Experimentos e Resultados

Com a utiliza¸c˜ao dos m´etodos, dos componentes funcionais e atendendo aos requisitos necess´arios do CPPS Retrofitting, mostramos na Tabela 6.1 os resultados alcan¸cados pelo prot´otipo, na qual temos os recursos do equipamento industrial antes do retrofitting e os recursos presentes no CPPS ap´os o retrofitting, al´em das descri¸c˜oes das melhorias.

Para validar o desempenho da plataforma e do prot´otipo, realizamos experimentos comparando o equipamento antes e depois do retrofitting. Quando se trata de uma rede de comunica¸c˜ao industrial de tempo real, existem diferentes requisitos de desempenho para diferentes aplica¸c˜oes. De acordo com (Felser 2005), em um controle de processo industrial, a tecnologia de comunica¸c˜ao deve atender aos requisitos de tempo real. Em geral, trˆes classes de requisitos em tempo real baseados na latˆencia podem ser analisadas na comunica¸c˜ao industrial (Felser 2005, D¨urkop et al. 2015):

• Primeira Classe: Uma classe de baixa velocidade para controle humano com tem- pos de entrega em torno de 100 ms (milissegundos). Este requisito de tempo ´e

Estudo de Casos 75

Tabela 6.1: Resultados do CPPS Retrofitting Recurso Antes Depois Descri¸c˜ao Rede Serial

com 1 PC

Wi-Fi e Ethernet com N n´os

Usado Wi-Fi e Ethernet para co- nectar v´arios dispositivos com a Ind´ustria 4.0.

Base de dados - Local e na nuvem Armazenamento, hist´orico e aces- sibilidade das informa¸c˜oes do CPPS.

Servi¸co web - Local e na nuvem Acessibilidade e disponibilidade de informa¸c˜oes do CPPS.

Monitoramento - Online Monitoramento online do CPPS Acesso remoto - SSH OpenSSH para acesso remoto in-

terno e externo aos usu´arios. Nuvem - Privada e conex˜ao

com nuvem p´ublica

Escalabilidade e disponibilidade para utiliza¸c˜ao dos recursos indus- triais.

Medidor de ener- gia

- Online Eficiˆencia energ´etica Movimento do

bra¸co rob´otico

Manual Manual e au- tom´atico

Automa¸c˜ao de movimentos rob´oticos dos bra¸cos atrav´es de dispositivos IoT.

Identifica¸c˜ao de objetos

- Autom´atico Identifica¸c˜ao de objetos movidos pelo bra¸co rob´otico atrav´es de dis- positivos IoT.

Software de ge- renciamento

Local Local e remoto Accessibilidade, manuten¸c˜ao e dis- ponibilidade. Participa¸c˜ao hu- mana Local e indivi- dual Local, remota e multiusu´ario Aumento da acessibilidade.

Massa 31,5 Kg 16,2 kg Redu¸c˜ao do peso do prot´otipo em compara¸c˜ao com equipamentos in- dustriais, sem contar o PC.

t´ıpico para o caso de humanos envolvidos na observa¸c˜ao do sistema para engenha- ria e para monitoramento de processos. A maioria dos processos que envolvem automa¸c˜ao de processo e controle de montagem se enquadram nessa classe. • Segunda Classe: Esta classe ´e para controle de processo, cujo requisito ´e uma

latˆencia abaixo de 10 ms. Este ´e o requisito para a maioria dos sistemas de controle de m´aquinas de ferramentas, como controladores l´ogicos program´aveis - Programmable Logic Controller (PLC) ou controle baseado em PC.

• Terceira Classe: A terceira ´e a classe mais exigente, imposta pelos requisitos de controle de movimento para sincronizar v´arios eixos em uma rede, em que ´e ne- cess´ario uma latˆencia menor que 1 ms. (Felser 2005).

Os experimentos do prot´otipo envolvem estas trˆes classes de requisitos. A primeira classe ´e avaliada a latˆencia somente no monitoramento do prot´otipo p´os retrofitting, pois antes do retrofitting n˜ao havia monitoramento do processo ou algo relacionado. Na segunda classe s˜ao realizados os experimentos com a latˆencia da comunica¸c˜ao do usu´ario com o controlador do bra¸co rob´otico antes e depois do retrofitting. Na terceira classe s˜ao avaliados os requisitos de latˆencia da comunica¸c˜ao do controlador do bra¸co rob´otico com o bra¸co antes e depois do retrofitting.

Para obter os resultados do desempenho da latˆencia na comunica¸c˜ao do equipa- mento industrial, foram realizados experimentos com o deslocamento do bra¸co rob´otico utilizando-se um cen´ario para movimenta¸c˜ao de objetos. Neste cen´ario, um objeto deve ser movido de uma posi¸c˜ao X, para outra posi¸c˜ao Y . Em todos experimentos s˜ao utili- zado os mesmos objetos e as mesmas posi¸c˜oes.

Na Figura 6.3 apresentamos uma CDF que foi calculada com os valores da latˆencia dos pacotes da aplica¸c˜ao de monitoramento que coleta as informa¸c˜oes do prot´otipo e as disponibiliza na nuvem. No resultado a latˆencia foi de at´e 30 ms para 99,12% das requisi¸c˜oes, atendendo aos requisitos de comunica¸c˜ao em tempo real, sendo inferior a 100ms.

Na Figura 6.4 comparamos o desempenho da comunica¸c˜ao do controlador do bra¸co rob´otico. Antes do retrofitting a latˆencia ´e de at´e 51 ms para 73,11% das requisi¸c˜oes. Ap´os o retrofitting a latˆencia ´e de at´e 5 ms para 97,43% das requisi¸c˜oes de comunica¸c˜ao com controlador. Portanto, somente a comunica¸c˜ao p´os retrofitting alcan¸cou os requisitos de comunica¸c˜ao em tempo real, que possui um patamar de 10 ms para controle de processo.

Estudo de Casos 77 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 27 28 29 30 31 32 33 34 35 P(La tên c ia > T emp o ) Tempo (ms) Depois

Figura 6.3: CDF - Latˆencia da Aplica¸c˜ao de Monitoramento - Requisito de Primeira Classe

Os resultados do experimento da comunica¸c˜ao do controlador com o bra¸co rob´otico s˜ao apresentados na Figura 6.5. Antes do retrofitting a latˆencia foi de at´e 10 ms para 89,37% das requisi¸c˜oes e ap´os o retrofitting a latˆencia foi de at´e 0,18 ms para 92.08% das requisi¸c˜oes. Enquanto a latˆencia se manteve dentro do requisito de comunica¸c˜ao tempo real para os experimentos realizados p´os retrofitting, os experimentos antes do

retrofitting ficaram com os valores acima dos requisitos, ultrapassando o patamar de

1ms.

Com os resultados dos experimentos da latˆencia da comunica¸c˜ao do CPPS, foi poss´ıvel identificar que ocorreu um ganho de desempenho com as altera¸c˜oes realizadas no equipa- mento industrial ap´os o retrofitting, sendo, no pior caso, 7 vezes mais r´apido na segunda classe e mais de 50 vezes mais r´apido na terceira classe de requisitos.

Al´em da comunica¸c˜ao, a eficiˆencia energ´etica tamb´em tem um papel importante na Ind´ustria 4.0, onde o equipamento industrial deve priorizar a diminui¸c˜ao do consumo energ´etico, assim como o aumento de produtividade. Para validar a melhoria no consumo energ´etico nos experimentos realizados, tamb´em foram coletadas as informa¸c˜oes do gasto energ´etico do prot´otipo.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 4 8 16 32 64 P(La tên c ia > T emp o ) Tempo (ms) Antes Depois

Figura 6.4: CDF - Latˆencia Antes e Depois do retrofitting - Requisito de Segunda Classe

Na Figura 6.6 mostramos a compara¸c˜ao do gasto energ´etico antes e ap´os o retrofitting. Sem o retrofitting houve um gasto energ´etico total de 2,21 Wh e, ap´os o retrofitting, o gasto energ´etico total de 1,65 Wh, um consumo 25% menor, impacto que se deve a substitui¸c˜ao do controlador do bra¸co rob´otico.

Al´em das melhorias nos recursos, da comunica¸c˜ao em tempo real e do ganho energ´etico do prot´otipo ap´os a realiza¸c˜ao do CPPS Retrofitting, ´e importante destacar que a reuti- liza¸c˜ao do retrofitting visa a levar esses mesmos benef´ıcios em equipamentos industriais de tipos e modelos diferentes do apresentado nesse prot´otipo.

Com a apresenta¸c˜ao do estudo de caso do bra¸co rob´otico foi poss´ıvel avaliar a trans- forma¸c˜ao do equipamento industrial em um CPPS com recursos da Ind´ustria 4.0. Abor- dando os desafios propostos pela pesquisa, realizamos a integra¸c˜ao de sistemas embarca- dos com o bra¸co rob´otico, que foi respons´avel pelo controle, comunica¸c˜ao e computa¸c˜ao do bra¸co rob´otico. O controle da rede foi feito pelo Open vSwitch juntamente com con- trolador SDN. Al´em das abstra¸c˜oes, padroniza¸c˜oes e integra¸c˜ao j´a inclusas no pr´oprio CPPS Retrofitting.

Estudo de Casos 79 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.01 0.1 1 10 100 P(La tên c ia > T emp o ) Tempo (ms) Antes Depois

Figura 6.5: CDF - Latˆencia Antes e Depois do retrofitting - Requisito de Terceira Classe