1. Introdução
1.4 Objetivos
2.1.2 Redes Industriais
a) Comunicação na Automação Industrial
Em uma empresa coexistem uma série de equipamentos e dispositivos dedicados ao controle de máquinas ou uma parte fechada de um processo. Entre estes dispositivos estão os controladores lógicos programáveis (CLP), os programadores de gestão, sensores, atuadores, etc. O desenvolvimento das Redes Industriais estabeleceu uma forma de unir todos estes dispositivos, aumentando o rendimento e proporcionando novas possibilidades [Introducción a Profibus, 2000 - Internet].
As redes de comunicação industriais tem como objetivo fundamental a comunicação de dados aplicados no âmbito industrial, bem como, a integração de informações entre os diversos elementos que compõe o sistema de automação. Utilizando como base a pirâmide de Automação e Integração da Manufatura "CIM" (Computer Integrated Manufacturing) de acordo com a figura 11, podemos identificar 5 níveis de dispositivos e equipamentos que compõem um sistema de automação completo.
• Nível 0. Caracterizado pelos dispositivos que interagem diretamente com o processo, tais como sensores e atuadores, possui baixo volume de dados e elevada dinâmica;
• Nível 1. Onde se localizam as unidades de controle com estruturas de dados completas e grande interação entre dispositivos;
Figura 11 - Pirâmide CIM
• Nível 2. Composto por equipamentos de supervisão, predomina maior concentração de dados intercambiados em base eventual ou cíclica;
• Nível 3. São os sistemas de gestão da produção com grandes quantidades de dados;
• Nível 4. Caracterizado por sistemas corporativos com volumes maciços de dados, utilizando recursos de multimídia.
Esta estrutura não é universal e, haverá casos em que conste um número maior ou menor de níveis, dependendo do tamanho do processo e da própria industria [Introducción a Profibus, 2000 - Internet].
Em uma rede industrial coexistem equipamentos e dispositivos de todo tipo, os quais agrupam-se hierarquicamente para estabelecer conexões mais adequadas a cada área. Uma outra estrutura pode ser vista na figura 12.
Desta forma pode-se definir quatro níveis dentro de uma Rede Industrial, onde utilizaremos novamente a pirâmide para identificá-los:
• Nível de E/S - (Sensor Bus): é o nível mais próximo do processo. Aqui estão os sensores e atuadores, encarregados de manejar o processo produtivo e tomar as medidas necessárias para a correta automação e supervisão. Possui características determinística e
tempo de resposta extremamente curto. Ex. AS-i, Seriplex [Protocolos de Redes Industriais, 2000 – Internet];
Figura 12 - Níveis em uma rede industrial
• Nível de campo e processo – (Device Bus): se encarrega da integração de pequenas automações (CLPs compactos, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc) dentro de subredes ou “ilhas”. No nível mais alto destas redes pode-se encontrar CLPs modulares, atuando como mestres da rede ou mestres flutuantes. Neste nível se emprega Bus de campo [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Possui perfil determinístico e alta performance, orientada para a distribuição dos automatismos (dispositivos de controle) e seus periféricos, com íntima relação com unidades centrais de processamento. Ex. Device Net, Device, Word Fip, Interbus-S, Profibus-DP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Nível de controle – (Field Bus): se encarrega de enlaçar e dirigir as distintas zonas de trabalho. Neste nível é que se situam os CLPs com funções de controle e PCs com softwares supervisórios, controle de qualidade, programação, etc. Empregam uma rede do tipo LAN [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Dotada de estruturas de dados mais completas e alta performance aplicada na comunicação entre dispositivos inteligentes. Ex.
Fieldbus Foundation, Fieldbus Word Fip, ModBus, Profibus [Introducción a Profibus, 2000 - Internet];
• Nível de gestão - (Data Bus): é o nível mais elevado e se encarrega de integrar os níveis seguintes em uma estrutura de fábrica, e incluso de múltiplas fábricas. As máquinas aqui conectadas são estações de trabalho que servem de ponte entre o processo produtivo e a área de gestão, na qual se supervisiona as vendas, estoques, etc. Emprega-se uma rede do tipo LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network) [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Tem capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não crítico, destinado ao domínio da informática industrial. Ex. Ethernet, TCP/IP, MAP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 – Internet].
A maioria das redes de comunicação existentes no mercado procuraram atender a demanda existente na automação de escritórios. A grande maioria destas redes são baseadas no protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), com o qual se iniciaram os desenvolvimentos de redes locais (LANs, Local Area Networks) [STEMMER, 2001].
A comunicação de dados em ambiente industrial apresenta, no entanto, características e necessidades que tornam a maioria das redes para automação de escritório inadequadas. Segundo STEMMER (2001), algumas destas características são:
• Ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, etc.);
• A troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre equipamentos e não entre um operador humano e o equipamento;
• Os tempos de resposta e a segurança dos dados são críticos em diversas situações; uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede, o que torna a questão de custos muito importante [STEMMER, 2001].
Em função das características de comunicação necessárias para interligar os níveis de dispositivos e equipamentos dentro do CIM, surgiram os quatro níveis de RI.
b) Parâmetros Comparativos das Diversas Tecnologias
Um modelo “abrangente” para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial é o de três níveis diferentes de “requisitos”:
• Nível de informação: caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática;
• Nível de automação e controle: caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de naturezas diversas. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos;
•
Nível de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de dados com
constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientado a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis superiores;Normalmente uma única rede de comunicação local não poderá atender todos os três níveis, havendo em geral, a implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede, é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de transmissão. Conclui-se que não adianta comunicar a altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes.
A camada de enlace, discutida no item 2.1.1.c, responsável pelo mecanismo de entrega de pacotes, tem sido implementada tradicionalmente em redes industrias com a estrutura origem/destino. Essa implementação agrega a cada mensagem enviada o endereço da estação de destino.
Observa-se que esta implementação, em determinadas circunstâncias, pode ser ineficiente: suponha que um mesmo dado deve ser transmitido a vários nós de uma mesma rede. O dispositivo que está transmitindo este dado deverá emitir uma mensagem com ambos endereços origem/destino para cada nó que deva receber tal mensagem. Portanto, aumentando o tráfego da rede e constituindo uma operação repetitiva em conter sempre o endereço do dispositivo a ser enviado tal mensagem. Além disso, caso haja necessidade de
sincronizar vários dispositivos pertencentes a uma mesma rede, haverá alguma dificuldade em fazer tal sincronismo, uma vez que, ao ser necessário mandar mensagens consecutivas a todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse instante de sincronismo.
Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar a camada de enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementação está baseada no conceito de que alguns dispositivos são produtores de informações e outros são consumidores dessas. Nessa implementação, quando um produtor disponibiliza sua informação, esta é colocada na rede e disponibilizada para todos os dispositivos que sejam seus consumidores ao mesmo tempo, reduzindo o número de mensagens a serem emitidas, bem como reduzindo o próprio comprimento da mensagem, uma vez que não será necessário incluir ambos endereços de remetente e destinatário, sendo necessário tão somente identificar a informação a ser transmitida. Logo, o modelo produtor/consumidor, empregado nas redes de mercado mais recentes como Foundation Fieldbus, WorldFIP, ControlNet e DeviceNet, apresentam um modelo de rede eficiente, quanto a maximização de troca de dados, além de se ter um aumento da flexibilidade da rede.
c) Características Básicas das Redes Industriais
Serão listadas agora as características que identificam de forma única uma determinada RI:
c.1 Confiabilidade
O conceito de confiabilidade está baseado na capacidade da rede em garantir o transporte de dados em tempo compatível e a idoneidade das informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais fatores que influenciam na confiabilidade:
•Concepção Determinística: Identifica a capacidade da rede em garantir a disponibilidade de informações entre seus integrantes em tempo determinado [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Tratamento de Erros: Caracteriza a capacidade da rede em identificar e tratar erros ocorridos no intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Imunidade Elétrica (EMI/RFI): Deve conferir a rede características de isolação e susceptibilidade eletromagnética compatíveis com o ambiente industrial [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.2 Performance
A performance identifica a eficiência e a eficácia da rede como instrumento de intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais fatores que caracterizam a performance:
• Tempo de Resposta: Identifica o tempo consumido pela rede para transferir informações. Não é velocidade de comunicação. O tempo de resposta considera medidas como taxa de transferência de informações (troughtput) sem o envelope, e o tempo de ciclo (que identifica o tempo total para o intercâmbio de informações da rede) [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Método de Acesso: Define como é gerido o uso da rede por seus integrantes, como acesso livre, query response e filosofia compartilhada [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.3 Capacidade Operacional
Os recursos disponíveis para a efetivação da comunicação de dados em uma aplicação, compõem a capacidade operacional da rede [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Fatores que definem a capacidade operacional da Rede
• Quantidade de integrantes: Determina o número de elementos que podem ser interligados na rede de comunicação de forma simultânea [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
•Área de cobertura: Especifica a abrangência física da rede em termos de distância máxima [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Topologia: Define a adaptação geográfica da rede aonde a mesma será implantada. Ex. Anel, Barramento, Estrela, Árvore [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.4 Protocolo de Comunicação
Considerado o principal elemento tecnológico das redes de comunicação, ao qual se associam todas as características operacionais [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.5 Funcionalidade
À funcionalidade estão relacionados fatores como a implementação e a utilização da rede de comunicação [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
• Instalação: A implantação da rede e todos seus constituintes de maneira simples, facilita sua colocação em operação e reduz a probabilidade de erros [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Programação: Devido a característica inteligente da rede e seus integrantes, se faz necessário o processo de parametrização para seu correto funcionamento [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
•Expansão: Exprime a capacidade de se expandir a rede, devido à evolução natural dos sistemas de forma a acompanhar as necessidades da industria [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.6 Fatores Econômicos
A fim de conduzir a uma estratégia factível, é necessário considerar os fatores econômicos que envolvem a adoção de uma rede de comunicação industrial [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.7 Custos
O custo de uma rede é dividido entre o custo de todo o desenvolvimento da instalação, os custos das interfaces para os mais diversos equipamentos, além da manutenção da RI [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
• Custo de desenvolvimento: Apesar de não ser considerado na análise econômica, o custo pode influenciar significativamente no resultado final [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Custos de interfaces: Os componentes como, cabo, conectores, caixas de passagem, caixas de derivação, roteadores, repetidores, estações remotas e etc, devem ser considerados a fim de relevar o valor associado com a rede isoladamente [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Custo de manutenção: A maneira com o qual a rede deve ser tratada para corrigir situações de falha, podem representar tempos de paradas excessivas, o que leva a perdas de produção ou danos irreversíveis ao processo [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
d) Aspectos Tecnológicos Básicos
Os aspectos tecnológicos básicos discutidos nas seções que seguem diferenciam as redes locais para aplicações industriais das demais redes [STEMMER, 2001].
d.1 Comportamento Temporal
d.1.1 Introdução à Comunicação Tempo Real
As redes de difusão, ou seja, aquelas que levam em conta as possibilidades de descentralização do controle da comunicação, apresentam aspectos interessantes que as tornam uma solução bastante adequada aos requisitos de comunicação industrial. Um problema importante na utilização das redes de difusão é o método de acesso ao meio (que é compartilhado) pois, uma vez que vários equipamentos deverão trocar informações num dado instante, a decisão de quem vai ter o direito de uso do meio para o envio de uma mensagem não é uma tarefa evidente. Os protocolos de acesso ao meio tem papel fundamental no tempo de entrega de uma mensagem via rede. Como veremos a seguir, este tempo é importante para aplicações com características de tempo real (TR) [STEMMER, 2001].
Segundo THOMESSE (1999), a exigência de comunicação em aplicações que envolvem controladores de máquinas de produção, sistemas de transporte, controle entre outras, podem ser caracterizadas pelo tempo crítico e freqüência de transmissão dos dados. Nestas aplicações existem dados com uma validade temporal limitada. O tempo de resposta de todas as atividades envolvidas (produção, transmissão, consumo, computação, ...) no processamento, precisam ser pequenos, arranjados em ordem para eficientemente
monitorar e controlar a correta operação do processo de manufatura e a qualidade dos produtos. Estes dados são chamados dados críticos e são referidos como dados em tempo real.
Um Sistema Tempo-Real é um sistema computacional para o qual é requerida uma reação a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente (figura 13). A correção não depende somente dos resultados lógicos obtidos, mas também do instante no qual são produzidos [STEMMER, 2001].
Figura 13 - Sistema Tempo Real e seu Ambiente
A arquitetura de sistemas computacionais utilizados para controle e supervisão de processos industriais em tempo real tem apresentado nos últimos anos uma clara tendência para a distribuição das funções de controle, como ilustrado na figura 14 [STEMMER, 2001].
Figura 14 - Arquitetura distribuída de um sistema tempo real
Em aplicações tempo real, é importante poder determinar o comportamento temporal do sistema de comunicação envolvido. As mensagens em sistemas TR podem ter restrições temporais associadas e podem ser classificadas em:
Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas as malhas de controle.
Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios.
Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas [STEMMER, 2001].
Do ponto de vista da programação distribuída, o meio de transmissão (o barramento) constitui um recurso compartilhado entre as estações a ele conectadas. Os métodos de definição de direito de acesso utilizados nas redes locais são os denominados protocolos de acesso ao meio. O problema de comunicação em tempo real tem forte ligação com o tipo de protocolo de acesso ao meio adotado. A figura 15 ilustra a problemática aqui discutida. Suponha que desejamos transmitir 5 mensagens diferentes originadas de 5 estações na rede. Cada mensagem tem um tempo limite de entrega
associado a ela, aqui denominado deadline. Cada estação tem seu endereço na rede, também indicado na figura [STEMMER, 2001].
Figura 15 - A problemática da comunicação tempo real
As mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado. Assim, o problema de comunicação tempo real fica sendo o seguinte:
como organizar as filas locais de mensagens pendentes, de forma que a mais prioritária seja colocada na cabeça da fila?
como definir concessão do direito de acesso ao meio de forma a garantir que a mensagem mais prioritária do conjunto de estações seja enviada primeiro e todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline? [STEMMER, 2001].
O protocolo MAC utilizado precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade. Ele deve também atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines [STEMMER, 2001].
Isto implica em que o sistema deve ter comportamento determinista (isto é, seu tempo de reação deve ser conhecido) e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global de mensagens. Para tal, o LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada [STEMMER, 2001].
Para garantir um melhor desempenho temporal do sistema, é usual utilizar-se em sistemas tempo real uma arquitetura de software com apenas três camadas, com a camada de enlace subdividida em Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Controle Lógico de Enlace (LLC), conforme mostrado na figura 16 [STEMMER, 2001].
Figura 16 - Arquitetura para sistemas tempo real
d.1.2 Abordagens para Comunicação Tempo Real
A definição de um protocolo determinístico de acesso ao meio ainda não resolve completamente a questão da comunicação em tempo real. A solução global do problema da comunicação em tempo real inclui a realização de um escalonamento das mensagens. A exemplo do que se faz em sistemas multitarefas, onde processos concorrentes são escalonados segundo vários critérios de forma a definir qual deles terá acesso ao processador em um dado momento, aqui deve ser realizado um escalonamento de mensagens de forma a definir qual delas terá acesso ao meio de comunicação em um dado momento [STEMMER, 2001].
A tabela 1 apresenta de forma resumida algumas soluções apresentadas na literatura para a problemática da comunicação em tempo real.
TABELA 1 – ABORDAGENS PARA COMUNICAÇÃO TEMPO REAL
Abordagem Requisitos Ex. de Protocolos
Token-Ring c/ Pr. Dif. Atrasos Comp. Preâmbulo Atribuição de Prioridades com teste de escalonabilidade Off-line (em tempo de projeto)
MAC com resolução de prioridades Forcing Headers (CSMA/CA) TDMA Token-Passing Waiting Room Circuito Virtual TR com
escalonamento On-line de mensagens
MAC com tempo de acesso ao meio limitado
CSMA/DCR Reserva com escalonamento
global
Requer cópias locais de todas as filas de mensagens, difundidas em “slots times” de reserva
PODA
Uma abordagem proposta é a atribuição de prioridades fixas às mensagens e a realização de um teste off-line de escalonabilidade sobre o conjunto. Neste caso, o protocolo MAC tem que ser capaz de distinguir prioridades e enviar primeiramente a mensagem mais prioritária entre todas as estações. Exemplos de protocolos adequados neste caso seriam CSMA/CA ou Comprimento de Preâmbulo [STEMMER, 2001].
Outra proposta seria a realização de um escalonamento on-line das mensagens. O MAC utilizado deve apenas ter um tempo de transmissão limitado.
Outra classe de soluções são os chamados protocolos de reserva, baseados em conhecimentos globais do sistema, isto é, cada estação sabe que mensagens estão pendentes nas demais estações. Para isto, é necessário que o estado das filas locais seja transmitido às demais estações em intervalos de tempo (time slots) reservados para este fim. [STEMMER, 2001].
A camada de enlace de uma rede para tempo real deve prover ao usuário ou ao software da camada logo acima um conjunto mínimo de serviços, tais como:
- Serviços sem conexão:
SEND (identificação do receptor, mensagem, requisitos Tempo Real); Mensagem = RECEIVE (emissor);
Os requisitos Tempo Real podem ser expressos sob a forma de uma prioridade ou um tempo limite de entrega (deadline).
- Serviços com conexão:
Rtcid = CONNECT (receptor, requistos TR); SEND (rtcid, mensagem);
Mensagem = RECEIVE (rtcid); DISCONNECT (rtcid)
Aqui, “rtcid” significa “real time connection identifier”, isto é, um identificador para a conexão.
d.2 Confiabilidade
Em aplicações industriais onde são transmitidos muitos códigos de comando, leitura de medidores e comando de atuadores, um erro de um Bit qualquer poder ter conseqüências desastrosas. A transferência de programas para máquinas de Comando Numérico, por exemplo, exige um sistema altamente confiável, pois são transmitidos códigos de comando cuja mínima alteração pode produzir danos de elevado custo. Desta forma, redes industriais de comunicação tem que oferecer uma elevada confiabilidade [STEMMER, 2001].
Para aumentar esta confiabilidade nas mensagens transmitidas, normalmente é usado um teste cíclico de redundância (CRC – Cyclical Redundance Check).