ENGENHARIAS E TECNOLOGIAS - Computação e Informática FERRAMENTA COMPUTACIONAL EMBARCADA PARA SIMULAÇÃO E TESTE DAS REDES ETHERNET INDUSTRIAL

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1 ENGENHARIAS E TECNOLOGIAS - Computação e Informática FERRAMENTA COMPUTACIONAL EMBARCADA PARA SIMULAÇÃO E TESTE DAS REDES ETHERNET INDUSTRIAL Autor: MURILO DE LIMA VILELA Instituição: Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL) Orientador(es): Alexandre Baratella Lugli Resumo O trabalho consiste em um ambiente computacional amigável para auxílio no projeto e construção de uma rede Ethernet industrial, levando em consideração aspectos físico (cabos, taxa de transmissão, padrão wireless) e taxa de ocupação da rede (quantidade de dados transmitidos na rede em função do tempo de varredura do controlador da rede). Essas funções são realizadas sem nenhum elemento físico, apenas usando recursos computacionais. A ferramenta proporciona uma visão detalhada da rede, além de evidenciar alguns possíveis problemas. Introdução O protocolo TCP/IP, é o padrão mais difundido, para comunicação de longa distância entre computadores. Há alguns anos adotaram esse padrão também nas redes industriais, dando origem às redes Ethernet industrial [1,2]. Hoje existe quatorze redes Ethernet industriais, como: 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. Objetivos Existe uma grande dificuldade na partida da planta industrial, porque há vários problemas que são muito comuns, e não são notados na fase de projeto devido à falta de informação e recursos de simulação. Essa dificuldade está na hora de definir os elementos da rede a serem usados e suas configurações, assim como a verificação do meio físico. Assim o tempo de partida da planta é maior, os gastos

2 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 estalados, toda mudança é trabalhosa e onera altos custos de consultoria. Fig.1 Relatório de vista 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. Metodologia A metodologia está referenciada ao estudo teórico do tema, estudo de requisitos como, modelagem UML e algoritmos. Para o desenvolvimento do software 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].

3 Desenvolvimento As redes Ethernet industrial seguem um mesmo padrão de encapsulamento das informações, a solução se preocupa apenas com o trafego de informações dos I/O s (entradas e saídas) na rede (Ethernet, IP, UDP), não levando em consideração à distância e a parametrização dos módulos (Ethernet, IP, TCP), porque são dados que raramente trafegam na rede (somente na configuração inicial do equipamento) [7,8]. A figura 2 mostra os conceitos de UDP (User Datagram Protocol) e TCP (Transport Control Protocol) aplicados à Ethernet industrial [7]. Fig. 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 os dados trafegados 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, usam hardwares dedicados para saltar da camada Ethernet diretos 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. Existem vários padrões wireless como, IEEE802.11b ou IEEE802.11a, Zigbee, WISA (Wireless Interface Sensor Actuator) e Bluetooth[10]. Nessa ferramenta o usuário pode escolher alguns desses padrões para simulação. Resultados Para melhor entendimento, a ferramenta está basicamente dividia em duas aplicações, uma se refere a parte física da rede (conexões de cabos e padrão

4 wireless), a outra se refere a parte lógica da rede (cálculo de ocupação da rede em função do tempo de varredura). Fig.3 Configuração do controlador mestre. Para a analise lógica da rede simulada é necessário a configuração de alguns parâmetros para ser medida a ocupação de cada modulo na rede. Assim, para o controlador mestre tem-se: taxa de transmissão da rede (10Mbps, 100Mbps, 1Gbps), 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 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 e atualizar todas as saídas. 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.

5 Fig. 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, 54 bytes (quadro Ethernet, cabeçalhos UDP e IP), módulo com fio, 16 Bytes, padrões WISA e Bluetooth e 32 bytes para o padrão IEEE802.11, além do tempo de latência dos módulos wireless e o Dead Time entre o controlador e os módulos (9,6x10-6 s). 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 para cada módulo. [( Bytes _ saída Cabeçalho) 8 Tempo _ output (2) Taxa _ transmissão Eq. 2 Cálculo do tempo de saída para cada módulo. 6 Tempo _ modulo Tempo _ input Tempo _ output Tempo _ latência 9,6 10 (3) Eq. 3 Calculo do tempo gasto por cada módulo da rede. Tempo _ total Tempo _ modulo (4) Eq. 4 Cálculo do tempo total utilizado (todos os módulos da rede). Tempo _ disponível Tempo _ var edura Tempo _ total (5) Eq. 5 Cálculo do tempo disponível do tempo de varredura

6 Nos exemplos a seguir, todos os testes foram realizados com as seguintes configurações do controlador.taxa de transmissão de 10Mbps e tempo de varredura (scan) de 10 ms. Exemplo 1, com 2 módulos: Módulo , 20 bytes de entrada e saída. Módulo , 20 bytes de entrada e saída, padrão WISA e 10 ms de latência. Tempo utilizado pelo módulo é de 128 s e o módulo é de 1,0672 ms. O tempo total utilizado é 1,1952 ms e o tempo disponível é 8,8048 ms. Fig. 5 Simulação exemplo 1. A figura 5 mostra o exemplo proposto acima já simulado na ferramenta computacional. A parte vermelha mostra a porcentagem de tempo utilizado do tempo de varredura, 11,95% ou 1,195 ms. A parte azul indica o tempo livre para novos módulos, 88,05% ou 8,805 ms. Há a opção de visualizar a influência de cada módulo separadamente na rede. Nesse caso, cada módulo vai ter uma porcentagem diferente em relação ao tempo total utilizado. A equação 6 mostra o calculo dessa porcentagem, como é realizada pela ferramenta computacional.

7 Tempo _ modulo % 100 Tempo _ Total (6) Eq. 6 Cálculo da porcentagem de ocupação de cada modulo em relação do tempo total gasto. Fig. 6 Ocupação parcial dos módulos na rede. Para o exemplo 1, o tempo total utilizado é 1,195 ms, logo a porcentagem do modulo é 10,71% e do módulo é 89,29%. A figura 6 acima evidencia os gráficos da ocupação parcial de cada módulo. Exemplo 2, com 8 módulos: Módulo , 20 bytes de entrada e saída. Módulo , 30 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 40 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 50 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 60 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 70 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 80 bytes de entrada e 20 bytes de saída. Módulo , 90 bytes de entrada e 20 bytes de saída.

8 Fig. 7 Exemplo 2 simulado na ferramenta. No exemplo 2, O tempo utilizado é 1,248 ms ou 12,48% do tempo de varredura a simulação está na figura 7, á cima. Exemplo 3, com 6 módulos: Módulo , 10 bytes de entrada e saída, padrão WISA e 1 ms de latência. Módulo , 20 bytes de entrada e10 bytes de saída, padrão IEE e 2 ms de latência. Módulo , 30 bytes de entrada e 10 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. Módulo , 50 bytes de entrada e 10 bytes de saída, padrão IEE e 1 ms de latência. Módulo , 60 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.

9 Esse problema pode ser resolvido simplesmente aumentando a taxa de transmissão ou o tempo de varredura, como na figura 9. Fig.9 Exemplo 3 simulado com o tempo de varredura de 11ms para solucionar o problema. As dificuldades para o desenvolvimento do trabalho foram na escolha da linguagem de programação assim como da plataforma que atendesse as expectativas e pudesse solucionar o problema, na implementação do código, tratamento de exceções, testes para verificar o funcionamento da ferramenta e comparação com um sistema real para aceitação dos resultados. Considerações Finais Com a realização desse trabalho foi possível 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. 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 dados concretos 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 os dados reais da planta industrial. Outra contribuição à sociedade é o fato do

10 software não se prender a um padrão específico de rede Ethernet industrial, como uma aplicação específica (Profinet IRT, por exemplo). 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). Fontes Consultadas [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, visited in August [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 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