Fieldbuses. ..................................................................2
Figura 2 – Arquitetura industrial típica. ....................................................................................3
Figura 3 – Conector RJ 45 industrial e cabo blindado para rede Ethernet industrial. ...............4
Figura 4 – Switch Ethernet industrial com prioridade de transmissão. .....................................5
Figura 5 – Possíveis configurações para sistema Poe. ...............................................................6
Figura 6 – PSE comercializado no mercado. .............................................................................7
Figura 7 – Modelo OSI da ISO. .................................................................................................8
Figura 8 – Arquitetura TCP/IP. .................................................................................................9
Figura 9 – Quadro Ethernet. .....................................................................................................10
Figura 10 – Quadro IP. ............................................................................................................11
Figura 11 – Quadro TCP (a) e UDP (b). .................................................................................12
Figura 12 – Arquitetura TCP/IP para Profinet. ........................................................................13
Figura 13 – Proxy Profinet/Profibus DP e Profinet/Interbus S. ..............................................14
Figura 14 – Comparativo de tempos da rede Profinet. ............................................................15
Figura 15 – Quadro Profinet IO. ..............................................................................................16
Figura 16– Arquitetura TCP/IP para Ethernet/IP. ...................................................................18
Figura 17 – Exemplo de uma aplicação em HSE em uma fábrica em Singapura. .................20
Figura 18 – Topologia para uma rede Ethernet industrial qualquer. ......................................21
Figura 19 – Estudo de caso 1: Relatório de visita técnica. ......................................................23
Figura 20 – Estudo de caso 2: Relatório de visita técnica. ......................................................23
Figura 21 – Tela do software Segment Design Tool. ...............................................................24
Figura 22 – Software do controlador mestre Ethernet/IP. .......................................................25
Figura 23 – Software do módulo de campo Ethernet/IP. ........................................................25
Figura 24 – Comparação entre UDP e TCP para Ethernet industrial. .....................................27
Figura 25 – Diagrama de hierarquia de classes........................................................................30
Figura 26 – Parâmetros de configuração do controlador mestre..............................................31
Figura 27 - Parâmetros de configuração dos módulos de campo.............................................32
Figura 28 – Simulação final para exemplo citado acima..........................................................34
Figura 29 – Porcentagem de cada módulo em relação ao tempo total disponível....................35
Figura 30 – Excesso de tráfego na rede....................................................................................36
Figura 31 – Configuração da parte física da rede Ethernet. .....................................................38
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI XI
Figura 32 – Cenário para simulação 1......................................................................................41
Figura 33 – Gráfico dos tempos para cenário 1........................................................................42
Figura 34 – Relatório da rede para primeira simulação............................................................43
Figura 35 – Tela do mestre controlador ODVA. .....................................................................43
Figura 36 – Tela do módulo de campo ODVA. ......................................................................44
Figura 37 – Tela do analisador de rede para simulador ODVA. ............................................45
Figura 38 – Cenário e resultado para simulação 2....................................................................47
Figura 39 - Cenário e resultado para simulação 2 com alteração da taxa de transmissão........48
Figura 40 – Visualização de cada módulo após alteração da taxa de transmissão...................49
Figura 41 – Cenário e resultado para simulação 2 com alteração do tempo de varredura. ......51
Figura 42 – Relatório da rede para segunda simulação............................................................52
Figura 43 – Cenário e resultado para simulação 3 – Switches de 4 portas...............................53
Figura 44 – Cenário e resultado para simulação 3 – Switch de 8 portas. .................................55
Figura 45 – Cenário 3 – valor inválido de distância.................................................................56
Figura 46 – Cenário 3 – mensagem de erro para distância inválida.........................................56
Figura 47 – Tela inicial do analisador Profibus DP. ................................................................57
Figura 48 – Características da rede Profibus DP proposta. .....................................................57
Figura 49 – Análise lógica da rede Profibus DP proposta. ......................................................58
Figura 50 – Tela inicial do analisador Devicenet. ...................................................................59
Figura 51– Características da rede Devicenet proposta. ..........................................................59
Figura 52 – Análise lógica da rede Devicenet proposta. .........................................................60
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI XII
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................1
1.1 Histórico da Ethernet Industrial..................................................................................1
1.2 Evolução da arquitetura TCP/IP.................................................................................3
1.3 Características do padrão TCP/IP no meio industrial.................................................4
2 A ARQUITETURA TCP/IP – DIVISÃO EM CAMADAS .............................................8
2.1 Divisão de camadas na arquitetura TCP/IP................................................................8
2.1.1 Camada de Rede.................................................................................................9
2.1.2 Camada de Inter-Rede ......................................................................................10
2.1.3 Camada de Transporte......................................................................................11
3 ETHERNET INDUSTRIAL: PROTOCOLOS ...............................................................13
3.1 Profinet .....................................................................................................................13
3.1.1 Profinet IO........................................................................................................15
3.2 Ethernet/IP................................................................................................................17
3.3 HSE – High Speed Ethernet .....................................................................................18
3.4 O meio físico IEEE802.3 para redes Ethernet industriais ........................................20
4 NECESSIDADE DE UMA FERRAMENTA PARA ETHERNET INDUSTRIAL.......22
4.1 Trabalhos já realizados.............................................................................................24
4.2 Tempos de atraso na rede Ethernet industrial...........................................................26
5 SOLUÇÃO PROPOSTA.................................................................................................27
5.1 Filosofia de desenvolvimento do software ...............................................................28
5.2 Funcionalidades necessárias no software .................................................................28
5.3 Diagramas de classes chaves do software ................................................................29
5.4 Funções de cada elemento e cálculo de ocupação da rede .......................................30
5.5 Análise da parte física da rede..................................................................................37
5.6 Tratamento de exceções no software ao nível do usuário ........................................38
6 RESULTADOS ...............................................................................................................40
6.1 Resultados Obtidos...................................................................................................40
6.1.1 Primeira simulação ...........................................................................................40
6.1.2 Segunda simulação ...........................................................................................45
6.1.3 Terceira simulação............................................................................................52
6.1.4 Quarta simulação..............................................................................................56
6.2 Conclusões dos resultados........................................................................................61
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI XIII
6.3 Dificuldades encontradas..........................................................................................62
7 CONCLUSÕES E CONTRIBUIÇÕES...........................................................................64
8 TRABALHOS FUTUROS..............................................................................................65
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................66
APÊNDICES............................................................................................................................ 73
A – Codificação das classes do software................................................................................. 73
B – Codificação dos cálculos do software............................................................................... 75
C – Codificação da thread do software.................................................................................... 77
D – Documentação UML......................................................................................................... 78
ANEXOS
A – Exemplo de GSDML......................................................................................................... 79
B – Tabela do Campo Frame ID para Profinet IO................................................................... 80
C – Exemplo de EDS............................................................................................................... 81
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 1
1 INTRODUÇÃO
O padrão TCP/IP é uma das arquiteturas em redes mais difundidas para comunicação a
longa, média e curta distância envolvendo computadores. Surgiu em meados dos anos 70,
criado por Vinton G. Cerf e Robert E. Khan
[1] [56]
, não parando mais de crescer.
[1]
O protocolo Ethernet é um dos protocolos que fazem parte da arquitetura TCP/IP e foi
criado por Robert M. Metcalfe, também na década de 70
[1] [57]
.
Esse padrão criou uma revolução na comunicação a longa distância e hoje é
amplamente utilizado nas redes Internet ou Intranet espalhadas por todo o mundo.
[1]
A dissertação explora parte desta tecnologia voltada para os ambientes industriais,
chamada de “Ethernet industrial”, que utiliza a padronização de protocolos TCP/IP. Procura,
também, desenvolver soluções via software para facilitar e auxiliar os usuários dessa nova
tecnologia aplicada à área industrial, utilizando recursos de simulação e análise dos resultados
dessas simulações.
Uma ferramenta computacional foi construída para auxiliar no projeto de infra-
estrutura e desenvolvimento de uma rede, verificando o meio físico (cabos, distância, taxa de
transmissão, etc), taxa de ocupação da rede (quantidade de informações transmitidas na rede)
e verificação de erros relativos à parte física ou lógica da rede. Estas funções descritas acima
foram realizadas sem um único elemento na rede, apenas utilizando recursos computacionais
de simulações.
Esta dissertação está dividida da seguinte maneira: conceitos teóricos (capítulos um,
dois e três), descrição do problema (capítulo quatro), solução proposta do problema através de
testes e simulações (capítulo cinco), resultados obtidos (capítulo seis e sete), trabalhos futuros
(capítulo oito) e referências bibliográficas (capítulo nove).
1.1 Histórico da Ethernet Industrial
O padrão TCP/IP surgiu no meio industrial há cerca de oito anos. Porém, somente nos
últimos quatro anos é que se tornou comercialmente utilizado em ambientes industriais.
[2] [3]
A grande utilidade de seu uso se deve à necessidade de interligar todos os níveis da
Cadeia de Suprimentos (Supply Chain) envolvendo um único e exclusivo padrão de rede, o
TCP/IP. Assim, o nível de gerência ou vendas teria acesso ao chão de fábrica (sensor ou
atuador) em tempo real, dando uma grande agilidade na produção e aumentando-a,
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 2
efetivamente.
[4]
Porém, na arquitetura tradicional isso não é possível devido aos diferentes
tipos de padrões de protocolos existentes no mercado.
[23]
Há cerca de dez anos, o nível administrativo já possuía o padrão TCP/IP, porém o
nível de chão de fábrica possuía outros protocolos denominados Fieldbuses.
[4]
A figura 1
ilustra esses principais protocolos. Esses protocolos de chão de fábrica foram se difundindo,
devido ao custo benefício de se ter uma rede industrial se comparado ao sistema tradicional.
[23]
Hoje, há vários protocolos no mercado, os principais são: Profibus, Devicenet, CAN,
Fieldbus Foundation, Modbus, AS-i, Sercos, entre outros.
[4]
Figura 1 – Classificação e divisão dos Fieldbuses.
[23]
Cada um desses protocolos elaborou uma maneira de enviar seus dados do chão de
fábrica aos níveis mais altos da hierarquia industrial (vide figura 2). Seja no nível de
supervisório, seja por um PLC ou até por uma interface proprietária de cada fabricante.
[4]
Surgiu, então, a idéia de uniformizar o chão de fábrica. Nesse instante, nasceu a
Ethernet industrial. Sua idéia inicial era de uniformizar toda a Cadeia de Suprimentos, porém,
cada fabricante desenvolveu seu próprio aplicativo e a idéia inicial não foi totalmente
implementada, ainda havendo protocolos específicos trabalhando com o TCP/IP, devido aos
diferentes tipos de aplicações existentes.
[4]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 3
Figura 2 – Arquitetura industrial típica.
[4]
A figura acima mostra todos os níveis da hierarquia da automação industrial.
Basicamente existem três diferentes níveis: Device Level (nível de elementos de campo –
sensores e atuadores), Control Level (nível de controle de processo – PLC´s ou PC´s
industriais) e Information Level (nível de informação ao usuário – gerência e manufatura).
1.2 Evolução da arquitetura TCP/IP
A arquitetura TCP/IP sofreu diversas modificações com o transcorrer do tempo. Todas
as suas camadas foram afetadas com a evolução da tecnologia e dos meios de comunicação,
como cabos, conectores, velocidades de transmissão das mensagens.
[1]
O protocolo de camada física IEEE802.3 (Ethernet) evoluiu significativamente ao
longo dos anos. Os primeiros meios de transmissão eram os pares metálicos grossos, cuja
atenuação era muito grande. Depois surgiram os cabos coaxiais e em seguida os pares
trançados.
[5]
Hoje, o mais comum é encontrarmos aplicações com fibra óptica ou sem fio
(wireless). A fibra óptica, apesar do custo elevado em relação ao par trançado, possui
atenuação muito pequena e capacidade para trafegar grandes quantidades de dados.
[14]
Outro
fator importante na camada física é a conexão do hardware da rede. Houve, com o passar do
tempo, uma evolução grande dos tipos, tamanhos e qualidade das conexões do hardware de
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 4
rede. Atualmente, o conector RJ 45 domina totalmente o mercado. Com a evolução do meio
físico, as taxas de transmissões também aumentaram significativamente. De 10Mbps,
passaram para 100Mbps e hoje já estão em torno do 10Gbps, contudo a largura de banda não
é suficiente para dar velocidade a determinadas aplicações, como por exemplo, jitter muito
altos. Dependendo do tipo de aplicação é necessário tempos de respostas bem definidos e
invariáveis.
[5] [14] [16]
As técnicas de modulação são outro fator decisivo na evolução do padrão TCP/IP.
Primeiro surgiu a técnica FSK (modulação pela freqüência), depois a PSK (fase do sinal
transmitido) e por último o QAM (modulação por amplitude e fase do sinal).
[13] [16]
1.3 Características do padrão TCP/IP no meio industrial
Para a aplicação da arquitetura TCP/IP no meio industrial, vários fatores devem ser
considerados e analisados. Alguns deles são citados abaixo.
- Padronização dos diversos protocolos do mercado. Isso acabou não ocorrendo devido
à utilização de hardwares específicos por parte de alguns fabricantes e também a aplicações
específicas de cada rede;
[6]
- Interoperabilidade entre os diversos equipamentos dos diferentes fabricantes;
[4]
- Aumento da quantidade de dados trafegados pela rede (até mil quatrocentos e setenta
e dois bytes de informação útil) e diminuição do tempo de ciclo (algumas redes podem operar
com ciclos de algumas dezenas de microssegundos);
[22]
- Robustez dos equipamentos. Isso se refere à temperatura de operação, classe de
proteção, segurança intrínseca, umidade relativa do ar, etc. A seguir, segue um exemplo de
um conector RJ 45 industrial, que opera de - 40ºC a + 80ºC, IP67, Harting (uso na rede
Profinet) e um cabo utilizado para Ethernet industrial (quatro e oito vias, ambos com
blindagem);
[7]
Figura 3 – Conector RJ 45 industrial e cabo blindado para rede Ethernet industrial.
[7]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 5
- Determinismo da rede. A arquitetura TCP/IP utiliza-se da técnica CSMA/CD
(Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect) para controlar e acessar o meio de
transmissão. Essa técnica consiste na detecção de colisão no meio de transmissão, ou seja,
quando mais de uma estação deseja transmitir dados, ao mesmo tempo, no barramento.
[1] [14]
Neste caso, apenas uma delas conseguirá transmiti-los, sendo que a outra terá que esperar um
tempo pré-determinado até tentar outra transmissão. Caso não consiga, o dispositivo esperará
mais uma vez e assim sucessivamente. Nota-se que não há certeza de que a informação será
transmitida num tempo determinado (o que é essencial para o ambiente industrial). Em um
ambiente industrial, a espera de um dado, como, por exemplo, um alarme de incêndio ou a
detecção de um objeto, pode ser fatal. Não se pode esperar tanto tempo para o dado ser
transmitido.
[17]
Assim, para se transformar essa arquitetura em determinística foi necessário a
implantação de um switch especial com portas independentes entre si e com capacidade de
programar prioridades e tempos de espera das mensagens.
[1] [22]
Deste modo, o switch
determina o tempo de varredura para cada porta.
[22]
Figura 4 – Switch Ethernet industrial com prioridade de transmissão.
[8]
A grande desvantagem deste padrão na área industrial, no início, foi à questão da
comunicação e alimentação dos módulos.
[9] [10]
Havia a necessidade de se ter dois cabos
separados para um elemento da rede (comunicação de dados e alimentação).
[10] [11]
Hoje, há
vários estudos e implementações utilizando um padrão chamado de Power over Ethernet
(Poe)
[9]
. Nesse tipo de comunicação, o canal transmissor e receptor podem trafegar dados
simultaneamente no meio de transmissão, utilizando o conceito de modulação em amplitude
sobreposto ao nível contínuo de alimentação dos módulos de campo. Assim, o sinal de
comunicação sofreria uma modulação para ser transmitido ou recebido por um elemento da
rede. A norma IEEE 8002.3af
[10]
regulamenta todo este conceito de PoE.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 6
Esta norma descreve que a alimentação deve estar entre 44Vcc e 57Vcc (48Vcc é a
tensão nominal) e a potência do sinal deve ser, no máximo, de 15.4W (máximo de 350mA
para a tensão de alimentação de 44Vcc, 0,35A * 44V = 15,4W).
[11]
(a) (b)
Figura 5 – Possíveis configurações para sistema Poe.
[11]
O grande objetivo para o uso desta tecnologia é a comunicação full-duplex (onde se
dobra a taxa de transmissão, pois ocorre comunicação simultânea nos dois sentidos, recepção
e transmissão simultaneamente).
[9]
Na figura 5 (a), a configuração é para a operação no modo
full-duplex. Nesse modo, os canais de transmissão e recepção estão separados fisicamente no
cabo da rede (dois pares) e a alimentação de 48Vcc em outros dois pares.
[10] [11]
Normalmente, não se utiliza tensão de 48Vcc na automação, sendo mais comum o uso de
tensões de 24Vcc ou 12Vcc. Assim, é necessário o uso de um conversor DC/DC para
transformar o sinal de 48Vcc para outro qualquer. A grande desvantagem dessa configuração
é a necessidade de polaridade nos terminais de alimentação, a fim de diferenciar os sinais, em
modulação em amplitude, positivos e negativos.
[11]
Na figura 5 (b), a configuração é para a operação no modo half-duplex (comunicação
em dois sentidos, recepção e transmissão, mas não simultaneamente). Nesse modo, o cabo é
comum tanto para a alimentação quanto para a comunicação, não necessitando de uma
polaridade específica nos terminais. É necessária uma modulação em amplitude sobre a
alimentação para não interferir no sinal de comunicação trafegado no cabo.
[11]
O sinal de
comunicação trafega apenas em um sentido, devido o mesmo meio transmitir e receber o
sinal. O grande problema dessa configuração é garantir o isolamento mínimo requerido entre
a alimentação e a comunicação, que pela IEEE 802.3af é de 1500Vac.
[11] [12]
Atualmente, já há a comercialização de equipamentos PSE (Power Sourcing
Equipments) que são responsáveis pela geração da tensão e da corrente de alimentação para os
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 7
dispositivos de campo PD (Powered Device) responsáveis pela conversão da tensão principal
em outro nível desejado (conversor DC/DC). A figura 6 ilustra um PSE que pode ser
encontrado no mercado.
[Erro! Indicador não definido.]
Figura 6 – PSE comercializado no mercado.
[Erro! Indicador não definido.]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 8
2 A ARQUITETURA TCP/IP – DIVISÃO EM CAMADAS
O objetivo deste capítulo é enfatizar o funcionamento e organização da arquitetura
TCP/IP, destacando suas principais características, camadas e protocolos. A arquitetura
TCP/IP foi desenvolvida pela DARPA e, inicialmente, o grande objetivo era interligar as
diferentes tecnologias de redes existentes no mundo, seja de altas e baixas velocidades ou
grandes e pequenas distâncias.
[13] [14]
A regulamentação de toda a arquitetura TCP/IP
(protocolos, aplicativos e funcionaliades) está descrita em documentos chamados de RFC
(Request for Comments) que podem ser acessados por qualquer pessoa via Internet.
[15]
2.1 Divisão de camadas na arquitetura TCP/IP
Para entender melhor o funcionamento, a interoperabilidade e o objetivo de cada
protocolo de rede, a ISO (International Standards Organization) padronizou várias camadas e
interligação entre elas. Esse modelo se chamou OSI (Open System Interconnection).
[1] [13] [14]
[16]
A figura 7 mostra todas as sete camadas propostas pelo modelo OSI. O uso de todas as
camadas não é obrigatório aos sistemas de comunicações, mas sua hierarquia e protocolos
devem ser mantidos.
[1] [5]
No início da criação das redes via satélite ou rádio, o modelo OSI tornou-se pouco
eficiente. Isso ocorreu porque os dados de informação eram muito menores dos que os dados
de controle da rede. Logo, gastavam-se muitos bits de controle para poucos bits de dados
efetivamente úteis. Esta arquitetura também não previa outros tipos de serviços, como
transmissão de voz e imagem pela rede.
[1] [13] [17]
Figura 7 – Modelo OSI da ISO.
[1]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 9
Com todas essas lacunas, Cerf e Khan
[56]
desenvolveram uma outra arquitetura mais
eficiente, o modelo TCP/IP, cujo objetivo inicial era interconectar várias redes espalhadas
pelo mundo ao mesmo tempo, podendo fornecer serviços de dados, voz e imagem.
[1] [4]
A figura 8 mostra a divisão da arquitetura TCP/IP camada a camada.
[18]
Figura 8 – Arquitetura TCP/IP.
[1]
A camada de rede define o meio físico e o tipo de enlace utilizados na rede TCP/IP.
Vários protocolos e padrões foram desenvolvidos e certificados nessa camada, sendo que o
padrão Ethernet tornou-se o mais difundido (IEEE 802.3).
[1]
A camada de Inter-redes é responsável pelo encaminhamento dos pacotes em qualquer
rede, garantindo que sejam transmitidos independentemente do destino. O protocolo mais
difundido dessa camada é o IP, porém há outros que auxiliam seu trabalho.
[1]
A camada de transporte é responsável pela conexão de dois elementos e garantia de
transmissão dos dados. Dois protocolos operam nessa camada, o TCP ou o UDP.
[1]
A camada de aplicação do usuário contém protocolos de alto nível. Esses protocolos
fornecem serviços ao usuário, como o HTTP, FTP, WWW e SNMP.
[1] [5]
2.1.1 Camada de Rede
A camada de rede é a primeira camada da arquitetura TCP/IP. Ela é responsável por
toda a interconexão do meio físico com a rede e pela adequação das informações na rede
(camada de enlace).
[1] [5]
Rede
Inter-rede
Transporte
Aplicação
ICMP
IP
IGMP
TCP
UDP
TELNET
SMTP/
DNS
HTTPFTP
ARP RARP
Meio Físico
Meio Físico
802.3 802.4 802.5 802.6 X.25
Interface de Hardware
. . .
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 10
O IEEE produziu várias normas para esta camada. O conjunto das normas ficou
conhecido como IEEE 802. Dentro desse conjunto, várias outras normas foram desenvolvidas
com base no meio físico e no tipo de enlace desejado.
[18]
A indústria optou pelos padrões IEEE 802.3, chamado de Ethernet.
[22]
Nesse padrão, o
acesso ao meio é realizado pelo protocolo CSMA/CD, porém o meio físico pode ter várias
maneiras de ser implementado, como: fibra óptica, par trançado e cabo coaxial, por exemplo.
Para os protocolos de camada de rede, o importante é o meio físico, o acesso ao meio de
transmissão, a estrutura do pacote de dados e os elementos que realizam o controle da
transmissão dos dados.
[1] [22]
A figura 9 mostra o quadro de um dos protocolos da camada de redes, o Ethernet, que
é utilizado na indústria.
[22]
Ele possui um total de oito bytes de preâmbulo, quatorze bytes de
cabeçalho, quarenta e seis a mil e quinhentos bytes de dados e quatro bytes de verificação de
erro.
[1]
Figura 9 – Quadro Ethernet.
[1] [5]
2.1.2 Camada de Inter-Rede
A camada de inter-rede é responsável pela transmissão dos dados de uma origem até
um destino através da computação de pacotes, podendo ser da mesma rede ou não. Assim,
essa camada tem a função de mover dados entre uma mesma rede (Intranets) ou em redes
diferentes (Internet).
[14] [18]
O principal protocolo que está nessa camada é o IP. Sua tarefa é fornecer a melhor
forma de transportar os dados da origem até o destino, sem se preocupar com a confirmação
de recebimento, chamado de serviço não orientado a conexão.
[1] [14]
Assim, a garantia de
entrega das mensagens é realizada pelas camadas superiores.
[1] [14]
Além dele, outros
protocolos auxiliam no controle de fluxo ou no endereçamento dos quadros trafegados pela
rede, como: ARP e RARP (utilizados junto com o protocolo de rede Ethernet para identificar
os endereços de rede), ICMP (protocolo de controle do fluxo das mensagens) e IGMP
(protocolo de controle do roteamento das mensagens).
[1] [14]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 11
O quadro IP utiliza o endereçamento no formato decimal para a representação dos
quatro bytes de endereço entre a rede e o host (elemento conectado à rede, por exemplo, um
computador), por exemplo: 192.168.10.2. O quadro consiste de duas partes: o cabeçalho e a
informação. O cabeçalho possui uma parte fixa de vinte bytes e uma parte opcional de
tamanho variável de quatro bytes (total de vinte e quatro bytes de cabeçalho).
[1] [18]
O restante
dos bytes são as informações a serem trafegadas na rede. No cabeçalho é possível determinar
o endereço de origem e destino, o comprimento e verificação de erro das mensagens e
controle dessas informações, entre outros serviços.
[1] [14]
A figura 10 ilustra as
funcionalidades do protocolo IP.
Figura 10 – Quadro IP.
[1] [5]
2.1.3 Camada de Transporte
Nessa camada existem basicamente dois protocolos que são utilizados: o UDP (não
orientado a conexão) e o TCP (orientado a conexão). A principal função desta camada é
estabelecer uma conexão entre as duas portas que irão trocar dados.
[19]
Para a indústria, ambos os protocolos podem ser utilizados, dependendo da aplicação e
dos requisitos de urgência de transmissão de um determinado dado.
[4][33]
O TCP é utilizado
para configuração e parametrização dos elementos da rede, devido a sua lentidão e
confirmação de envio da informação. Já o UDP é utilizado para troca de informações entre os
elementos da rede, devido a sua rapidez no transporte das mensagens.
[4] [33]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 12
O TCP opera no modo orientado à conexão, ou seja, porta de destino e porta de
origem, contendo verificação de erros, multiplexação de dados (pode transmitir vários dados
de diferentes mensagens ao mesmo tempo) e controle de fluxo (ajusta o tempo de transmissão
de acordo com a quantidade de dados). O UDP opera no modo sem conexão, não havendo
confirmação de recebimento da mensagem e contendo oito bytes de cabeçalho.
[19]
A figura 11 ilustra os cabeçalhos do TCP e UDP, respectivamente.
(a) (b)
Figura 11 – Quadro TCP (a) e UDP (b).
[1] [13]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 13
3 ETHERNET INDUSTRIAL: PROTOCOLOS
Vários fabricantes criaram seus próprios padrões de redes Ethernet industriais, cada
um diferindo do outro em termos de aplicação ao usuário e na utilização ou não de
determinadas camadas do padrão TCP/IP. Alguns deles possuem hardwares dedicados do
fabricante, o que os tornam pouco competitivos para aplicação industrial.
[3] [4]
Os quatorze protocolos para Ethernet industrial são: Profinet, Ethernet/IP, HSE,
Modbus/TCP, EPA, EPL, EtherCAT, IEC 61850, JetSync, P-Net, Sercos III, SynqNet, TCnet
e Vnet/IP.
[20]
3.1 Profinet
O Profinet é uma rede padronizada pela Associação Profibus Internacional como uma
das quatorze redes de Ethernet industrial.
[21]
A norma que regulamenta o Profinet é a
IEC61158-5 e IEC61158-6, sendo o décimo protocolo incluso nessa norma (Type 10).
[22]
Basicamente, há dois tipos de redes Profinet: Profinet IO e Profinet CBA. O Profinet
IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o Profinet CBA é utilizado em
aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede Profibus DP.
[22]
A figura 12 ilustra como o Profinet definiu suas camadas baseadas na arquitetura
TCP/IP.
[20]
Figura 12 – Arquitetura TCP/IP para Profinet.
[20]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 14
Nota-se pela figura acima que o Profinet pode ter três formas distintas de operação,
sendo duas delas para tempo real e uma para não tempo real.
[23]
A primeira maneira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na
camada um e dois, o IP na camada três e o TCP ou UDP na camada quatro. Essa arquitetura é
chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento aproxima-se dos
100ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da rede ou na
comunicação com os Proxis, utilizando o Profinet CBA. Os Proxis são conversores de um
determinado protocolo em outro (por exemplo, de Profinet para Profibus DP ou de Profinet
para Interbus S), conforme mostrado na figura 13.
[23]
Figura 13 – Proxy Profinet/Profibus DP e Profinet/Interbus S.
[24]
A segunda maneira baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT), caracterizando-se por
ser um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet à aplicação. Com a eliminação
de vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento das mensagens transmitidas,
necessitando de menos tempo para transmitir os dados na rede. Podem-se utilizar os dois tipos
de Profinet, CBA e IO, nesse caso.
[23]
A terceira maneira baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT), para
aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Uma aplicação
típica deste conceito é o controle de movimento de robôs, quando o tempo de atualização dos
dados deve ser pequeno. Utiliza-se apenas o Profinet IO para esse caso. [23]
A figura 14 ilustra os conceitos do Non-Real-Time (aplicações com tempos de
varredura em torno de 100ms), Soft Real Time (aplicações com tempos de varredura em torno
de 10ms) e Isochronous Real Time (aplicações com tempos de varredura menores do que
1ms).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 15
Figura 14 – Comparativo de tempos da rede Profinet.
[23]
3.1.1 Profinet IO
O Profinet IO é, na realidade, uma extensão do protocolo Profibus DP. Ele opera
diretamente com os elementos de campo, realizando leituras de sensores, atualizações dos
sinais de saída e controle de diagnósticos da rede. A rede Ethernet industrial Profinet IO
descreve um modelo de dispositivo que é baseado em características essenciais do Profibus
DP, incluindo canais para cada elemento alocado na rede.
[25]
As características dos
dispositivos de campo são descritas via GSD em uma base XML.
[25] [26]
O arquivo GSDML (GSD em uma base de programação XML) acompanha todos os
elementos da rede Profinet IO e descreve as principais características de cada um deles. O
mesmo deve ser fornecido pelo fabricante do equipamento (Anexo A).
[22]
Para se conseguir um tempo de resposta utilizando o Profinet IO na configuração IRT
(Isochronous Real Time), é necessário um hardware específico que consiga processar as
informações nesse tempo (para o caso do IRT). Assim, a Siemens desenvolveu o ERTEC 400
que é um processador voltado às aplicações em Profinet.
[27]
O quadro da rede Profinet IO é mostrado na figura 15 e segue a mesma estrutura do
campo Ethernet falado anteriormente. A grande diferença está no campo Frame ID. Nesse
campo é possível distinguir se o quadro é IRT, SRT ou Non-RT, de acordo com os dois bytes
do campo (Anexo B).
[22]
Cada valor deste campo, define a maneira como as mensagens serão
trafegadas na rede, por exemplo: de 0000h a 00FFh, quadro IRT, de 8000h a FBFFh, quadro
SRT e de FC00h a FE02h, quadro Non-RT. De acordo com a figura abaixo, a quantidade
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 16
mínima de bytes do quadro Profinet IO é de setenta e dois bytes, contando cabeçalho,
informação e verificação de erro.
[22]
Figura 15 – Quadro Profinet IO.
[22]
O preâmbulo são bits auxiliares que identificam o início da transmissão. Servem para
sincronizar o elemento que deseja transmitir seus dados com o clock da rede. O padrão para
cada byte é AAh (10101010).
[22]
Os endereços de origem e destino identificam quem está transmitindo e quem está
recebendo as informações. Esses endereços são conhecidos como endereços MAC e possuem
quarenta e oito bits (seis bytes) de comprimento.
[22]
O endereço MAC é o endereço físico do
elemento de rede. Os três primeiro bytes são destinados à identificação do fabricante, os três
posteriores são fornecidos pelo fabricante para identificação do módulo na rede Profinet.
[22]
O campo Tipo e Frame ID identificam o tipo de informação a ser transmitida e o
tamanho do campo de dados.
[22]
O campo de dados pode variar de trinta e seis a mil
quatrocentos e setenta e dois bytes. No quadro Ethernet IEEE802.3, a variação do campo de
dados é de quarenta e seis a mil e quinhentos bytes (cabeçalho e informação). Essa diferença é
justamente para aplicações IRT, com a diminuição do campo de dados e, conseqüentemente,
do tempo de reposta da rede.
[22]
A verificação de erro é do tipo CRC, onde se tem um polinômio de grau trinta e dois
para efetuar a operação matemática de verificação de erro na mensagem transmitida.
[22]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 17
Outro ponto a ser destacado é o atraso da rede com relação ao switch. O switch gera
um pequeno atraso na rede que será abordado mais adiante.
[28]
É importante levar em consideração esse tempo na hora de calcular o ciclo de
varredura da rede ou no atraso que um elemento pode causar se houver muitos switches na
rede.
[25] [29]
3.2 Ethernet/IP
O Ethernet/IP é uma rede Ethernet industrial padronizada pela ODVA e baseia-se na
arquitetura encapsulada do TCP/IP. O termo IP significa “Industrial Protocol” e não deve ser
confundido com o protocolo IP descrito anteriormente.
[4]
Enquanto o Profinet possui três tipos de comunicação e duas redes distintas (Profinet
IO e Profinet CBA), o Ethernet/IP segue exatamente o modelo TCP/IP.
[33]
Porém, é válido ressaltar que há dois tipos diferentes de operação. Uma delas é o TCP
utilizando a camada de aplicação definida anteriormente. Outro método é utilizar o UDP (que
possui um quadro menor) para transportar os dados até a CIP (Control Information Protocol),
uma camada de aplicação específica da ODVA. Na CIP há protocolos específicos para
inversores de freqüência, posicionadores de válvulas, elementos pneumáticos, I/O´s discretos,
entre outros. A figura 16 ilustra a divisão em camadas da rede Ethernet/IP.
[30]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 18
Figura 16– Arquitetura TCP/IP para Ethernet/IP.
[30]
O uso de cada comunicação (TCP ou UDP) depende muito da aplicação do usuário.
Assim, as transmissões podem ser:
[31] [32]
Explícitas: Utiliza o TCP e a camada CIP da ODVA. Aplicado na troca de
informações entre PLC´s e IHM´s (tempo de ciclo de 100ms ou maior) ou para configuração
de elementos da rede à longa distância (por exemplo, um set-point de um transmissor de
pressão). Tais tarefas não são críticas, ou seja, não requerem um baixo tempo de
processamento.
[31] [32]
Implícitas: Utiliza o UDP e a camada CIP da ODVA. Aplicado para comunicações
entre I/O´s (tempo de ciclo em torno de 10ms), quando o tempo de resposta deve ser o menor
possível. Essa tarefa deve ser cíclica, requerendo um baixo tempo de processamento.
[31] [32]
Tabela 1 – Resumo dos tipos de comunicação para rede Ethernet/IP.
[33]
A camada de aplicação CIP desenvolvida pela ODVA não se comunica com a camada
de aplicação do Profinet, por exemplo. Assim, não há interoperabilidade entre as diversas
redes Ethernet.
[3] [33]
O conceito de EDS, utilizado na rede Devicenet, continua válido para o Ethernet/IP
(Anexo C). Conforme a norma da ODVA
[31]
, os estudos realizados mostram que o método
Cíclico é o que possui melhor desempenho para troca de dados implícitos, utilizando o UDP
como transporte. Assim, grande parte dos dados trafegados na rede Ethernet/IP utiliza
Ethernet nas camadas um e dois, IP na camada três e UDP na camada quatro.
[31]
3.3 HSE – High Speed Ethernet
O HSE também é uma tecnologia aplicada a Ethernet industrial, desenvolvida pela
Fieldbus Foundation.
[34]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 19
A Fieldbus Foundation incorporou a rede Ethernet dentro de sua especificação. Esta
rede não visa substituir a rede Fieldbus Foundation (também chamada de H1), mas estender
seu espectro de aplicação para interligar dispositivos como PLC´s a sistemas de supervisão.
Esta rede utiliza UDP/IP sobre a camada de enlace Ethernet.
[34] [35]
A rede HSE suporta todas as funcionalidades das camadas de enlace de dados da
especificação H1, possibilitando o sincronismo de uma ligação em cascata entre malhas
localizadas entre segmentos H1 independentes.
[35]
A interligação entre uma rede H1 e rede
HSE pode ser feita através de um linking device, que converte o dado de diversos segmentos
H1 em mensagens HSE, utilizando a arquitetura TCP/IP.
[36]
A tabela 2 mostra um comparativo entre os sistemas H1 e HSE, evidenciando suas
diferenças e principais características.
[37]
Tabela 2 – Comparativo H1/HSE.
[37]
A rede HSE pode operar no modo multicast (um dado pode ser aproveitado por vários
elementos da rede), podendo ser usado por vários receptores em uma única comunicação. Este
é um caso típico na automação em que um dado do sensor de leitura é freqüentemente usado
em mais de um lugar.
[34] [36]
O HSE possui quatro tipos básicos de categorias de dispositivos:
[34]
Host Device (HD): é a estação de trabalho (Computador).
Link Device (LD): é um nó HSE para conectar um ou mais segmentos H1 ao HSE.
Gateway Device (GD): é um nó HSE para conectar uma ou mais redes de outros
fabricantes à rede HSE.
Ethernet Device (ED): é um nó HSE com condições de conexão direta às aplicações de
controle e medição de equipamentos de campo.
[34]
A figura 17 ilustra uma aplicação industrial em Singapura, utilizando uma rede HSE e
os dispositivos listados acima.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 20
Figura 17 – Exemplo de uma aplicação em HSE em uma fábrica em Singapura.
[34]
3.4 O meio físico IEEE802.3 para redes Ethernet industriais
Para o meio físico, pode ser utilizada a seguinte configuração para qualquer uma
das redes Ethernet industriais:
[22]
Tipo de cabo Velocidade
da rede
Distância máxima
sem repetidor
Número máximo
de elementos
Par trançado blindado
10BASE-T
10Mbps 100 metros 1024
Par trançado blindado
100BASE-T
100Mbps 100 metros 1024
Par trançado blindado
1000BASE-T
1000Mbps 100 metros 1024
Fibra óptica
10BASE-FL
10Mbps 2000 metros 1024
Fibra óptica
100BASE-FL
100Mbps 2000 metros 1024
Tabela 3 – Características físicas das redes Ethernet industriais.
[22]
Para a configuração utilizando par trançado blindado, o cabo possui dois pares
(quatro vias), categoria 5 (com Shield).
[33]
Há a possibilidade de utilização de repetidores
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 21
(hubs industriais) ou switches industriais que podem aumentar a distância da rede para até
500 metros (utilizando par trançado).
[22] [33]
Já para a configuração utilizando fibra óptica é possível utilizar repetidores ópticos
e, dependendo do tipo de fibra utilizada (monomodo ou multimodo), pode-se chegar a
distâncias de dezenas de quilômetros, colocando vários repetidores em cascata durante o
percurso do sinal óptico.
[22] [33]
A topologia da rede é, comumente, projetada em estrela, utilizando o mestre
(controller) como elemento central da rede, os switches industriais especiais para derivar e
interligar os elementos da rede e os módulos de campo (nodes) onde são conectados os
sensores e atuadores.
[32] [38]
A figura 18 ilustra uma topologia típica para uma rede
Ethernet industrial.
[32] [38]
Figura 18 – Topologia para uma rede Ethernet industrial qualquer.
[32]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 22
4 NECESSIDADE DE UMA FERRAMENTA PARA ETHERNET
INDUSTRIAL
As dificuldades encontradas pelos usuários estão no momento da definição dos
elementos da rede e suas configurações, assim como toda a verificação do meio físico da rede.
Atualmente, a dificuldade na utilização das redes industriais é a interoperabilidade
entre os equipamentos dos diversos fabricantes.
[22]
Há uma variedade enorme de
equipamentos, cabos, conectores e outros elementos aplicados a uma mesma rede industrial.
É muito comum um usuário escolher uma tecnologia que melhor lhe sirva naquele
momento e tornar-se dependente dela depois.
Quando, então, ele realiza o projeto de sua planta industrial, há vários problemas que
são muito comuns de ocorrer, mas que não são percebidos na fase de projeto, devido à falta de
informação e recursos de simulação da rede em questão.
Tais problemas são:
- Um grande tempo para partida da planta industrial devido a um erro na parte física da
rede (comprimentos ou características elétricas do cabo inválidas).
- Os custos com consultorias e reparos da planta são altos, pois os equipamentos já
estão instalados.
- Parte lógica da rede mal dimensionada (tempo de varredura inadequado para o
processo produtivo em questão).
- O conhecimento da tecnologia empregada não é discutido.
Os textos abaixo ilustram esses problemas citados acima na prática para uma rede
industrial instalada na prática. Alguns estudos de casos são evidenciados através de relatórios
reais elaborados por uma empresa do segmento de redes industriais na visita técnica a um
cliente.
[39]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 23
Figura 19 – Estudo de caso 1: Relatório de visita técnica.
[39]
Nessa parte do relatório do estudo de caso um, é notório perceber que as causas dos
problemas são provenientes da parte física (conexão inadequada da rede - problema um) e
lógica (tempo de varredura da rede muito pequeno, 95% - problema dois). Tudo poderia ser
evitado se o usuário pudesse, de alguma maneira, simular ou prever alguns desses problemas,
antes de ter qualquer equipamento conectado na rede. Como os equipamentos já estavam
instalados, toda e qualquer mudança é muito trabalhosa e onera altos custos de consultoria.
A seguir há outro estudo de caso, relativo a um outro cliente e o problema é,
praticamente, o mesmo.
Figura 20 – Estudo de caso 2: Relatório de visita técnica.
[39]
No estudo de caso dois, é possível notar que novamente os problemas são provenientes
de erros na parte física (distância incorreta da rede) ou lógica (tempo de varredura muito
pequeno para a rede instalada, 98%). Esse estudo de caso gerou um custo muito alto na
resolução do problema da parte física da rede, pois os cabos já estavam conectados aos
equipamentos, sendo necessário alterar todo o projeto físico da rede.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 24
Assim, os problemas relativos à parte física ou lógica da rede são muito comuns de
ocorrer no meio industrial brasileiro. Outros estudos de casos poderiam ser citados nesse
trabalho, porém a grande maioria evidencia os problemas citados acima.
Assim, seria de grande utilidade ao usuário ter um ambiente gráfico para simulação de
sua rede e verificação dos parâmetros configurados. Esse procedimento de simulação pode
evitar futuros transtornos (como mostrado nos relatórios acima) e perdas de tempo na partida
da sua planta industrial. Vários problemas relativos à parte física ou lógica da rede em questão
poderiam ser detectados na simulação, evitando altos custos de cabos e ineficiência da rede.
No capítulo seis, é evidenciado todo o desenvolvimento, testes funcionais e resultados
de uma ferramenta de simulação aplicada às redes Ethernet industriais para solução dos
problemas citados nos estudos de casos.
4.1 Trabalhos já realizados
Alguns trabalhos realizados já propuseram de alguma maneira a solução do problema
acima. Porém a solução não está totalmente resolvida do ponto de vista do usuário.
O primeiro trabalho é um software da empresa Emerson Process Management
[40]
.
Esse software denomina-se “Segment Design Tool” e simula apenas o meio físico para a rede
Fieldbus Foundation
[35]
, não se importando com a parte lógica da rede. A seguir, há uma
simulação de um elemento controlador e um elemento de campo sendo interligados por um
cabo com distância total de 101 metros.
Figura 21 – Tela do software Segment Design Tool.
[40]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 25
O segundo trabalho, simula a comunicação para rede Ethernet/IP da ODVA
[33]
e tem
como função a transmissão de dados entre o controlador mestre e os módulos de campo. Esses
softwares possibilitam a verificação da comunicação e da configuração dos parâmetros do
controlador via protocolo UDP ou TCP, como falado anteriormente, ler as entradas dos
sensores e atuar nas saídas dos atuadores. As figuras 22 e 23 mostram o software do
controlador mestre e do módulo de campo.
[33]
Esses softwares serão detalhados adiante para comparação dos resultados obtidos entre
a ferramenta proposta e a norma Ethernet industrial. O aplicativo do controlador mestre lê e
envia informações ao módulo de campo, que possui dois bytes de entrada (dezesseis chaves) e
dois bytes de saída (dezesseis lâmpadas) via UDP. Os círculos inferiores mostram os
parâmetros do controlador mestre e do módulo de campo que são trafegados via TCP.
Figura 22 – Software do controlador mestre Ethernet/IP.
[33]
Figura 23 – Software do módulo de campo Ethernet/IP.
[33]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 26
4.2 Tempos de atraso na rede Ethernet industrial
Outro aspecto a ser considerado são os tempos de atraso na comunicação entre
controlador mestre e os módulos de campo.
Basicamente, os tempos envolvidos na comunicação são:
[41] [42]
- Tempo de envio da informação.
- Tempo de resposta da informação.
- Tempo de latência (atraso na distribuição da informação pelo hub ou switch e
processamento da informação nos elementos da rede).
[41] [42]
Os dois primeiros tempos dependem da quantidade de informação que se deseja
trafegar e da taxa de transmissão da rede. Já o terceiro tempo pode variar ligeiramente
dependendo do número de switches ou hubs entre os elementos que estão trocando
informação e da capacidade de processamento desses elementos. De acordo com HELD
[5]
,
POPP e WEBBER
[22]
e XI
[41]
, é possível realizar uma aproximação desse tempo para 9,6us
entre cada elemento que está trocando informação na rede. Esse valor é um valor médio,
calculado empiricamente pelos autores e pode ser chamado de dead time (tempo morto).
[5] [22]
[41]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 27
5 SOLUÇÃO PROPOSTA
Para solucionar os problemas listados no capítulo anterior, foi desenvolvida uma
ferramenta de simulação com o objetivo de eliminar os problemas da parte física e lógica da
rede Ethernet industrial. Como as redes Ethernet industrial seguem um mesmo padrão de
encapsulamento das informações, a solução se preocupa apenas com o tráfego de informações
dos I/O´s na rede (Ethernet, IP e UDP), não se importando com as configurações à distância e
a parametrização dos módulos (Ethernet, IP e TCP), pois são dados trafegados raramente na
rede (somente na configuração inicial do equipamento, por exemplo, uma configuração de 4-
20mA de uma entrada analógica).
A figura 24 ilustra os conceitos do UDP e TCP aplicados à Ethernet industrial.
Figura 24 – Comparação entre UDP e TCP para Ethernet industrial.
[33]
Outra característica do software é que ele não considera a programação do usuário,
importando-se, único e exclusivamente, com os dados lidos e escritos na rede. O programa
aplicativo pode conter uma única linha ou até milhares de linhas, tornando-se difícil de
mensurar o tempo gasto para executar as funções pertinentes ao controlador mestre.
Como exposto anteriormente, algumas redes, como o Profinet (IRT ou SRT), por
exemplo, utilizam hardwares dedicados para saltar da camada Ethernet diretamente para a
camada de aplicação do usuário. Essa aplicação específica também não será considerada pelo
simulador devido à particularidade de sua aplicação em sistemas industriais reais.
TROCA DE
DADOS
PARÂMETROS DE
CONFIGURAÇÃO
NA INDÚSTRIA
802.3
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 28
5.1 Filosofia de desenvolvimento do software
Para o desenvolvimento do software foi utilizada a filosofia de orientação a objeto,
devido a facilidade na identificação e codificação das diversas classes da ferramenta, sendo
sua implementação planejada para o ambiente Borland Builder C++.
[43] [44]
Os princípios da orientação a objeto foram levados em consideração para o
desenvolvimento desse trabalho.
A orientação a objetos é considerada a maneira mais natural de se analisar o mundo.
Logo, ela permite construir sistemas computacionais melhores e de maneira mais simples. Isto
se deve ao fato de apresentar características essenciais como: abstração, agregação,
encapsulamento, herança e polimorfismo.
[45] [46]
- Abstração: preservar a liberdade de se tomar decisões preservando, tanto quanto
possível, os comprometimentos prematuros.
- Agregação: é o relacionamento nos quais os objetos, que representam os
componentes, são associados a um outro objeto, o qual representa a estrutura inteira.
- Encapsulamento: é o ato de ocultar do usuário as informações que não são de seu
interesse. Deste modo, a comunicação entre objetos é realizada sem a necessidade de se
preocupar com a complexidade interna de cada classe.
- Herança: está relacionada com a hierarquia e as relações entre os objetos. Ela permite
associar classes descendentes de uma classe superior, implementando, assim, métodos e
atributos que se diferenciam da classe pai.
- Polimorfismo: processos que executam funções semelhantes em componentes
diferentes devem ser chamados pelo mesmo nome. É a habilidade de duas ou mais classes
responderem à mesma solicitação, cada uma a seu modo. Conceito de permitir uma única
interface para múltiplas funções.
[45] [46]
5.2 Funcionalidades necessárias no software
Para a implementação do software, foi necessária a criação de quatro elementos
básicos da rede: o controlador mestre, o switch, o módulo de campo e o cabo categoria 5.
O controlador mestre é o elemento chave na rede, assim, toda configuração necessária
para o funcionamento da simulação será iniciada a partir deste dispositivo. O switch se
apresenta apenas como repetidor e derivador do sinal de forma determinística e com
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 29
capacidade de programação de prioridades em suas portas. O módulo de campo representa
qualquer módulo que se deseja acoplar à rede para ligação dos sensores e atuadores.
Na ferramenta computacional proposta, o cabo Ethernet é o elemento que conecta os
elementos da rede entre si. Portanto, é o elemento que realmente determina quem faz parte da
rede e sua respectiva limitação física (distância).
Resumindo, têm-se as seguintes configurações disponíveis para o usuário e elementos
de rede:
Elemento Configuração disponível para o usuário
Controlador mestre Taxa de transmissão, tempo de varredura e número máximo de
módulos de campo na rede.
Switch
Número de portas (quatro ou oito portas).
Módulo de campo Quantidade de bytes de entrada e quantidade de bytes de saída, além do
endereço IP do módulo na rede simulada.
Cabo Ethernet Distância início-fim de um trecho, capacitância e resistência do trecho
analisado.
Tabela 4 – Principais funções dos elementos do software.
5.3 Diagramas de classes chaves do software
Para a sistematização correta dos elementos da rede e da construção do software foi
necessário o uso de classes computacionais, a fim de determinar as características de cada
elemento no auxílio à implementação do código fonte do software.
- Classe CEthernetDevices: A classe CEthernetDevices é a classe base para criação
dos elementos da rede, com exceção do cabo Ethernet que não deriva desta classe, mas tem
um dos seus objetos utilizado internamente nesta classe. Essa classe foi definida como base,
pois apresenta todos os métodos e variáveis comuns aos elementos de rede, tais como:
métodos de localização na tela, identificação do dispositivo, imagem, tamanho da tela, etc.
- Classe CCpu: A classe CCpu é a classe que se identifica ao elemento controlador
mestre na rede. Esta classe contém todos os métodos derivados da classe base
CEthernetDevices e mais os métodos específicos para manuseio do controlador mestre.
- Classe CSwitch: A classe CSwitch, também derivada de CEthernetDevices,
apresenta apenas variáveis relacionadas ao controle de seleção do switch (quatro ou oito
portas).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 30
- Classe CModules: A classe CModules, acompanhando toda a tendência do software,
também é derivada de CEthernetDevices e apresenta variáveis e métodos internos para
gerenciamento de cada módulo de campo inserido na rede (endereço IP e quantidade bytes de
entrada e saída).
- Classe TCable: A classe TCable não é derivada de CEthernetDevices. Essa classe
opera de forma independente das outras e tem por função realizar a conexão entre dois
elementos distintos na rede.
A seguir, a figura 25 ilustra a hierarquia entre as classes e suas ligações entre si. Para
facilitar a implementação, as classes CCpu, CSwitch e CModules derivam da classe mãe
CEterhnetDevices.
Figura 25 – Diagrama de hierarquia de classes.
No apêndice A, há a codificação das classes listadas acima no Borland Builder C++.
No apêndice D, segue toda a documentação UML gerada para a codificação da
ferramenta computacional proposta, utilizando o diagrama de classes para representação, a
fim de facilitar a codificação e implantação da ferramenta. A UML é uma linguagem visual
que auxilia no desenvolvimento de um software orientado a objeto.
[47] [48]
Ela utiliza uma
forma de modelamento padronizado para classes, objetos e diagramas de decisão de estados a
fim de facilitar a codificação, implementação e teste das idéias propostas.
[47] [48]
5.4 Funções de cada elemento e cálculo de ocupação da rede
Para melhor entendimento, o software está basicamente dividido em duas grandes
aplicações: a primeira refere-se à parte lógica da rede (cálculo do tempo de ocupação da rede
em relação ao tempo de varredura) e a segunda refere-se à parte física da rede (conexão entre
os elementos, cálculo de capacitância e resistência de cabo).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 31
Para realizar a análise lógica da rede simulada, é necessário que alguns parâmetros
estejam configurados, para que seja possível calcular a medida da ocupação de tempo de cada
módulo na rede.
Assim, para o controlador mestre tem-se:
- Taxa de transmissão da rede: 10Mbps, 100Mbps ou 1Gbps.
- Tempo de varredura (scan) da rede: valor em ms.
- Quantidade de módulos de campo a serem inseridos na rede.
As figuras utilizadas na ferramenta para o controlador mestre, os switches e os
módulos de campo foram retiradas dos arquivos da Rockwell.
[58]
A tela de configuração desses parâmetros está ilustrada abaixo na figura 26.
Figura 26 – Parâmetros de configuração do controlador mestre.
O controlador mestre é responsável por toda a comunicação, programação e controle
da rede Ethernet industrial. O tempo de varredura é um importante parâmetro que indica
quanto tempo é necessário para o controlador mestre ler todas as entradas da rede, executar o
software aplicativo do usuário e atualizar todas as saídas.
[32] [33]
Uma rede Ethernet industrial
só pode possuir um controlador mestre.
[32] [33]
Para o módulo de campo, os parâmetros são os seguintes:
- Quantidade de bytes de entrada e saída.
- Endereço IP do módulo na rede.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 32
Esses parâmetros dimensionam cada módulo de campo inserido na rede Ethernet
industrial proposta. O número máximo de bytes efetivos para entrada ou para saída é de mil
quatrocentos e setenta e dois, como visto anteriormente.
Figura 27 - Parâmetros de configuração dos módulos de campo.
Para realização do cálculo de ocupação do tempo de todos os módulos de campo em
relação ao tempo de varredura, deve-se ter em mente as seguintes condições:
Quadro Ethernet:
- 64 bits preâmbulo = 8 bytes
- 48 bits de Endereço de destino = 6 bytes
- 48 bits de Endereço fonte = 6 bytes
- 16 bits de Tipo = 2 bytes
- 32 bits de FSC = 4 bytes (detecção de erros)
- Total de bytes do quadro = 26 Bytes
Quadro IP:
- Cabeçalho IP = 20 bytes
Quadro UDP:
- Cabeçalho UDP = 8 bytes (endereço destino e fonte)
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 33
Logo, a quantidade total de bytes de cabeçalho é de cinqüenta e quatro bytes. Como a
quantidade de bytes de informação deve estar entre quarenta e seis e mil quatrocentos e
setenta e dois bytes (quadro Ethernet entre setenta e dois e mil quinhentos e vinte e seis bytes)
e levando-se em consideração o dead time de 9,6us, já explicado anteriormente, devem-se
fazer duas considerações distintas:
[22] [33]
1 - Se a quantidade de bytes de entrada ou a quantidade de bytes de saída for maior ou
igual a dezoito (≥18), então se faz o cálculo de seguinte forma:
Equação 1 – Cálculo do tempo utilizado para cada módulo, bytes de entrada.
Equação 2 - Cálculo do tempo utilizado para cada módulo, bytes de saída.
Equação 3 – Cálculo do tempo utilizado total (todos os módulos de campo).
Equação 4 – Cálculo do tempo disponível.
Exemplo 1:
Controlador mestre – 10Mbps, 1ms, 2 módulos de campo;
Módulo campo 192.168.010.002 – 100 bytes de entrada e 100 bytes de saída;
Módulo de campo 192.168.010.004 – 50 bytes de entrada e 50 bytes de saída.
Dead_time = 9,6us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.002_INPUT = 123,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.002_OUTPUT = 123,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.004_INPUT = 83,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.004_OUTPUT = 83,2us
Tempo_utilizado_total = 432us
Tempo_utilizado_módulo_input = [(quantidade bytes entrada + 54) * 8]
Taxa_transmissão
Tempo_utilizado_total = ∑[Tempo_utilizado_módulo_output + Tempo_utilizado_módulo_input +
(quantidade_módulos x 9,6 x 10
-6
)]
Tempo_disponível = Tempo_varredura – Tempo_utilizado_total
Tempo_utilizado_módulo_output = [(quantidade bytes saída + 54) * 8]
Taxa transmissão
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 34
Tempo_disponível = 0,001 – 0,000432 = 568us
A figura 28 ilustra o exemplo proposto acima já implementado para o software. A
parte cinza claro indica a porcentagem do tempo utilizado em relação ao tempo de varredura
(no caso, 1ms), 43,2% ou 432us. A parte cinza escuro indica o tempo livre para alocar outros
novos módulos de campo na rede, 56,8% ou 568us.
Figura 28 – Simulação final para exemplo citado acima.
Há a opção de se visualizar a influência de cada módulo separadamente na rede. Neste
caso, cada módulo tem uma porcentagem diferente em relação ao tempo utilizado total,
dependendo da quantidade de informação a ser transmitida.
Equação 5 – Porcentagem de cada módulo em relação ao tempo total disponível.
Para o caso acima, a porcentagem para cada módulo em relação ao tempo total
utilizado é:
Porcentagem_módulo = (Tempo_utilizado_módulo_output + Tempo_utilizado_módulo_input + 9,6 x 10
-6
)
Tempo_utilizado_total
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 35
Tempo_utilizado_total = 412,8 x 10
-6
+ (2 x 9,6 x 10
-6
) = 432us
Porcentagem_módulo_192.168.010.002 = (123,2 + 123,2 + 9,6) / 432 = 59,26%
Porcentagem_módulo_192.168.010.004 = (83,2 + 83,2 + 9,6) / 432= 40,74%
Figura 29 – Porcentagem de cada módulo em relação ao tempo total disponível.
Caso a quantidade de bytes de entrada ou saída aumente, o tempo utilizado também
aumenta e se aproxima de 1ms, que é o tempo de varredura.
Exemplo 2: Alteração dos bytes de ambos os módulos para 400 e 110,
respectivamente.
Controlador mestre – 10Mbps, 1ms, 2 módulos de campo;
Módulo campo 192.168.010.002 – 400 bytes de entrada e 400 bytes de saída;
Módulo de campo 192.168.010.004 – 110 bytes de entrada e 110 bytes de saída.
Dead_time = 9,6us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.002_INPUT = 363,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.002_OUTPUT = 363,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.004_INPUT = 131,2us
Tempo_utilizado_módulo_192.168.010.004_OUTPUT = 131,2us
Tempo_utilizado_total = 1,008ms
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 36
Tempo_disponível = 0,001 – 1,008 = - 0,008us (não existe)
Para o caso acima, o tempo utilizado extrapolou o tempo de varredura do controlador
mestre e não há comunicação. Os módulos não conseguem se comunicar com o controlador
mestre, pois a quantidade de informação é muito grande para o tempo de varredura de 1ms,
programado pelo controlador mestre.
Figura 30 – Excesso de tráfego na rede.
2 - Se quantidade de bytes de entrada ou quantidade de bytes de saída for menor que
dezoito (<18), então a quantidade total de bytes é de setenta e dois, que é a mínima permitida
em um quadro Ethernet. Esse número dezoito é obtido pelo seguinte raciocínio:
Quantidade mínima de bytes do quadro Ethernet = 72
Bytes de cabeçalho Ethernet = 26
Sobra para dados = 46
Bytes do cabeçalho UDP = 8
Bytes do cabeçalho IP = 20
Total de bytes de cabeçalho = 28
Restante de bytes livres para dados = 46 – 28 = 18
Assim, se o tamanho dos bytes de dados for menor que dezoito, será necessário
acrescentar bits de enchimento, para se ter, no mínimo, os setenta e dois bytes do quadro
Ethernet.
[1] [22]
Os cálculos acima não se alteram, porém a quantidade total (cabeçalho e informação
juntos) de bytes de entrada e de saída é sempre de setenta e dois bytes. Logo:
Tempo_utilizado_módulo_INPUT = 57,6us
Tempo_utilizado_módulo_OUTPUT = 57,6us
No apêndice B há a parte do código fonte no Borland Builder C++ relacionada aos
cálculos mencionados acima.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 37
5.5 Análise da parte física da rede
Para realizar a análise física da rede proposta pelo software, é necessário um conceito
computacional para a integração harmoniosa das várias partes do programa. Esse conceito é
chamado de thread.
[44]
A thread nada mais é do que um recurso da plataforma Borland Builder em que um
processo (software principal) pode dividir duas ou mais tarefas (software para traçar o cabo
entre os elementos da rede e o programa principal para manipulação dos elementos da rede).
[43] [44]
Assim, é possível mover os elementos conectados, sem interferir nos cálculos dos
tempos e nas funções principais do software.
[49]
O software possui apenas uma thread, logo é
chamado de um sistema monothread.
[49]
De acordo com a tabela 3, para os sistemas que utilizam par trançado blindado, a
distância máxima de cada segmento é de cem metros.
[22]
Para a rede Ethernet industrial é
necessário utilizar switches ou hubs industriais entre o controlador mestre e os módulos de
campo, a fim de aumentar a distância e garantir o determinismo da mesma.
[22] [25] [38]
Porém,
deve-se levar em consideração os pequenos atrasos causados pelos switches no processamento
das informações e não colocar módulos críticos em relação ao tempo de varredura interligados
à muitos switches
[22] [25] [38]
. As distâncias independem da taxa de transmissão configurada
para a rede: 10Mbps, 100Mbps ou 1Gbps.
[22]
Também é importante notar a capacitância e a resistência do cabo à medida que a
metragem aumenta.
[50]
Ambos os parâmetros são críticos em sistemas de comunicação a dois
fios e podem prejudicar o sinal trafegado no cabo.
[22]
Para a rede Ethernet industrial as características principais do cabo são:
[50]
1 – Resistência elétrica do cabo: R = 115 ohms por quilômetro
2 – Capacitância entre os condutores: C = 65 pF por metro
3 – Freqüência máxima: 1,5GHz
4 – Impedância característica: Zo = 100 ohms
5 – Temperatura de operação: -40ºC à +70ºC (IP67)
6 – Tabela de atenuação do cabo em função da freqüência (em dB / Km)
Tabela 5 – Atenuação do cabo Ethernet industrial em função da freqüência.
[50]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 38
Com esses valores, é possível o usuário configurar sua rede virtual e verificar se houve
excessos na distância em algum trecho da rede. Além disso, é possível verificar, em cada
trecho, os valores de resistência elétrica e capacitância de acordo com as características acima.
A figura 31 ilustra uma rede configurada com um switch e dois módulos de campos
conectados ao mestre controlador.
Figura 31 – Configuração da parte física da rede Ethernet.
As distâncias entre cada trecho não podem exceder cem metros para o uso do par
trançado blindado, conforme mostrado anteriormente na tabela 3. O primeiro trecho foi
configurado com sessenta e oito metros, o segundo com noventa metros e o terceiro com
oitenta metros.
No apêndice C há a parte do código referente à criação do cabo Ethernet industrial na
ferramenta proposta, utilizando o conceito de thread.
5.6 Tratamento de exceções no software ao nível do usuário
O tratamento de exceções
[44] [45]
nada mais é do que a realização de várias travas
dentro da ferramenta proposta, impossibilitando o usuário de operar com valores irreais dentro
das simulações realizadas. Assim, valores impossíveis na prática são desconsiderados pelas
simulações, evitando a possibilidade de simulações imperfeitas ou incorretas.
[44] [45]
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 39
A seguir há uma lista de alguns tratamentos de exceções realizados na ferramenta
proposta para impossibilitar que o usuário configure a rede de maneira incorreta:
1 – Tentativa de inserção de um módulo de campo sem ter um controlador mestre na
simulação;
2 – Tempo de varredura negativo no controlador mestre;
3 – Número de módulos de campo menor do que zero ou maior do que mil e vinte e
quatro no controlador mestre;
4 – Quantidade de informação de entrada ou saída menor do que zero ou maior do que
mil quatrocentos e setenta e dois bytes;
5 – Endereço IP inválido do módulo de campo;
6 – Distância de cabo inválida, menor do que zero ou maior do que cem metros por
trecho;
7 – Tentativa de inserção de dois controladores mestres na simulação;
8 – Tentativa de inserção de quantidades superiores de módulos de campo em relação
às definidas no controlador mestre.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 40
6 RESULTADOS
Esse capítulo é dedicado aos resultados práticos do software e comparação com
sistemas reais a fim de validar o software.
Os resultados são obtidos através de várias simulações, envolvendo situações práticas
diferentes.
Já a comparação foi realizada utilizando um software da ODVA
[33]
para rede
Ethernet/IP. Esse software apresenta um controlador mestre e um módulo de campo que
trocam informações entre si.
[33]
6.1 Resultados Obtidos
Para análise dos resultados do software, são necessárias várias situações de montagem
e configuração da rede, adequadas ao cotidiano do usuário e descritas a seguir em três
situações diferentes. A quarta situação é um comparativo entre a rede Ethernet industrial e as
redes encontradas no mercado atual brasileiro (Profibus DP e Devicenet), a fim de analisar os
resultados de uma determinada aplicação nas três redes propostas.
6.1.1 Primeira simulação
O objetivo da primeira simulação é validar o software do ponto de vista operacional.
Para isso, é necessário o uso do simulador de controlador mestre e módulo de campo da
ODVA para comparação dos resultados.
[33]
Para realizar a comparação e validação do software, segue abaixo as condições da
primeira simulação.
Elementos na rede simulada: Controlador mestre, switch com quatro portas e um
módulo de campo.
Controlador mestre – 10Mbps, 10ms, 1 módulo de campo, switch de 4 portas;
Módulo campo 200.010.040.006 – 2 bytes de entrada e 2 bytes de saída;
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_INPUT = 57,6us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_OUTPUT = 57,6us
Dead_time = 9,6us
Tempo_utilizado_total = 124,8us ou 1,25% de 10ms
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 41
Tempo_disponível = 0,01 – 0,0001248 = 9,875ms ou 98,75% de 10ms
Figura 32 – Cenário para simulação 1.
Na figura 33, há o gráfico contendo a porcentagem do tempo ocupado e do tempo
disponível para as condições listadas acima.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 42
Figura 33 – Gráfico dos tempos para cenário 1.
A figura 34 mostra um relatório retirado do simulador com as principais características
da rede simulada nessa primeira simulação. Há a opção de exportar tal arquivo para uma base
de dados tipo texto (txt).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 43
Figura 34 – Relatório da rede para primeira simulação.
Para validar o uso da ferramenta proposta, a seguir é mostrado o software da ODVA
[33]
realizando a comunicação nas mesmas condições da ferramenta proposta. Esses dois
módulos de software representam o mestre controlador e o módulo de campo. O módulo de
campo é composto por dois bytes de entrada (dezesseis chaves liga/desliga) e dois bytes de
saída (dezesseis lâmpadas verdes). Há também parâmetros do módulo de campo que podem
ser lidos pelo mestre controlador via protocolo TCP, conforme já mencionado anteriormente.
Esses parâmetros são: vendor ID, Device type, Product code, Serial number, Product name e
Revision. Eles podem ser configurados no módulo de campo e lidos no mestre controlador. O
programa aplicativo é um contador em anel para acender as lâmpadas em uma seqüência já
pré-determinada em um tempo estabelecido pelo usuário.
Figura 35 – Tela do mestre controlador ODVA.
[33]
Dentro do círculo inferior está o conjunto de parâmetros lidos do módulo de campo e
no círculo superior está o tempo para a atualização do contador das lâmpadas do módulo de
campo.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 44
Figura 36 – Tela do módulo de campo ODVA.
[33]
O círculo superior mostra as lâmpadas e as chaves de entrada e no círculo inferior os
parâmetros do módulo de campo.
Como as condições são bem parecidas com a da primeira simulação (dois bytes de I/O,
10Mbps de taxa de transmissão e tempo de varredura de 10ms), através de um analisador de
rede, é possível visualizar os pacotes trafegados e o tempo para se enviar e receber cada
mensagem. Na figura 36, há uma captura de alguns pacotes utilizando o analisador de rede
Ethernet Ethereal, disponível na Internet.
[51]
É possível notar na área circulada que o tempo de atualização das mensagens é de
cerca de 125us para as condições listadas acima (campo Time). Na coluna Protocol, é possível
verificar de que se trata de um protocolo para Ethernet industrial (ENIP, Ethernet/IP). Há
também os endereços de destino e origem das informações (controlador mestre e módulo de
campo) e as informações trafegadas na parte inferior da figura 37.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 45
Figura 37 – Tela do analisador de rede para simulador ODVA.
[51]
A importância dessa simulação é a comparação dos tempos envolvidos entre o
software proposto e o software da associação ODVA para rede Ethernet/IP. O tempo de
atualização das mensagens está em torno de 125us, que foi calculado e mostrado no software
proposto (Figura 33 – Gráfico dos tempos para cenário 1.).
Assim, é possível validar o desenvolvimento do software, realizando a comparação
com um sistema real da associação certificadora da rede em questão (ODVA). O software
proposto está de acordo com um sistema real.
6.1.2 Segunda simulação
O objetivo da segunda simulação é analisar uma rede com maiores números de
elementos e verificar a parte lógica da rede (tempo de varredura).
Para realizar a simulação da rede, segue abaixo as condições da segunda simulação.
Elementos na rede simulada: Controlador mestre, quatro switches com quatro portas
cada um e nove módulos de campo.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 46
Controlador mestre – 10Mbps, 10ms, 9 módulos de campo, switches de 4 portas;
Módulo campo 200.010.040.002 – 1000 bytes de entrada e 1000 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.003 – 900 bytes de entrada e 900 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.004 – 800 bytes de entrada e 800 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.005 – 700 bytes de entrada e 700 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.006 – 1400 bytes de entrada e 1000 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.007 – 1000 bytes de entrada e 1400 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.008 – 600 bytes de entrada e 600 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.009 – 500 bytes de entrada e 1000 bytes de saída;
Módulo campo 200.010.040.010 – 400 bytes de entrada e 400 bytes de saída;
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_INPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_INPUT = 763,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_OUTPUT = 763,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_INPUT = 683,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_OUTPUT = 683,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_INPUT = 603,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_OUTPUT = 603,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_INPUT = 1,163ms
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_INPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_OUTPUT = 1,163ms
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_INPUT = 523,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_OUTPUT = 523,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_INPUT = 443,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_INPUT = 363,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_OUTPUT = 363,2us
Dead_time = 9 * 9,6us = 86,4us
Tempo_utilizado_total = 12,944ms
Assim, como o tempo disponível é maior do que o tempo de varredura, não há
comunicação. Nesse caso, não é possível trocar dados entre o controlador mestre e os
módulos de campo. A figura 38 mostra a mensagem de tráfego acima do permitido.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 47
Figura 38 – Cenário e resultado para simulação 2.
Para resolver o problema, sem alterar os tempos e os módulos envolvidos na
simulação, é possível aumentar a taxa de transmissão da rede para 100Mbps. Como visto na
tabela 3, a taxa de 100Mbps não influencia na distância de cada segmento da rede Ethernet
industrial.
Logo, tem-se:
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_INPUT = 84,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_OUTPUT = 84,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_INPUT = 76,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_OUTPUT = 76,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_INPUT = 68,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_OUTPUT = 68,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_INPUT = 60,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_OUTPUT = 60,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_INPUT = 116,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_OUTPUT = 84,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_INPUT = 84,32us
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Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_OUTPUT = 116,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_INPUT = 52,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_OUTPUT = 52,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_INPUT = 44,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_OUTPUT = 84,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_INPUT = 36,32us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_OUTPUT = 36,32us
Dead_time = 9 * 9,6us = 86,4us
Tempo_utilizado_total = 1,372ms ou 13,72% de 10ms (tempo de varredura)
O problema está resolvido com a simples alteração da taxa de transmissão da rede. A
figura 39 evidencia os tempos utilizado e disponível e a lista de todos os módulos de campo
que estão configurados na rede.
Figura 39 - Cenário e resultado para simulação 2 com alteração da taxa de transmissão.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 49
É possível visualizar a participação de cada módulo de campo de forma individual
nesse tempo disponível de 1,372ms. A figura 40 mostra a participação de cada módulo de
campo no tempo utilizado.
Figura 40 – Visualização de cada módulo após alteração da taxa de transmissão.
Ainda para a simulação dois, nota-se que os módulos de campo 200.010.040.008,
200.010.040.009 e 200.010.040.010 estão conectados ao quarto switch, após o controlador
mestre.
Caso o usuário não deseje alterar a taxa de transmissão da rede, pode-se alterar o
tempo de varredura. Nesse caso, a taxa continua em 10Mbps e o tempo de varredura é de
20ms, logo:
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_INPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.002_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_INPUT = 763,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.003_OUTPUT = 763,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_INPUT = 683,2us
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 50
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.004_OUTPUT = 683,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_INPUT = 603,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.005_OUTPUT = 603,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_INPUT = 1,163ms
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.006_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_INPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.007_OUTPUT = 1,163ms
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_INPUT = 523,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.008_OUTPUT = 523,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_INPUT = 443,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.009_OUTPUT = 843,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_INPUT = 363,2us
Tempo_utilizado_módulo_200.010.040.010_OUTPUT = 363,2us
Dead_time = 9 * 9,6us = 86,4us
Tempo_utilizado_total = 12,944ms ou 64,72% de 20ms (novo tempo de varredura)
Contudo, é importante destacar que o sistema assim utilizado torna-se mais lento e
opera-se sob um tempo de 20ms de varredura dos módulos de campo. Essa não é uma solução
muito satisfatória, pois os tempos de resposta de cada módulo de campo são alterados. A
figura 41 evidencia o gráfico dos tempos utilizado e disponível para um tempo de varredura
de 20ms e taxa de transmissão de 10Mbps.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 51
Figura 41 – Cenário e resultado para simulação 2 com alteração do tempo de varredura.
A seguir, na figura 42, há o relatório gerado pelo software com as principais
características da rede simulada para o tempo de varredura para 20ms. Como dito
anteriormente, esse relatório pode ser exportado para uma base de dados tipo texto (txt).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 52
Figura 42 – Relatório da rede para segunda simulação.
6.1.3 Terceira simulação
A terceira simulação é similar à segunda, porém a análise agora é relativa à parte física
da rede. As condições são as mesmas, mestre controlador, quatro switches e nove módulos de
campo. Cada trecho está configurado para uma determinada distância, conforme visto na
figura abaixo. Ao passar o mouse sobre o cabo, é possível visualizar a capacitância e a
resistência elétrica de cada trecho analisado. Também há um tratamento de exceção (trava)
para o usuário operar apenas com valores válidos de distância (entre zero e cem metros) para
cada trecho. A rede está ilustrada a seguir na figura 43.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 53
Figura 43 – Cenário e resultado para simulação 3 – Switches de 4 portas.
Assim, têm-se as seguintes distâncias para a terceira simulação:
Distância_mestre_switch 1 = 80m
Distância_switch 1_switch 2 = 86m
Distância_switch 2_switch 3 = 50m
Distância_switch 3_switch 4 = 15m
Distância_módulo_200.010.040.002_switch 1 = 26m
Distância_módulo_200.010.040.003_switch 1 = 38m
Distância_módulo_200.010.040.004_switch 2 = 59m
Distância_módulo_200.010.040.005_switch 2 = 66m
Distância_módulo_200.010.040.006_switch 3 = 70m
Distância_módulo_200.010.040.007_switch 3 = 40m
Distância_módulo_200.010.040.008_switch 4 = 55m
Distância_módulo_200.010.040.009_switch 4 = 44m
Distância_módulo_200.010.040.010_switch 4 = 77m
As características elétricas (capacitância e resistência elétrica) da rede para cada trecho
da terceira simulação estão evidenciadas abaixo.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 54
Capacitância_Resistência _mestre_switch 1:
Capacitância_Resistência _switch 1_switch 2:
Capacitância_Resistência _switch 2_switch 3:
Capacitância_Resistência _switch 3_switch 4:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.002_switch 1:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.003_switch 1:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.004_switch 2:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.005_switch 2:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.006_switch 3:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.007_switch 3:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.008_switch 4:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.009_switch 4:
Capacitância_Resistência_módulo_200.010.040.010_switch 4:
Há a possibilidade, ainda, de se ter uma rede formada por switches de oito portas ao
invés de quatro. As condições de simulação foram alteradas para os valores a seguir.
Controlador mestre – 10Mbps, 10ms, 6 módulos de campo, switch de 8 portas;
Distância_mestre_switch = 80m
Distância_módulo_200.010.040.002_switch = 26m
Distância_módulo_200.010.040.003_switch = 38m
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 55
Distância_módulo_200.010.040.004_switch = 59m
Distância_módulo_200.010.040.005_switch = 66m
Distância_módulo_200.010.040.006_switch = 70m
Distância_módulo_200.010.040.007_switch = 40m
As características elétricas são as mesmas apresentadas acima até o módulo
200.010.040.007, pois as distâncias não foram alteradas (alteração da topologia da rede
apenas e exclusão de três módulos de campo).
A figura 44 ilustra a rede formada por um switch de oito portas, controlador mestre e
seis módulos de campo.
Figura 44 – Cenário e resultado para simulação 3 – Switch de 8 portas.
Caso alguma distância não esteja de acordo com os valores normalizados, há uma
mensagem para o usuário mostrando que o trecho está configurado de forma errônea. Abaixo,
nas figuras 45 e 46, segue um exemplo de uma distância inválida de dois mil e quinhentos
metros.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 56
Figura 45 – Cenário 3 – valor inválido de distância.
Figura 46 – Cenário 3 – mensagem de erro para distância inválida.
6.1.4 Quarta simulação
O objetivo da quarta simulação é realizar um comparativo entre a rede Ethernet
industrial e as redes industriais do mercado brasileiro em relação ao tempo de varredura para
uma mesma quantidade de informação trafegada na rede.
Essa simulação não valida ou testa as funcionalidades do software, servindo apenas
como informação adicional ao leitor.
A quantidade de informação para esse comparativo é a mesma da primeira simulação,
ou seja, dois bytes de entrada e dois bytes de saída. Para aquele caso, um controlador mestre
operando à 10Mbps, um módulo de campo (200.010.040.006) e um switch de quatro portas, o
tempo utilizado foi de, aproximadamente, 125us.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 57
Para rede Profibus DP
[52]
e utilizando um analisador de protocolo específico, pode-se
medir tal tempo para as seguintes condições: mestre (endereço dois), módulo de campo
(endereço quarenta e seis) contendo dois bytes de entrada e dois bytes de saída, taxa de
transmissão de 500Kbps e tempo de varredura de 10ms.
As telas de análise do analisador PROFI-MON-MOBIL
[53]
estão mostradas abaixo nas
figuras 47 e 48.
Figura 47 – Tela inicial do analisador Profibus DP.
[53]
Figura 48 – Características da rede Profibus DP proposta.
[53]
A lista de troca de informações entre mestre e módulo de campo para análise do tempo
utilizado está a seguir na figura 49.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 58
Figura 49 – Análise lógica da rede Profibus DP proposta.
[53]
Com o auxílio do analisador PROFI-MON-MOBIL, o tempo utilizado é de 1,276ms
(12,76% do tempo de varredura) para a quantidade de informação citada acima. Logo, há
8,724ms (87,24%) de tempo disponível para futura expansão da rede.
Para rede Devicenet
[54]
e utilizando um outro analisador de protocolo, pode-se medir
tal tempo para as seguintes condições: mestre (endereço zero), módulos de campo (endereço
quarenta e oito e quarenta e nove) contendo um byte de entrada e um byte de saída cada
módulo, taxa de transmissão de 125Kbps e tempo de varredura de 69,3ms.
As telas de análise do analisador X-Analyser
[55]
estão mostradas abaixo, nas figuras 50
e 51.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 59
Figura 50 – Tela inicial do analisador Devicenet.
[55]
Figura 51– Características da rede Devicenet proposta.
[55]
A lista de troca de informações entre mestre e módulos de campo para análise do
tempo utilizado está a seguir na figura 52.
Com o auxílio do analisador X-Analyser, o tempo utilizado é de 12,111ms (17,5% do
tempo de varredura) para a quantidade de informação citada acima. Logo, há 57,189ms
(82,5%) de tempo disponível para futura expansão da rede.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 60
Figura 52 – Análise lógica da rede Devicenet proposta.
[55]
A seguir há uma tabela comparativa entre as três redes analisadas acima.
Ethernet industrial Profibus DP Devicenet
Quantidade de módulos de campo 1 1 2
Quantidade de bytes de entrada e saída 2 IN + 2 OUT 2 IN + 2 OUT 2 IN + 2 OUT
Taxa de transmissão 10Mbps 500Kbps 125Kbps
Tempo de varredura 10ms 10ms 69,3ms
Tempo utilizado 125us 1,276ms 12,111ms
Tempo disponível 9,875ms 8,724ms 57,189ms
% de tempo livre 98,75% 87,24% 82,5%
Distância máxima sem repetidor 100 metros 400 metros
[52]
500 metros
[54]
Tabela 6 – Comparativo entre as rede industriais.
Para as análises realizadas acima, o tempo de processamento do software aplicativo do
usuário não foi considerado, somente a parte relativa à comunicação entre o mestre
controlador e os módulos de campo é que estão representadas.
Pode-se perceber que a rede Ethernet industrial é a mais rápida em relação ao tempo
utilizado, podendo adicionar maiores quantidades de informação em uma futura expansão da
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 61
rede. Contudo, é a que possui a menor distância, pois opera com a maior taxa de transmissão.
As quantidades de entradas e saídas são as mesmas para os três casos (dois bytes de entrada e
dois bytes de saída), diferindo apenas a parte lógica das redes (taxa de transmissão e tempo de
varredura).
6.2 Conclusões dos resultados
Na primeira simulação o software comportou-se bem próximo ao sistema real da
ODVA, de acordo com as medidas de tempo, o tempo de varredura permaneceu em torno de
125us para os dois casos (ODVA e simulador). A medida de tempo foi realizada utilizando
um analisador de rede (Ethereal
[51]
) nas mesmas condições da rede simulada pelo software. A
solução proposta está de acordo com o simulador da ODVA, conforme verificado nos tempos
de varredura da primeira simulação.
A segunda simulação mostrou-se eficaz para o usuário ter a possibilidade de alterar os
parâmetros de sua rede conforme seu processo produtivo. A primeira vista, o sistema proposto
não realizaria a comunicação entre controlador mestre e os módulos de campo, pois o tempo
utilizado pelos módulos era maior do que o tempo de varredura da rede. Contudo, foram
realizadas outras simulações a fim de se corrigir o problema da falta de comunicação da rede.
Para isso, alterou-se a taxa de transmissão (não afetando o sistema em si) e, em seguida, o
tempo de varredura (afetando toda a rede, pois o sistema torna-se mais lento para a
comunicação entre o controlador mestre e os módulos de campo).
Então, de acordo com essa simulação é possível perceber que:
- O problema da falta de comunicação foi solucionado de duas maneiras distintas:
alterando-se a taxa de transmissão e o tempo de varredura.
- As simulações e alterações não afetaram fisicamente a rede simulada.
- O tempo e o custo da simulação são pequenos se comparados a uma rede em
operação com esse tipo de problema. Para uma rede em operação, seria necessário configurar
toda a rede com os elementos já instalados e o processo produtivo estaria todo parado (perda
de capital por falta de produção), gerando grande desconforto por parte do usuário e do
fabricante.
- Os conceitos básicos da tecnologia da rede Ethernet industrial, como distâncias de
cabos, elementos na rede e taxa de ocupação, foram discutidos e o usuário pôde compreender
os seus conceitos básicos através das simulações realizadas.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 62
Assim, os problemas citados no capítulo cinco, página trinta e quatro, foram simulados
e previstos antes de se ter qualquer elemento instalado ou configurado na rede Ethernet
industrial.
A terceira simulação evidenciou a parte física da rede Ethernet industrial. A rede foi
configurada para cada trecho e os valores elétricos foram mostrados automaticamente pelo
simulador. O limite de distância para cada trecho da rede é de cem metros. Caso esse limite
seja excedido, uma mensagem de aviso é mostrada para o usuário. Há a opção de alterar a
topologia da rede utilizando switches de quatro ou oito portas. Nesse caso, o usuário tem a
possibilidade de visualizar a melhor topologia física para montagem de sua rede Ethernet
industrial.
A quarta simulação mostra um comparativo entre a Ethernet industrial e as redes
industriais do mercado a fim de enriquecer o trabalho realizado evidenciar os tempos
envolvidos em cada um dos sistemas. Para uma mesma quantidade de dados de entrada e
saída (dois bytes), cada uma das redes se comportou de uma maneira, com relação ao tempo
utilizado. A tabela 6 ilustra as características e os resultados para as três redes analisadas:
Ethernet industrial (através do software), Profibus DP (através de um analisador de protocolo)
e Devicenet (através de um outro analisador de protocolo). A rede Ethernet é a que possui
menor tempo utilizado, porém é a que possibilita uma menor distância total da rede.
Então, com as simulações realizadas, pôde-se perceber:
- A validação do desenvolvimento do software comparado ao da ODVA (simulação
um).
- A resolução dos problemas de tráfego com o auxílio do software (simulação dois).
- A verificação de como a rede está fisicamente disposta sem ter nenhum elemento
instalado em campo, evitando grande perda de tempo para reparos e altos custos na alteração
do projeto físico da rede (simulação três).
- A comparação dos resultados de uma determinada aplicação simulada, com relação a
outras redes industriais do mercado (simulação quatro).
6.3 Dificuldades encontradas
Muitas dificuldades foram encontradas neste trabalho. O ponto de partida foi encontrar
alguma aplicação que realmente fosse útil aos usuários de automação industrial. Através de
visitas técnicas reais e experiências práticas, verificou-se a grande necessidade de um maior
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 63
conhecimento da tecnologia utilizada, com um baixo tempo e custo para implantação do
sistema proposto.
Com a idéia já amadurecida, a outra dificuldade foi escolher uma linguagem de
programação e uma plataforma que realmente atendesse as expectativas e pudesse solucionar
o problema proposto. A primeira tentativa foi utilizar a plataforma Visual C++, porém os
recursos gráficos (operação com imagens e geração de gráficos) são muito escassos nessa
plataforma e de difícil codificação. A segunda tentativa foi utilizar a plataforma Delphi,
porém os recursos de cálculos são limitados e a codificação para integrar a parte gráfica à
parte de cálculo seria muito difícil. Por fim, na terceira tentativa, utilizou-se a plataforma
Borland Builder C++, que é uma mistura ideal de recursos gráficos e rapidez em cálculo.
Assim, essa plataforma foi adotada. A partir daí, várias dificuldades em
implementação do código foram surgindo, sendo mais significativo, o aprendizado dos
comandos e funções específicas da plataforma Borland Builder C++.
A primeira dificuldade na codificação foi a criação do gráfico dos tempos utilizados e
disponíveis, além do gráfico individual de cada módulo de campo alocada na rede.
A segunda dificuldade na codificação foi codificar toda a parte gráfica (imagens do
controlador mestre, dos switches e dos módulos de campo) e entrelaçar um elemento a outro,
realizar função de movimento, de propriedades, de apagar um elemento e de inserir um novo.
A terceira dificuldade na codificação foi a implantação do cabo na rede. Foi necessário
utilizar o conceito de thread para possibilitar o movimento dos elementos com a rede já
desenhada e realizar o desenho do cabo sem comprometer a velocidade de processamento do
software e as outras funções já codificadas.
Por último, foi necessário realizar as seguintes averiguações:
- Testes funcionais no software para verificar seu funcionamento;
- Comparação com um sistema real para aceitação dos resultados;
- Realização de inúmeros tratamentos de exceções para impossibilitar o usuário de
operar com valores irreais dentro do software (retirar as possibilidades do usuário entrar com
valores irreais para simulação, por exemplo, tempo de varredura negativo).
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 64
7 CONCLUSÕES E CONTRIBUIÇÕES
Com o auxílio das simulações e do software, é possível que o usuário tenha dados
concretos do seu sistema, ainda na fase de projeto, tanto na parte física (distância e cabos)
quanto na parte lógica da rede (tempos de comunicação). Assim, no momento da
instalação e configuração da rede, muitos problemas relativos ao projeto já foram
discutidos e simulados, minimizando o tempo de partida e os custos da planta industrial.
No trabalho realizado, a visualização, as características e as simulações dos
elementos da rede foram atendidas de acordo com as redes Ethernet industriais do
mercado, conforme se verificou nos resultados da primeira simulação. As simulações
mostram claramente quais são as opções que o usuário possui com relação à quantidade
de informação que se deseja trafegar em sua rede em função do tempo para transmissão e
recepção das mensagens.
A validação do software proposto com relação a um sistema real (software da
ODVA para rede Ethernet/IP) também pôde ser verificada, tornando-o uma importante
ferramenta para o usuário simular e configurar a parte física e lógica da sua rede Ethernet
industrial sem a necessidade de nenhum elemento ligado fisicamente.
Os problemas listados no capítulo quatro, parte física e lógica da rede,
conhecimento da tecnologia e previsão de futuros problemas, foram resolvidos,
analisados e previstos, através da segunda e terceira simulações e mostrados nas
conclusões dos resultados do software.
Outra contribuição ao usuário de redes industriais é o fato do software não se
prender a um único padrão de rede Ethernet industrial, como por exemplo, uma aplicação
muito específica envolvendo Profinet IRT, por exemplo. Pode ser utilizado independente
do padrão que o usuário irá determinar para o funcionamento do seu processo industrial,
pois as redes Ethernet industriais operam com camada Ethernet, IP e UDP para tráfego de
informação de I/O.
Assim, não importa o tipo de rede Ethernet industrial a ser implementado após a
simulação (Ethernet/IP, Profinet ou HSE), desde que não opere com TCP
(parametrização à distância dos elementos da rede) ou com aplicações muito peculiares,
como é o caso do Profinet IRT.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 65
8 TRABALHOS FUTUROS
Para a continuação do trabalho realizado, é possível implementar algumas funções
extras para maior auxílio ao usuário.
- Implementação de funções para comunicação via TCP para configurações de
parâmetros dos módulos de campo e medição de tempo de resposta dessas mensagens de
parâmetros.
- Possibilidade de simulação para outros protocolos utilizados no mercado atual
brasileiro, como por exemplo, Profibus, Devicenet, Foundation Fieldbus, AS-i, entre
outros. Nesse caso, o usuário poderia escolher qual seria o protocolo ideal para sua planta
industrial através das simulações realizadas nos diversos protocolos de mercado.
- Possibilidade da implementação de uma função extra para conexão do
computador com uma rede Ethernet industrial real externa. Nesse caso, o software
serviria como um analisador da rede já instalada, realizando as medidas de tráfego e
distância, validando o processo produtivo e a rede em questão. Assim, seria possível
analisar uma rede simulada e, futuramente, comissionar (testar) uma rede real
implementada em campo.
Com essas funções implementadas, o usuário de redes Ethernet industriais teria a
opção de simular, conectar o software a uma rede real instalada para averiguação dos
parâmetros simulados e comparar a simulação entre os diversos protocolos do mercado, a
fim de escolher o mais adequado à sua aplicação fabril.
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI 66
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