Uma Aplicação Interativa aplicada às Redes Ethernet Industriais. 2 Murilo de Lima Vilela Aluno de Engenharia da Computação no INATEL/MG.

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1 Uma Aplicação Interativa aplicada às Redes Ethernet Industriais. Autores: 1 Prof. Msc. Alexandre Baratella Lugli Professor dos cursos superiores (Tecnologia e Engenharia) e Coordenador dos cursos de Tecnologia em Automação Industrial, pós graduação, latu sensu, em Engenharia de Sistemas Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial e pós graduação, latu sensu, em Automação de Sistemas Elétricos, INATEL/MG. 2 Murilo de Lima Vilela Aluno de Engenharia da Computação no INATEL/MG. 3 Cassiano Domingos Albergaria Aluno de Engenharia da Computação no INATEL/MG. 1

2 RESUMO Esse artigo apresenta a idéia de um ambiente computacional amigável, para auxílio ao usuário de automação industrial na confecção, projeto e construção de uma rede Ethernet industrial, levando em consideração aspectos físicos (cabos, taxa de transmissão, padrão wireless para automação) e taxa de ocupação da rede (quantidade de informações transmitidas na rede em função do tempo de varredura do controlador mestre da rede). Essas funções são realizadas sem nenhum elemento físico, apenas utilizando recursos computacionais. A ferramenta computacional proporciona uma visão detalhada da rede, além de evidenciar alguns possíveis problemas de comissionamento, comuns na fase de projeto e startup. 2

3 INTRODUÇÃO O protocolo TCP/IP é o padrão mais difundido para comunicação a longa distância entre sistemas computacionais. Há alguns anos, esse padrão foi adotado, também, nas redes industriais, dando origem as redes Ethernet industriais [1,2]. Atualmente, há quatorze redes Ethernet industriais, como, por exemplo: Profinet, Ethernet IP e HSE (High Speed Ethernet) [2]. O trabalho apresenta uma ferramenta computacional que explora parte dessa tecnologia. Essa ferramenta foi desenvolvida para auxiliar no projeto e desenvolvimento de uma rede Ethernet industrial. Possui funções básicas para verificação do meio físico e taxa de ocupação da rede. OBJETIVO Existe uma grande dificuldade no startup de uma planta industrial, devido vários problemas que são muito comuns e não são notados na fase de projeto devido à falta de informação e recursos de simulação disponíveis para o usuário. Essa dificuldade aparece no momento da definição dos elementos da rede a serem utilizados e suas configurações, assim como, a verificação do meio físico. Assim, o tempo de partida da planta é maior, os gastos com consultoria são altos e o conhecimento da tecnologia empregada não é discutido [3]. A figura 1 mostra parte de um relatório real elaborado por uma empresa na visita técnica a um cliente [4]. Nessa parte do relatório é importante perceber que os problemas são provenientes da parte física (conexão inadequada da rede, problema um) e da parte lógica (tempo de varredura da rede pequeno, 95% de trafego, problema dois). Como os equipamentos já estavam instalados, toda mudança foi trabalhosa e onerou altos custos de consultoria e manutenção. Figura 1 Relatório da visita técnica a um cliente [4]. Tudo poderia ser evitado se o usuário, de alguma maneira, pudesse simular ou prever alguns desses problemas antes de ter qualquer equipamento conectado à rede. Assim, seria de grande ajuda se o usuário tivesse um ambiente gráfico amigável, para simulação da sua rede e verificação dos parâmetros configurados. Essa simulação pode evitar futuros transtornos como o da figura 1, e perda de tempo na partida de sua planta industrial. 3

4 METODOLOGIA A metodologia utilizada está referenciada ao estudo teórico do tema, estudo de requisitos como, modelagem UML e algoritmos. Para o desenvolvimento da ferramenta computacional, foi utilizada a filosofia de orientação a objeto, devido à facilidade na identificação e codificação das diversas classes da ferramenta. Sua implementação foi planejada para o ambiente Borland Builder C++ 6 [5,6]. DESENVOLVIMENTO As redes Ethernet industriais seguem um mesmo padrão de encapsulamento das informações, a solução apresentada se preocupa apenas com o trafego de informações dos I/O s (entradas e saídas) na rede (Ethernet, IP, UDP), não levando em consideração a parametrização dos módulos (Ethernet, IP, TCP), devido ao baixo índice de tráfego desse tipo de informação na rede (somente na configuração inicial do equipamento e alarmes) [7,8]. A figura 2 mostra os conceitos de UDP (User Datagram Protocol) e TCP (Transport Control Protocol) aplicados à qualquer rede Ethernet industrial, independente do tipo/fabricante utilizado [7]. Figura 2 Esquema comparando TCP e UDP para Ethernet industrial [7]. Outra característica da ferramenta é que ela desconsidera a programação do usuário, se importando apenas com as informações trafegadas na rede. O programa aplicativo pode ter uma linha ou até milhares, o que torna difícil calcular o tempo gasto para executar as funções do controlador mestre. Algumas redes, como o Profinet (IRT - Isochronous Real Time ou SRT Soft Real Time), por exemplo, utilizam hardwares dedicados para saltar da camada Ethernet direto para a camada de aplicação do usuário [9]. Essa característica específica também não é levada em consideração pela ferramenta, devido à particularidade de sua utilização em sistemas industriais reais. Além disso, existem vários padrões wireless para automação industrial como, IEEE b ou IEEE a, Zigbee, WISA (Wireless Interface Sensor Actuator) e Bluetooth [10]. 4

5 Nessa ferramenta o usuário pode escolher alguns desses padrões para simulação e verificação do funcionamento de sua rede. 5

6 RESULTADOS Para melhor entendimento, a ferramenta está basicamente dividida em duas aplicações, uma se refere à parte física da rede (conexões de cabos e padrão wireless), a outra se refere à parte lógica da rede (cálculo de ocupação da rede em função do tempo de varredura). Figura 3 Configuração do Controlador Mestre. Para a analise lógica da rede simulada é necessário a configuração de alguns parâmetros, a fim de medir a ocupação de cada módulo na rede. Assim, para o controlador mestre tem-se: taxa de transmissão da rede (10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps), tempo de varredura (scan) da rede (em milissegundos), quantidade de módulos de campo a serem inseridos. A janela para configuração desses parâmetros está na figura 3, acima. Uma rede Ethernet industrial só possui um controlador mestre. Ele é responsável por toda comunicação, programação e controle da rede industrial. O tempo de varredura é um importante parâmetro porque indica o tempo que o controlador deve ler todas as entradas da rede, executar o software do usuário e atualizar todas as saídas. A ferramenta também não leva em consideração o tempo necessário para a execução do programa do usuário, pois, há variação do tempo de aplicação para aplicação. Para o módulo de campo I/O (módulos descentralizados que possuem elementos primários e finais), os parâmetros são os seguintes: quantidade de bytes de entrada e saída, endereço IP do módulo na rede e padrão wireless (Bluetooth, , WISA). Esses parâmetros dimensionam cada módulo de campo inserido na rede Ethernet industrial proposta. O número máximo de bytes de entrada e saída, é de mil quatrocentos e setenta e dois, para o modulo com fio, trezentos e quarenta e cinco bytes, para os padrões Bluetooth e WISA e dois mil trezentos e doze bytes para o padrão IEEE A figura 4 mostra as telas pra configuração desses parâmetros. 6

7 Figura 4 Configuração das propriedades dos módulos. Para a realização do cálculo do tempo de ocupação da rede de todos os módulos em relação ao tempo de varredura da rede, deve-se levar em consideração as informações de cabeçalho, cinqüenta e quatro bytes (quadro Ethernet, cabeçalhos UDP e IP), módulo com fio, dezesseis bytes, padrões WISA e Bluetooth e trinta e dois bytes para o padrão IEEE , além do tempo de latência dos módulos wireless e o Dead Time (tempo médio de atraso do switch industrial) entre o controlador e os módulos (9,6x10-6 µs). As equações (1), (2), (3), (4) e (5) mostram os cálculos envolvidos na ferramenta. [( Bytes_ entrada+ cabeçalho) 8] Tempo_ input = (1) Taxa_ transmissão Eq. 1 Cálculo do tempo de entrada de cada módulo. [( Bytes_ saída+ Cabeçalho) 8 Tempo_ output = (2) Taxa_ transmissão Eq. 2 Cálculo do tempo de saída de cada módulo. 6 Tempo _ mod ulo = Tempo _ input + Tempo _ output + Tempo _ latência + 9,6 10 (3) Eq. 3 Cálculo do tempo gasto por cada módulo na rede. Tempo _ total = Tempo _ modulo (4) Eq. 4 Cálculo do tempo total utilizado (todos os módulos da rede). Tempo _ disponivel = Tempo _ var redura Tempo _ total (5) Eq. 5 Cálculo do tempo disponível do tempo de varredura. Nos exemplos a seguir, todos os testes foram realizados com as seguintes configurações do controlador: taxa de transmissão de 100 Mbps e tempos de varredura (scan) de 7 ms. A-) Exemplo um, com dois módulos de campo: - Módulo , 70 bytes de entrada e saída. - Módulo , 70 bytes de entrada e saída, padrão Bluetooth e 2 ms de latência. - Tempo utilizado pelo módulo é de 29 µs e o módulo é de 2,023 ms. O tempo total utilizado é 2,0531 ms e o tempo disponível é 4,9469 ms. 7

8 Fig. 5 Simulação exemplo 1. A figura 5 mostra o exemplo proposto acima já simulado na ferramenta computacional. A parte cinza clara mostra a porcentagem de tempo utilizado do tempo de varredura, 29,33% ou 2,0531 ms. A parte cinza escura indica o tempo livre para a inserção de novos módulos ou expansão da rede, 70,67% ou 4,9469 ms. Há a opção de visualizar a influência de cada módulo separadamente na rede. Nesse caso, cada módulo terá uma porcentagem diferente em relação ao tempo total utilizado. A equação 6 mostra o calculo dessa porcentagem, como é realizada pela ferramenta. (6) Eq. 6 Cálculo da porcentagem de ocupação de cada modulo em relação do tempo total gasto. 8

9 Fig. 6 Ocupação parcial dos módulos na rede. Para o exemplo um, o tempo total utilizado é 2,0531 ms, logo a porcentagem do modulo é 1,43% e do módulo é 98,57%, respectivamente. A figura 6 acima evidencia os gráficos da ocupação parcial de cada módulo. B-) Exemplo dois, com quatro módulos de campo: - Módulo , 30 bytes de entrada e saída. - Módulo , 30 bytes de entrada e 40 bytes de saída. - Módulo , 45 bytes de entrada e 30 bytes de saída. - Módulo , 60 bytes de entrada e 40 bytes de saída. 9

10 Fig. 7 Exemplo 2 simulado na ferramenta. No exemplo dois, o tempo utilizado total é 0,0966 ms ou 1,38% do tempo de varredura, a simulação está na figura 7, ilustrada acima. 10

11 C-) Exemplo três, com oito módulos: - Módulo , 30 bytes de entrada e saída. - Módulo , 30 bytes de entrada e 40 bytes de saída. - Módulo , 45 bytes de entrada e 30 bytes de saída. - Módulo , 60 bytes de entrada e 40 bytes de saída. - Módulo , 30 bytes de entrada e saída, padrão WISA e 1 ms de latência - Módulo , 50 bytes de entrada e 10 bytes de saída, padrão IEE e 2 ms de latência. - Módulo , 40 bytes de entrada e 30 bytes de saída, padrão WISA e 2 ms de latência. - Módulo , 40 bytes de entrada e 10 bytes de saída, padrão Bluetooth e 2 ms de latência. Nesse caso, o tempo total ultrapassa o tempo de varredura da rede e haverá perda de comunicação. A figura 8 mostra a mensagem de alerta gerada pela ferramenta. Fig. 8 Mensagem de Alerta. Esse problema pode ser resolvido simplesmente aumentando a taxa de transmissão ou o tempo de varredura no controlador mestre da rede, como na figura 9. Nessa situação, o tempo de varredura foi alterado de 7 ms para 8 ms (mantendo a taxa de transmissão em 100 Mbps), o que possibilitou a comunicação de todos os módulos de campo na rede configurada. 11

12 Fig.9 Exemplo três simulado com o tempo de varredura de 8 ms para solucionar o problema. 12

13 CONCLUSÃO Esse trabalho permite ampliar o conhecimento de um sistema interligado em rede, apresentando como resultado importantes características da rede Ethernet industrial no nível de usuário de sistema de automação industrial. No trabalho, a visualização, as características e as simulações dos elementos da rede foram atendidas de acordo com as redes Ethernet industriais do mercado. As simulações mostram claramente o que o usuário pode ou não fazer com relação à quantidade de informação que deseja trafegar em sua rede em função do tempo para transmissão e recepção das mensagens. Com a simulação realizada, é possível o usuário ter informações concretas do seu sistema, se está configurado de forma correta, tanto na parte física (distância e cabos) quanto na parte lógica da rede (tempos de comunicação). Os problemas relativos ao projeto e partida da planta industrial podem ser minimizados com a utilização da simulação de acordo com as informações reais da planta industrial. Outra contribuição à sociedade é o fato da ferramenta computacional não se prender a um padrão específico de rede Ethernet industrial. Pode ser utilizado independente do padrão que o usuário irá determinar para o funcionamento do seu processo industrial (as redes Ethernet operam com camada Ethernet, IP e UDP para tráfego de informação de I/O). BIBLIOGRAFIA [1] FELSER, Max and SAUTER Thilo. The Fieldbus War: History or Short Break between Battles. IEEE Article, 4 th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, Vasteras, Sweden, August 28-30, 2002, 73-80p. [2] LARSSON, Lars. Issue 28, September 2005, visitada em Agosto de [3] LUGLI, Alexandre B. Software para Análise de Topologia e Tráfego para Redes Ethernet Industriais. Dissertação de mestrado em Automação e Sistemas Elétricos Industriais. Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI. Itajubá, [4] Site da Internet: Empresa Sense Eletrônica, relatório técnico de visita a cliente, 10/ [5] Site da Internet: Borland Builder Plataforma de programação em linguagem C++, visitado em 06/ [6] ALMEIDA, W. M. Conhecendo o C++ Builder 6, São Paulo, Editora Bookman, 2ª ed., 2003, 324p. [7] Ethernet/IP Specification Release 1.0, June, Norma Ethernet/IP elaborada pela ODVA (Open Device Vendors Association). [8] BROOKS, Paul. Ethernet/IP Industrial Protocol. IEEE Article, Rockwell Automation s European Market Manager, Belgium, 2001, p. [9] POPP, Manfred and WEBER, Karl. The Rapid Way to Profinet, book, 2nd ed., PROFIBUS Organization, [10] Marske Eric P. The wireless option for Industrial Ethernet. Wireless industrial networking technical article,

14 AUTORES Alexandre Baratella Lugli: nasceu em Bragança Paulista, SP em 8 de agosto de 1981, é formado em técnico de eletrônica pela ETE-FMC, em Santa Rita do Sapucaí, em 1999, engenheiro eletricista pelo INATEL, em 2004, mestre em Automação e Controle Industrial pela UNIFEI, em 2007 e atualmente é doutorando pela mesma instituição. Coordenou e gerenciou projetos na empresa SENSE durante 1999 a 2008 e atualmente é professor INATEL, coordenador dos cursos de tecnologia e pós graduação, latu sensu, em Engenharia Eletroeletrônica, Automação e Controle Industrial, além do curso de pós graduação, latu sensu, em Automação de Sistemas Elétricos, do INATEL, além de ser e consultor técnico de projetos pelo INATEL Competence Center. Endereço: Av. João de Camargo, 510 Bairro INATEL Santa Rita do Sapucaí/MG. Telefone: (35) ramal baratella@inatel.br Murilo Lima Vilela: nasceu em Limeira, SP em 30 de maio de É formado em técnico de informática pelo Colégio Técnico de Limeira COTIL UNICAMP, em Limeira, em Hoje é aluno do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) do curso de Engenharia da Computação 7 período. Trabalha como estagiário no setor de redes e internet do Inatel desde Endereço: Rua Feliciano Telles, 232 Bairro Inatel Santa Rita do Sapucaí/MG Telefone: (35) / Celular: (35) murilo_vilela@hotmail.com / murilol@gec.inatel.br Cassiano Domingos Albegaria: nasceu em Ponte Nova, MG em 9 de setembro de 1988, é formado em técnico de eletrônica com ênfase em Automação Industrial pela ETE-FMC, em Santa Rita do Sapucaí, em Hoje é aluno do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) do curso de Engenharia da Computação 7 período. Trabalhou como estagiário no setor de redes e internet do Inatel em 2008, no laboratório de desenvolvimento de hardware do INATEL Competence Center durante 2008 a 2010, no setor de engenharia de desenvolvimento da empresa SENSE Eletrônica durante 2010 e Atualmente trabalha como estagiário no laboratório de desenvolvimento de hardware do INATEL Competence Center. Endereço: Rua Vereador José Eduardo Carvalho Costa, 169. Bairro Santana Santa Rita do Sapucaí/MG. Telefone: (35) / Celular: (35) cassiano.msn@hotmail.com / cassiano@gec.inatel.br 14