SISTEMA BASEADO EM TÉCNICAS DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL PARA OTIMIZAÇÃO DA COMUNICAÇÃO ETHERNET INDUSTRIAL.

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1 SISTEMA BASEADO EM TÉCNICAS DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL PARA OTIMIZAÇÃO DA COMUNICAÇÃO ETHERNET INDUSTRIAL. Alexandre Baratella Lugli Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel Santa Rita do Sapucaí, Minas Gerais, Brasil Abstract - The protocol TCP / IP is the most widespread among communications systems for computers. Years ago, the industry decided to use this standard in industrial systems, which led to the rise of industrial Ethernet. Nowadays, there are fourteen different types of networks using this standard, which stand out networks PROFINET, Ethernet/IP and HSE. These networks are mostly used in industrial processes. The proposal of this paper is to present a method of communication without using the master controller of the network. Furthermore, this paper proposes an implementation using the technique of Artificial Intelligence, called fuzzy logic, implemented by an interactive computational tool to the user. The goal of artificial intelligence technique is to minimize the time delay caused by the switch in industrial Ethernet network, increasing time efficiency of the system and reducing delays communication. Keywords Artificial intelligence techniques, Industrial Ethernet, Optimization, Simulation. I. Introdução O padrão TCP/IP surgiu no meio industrial há cerca de alguns anos. Porém, somente nos últimos anos é que se tornou comercialmente utilizado em ambientes industriais. [1] [2]. A grande utilidade deve-se à necessidade de interligar todos os níveis da Cadeia de Suprimentos (Supply Chain) envolvendo um único e exclusivo padrão de rede, o TCP/IP. [3] Porém, na arquitetura tradicional isso não é possível devido aos diferentes tipos de padrões de protocolos existentes no mercado. [4] Com o passar dos anos, o nível administrativo começaram a possuir o padrão TCP/IP, porém o nível de chão de fábrica possuía outros protocolos denominados Fieldbuses. [3] Esses protocolos de chão de fábrica foram se difundindo, devido ao custo benefício de se ter uma rede industrial se comparado ao sistema tradicional. [4] Hoje, há vários protocolos no mercado, os principais são: Profibus, Devicenet, CAN, Fieldbus Foundation, Modbus, AS-i, Sercos, entre outros. [4] Surgiu, então, a idéia de uniformizar o chão de fábrica. Nesse instante, nasceu a Ethernet industrial. Atualmente Cleide Aparecida Ribeiro do Prado Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel Santa Rita do Sapucaí, Minas Gerais, Brasil cleide@gee.inatel.br existem dezenas de tipos de redes Ethernet industriais como: PROFINET, Ethernet/IP, HSE (High Speed Ethernet), Modbus/TCP, EPA, EPL, EtherCAT, IEC 61850, JetSync, P-Net, Sercos III, SynqNet, TCnet e Vnet/IP. [1] [5] Dentre esses protocolos citados anteriomente daremos ênfase aos protocolos PROFINET, Ethernet/IP e HSE que são utilizados em uma variada gama de aplicações na industria. A rede Ethernet utiliza o protocolo de gerenciamento de tráfego tipo CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect), com o objetivo de evitar colisões de informações trafegadas na rede entre duas ou mais estações ativas. Essa técnica consiste na detecção de colisão no meio de transmissão, ou seja, quando mais de uma estação deseja, ao mesmo tempo, transmitir dados no barramento. [6] Neste caso, apenas uma delas conseguirá transmiti-los, sendo que a outra terá que esperar um tempo aleatório gerado pelo controlador da rede 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). Não se pode esperar um longo tempo para a informação crítica ser transmitida. [7] Logo, para a aplicação no meio industrial é necessário transformar a suíte de protocolos TCP/IP comum (não determinística), em determinística. Para isso, utiliza-se um switch especial, com portas independentes entre si e com capacidade de programar prioridades e tempos de espera das mensagens. Deste modo, o switch determina o tempo de varredura para cada porta. [8] Este trabalho propõe uma arquitetura com controle distribuído, para gerenciar os elementos de campo. O objetivo é utilizar a técnica de inteligência artificial para minimizar o atraso temporal causado pelo switch industrial na rede Ethernet. Propondo um algoritmo que permita rotear as mensagens por prioridades de execução, tempo total de execução e menor endereço de ordenação das portas do switch. Desta forma, o switch tem conhecimento prévio da prioridade, tempo de execução e 1

2 porta que se encontra cada módulo. Para isso utiliza-se o processo de fuzzificação, ou seja, definem-se os parâmetros de entrada (prioridade, tempo total de execução e porta) e transforma-se para linguagem apropriada. Logo em seguida passa-se para o processo de inferência (base de regras/ processamento), e por fim realiza-se a defuzzificação para interpretar os valores Fuzzy que são convertidos em números reais, tendo assim um conjunto de saída matematicamente definido e possibilitando decidir por qual caminho deverá transmitir as mensagens para reduzir os atrasos de comunicação entre os switches do barramento. A. Profinet O Profinet é uma rede padronizada pela Associação PROFIBUS Internacional para implementação e integração de soluções baseadas em Ethernet Industrial. [10] A norma regulamentadora do Profinet é a IEC61158 e IEC [11] Existem dois tipos de redes Profinet: Profinet CBA - utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico e Profinet IO - utilizado em aplicações com requisitos de tempo real (crítico). [11] A figura 2 ilustra como o Profinet definiu suas camadas baseadas na suíte de protocolos TCP/IP. II. ETHERNET INDUSTRIAL A área industrial está aceitando e abrindo espaço para a Ethernet. Computadores pessoais, impressoras e outros periféricos com interfaces prontas para Ethernet estão migrando para a área industrial e tornando-se mais robustas e preparadas para ambientes hostis. Quando utilizadas com switches inteligentes e roteadores este padrão de rede ganha ainda maior aceitação nas plantas industriais, pois aumenta a eficiência dos processos que estão mais inteligentes e aumentando a troca de informações. A figura 1a ilustra uma planta de rede sem Ethernet industrial e a figura 1b ilustra uma planta industrial com Ethernet industrial. Figura 1a. Planta Industrial sem Ethernet. [9] Figura 1b. Planta Industrial com Ethernet. [9] Figura 2. Suítes de protocolos TCP/IP para Profinet. [11] Observa-se pela figura 2 que o Profinet pode ter três formas distintas de operação, sendo duas delas para tempo real (Real Time RT e Isochronous Real Time IRT) e uma para não tempo real (suíte de protocolos TCP/IP padrão). [11] A primeira baseia-se na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na camada um (física) e na camada dois (enlace), o IP na camada três (rede) e o TCP ou UDP na camada quatro (transporte). Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento aproxima-se dos 100ms. A segunda forma baseia-se no chamado Soft Real Time (RT), realizado por um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet a camada de Aplicação. Esse tipo de comunicação é aplicada à comunicação cíclica da rede, entre os dispositivos de campo. Com a eliminação de vários níveis de protocolo (IP e TCP/UDP), há uma redução no comprimento das mensagens transmitidas e no tempo de processamento, necessitando de menos tempo para transmitir as mensagens na rede. Pode-se utilizar os dois tipos de PROFINET, CBA e IO, nesse caso. [11] A terceira forma segue o conceito de Isochronous Real Time (IRT), para aplicações em que o tempo de resposta fim-a-fim das mensagens 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 das mensagens deve ser pequeno. Utiliza-se apenas o PROFINET IO para esse caso. [11] As figuras 3a e 3b ilustram os conceitos do Non-Real- Time, Soft Real Time e Isochronous Real Time. 2

3 O Ethernet/IP segue o modelo TCP/IP, possuindo somente o tipo de comunicação padrão para o quadro Ethernet. Porém, é válido ressaltar que há dois tipos diferentes de operação. Uma delas é o TCP (orientado a conexão) utilizado na camada de transporte. O outro método é utilizar o UDP (não orientado a conexão) para transportar as mensagens até a CIP (Control Information Protocol), uma camada de aplicação específica da ODVA. Na CIP há protocolos específicos para inversores de frequência, posicionadores de válvulas, elementos pneumáticos, I/O ś discretos, entre outros, de acordo com os requisitos dos equipamentos inseridos na rede. [11] A figura 4 ilustra a divisão em camadas da rede Ethernet/IP. Figura 3a. Níveis de comunicação em função dos requisitos temporais. [9] Figura 4. Comunicação no Ethernet/IP. [12] Figura 3b. Níveis de comunição em funcão dos requisitos temporais. [9] A rede Profinet tipo IO opera diretamente com os elementos de campo, realizando leituras de sensores, atualizações dos sinais de saída e controles de diagnósticos da rede. [11] Outro ponto a ser destacado é o atraso da rede com relação ao switch. O Switch gera um pequeno atraso na rede, de 9,6µs e pode causar alguns problemas em aplicações em RT ( Real Time). Este assunto será discutido mais adiante. [11] É importante levar em consideração esse tempo na hora de calcular o ciclo de varredura da rede ou o atraso que um elemento pode causar se houver muitos switches na mesma. [11] B. Ethernet/IP O Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) é uma rede Ethernet industrial originada da ODVA (Open Devicenet Vendor Association) e baseada na arquitetura encapsulada do TCP/IP. [12] O termo IP significa Industrial Protocol e não deve ser confundido com o protocolo IP da suíte de protocolos TCP/IP. [3] De acordo com o projeto o uso das comunicações podem ser UDP ou TCP e assim as transmissões podem ser: Explícitas: Utiliza-se o TCP e a camada CIP da ODVA. São aplicadas na troca de mensagens entre PLC ś e IHM ś (tempo de ciclo de, aproximadamente, 100ms ou maior) ou para configuração de elementos da rede à longa distância (por exemplo, um set-point de um transmissor de pressão). Tais mensagens não são críticas, ou seja, não requerem um baixo tempo [11] [13] de processamento. Implícitas: Utiliza-se o UDP e a camada CIP da ODVA. É aplicada para comunicações entre I/O ś (tempo de ciclo em torno de 10ms), quando o tempo de resposta deve ser o menor possível. Essa mensagem deve ser cíclica, requerendo um [11] [13] baixo tempo de processamento. C. HSE High Speed Ethernet O protocolo HSE (High Speed Ethernet) foi desenvolvido pela Fieldbus Foundation, para aplicações industriais em Ethernet, a qual também é detentora do 3

4 protocolo de comunicação H1, destinada à comunicação digital e padronizada entre equipamentos de campo. [14] Como o protocolo é aberto e de alto desempenho, o HSE aplica-se à automação de processos, sistemas de supervisão para o controle no nível de redes. [14] A tabela I ilustra um comparativo entre a rede HSE (Ethernet Industrial) e H1 (Foundation Fieldbus). Tabela I. Tabela comparativa entre HSE e H1. [9] O HSE é baseado na suíte de protocolos TCP/IP, utilizando os protocolos Ethernet, IP e TCP/UDP. Pode possuir até quatro tipos básicos de categorias de dispositivos diferentes, descritas a seguir: [9] Host Device (HD): é uma estação de configuração comum. Link Device (LD): é um dispositivo HSE para conectar um ou mais segmentos Fieldbus H1 ao HSE. Gateway Device (GD): é um dispositivo HSE para conectar uma ou mais redes externas à HSE. Ethernet Device (ED): é um dispositivo HSE com condições de conexão direta às aplicações de controle e medição. A figura 5 ilustra uma aplicação típica entre a rede HSE e a rede H1, sendo que a rede H1 faz a comunicação cíclica dos elementos de campo e a rede HSE opera apenas no nível de supervisão e conexão de várias redes H1. [9] pessoas, fica clara a ausência de certezas absolutas quanto a alguns aspectos. Este princípio auxiliou no desenvolvimento da Lógica Fuzzy, onde sua forma de raciocinar é muito semelhante ao modelo de raciocínio humano. [15] O sistema lógico apresentado pela Lógica Fuzzy quando aplicado vai além do raciocínio booleano, que não admite valores lógicos intermediários entre o FALSO (0) e o VERDADEIRO (1); por exemplo, o valor médio TALVEZ (0,5). Isto significa que um valor lógico difuso é um valor qualquer no intervalo de valores entre 0 e 1. [15] O que diferencia a Lógica Fuzzy da lógica booleana é a capacidade desta de se aproximar do mundo real onde não existem somente respostas extremas. A Lógica Fuzzy fornece espaço ao meio termo apresentando ainda a possibilidade de mensurar o grau de aproximação da solução exata e assim inferir algo que seja necessário. [16] Quando um determinado problema apresenta um grande grau de incerteza é necessário que para solução deste se utilize um modelo matemático que contemple essa especificidade e não desconsidere aspectos que possam ser ignorados na aplicação de lógicas tradicionais. Para esses casos a Lógica Fuzzy é amplamente recomendada, pois apresenta um modelo capaz de combinar a imprecisão associada aos eventos naturais e o poder computacional das máquinas produzindo assim sistemas de respostas inteligentes. [16] Um dos grandes objetivos inerentes à Lógica Fuzzy é se aproximar em sua lógica, da forma com que o raciocínio humano relaciona as informações buscando respostas aproximadas aos problemas, por isso o grande foco desta lógica é a solução de problemas cujas informações recentes sejam incertas. A. Estrutura do Sistema Lógico Fuzzy Na figura 6 ilustra um sistema difuso com seus principais componentes. Figura 5. Exemplo de rede H1 conectada a uma rede HSE. [9] III. LÓGICA FUZZY Considerando os problemas reais que acontecem nas indústrias, no comércio ou mesmo no dia a dia das Figura 6. Componentes de um sistema baseado em Lógica Fuzzy. [17] IV. Estudo de caso: Aplicação da lógica Fuzzy Neste estudo de caso, são demonstrados três parâmetros que podem ser gerenciados pela técnica apresentada 4

5 anteriormente. Segue abaixo a definição dos parâmetros que são analisados no estudo de caso: Prioridade: estabelece uma relação de precedência ou ordem de execução das mensagens a serem trafegadas na rede, ou seja, define qual é a ordem da mensagem que deve ser transmitida; de processamento de cada mensagem também é uma informação fornecida pelo usuário, conforme ilustra a figura 8. Tempo: define o tempo necessário para a transmissão das informações no barramento de comunicação compartilhado. Nesse parâmetro são considerados todos os demais tempos necessários para que a mensagem seja transmitida com sucesso, como por exemplo: tempo de liberação, execução, transmissão, finalização, entre outros. Na comunicação entre os switches há dois tipos de mensagens sendo transmitidas, mensagens cíclicas e acíclicas. Pode-se citar como exemplo de mensagem cíclica a leitura de sensores e atualização dos estados dos atuadores, e, para mensagem do tipo acíclica, pode-se ter como exemplo à parametrização de um módulo de campo ou análise de possíveis falhas na rede. Estas mensagens devem ser iniciadas e finalizadas num mesmo tempo de execução, para garantia do determinismo e para a realização factível da comunicação da rede Ethernet industrial proposta. Para efetuar o estudo de caso é utilizado o processo de fuzzificação (entrada de dados), inferência (processamento das informações) e defuzificação (saída de dados). Para realização do estudo de caso foi implementado um programa em linguagem C, conforme as figuras 7, 8 e 9 ilustram abaixo. Primeiramente, é mostrado um menu de informações com as opções disponíveis como mostrado na figura 7. Logo em seguida escolhemos a opção numero 1- entada de dados, ou seja, o processo de fuzzificação, cujas as informações são fornecidas pelo usuário. Figura 7. Menu de informação. A quantidade de switch é determinada de acordo com a necessidade do projeto, bem como a quantidade de módulos e a porta que deseja conectar cada módulo. Apenas a prioridade foi pré-determinada, sendo que o usuário dispõe de apenas de três graduações de prioridades de transmissão; prioridade 1, 2 ou 3. O tempo 5

6 switch 1 será a primeira mensagem a ser trafegada no barramento, devido às condições impostas acima e ao processamento da lógica Fuzzy. Observa-se que as prioridades iguais em switches iguais consideram-se o menor tempo de execução das mensagens para a definição da rota de tráfego pela rede Ethernet industrial. Na figura 10 são mostradas os resultados finais, demonstrando quais foram resultados encontrados e através deste otimizar os processos. Figura 8. Entrada de informações. A confirmação das informações do sistema é ilustrada na figura 9. Figura 10. Resultados da ordenação. V. CONCLUSÃO Figura 9. Confirmação da entrada de informações. Na etapa de inferência (processamento) as informações serão ordenadas de acordo com os seguintes critérios: 1 critério: maior prioridade; 2 critério: tempo de execução da mensagem; 3 critério: menor número na sequência de ordenação das portas. Primeiramente, a aplicação computacional deve ordenar as mensagens de acordo com sua prioridade de execução. O que possuir maior prioridade (1) deve ser transmitido primeiro e assim sucessivamente. Se existirem prioridades iguais a aplicação computacional utiliza o segundo critério, que é a análise do tempo execução das mensagens. Segundo este critério, a mensagem com o menor tempo de execução é transmitida primeiro. O resultado do processamento final esta apresentado na figura 9. Nesse exemplo, a porta 4 do O trabalho proposto apresentou um método para otimização dos atrasos temporais causados pela utilização de um switch industrial na rede Ethernet. Para isso foi desenvolvido um algoritmo utilizando uma das técnicas de Inteligência Artificial, chamada Lógica Fuzzy, para a realização da priorização das mensagens dos módulos de campo conectados em cada switch, aplicado às redes Ethernet industrial. Através da aplicação da Lógica Fuzzy será possível verificar qual o melhor caminho para rotear as mensagens no barramento. Foi realizada, também, um estudo de caso para verificação dos resultados, considerando que é possível visualizar e manipular as conexões dos módulos de campo para melhor eficiência temporal do sistema e redução dos atrasos de comunicação. O trabalho apresenta, ainda, um conceito para otimização do tráfego de informação nos switches de comunicação, utilizando uma busca randômica e Inteligência Artificial pela técnica de Lógica Fuzzy, realizando a busca pela melhor distribuição da comunicação temporal dos módulos de campo nos switches do barramento. Concluiu-se que os parâmetros monitorados poderão contribuir de maneira significativa para que os objetivos da planta instalada sejam alcançados de maneira eficaz e sustentável no ambiente industrial, a fim de minimizar os custos com conexões longas de cabos e otimizar os atrasos temporais causados pela conexão dos módulos de campo em múltiplos switches. 6

7 Referências [1] FELSER, M., SAUTER, T. 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] FELSER, M., SAUTER, T. Standardization of Industrial Ethernet the Next Battlefield? IEEE Article, 6 th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, Vasteras, Sweden, 2004, p. [3] BROOKS, P. Ethernet/IP Industrial Protocol. IEEE Article, Rockwell Automation s European Market Manager, Belgium, 2001, p. [4] Site da Internet: Siemens AG Internacional. Curso Web de Profinet, visitado em 04/ htm [5] LARSSON, L. Fourteen Industrial Ethernet solutions under the spotlight. The Industrial Ethernet Books, Issue 28, September [6] COMER, D. E. Internetworking with TCP/IP Vol. I Principles, Protocols and Architecture. 4th ed., Prentice-Hall Editor, USA, 2000, 750p. [7] THOMESSE, J. P. Fieldbus Technology in Industrial Automation. France, Proceedings of IEEE, Vol. 93, Issue 6, p., [8] POPP, M. and WEBBER, C. The Rapid Way to PROFINET. Book, PROFIBUS Organization, order 4182, 2004, 244p. [9] LUGLI, A. B. e SANTOS, M. M. D. Redes Industriais para Automação Industrial: AS-I, PROFIBUS e PROFINET.Editora Érica, São Paulo, 2010, 176p. [10] Site da Internet: Profibus. Acessado em julho [12] Site da Internet: ODVA. Acessado em julho bered/pub00138r2_cip_adv_tech_series_ethernetip. pdf [13] Site da Internet: ODVA. Acessado em julho mbered/pub00035r0_infrastructure_guide.pdf [14] Turcato A. C e Bellezi M. Desenvolvimento de um Software para obtenção de Parâmetros de Equipamentos HSE. ISSN T.I.S., São Carlos, v. 1, n. 2, p , set-dez Tecnologias, Infraestrutura e Software [15] AGUADO, A. G., CANTANHEDE, M. A. Lógica Fuzzy. Congresso UNICAMP, Limeira, 2010, 12p. [16] PINHO, F. A. Uma contribuição para a resolução de problemas de programação de operações em sistemas de produção intermitentes flow-shop: A consideração de incertezas Dissertação (Mestrado em Engenharia) Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, Contatos Prof. Dr. Alexandre Baratella Lugli. Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel. Coordenador e professor de Controle e Automação Industrial do INATEL. Av. João de Camargo, Número Santa Rita do Sapucaí MG. CEP Fone: (35) Fax: (35) baratella@inatel.br Cleide Aparecida Ribeiro do Prado Graduanda em Engenharia Elétrica. Instituto Nacional de Telecomunicações INATEL. Av. João de Camargo, Número Santa Rita do Sapucaí MG. CEP Fone: (35) Fax: (35) cleide@gee.inatel.br [11] LUGLI, A. B. Uma Arquitetura Distribuída Flexível para Aplicações Industriais Baseada no Padrão Ethernet Teses de Doutorado (Doutor em Engenharia) Universidade Federal de Itajubá, Itajubá,