Faculdade De Engenharia Mecânica
PEDRO PINHEIRO MATTOS
Análise de Tempos na Sincronização entre
Motores Utilizando Rede Profinet IO Class 1
CAMPINAS 2017
Análise de Tempos na Sincronização entre
Motores Utilizando Rede Profinet IO Class 1
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico.
Orientador Prof. Dr. Niederauer Mastelari
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO PEDRO PINHEIRO MATTOS, E ORIENTADO PELO PROF. DR. NIEDERAUER MASTELARI.
... ASSINATURA DO ORIENTADOR
CAMPINAS 2017
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Mattos, Pedro Pinheiro,
M436a MatAnálise de tempos na sincronização entre motores utilizando rede Profinet IO Class 1 / Pedro Pinheiro Mattos. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.
MatOrientador: Niederauer Mastelari.
MatDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
Mat1. Sistema de tempo real. 2. Automação industrial. 3. Bobinas. 4.
Controladores programáveis. I. Mastelari, Niederauer,1961-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Analysis of the time in the synchronization between motors using network Profinet IO Class 1
Palavras-chave em inglês: Real time system
Industrial automation Coils
Programmable controllers
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Niederauer Mastelari [Orientador] Ely Carneiro de Paiva
Flávio Vasconcelos da Silva Data de defesa: 30-06-2017
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS INTEGRADOS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICOAnálise de Tempos na Sincronização entre
Motores Utilizando Rede Profinet IO Class 1
Autor: Pedro Pinheiro Mattos
Orientador: Prof. Dr. Niederauer Mastelari
A Banca Examinadora é composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
____________________________________________________ Prof. Dr. Niederauer Mastelari
Faculdade de Engenharia Mecânica - UNICAMP
____________________________________________________ Prof. Dr. Ely Carneiro de Paiva
Faculdade de Engenharia Mecânica - UNICAMP
____________________________________________________ Prof. Dr. Flávio Vasconcelos da Silva
Faculdade de Engenharia Química - UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais Márcio Luciano Magalhães Mattos e Maria Rita Sampaio Pinheiro, por todo amor, carinho e educação proporcionados durante toda a minha formação. Tudo isso me fez chegar aonde cheguei e me dá incentivo de seguir além. É com uma imensa gratidão que os dedico este trabalho a vocês.
Agradecimentos
Aos meus pais Marcio e Rita e a minha irmã Marina, por todo o carinho, motivação e amor incondicional.
Agradeço em especial a minha namorada Mariana Perazzo, por todo incentivo, dedicação, companheirismo e suporte muito antes do início deste trabalho até a sua conclusão.
Ao meu amigo e orientador Prof. Dr. Niederauer Mastelari, por me dar a oportunidade e responsabilidade de realizar estes estudos. A todas as conversas e experiências de grande incentivo para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu colega Felipe Lara, por toda enorme contribuição pratica e teórica ao decorrer deste trabalho, e sua ajuda no desenvolvimento do artigo cientifico.
A todos os familiares que sempre me motivaram e acreditaram em mim. A minha prima Rachel pela companhia e todas os incríveis momentos de lazer.
Aos meus queridos amigos e colegas de laboratório: Rafael Moraes, Lucas Neiva, Pedro Antunes e Lucas Godoy. A companhia e amizade de vocês foram muito importantes, muito obrigado por proporcionarem conversas, ajudas e troca de conhecimentos além dos grandes momentos que ficaram sempre em minha memória.
Resumo
MATTOS P.P Análise de Tempos na Sincronização entre Motores Utilizando Rede Profinet IO Class 1. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2017. 123p. Dissertação (Mestrado).
Este trabalho tem como objetivo a análise de uma rede industrial Profinet IO e seus recursos de tempo real operando em um sistema que utiliza a sincronização de motores. Para isto foi desenvolvida uma aplicação piloto, baseada em um processo de enrolamento de cabos em uma bobina. Duas formas de programação foram desenvolvidas, uma para cada padrão de enrolamento do fio na bobina, padrão Helicoidal e Ortocíclico. Os parâmetros de desempenho escolhidos para a análise e comparação são tempos de ciclo, tempos de resposta e a variação deles, Jitter. Estes parâmetros foram monitorados para o conhecimento e obtenção dos limites desta tecnologia nos equipamentos utilizados. Os resultados obtidos após o processamento dos dados foram satisfatórios em ambos os padrões de enrolamento, inferiores aos limites e condizem com as expectativas desta dissertação. O tempo de ciclo foi uma variável que se manteve constante em ambos os casos, porém foi expressiva a diferença dos valores de Jitter e tempo de resposta entre os dois padrões adotados. Conclui-se que esses parâmetros possuem grande influência no desempenho na aplicação de cada padrão de enrolamento. Por conta disto, seu controle é fundamental para a aplicação na indústria.
Palavras-chave
Profinet, Tempo real, Automação Industrial, Processo enrolamento de bobinas, PLC, Jitter, Tempo resposta, Tempo de ciclo.
Abstract
MATTOS P.P. Analysis of the time in the synchronization between motors using network profinet IO Class 1. Campinas: Faculty of Mechanical Engineering, State University of Campinas, 2017. 123p. Dissertation (Master’s Degree).
This work proposes the analysis of an Industrial network, Profinet IO, and its real-time resources operating in a system that uses the synchronization of motors. For this, a pilot application has been developed, based on a coil winding process. Two forms of programming were developed for each pattern of coil winding, Helical and Orthocyclic pattern. As performance parameters were chosen for analysis and comparison are cycle time, response time and jitter. These parameters were monitored to know and obtain the limits of this technology on the equipment used. The results obtained after the data processing were satisfactory on both winding patterns, below the limits and as the expectations of this work. The cycle time was the parameter that remained constant in both cases, but the difference in Jitter values and response time, between the two adopted patterns, was significant. Concludes that these parameters have a great influence on the performance in the application of each winding pattern. Therefore, this control is fundamental to the application in the industry.
Keywords:
Profinet, Real time, Industrial Automation, Coil Winding process, PLC, Jitter, Cycle time, Response time
Lista de Ilustrações
Figura 2-1 - Jitter ... 25
Figura 2-2 - Enrolamento Linear... 26
Figura 2-3 - Enrolamento disperso ... 27
Figura 2-4 - Enrolamento helicoidal ... 28
Figura 2-5 - Enrolamento Ortocíclico ... 29
Figura 2-6 – Posicionamento fios em enrolamento ortocíclico, início camada longa .... 30
Figura 3-1 - Organização Rede Industrial ... 36
Figura 3-2 - Tabela OSI ... 37
Figura 3-3 - Endereço MAC ... 41
Figura 3-4 - Quadro Ethernet II ... 42
Figura 3-5 - TCP/IP modelo OSI ... 44
Figura 3-6 - Ethernet Industrial mercado e crescimento anual ... 48
Figura 3-7 - Integração comunicação Profinet ... 50
Figura 3-8 - Cabo Profinet ... 50
Figura 3-9 - Topologias Profinet ... 51
Figura 3-10 – Componentes Profinet ... 52
Figura 3-11 - Modelo Dispositivo-IO ... 54
Figura 3-12 - Trafego de Aplicações e Comunicações ... 56
Figura 3-13 - Composição ciclo de envio ... 57
Figura 3-14 - Troca Cíclica dos dados do Usuário ... 58
Figura 3-15 - Ex. Tempo de envio e Largura da Banda ... 60
Figura 3-16 - Transmissões de quadros Profinet IO ... 61
Figura 3-17- Estrutura OSI Profinet ... 63
Figura 3-18 - Quadro Ethernet communicação Profinet RT ... 64
Figura 3-19 - Protocolo de Maquinas Profinet IO ... 66
Figura 4-1 - Fluxograma da metodologia... 69
Figura 4-2 - Montagem do protótipo no laboratório ... 70
Figura 4-3 - Desenho esquematico do Prototipo proposto ... 70
Figura 4-4 – Espelhamento (Port Mirror) do Switch ... 75
Figura 4-6 - Configuração tipo de conexão... 76
Figura 4-7 - Configuração tempo de ciclo ... 77
Figura 4-8 - Configuração bloco de operação ... 77
Figura 4-9 - Descrição do Movimento helicoidal ... 79
Figura 4-10 - Amostras de dados do Osciloscopio ... 83
Figura 4-11 - Dados Wireshark ... 84
Figura 5-1 – Enrolamento Helicoidal - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação CLP - S120 ... 86
Figura 5-2 - Enrolamento Helicoidal - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação S120 - CLP ... 87
Figura 5-3 - Enrolamento Helicoidal - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação CLP e G120 ... 87
Figura 5-4 - Enrolamento Helicoidal - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação G120 e CLP ... 88
Figura 5-5 - Enrolamento Helicoidal – Distribuição normal tempo de resposta entre movimento dos motores ... 89
Figura 5-6 Enrolamento Ortocíclico - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação CLP e S120 ... 90
Figura 5-7 - Enrolamento Ortocíclico - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação S120 e CLP ... 91
Figura 5-8 - Enrolamento Ortocíclico - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação CLP e G120 ... 91
Figura 5-9- Enrolamento Ortocíclico - Distribuição normal do tempo de ciclo da comunicação G120 e CLP ... 92
Figura 5-10 Enrolamento Ortocíclico - Distribuição normal tempo de resposta entre movimento dos motores ... 93
Lista de Tabelas
Tabela 3-1 – TIPO ( Ethertype ) Protocolos usados ... 43
Tabela 3-2 - Ethernet Protocolos... 47
Tabela 3-3 - Tabela de Classes de Conformidade ... 53
Tabela 3-4 - Tipos de AR ... 56
Tabela 3-5 - Protocolos de comunicação Profinet ... 62
Tabela 3-6 - Faixa Valores Quadro ID ... 65
Tabela 4-1 - Llista de dispositivos utilizados ... 72
Tabela 4-2- Lista dos programas Softwares utilizados ... 74
Tabela 4-3 - Prioridades e tempos blocos de programação ... 78
Tabela 4-4 - Endereços MAC equipamentos ... 85
Tabela 4-5 - Comandos para funções do Matlab ... 85
Tabela 5-1 -Enrolamento Helicoidal - Tabela resumo de dados ... 88
Tabela 5-2 – Enrolamento Helicoidal – Tempo de resposta entre movimento dos motores ... 89
Tabela 5-3 – Enrolamento Ortocíclico - Tabela resumo de dados ... 92
Tabela 5-4 - Enrolamento Ortocíclico - Tempo de resposta entre movimento dos motores ... 93
Lista de Siglas
ALPMR Alarm Protocol Machine Receiver
ALPMI Alarm Protocol Machine Initiator
APDU Application Protocol Data Unit
API Application Process Identifier
APMR Acyclic Protocol Machine Receiver
APMS Acyclic Protocol Machine Sender
AR Application Relation
AR ASE Application Relationship Application Service Element
ARP Address Resolution Protocol
AS Source Address
ASIC Application-Specific Integrated Circuits
BI Business Intelligence
CSMA/CD Carrier Sense With Multiple Access And Collision Detect
CBA Component Based Network
CLP Controlador Logico Programável
CM Context Management
COM Consumer Protocol Machine
CPMDEV The Context Protocol Machine For An IO Device
CR Communication Relations
DA Destination Address
DCP Discovery And Configuration Protocol
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DLL Data Link Layer
ERP Enterprise Resource Planning
FCS Frame Check Sequence
FPGA Field-Programmable Gate Array
FSPMDEV Fieldbus Service Protocol Mapping Machines
GNU General Public License
HSC High Speed Count
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP Internet Protocol
IRT Isochronous Real Time
ISO International Standards Organization
LLDP Link Layer Discovery Protocol
LMPM Link Layer Protocol Mapping Machine
MRRT Media Redundancy For Real Time
NRT Non-Real Time
OB Organization Blocks
OSI Open Systems Interconnection
OUI Organizationally Unique Identifier
PI PROFIBUS And PROFINET International
PPM Provider Protocol Machine
PTCP Precision Transparent Clock Protocol
QOS Quality Of Service
RMPM Resource Manager Protocol Machine
RT Real Time
RTA Real Time Acyclic
RTC Real Time Cyclic
RTE Real Time Ethernet
SFD Start Of Frame Delimiter
SNMP Simple Network Management Protocol
SONET Synchronous Optical Network
STR Sistemas de Tempo Real
TA Tecnologia da Automação
TCP Transmission Control Protocol
TI Tecnologia da Informação
TIE Time Interval Error
TPID Tag Protocol Identifier
UDP User Datagram Protocol
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 OBJETIVOS ... 19
1.2 RESUMO DA ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 20
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 21
2.1 SISTEMAS EM TEMPO REAL ... 21
2.2 INDICADORES DE DESEMPENHO ... 22
2.3 JITTER ... 24
2.4 OPROCESSO DE ENROLAMENTO DE CABOS (COIL WINDING) ... 25
2.4.1 Enrolamento Disperso ... 27
2.4.2 Enrolamento Helicoidal ... 28
2.4.3 Enrolamento Ortocíclico ... 29
2.5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 30
2.5.1 Pesquisas correlatas a estrutura rede Profinet ... 31
2.5.2 Pesquisas correlatas aos indicadores de desempenho redes RTE ... 31
2.5.3 Pesquisas correlatas ao processo de enrolamento e seus padrões ... 33
3 REDE ETHERNET INDUSTRIAL PROFINET ... 35
3.1 CONCEITO DAS REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAIS ... 35
3.1.1 Padronização das redes ... 37
3.1.2 Redes de comunicação no chão de fábrica ... 38
3.2 ETHERNET... 40
3.2.1 Endereçamento MAC ... 41
3.2.2 Quadro Ethernet ... 42
3.2.3 Protocolos complementares Ethernet ... 43
3.2.4 As redes Ethernet Industriais Tempo Real ... 46
3.3 FUNDAMENTOS DA PROFINET ... 48
3.3.1 Integração Switches Profinet ... 51
3.3.2 Dispositivos de Rede ... 52
3.4 APROFINET IO ... 54
3.4.1 Modelo de Dispositivos IO ... 54
3.4.2 Relação de Comunicação e Endereçamento ... 55
3.4.3 Comunicação em Tempo Real Utilizando Profinet IO ... 57
3.4.4 Profinet IO Comunicação Tempo Real ... 58
3.4.5 Tempo de Ciclo e Divisão de Banda ... 59
3.4.6 Profinet e o Modelo OSI/ISO ... 61
3.4.9 Profinet IO Protocolo de Máquinas ... 66
4 METODOLOGIA E COLETA DE DADOS ... 68
4.1 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA ... 68
4.2 APLICAÇÃO DO MÉTODO ... 69
4.2.1 Escolha dos Indicadores ... 69
4.2.2 Montagem do Sistema ... 70
4.2.3 Configuração e programação ... 74
4.2.4 Coleta de dados ... 82
4.2.5 Cálculo das informações coletadas ... 85
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 86
5.1 ENROLAMENTO HELICOIDAL ... 86
5.1.1 Resultados enrolamento Helicoidal ... 89
5.2 ENROLAMENTO ORTOCÍCLICO ... 90
5.2.1 Resultados enrolamento Ortocíclico ... 93
6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 95
6.1 CONCLUSÕES ... 95
1 INTRODUÇÃO
Para se tornarem mais competitivas, as empresas industriais têm como permanentes desafios aumentar a qualidade, volume e velocidade da produção buscando concomitantemente minimizar os custos. Estes requisitos para serem alcançados necessitam de integração e harmonização entre os diferentes níveis gerenciais. As redes de comunicação industriais, e os sistemas de informação associados, são elementos estruturais para se atingir estes objetivos. Elas, além de melhorar o desempenho no controle e supervisionamento dos equipamentos do processo, também promovem sua interação com os níveis de gerência, através de constantes trocas de informações, de forma segura e rápida.
Na década de 80 foram desenvolvidas as redes Fieldbus, um protocolo de rede industrial especificamente projetada para comunicação entre controlador, sensores e atuadores montados em campo (GALLOWAY B., 2012). Dando início às comunicações digitais nas redes industriais, abrangendo diferentes protocolos e estabelecendo conexão entre vários dispositivos com um único par de fios. Como consequência, os custos com instalações e manutenção reduziram em relação as redes de sinal analógico baseadas em “loops” de corrente 4 à 20 𝑚𝐴 (BERGE, 2002).
Mesmo trazendo estes benefícios, as redes Fieldbus não conseguiam interligar de forma eficiente os equipamentos de campo com os equipamentos do nível de gerenciamento, devido a diferença do tamanho e prioridade dos dados, necessitando de diferentes protocolos e programas para conseguir lidar com os dados dos diferentes níveis da empresa, deixando uma brecha no compartilhamento das informações entre esses níveis da indústria.
Neste Período, em 1985, surgiu a rede Ethernet. Formalizada pela norma IEEE 802.3, e integrava dispositivos de escritório com velocidade de transmissão de 3 𝑀𝑏𝑝𝑠. Em pouco tempo conseguiu dominar o ambiente de redes locais, mas por não ser determinista não era utilizada pela indústria (COMER, 2014),.
Para alcançar o cenário idealizado, era preciso atrelar as informações do processo com as de gestão, unificando os protocolos de comunicação dos diferentes níveis da empresa. Para atender às estas exigências no ambiente industrial, a rede Ethernet passou por modificações em seus dispositivos e protocolos.
Exemplos dessas mudanças são a comunicação full duplex, canais reservados e diferentes para a transmissão e recepção dos dados, que ajuda a eliminar as colisões de dados, e a implementação da Qualidade de Serviços (QoS) que distingue e dá prioridade ao tráfego de dados, além de aumentar sua velocidade de transmissão. Com essas mudanças o determinismo de uma comunicação em tempo real entre sensores e atuadores pode ser alcançado.
Com o intuito de construir uma única rede que trabalhasse através de toda a fábrica e permeasse todos os seus níveis gerenciais, surgiram as redes Ethernet em tempo real (RTE). Estas redes são definidas pela norma IEC 61784-2.
Segundo a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), os protocolos para Ethernet Industrial padronizados e de maior importância são EPA, EPL, EtherCAT, Ethernet/IP, HSE, Modbus/TCP, IEC 61850, JetSync, P-Net, Profinet, Sercos III, SynqNet, TCnet e Vnet/IP. Dentre as opções, as que possuem maior destaque no mercado são: Ethernet IP pela Allen Bradley, a Modbus TCP/IP pela Schneider, o EtherCat pela Beckhoff, o HSE pela Fieldbus Foundation e o Profinet pela Siemens (IEC, 2014). Sendo que segundo (FERRARI, FLAMMINI, et al., 2006) a Profinet é a que se destaca por ser um dos protocolos mais promissores para os próximos anos.
Os anos de experiência com protocolo Profibus e o uso generalizado da Ethernet Industrial foram incorporados no protocolo Profinet. Este é um protocolo de comunicação aberto Ethernet tempo real, padronizado pela norma IEC 61158. Segundo a Profibus Profinet International (PI, 2016) três milhões de dispositivos Profinet foram trazidos para o mercado em 2015. O número total neste ano foi de 12,8 milhões de dispositivos. Representando um aumento de 30% na base instalada em relação ao ano anterior. Segundo a PI a tendência é seguir crescendo em um nível elevado.
A expansão do protocolo Profinet no mercado, tornou relevante uma avaliação criteriosa do seu desempenho e o conhecimento de suas potencialidades para se construir aplicações com esta tecnologia. Esta verificação é possível com base na norma IEC 61784-2, através dela são definidos os indicadores de desempenho que qualificam as redes de comunicação industrial e seus dispositivos, facilitando a determinação de requisitos de projeto.
O funcionamento da rede Profinet baseia-se numa comunicação cíclica seguindo o modelo produtor consumidor. Os dados são transferidos entre um produtor e um ou mais consumidores, estes pacotes de comunicação em tempo real usam os protocolos nativos da Ethernet UDP/IP pela necessidade de alcançar maior velocidade.
Seu ciclo de comunicação pode ser dividido em 3 partes, tempo não real, tempo real e tempo real isócrono. Eles alcançam as respectivas velocidades de comunicação, 100 𝑚𝑠 para o tempo não real, valores próximos de 10 𝑚𝑠 para o tempo real e valores entre 1 𝑚𝑠 e 31.25 μ𝑠 no tempo real isócrono. A variação entre esses tempos projetados para recebimento do telegrama e o tempo efetivo em que ele chega é conhecido com jitter (PEGAIA, 2010). Os valores de jitter são limitados nas comunicações de tempo real em até 15% do valor do tempo de ciclo e inferiores a 1 μ𝑠 no tempo real isócrono.
A sincronização entre motores caracteriza-se quando seus eixos são controlados em termos de aceleração, velocidade e posição do eixo seguidor, diretamente ou em um intervalo ajustável de tempo, em relação ao eixo mestre. Este tipo de sincronização, com múltiplos motores, tem grande aplicação em muitas áreas da indústria, sendo encontrado em: máquinas de impressão, máquinas têxteis, máquinas para laminação de aço e no enrolamento de bobinas. Para otimizar esses sistemas mecânicos alguns fabricantes vêm substituindo as peças mecânicas por soluções eletrônicas. Um exemplo seria a troca dos eixos rígidos do elemento de máquina, came, por uma combinação de drives e motores que dependem de uma rede de comunicação industrial (NATIONAL INSTRUMENTS, 2012).
Essa mudança possibilita a eliminação dos elementos de máquina como: cames, caixa de engrenagens e transmissões mecânicas. Acarretando melhorias, por conseguirem executar a mesma funcionalidade dos elementos mecânicos, sem os problemas de desgastes e folgas que com o tempo levam à perda da confiabilidade e qualidade no processo. Além de possuir melhor controle sobre os motores, tornando os equipamentos menores, mais leves, com rápida reconfiguração, reduzindo o tempo de manutenção e possibilitando executar o monitoramento do desempenho do equipamento
Apesar do custo dos dispositivos ainda serem maiores que os convencionais, segundo Kingstar (2015) os construtores de máquinas que adotam o padrão Ethernet em tempo real tem vantagem no preço e no desempenho, quando comparado a qualquer outra rede Fieldbus
Nos últimos 40 anos a indústria de enrolamento de bobinas vem crescendo muito, demonstrando entre os anos de 2012 e 2015 um crescimento anual superior a 10% (ACE, 2014) (AUMANN, 2016). Atualmente, existem empresas que oferecem soluções com máquinas de alto nível de desempenho no controle multitarefa em tempo real. Tais máquinas podem suportar muitas maneiras de enrolamento, mudando diâmetros dos fios do envolvimento de fita e da terminação horizontal e vertical, atendendo aos diferentes requisitos de enrolamento.
Um dos desafios para esses fabricantes de equipamentos é lidar com tantos padrões de redes industriais. A escolha deve ser tomada com conhecimento sobre o seu desempenho e custo envolvidos na sua implementação. Adotar um padrão com desempenho inferior à aplicação do seu equipamento pode significar perder vantagem competitiva, assim como se adotado um padrão superior as necessidades, pode representar um desperdício de capital. Sendo assim a comparação da performance entre as redes industriais é uma área de pesquisa entre cientistas e engenheiros.
Baseado no que foi apresentado, viu-se a necessidade de fazer um estudo que possa realizar uma análise dos limites nos indicadores de desempenho em que a rede Profinet IO Class 1 consegue alcançar em uma aplicação que utilize a sincronização entre motores.
1.1 Objetivos
Esse trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho da rede industrial Profinet IO (PNIO) class 1 e seus recursos de tempo real, operando um sistema que integra sincronamente motores, utilizando os indicadores de desempenho da rede Tempo de resposta e Tempo de ciclo como base de verificação.
Serão executados os seguintes passos para se alcançar os objetivos:
Desenvolver um protótipo que simule o processo de enrolamento de fios, utilizando um controlador lógico programável (CLP) e dois acionamentos de motores, um de indução e servo motor, interligados por um switch em uma rede PNIO class 1;
O protótipo executará dois tipos de enrolamento de fios. Helicoidal
Ortocíclico
Aplicar metodologia de captura e análise dos indicadores de desempenho:
Tempo de resposta ou Delivery Time: Diferença entre o tempo de comando e a ação executada nos equipamentos;
Tempo de ciclo: Tempo necessário para troca de dados entre os dispositivos em um ciclo da rede;
Jitter: Definido como variações de pequenas durações não acumulativas nos instantes significativos de um sinal digital da sua posição ideal no tempo;
Por fim pretende-se, através do refinamento da configuração do sistema, alcançar os limites, da rede PNIO classe 1 na aplicação proposta, correspondentes aos menores valores nos tempos de ciclo e suas variações, jitter, e tempo de resposta, mantendo a qualidade do processo de enrolamento de fios.
1.2 Resumo da Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está dividida em capítulos da seguinte maneira:
O Capítulo 2 contém a fundamentação teórica da dissertação, apresentando as definições utilizadas para descrever: sistemas em tempo real, indicadores de desempenho das redes de comunicação, definição de jitter e a descrição do processo de enrolamento de cabos. Finalizando com as publicações mais relevantes que abordam esses temas em relação com esta dissertação.
O Capítulo 3 trata do protocolo Profinet. É apresentado o protocolo de maneira detalhada, iniciando com um embasamento teórico a respeito das Redes Industriais, da Ethernet e Ethernet em Tempo Real chegando até as estruturas de quadros da rede Profinet.
O Capítulo 4 detalha a metodologia do ensaio com intuito de testar a rede Profinet, desde a descrição da topologia e programação dos softwares até a descrição do método de captura de dados.
O Capítulo 5 apresenta as informações obtidas dos ensaios em ambos os cenários, ortocíclico e helicoidal, desenvolvidos relativos ao Capitulo 4, todos os dados colhidos são apresentados através de gráficos e tabelas, descreve-se uma análise dos resultados finais dos ensaios em ambos os cenários comentados.
O Capítulo 6 finaliza este trabalho com as conclusões tomadas e indica trabalhos que podem ser desenvolvidos futuramente.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo serão explanados os temas fundamentais relacionados ao escopo do trabalho desenvolvido: Sistemas de Tempo Real, Indicadores de desempenho e processo de enrolamento de fios. Por fim faz-se um levantamento das publicações relacionadas ao escopo deste trabalho.
2.1 Sistemas em Tempo Real
Uma das primeiras citações sobre tempo real foi escrita por James Martin em seu Livro no ano de 1967 (LAPLANTE, 2004). Este livro descreve várias aplicações que seriam possíveis através de sistemas de tempo real, utilizando a seguinte definição:
“Um sistema computacional de tempo real pode ser definido como aquele que controla um ambiente recebendo dados, processando estes dados, e executando uma ação ou retornando resultados suficientemente rápido para afetar o funcionamento do ambiente naquele momento” (MARTIN, 1967).
Definições mais recentes mostram que mesmo após 50 anos, esta definição ainda pode ser utilizada. Como a feita pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), definindo os sistemas de tempo real como aquele onde os resultados da computação podem ser usados para controlar, monitorar ou responder a um evento externo em tempo (IEEE, 1990). Ou a de (FARINES, 2000) definindo-o como: um sistema de tempo real é computacional e deve reagir a estímulos oriundos do seu ambiente em prazos específicos. Sendo capaz de oferecer garantias de correção temporal para o fornecimento de todos os seus serviços que apresentem restrições temporais.
A grande diferença entre estas definições está no conceito de oferecer garantias de que a resposta será sempre entregue dentro do prazo com uma certa margem de erro. Isso caracteriza o determinismo do sistema.
Sendo assim, pode-se concluir que um sistema de tempo real, (STR), não precisa ser necessariamente rápido, mas possuir controle do tempo para que as restrições sejam atendidas dentro dos prazos.
Os requisitos a seguir são fundamentais para que haja um STR bem projetado segundo (FARINES, 2000):
• Previsibilidade: Um STR é dito previsível quando o comportamento do sistema pode ser antecipado antes de ser executado. Isto vale tanto no domínio lógico, quanto no domínio temporal, independentemente de onde as variações ocorram;
• Resposta Determinista: Todos os requisitos temporais deverão ser cumpridos. Estes itens serão determinados através dos:
• Tempos de execução (Ciclo de Resposta): Limite máximo que não deverá ser excedido;
• Jitter (Desvios de Ciclo): A variação de tempo e o desvio máximo do ponto de transmissão devem ser os menores possíveis;
• Sincronismo: Determina a simultaneidade das ações. É necessária a maior precisão possível;
• Throughput (Taxa de Transferência): Deve garantir que a quantidade de dados definida possa ser transmitida dentro de uma unidade de tempo estabelecida.
As aplicações de tempo real realizam operação repetitivas com um intervalo de tempo definido. Qualquer aplicação que esteja sujeita a restrições temporais é agrupada nos STR. Por exemplo, no controle de plantas industriais, tráfego aéreo ou ferroviário, eletrônica embarcada, sistemas de controle de carros e aviões, multimídia como em videogames e telecomunicações.
Os STR podem ser categorizados em dois tipos, com base no ponto de vista de segurança. Os Sistemas Não Críticos de Tempo Real ou Soft Real Time Systems ocorrem quando uma falha, devido à perda do tempo, gera consequências não desejadas, como exemplos os sistemas de comutação telefônico e processamento bancário. Os Sistemas Críticos de Tempo Real ou Hard Real Time Systems geram consequências catastróficas quando uma falha temporal ocorre, estão normalmente relacionados à vida das pessoas como exemplos os Sistemas de controle de avião e controle de processos químicos ou nucleares.
2.2 Indicadores de Desempenho
Toda rede que inclui comunicação em tempo real e que são baseadas na norma ISO/IEC 8802-3 (IEC, 2016) são chamadas redes Ethernet em tempo real (real time ethernet - RTE).
Visto que cada usuário possui diferentes requisitos em suas aplicações, cada rede de comunicação RTE, que cumpre os perfis de comunicação descritas nesta norma, irá apresentar diferentes desempenhos na execução satisfazendo as necessidades destes usuários (WINKEL, 2006).
Sendo assim, a norma IEC 61784-2 define nove indicadores de desempenho (IEC, 2014) que são utilizadas como um conjunto de meios de interação, especificando a capacidade de desempenho dos dispositivos em uma rede de comunicação RTE e os requisitos necessários de uma aplicação. Os nove indicadores são:
Basic network topology: As topologias de redes básicas suportadas por um protocolo RTE devem ser uma ou mais combinações, sendo elas estrela, anel ou barramento; Tempo de Resposta: Indica a diferença de tempo para um dado ser enviado de um
dispositivo à ser recebido por outro;
Non-RTE bandwidth: É a porcentagem da banda de transmissão que pode ser usada pela comunicação non-RTE em um ponto da rede;
Non-time-based synchronization accuracy: Estabelece a sincronização independente entre dois dispositivos do resto da rede. Desta forma, pode-se obter um tempo de reação mais preciso. Por exemplo de um sensor para um atuador;
Number of RTE end-stations: Número máximo de dispositivos que o protocolo RTE suporta, com a exceção dos switches;
Number of switches between RTE end-stations: Número de switches entre qualquer dispositivo que tenha uma conexão lógica de troca de dados.
Redundancy recovery time: Indica o tempo máximo da falha até a rede se tornar totalmente operacional novamente;
Throughput RTE: Representa o total de dados RTE em bytes de um ponto da rede por segundos;
Time synchronization accuracy: É o máximo desvio na sincronização entre dois quaisquer relógios de tempo nos dispositivos.
Nem sempre é possível utilizar os nove indicadores em todas as redes. Por exemplo o indicador Non-time-based synchronization accuracy que não pode ser aplicado na rede Profinet isócrona (IRT), pois ela não sincroniza dois dispositivos, mas toda a sua rede para obter um tempo de reação preciso.
2.3 Jitter
O jitter pode ser interpretado como um ruído no domínio temporal. Sendo definido pelo padrão Synchronous Optical Network (SONET) como as variações de curto prazo de um sinal digital de momentos significativos em suas posições ideais no tempo (ALPERT, 2004).
Ele pode ser identificado de duas maneiras. A primeira seria como um efeito instantâneo onde a borda do sinal não está alinhada com seu tempo determinado. A segunda forma seria com a acumulação de efeitos, onde cada borda do sinal é deslocada por igual.
Em todas as aplicações reais, o jitter possui uma característica aleatória, por isso deve ser especificado usando termos estatísticos. Métricas como valor médio e desvio padrão, e qualificadores como o intervalo de confiança, devem ser usadas para estabelecer medidas significativas e repetitivas.
Conforme apresentado por (TEKTRONIX, 2007), existem várias maneiras do jitter ser medido em uma única forma de onda. Sendo elas o jitter no período, jitter no ciclo de ciclo e jitter no erro de intervalo de tempo (Time Interval Error - TIE).
Jitter no Período
O jitter no período é a medição de um sinal de uma borda a outra. As ferramentas comuns de medição do período medem a borda ascendente de um sinal para a borda ascendente seguinte, com a exceção em alguns métodos de transmissão de dados, como a memória DDR, onde ambas as bordas ascendentes e descendentes são usadas para registrar os bits de dados. Sendo assim, a medição se torna de meio período. Depois de uma amostra significativa de medições, o desvio padrão e os valores de pico podem ser obtidos.
Jitter de ciclo a ciclo
O jitter de ciclo a ciclo é a aplicação da aritmética simples nas medidas do período tomados. Se a informação de temporização para dois períodos adjacentes é conhecida, a diferença entre eles é a mudança de ciclo a ciclo, período um menos período dois. Após a coleta de amostras dos períodos, e medindo a diferença entre eles, o desvio padrão e valores de pico podem ser obtidos.
Jitter no Intervalo de tempo
A medição TIE, efetua a medição de um sinal comparando com um relógio de referência e as diferenças de tempo entre as bordas de referência e do sinal. Este método funciona com sinais de relógio e de dados. A diferença medida é o erro de intervalo de tempo. Após a medição
seus erros de sincronização relacionados ao desvio padrão e aos valores de pico podem ser obtidos.
Neste documento, o termo jitter máximo refere-se ao desvio máximo da variação de um sinal periódico. A Figura 2-1 ilustra o comportamento do jitter.
Figura 2-1 - Jitter Fonte: adaptado (MAUER)
2.4 O Processo de Enrolamento de Cabos (Coil Winding)
O processo de enrolamento cria uma estrutura geométrica formada pelo enrolamento de um ou de vários fios criando uma ou mais camadas sobrepostas, esta estrutura é chamada de bobina. A transferência do fio para a bobina, requer a coordenação dos movimentos de rotação e translação.
Várias aplicações elétricas e eletromagnéticas dependem de bobinas, como motores elétricos, transformadores, eletroímãs, indutores e resistência elétrica. Estes componentes necessitam de diferentes tamanhos e formatos de bobinas, para serem confeccionadas são utilizados enroladores que executam movimentos de enrolamento distinguidos através das seguintes técnicas:
Flyer winding
O nome desta técnica de enrolamento se dá por conta do movimento que a ferramenta guia faz, girando rapidamente a com a finalidade de enrolar o fio no estator. O corpo da bobina é fixado enquanto o fio é conduzido pelo movimento de rotação através de um braço flyer em torno de si. Esta técnica é principalmente aplicada para bobinar rotores ou corpos de bobina de peso elevado como por exemplo transformador (KLAUS FELDMANN, 2013).
Needle winding
Na tecnologia de enrolamento de agulhas, o fio é enrolado diretamente nas ranhuras do estator por imersão radial da guia de arame, depositando o fio com um movimento vertical. Nos pontos mortos, onde o fio não está na posição superior e inferior do estator, são conduzidos movimentos de articulação correspondentes ao passo de enrolamento para deposição do fio. Uma força de tração é continuamente aplicada ao fio para evitar enrolamentos frouxos (KLAUS FELDMANN, 2013).
Enrolamento Linear
No enrolamento linear a bobina é submetida à um movimento circular à medida que o fio passa sobre ou através de um guia que a atravessa axialmente. Devido à pequena inércia da massa rotativa, é possível alcançar altas velocidades de rotação. O movimento giratório, bem como o movimento de assentamento é a principal característica de sincronização que irá determinar qual padrão de enrolamento será feito.
As bobinas fisicamente grandes ou maciças, ou bobinas enroladas usando materiais de enrolamento muito rígidos são normalmente enroladas com este método. A Figura 2-2 demonstra um exemplo deste tipo de enrolamento.
Figura 2-2 - Enrolamento Linear Fonte: adaptado (COILAIDE)
Outra consideração que deve ser feita é determinar qual padrão de enrolamento utilizado. Os três principais padrões são o Disperso, Helicoidal e Ortocíclico, eles se diferenciam pela técnica de enrolamento utilizada e o valor do fator de preenchimento alcançado.
Para determinar o fator de preenchimento, conforme a Equação (1), a quantidade de secções transversais do fio, ou número de voltas multiplicado pela sua seção transversal, incluindo o seu isolamento se possuir, é colocada em relação com o espaço de enrolamento fornecido, base e altura preenchido na bobina. O valor encontrado deve situar-se entre zero e um (ERICKSON, 2013). 𝐹 = 𝑑 . 𝜋 4 . 𝑛 𝑏 . ℎ (1) onde, 𝐹 é o fator de preenchimento; 𝑑 é o diâmetro do fio; 𝑛 é o número de voltas;
𝑏 é o comprimento do corte transversal do corpo da bobina; ℎ é a altura do corte transversal do corpo da bobina.
2.4.1 Enrolamento Disperso
Neste tipo de estrutura o fio é enrolado de maneira aleatória, levando a uma distribuição de fios no corpo da bobina mais larga do que o seu próprio diâmetro, criando grandes espaços vazios entre os fios e com isso um baixo fator de preenchimento, como demonstra a Figura 2-3. Os fatores de preenchimento obtidos são os mais baixos entre os três padrões, com o uso de fios redondos são de cerca de 73% a 80%.
Figura 2-3 - Enrolamento disperso Fonte: adaptado (GINGERY, 1991)
Apesar de possuir o menor fator de preenchimento este enrolamento pode ser visto como o mais comum e econômico na produção em massa. Caracteriza-se por baixas exigências de maquinário e operador e pode ser enrolado com velocidades muito altas. Eles são aplicados principalmente em disjuntores, bobinas de relay, pequenos transformadores, bobinas de ignição e assim por diante, ou geralmente dispositivos com medidores de fio relativamente pequenos até 0,05 mm.
2.4.2 Enrolamento Helicoidal
Para produzir o enrolamento helicoidal o fio atravessa transversalmente a bobina conforme a bobina gira. A cada rotação da bobina, os fios cruzam-se e localizam-se dentro da abertura da camada embaixo, uma vez que as camadas consecutivas têm
uma configuração helicoidal oposta, como visto na Figura 2-4.
Figura 2-4 - Enrolamento helicoidal Fonte: adaptado (AAMOT, 1969)
O efeito resultante é como tentar forçar uma porca de rosca esquerda em um parafuso de rosca à direita. O fio tenta seguir o sulco entre duas voltas abaixo dele, mas esse sulco é inclinado na direção oposta, e antes que uma volta completa seja efetuada, a pressão das rotações precedentes força o fio a saltar para a ranhura adjacente. Este processo repete-se para cada volta de cada camada após a primeira. Se cada camada sucessiva repousar diretamente sobre as voltas da camada abaixo dela. O fator de preenchimento consegue alcançar 79% a 84%. Por possuir um melhor fator de preenchimento e por não ter um grande grau de dificuldade na sua fabricação, são comuns em equipamentos que necessitem melhor rendimento como transformadores.
Se o número de camadas excede um certo limite, o estruturado não pode ser mantido e um enrolamento disperso é criado.
2.4.3 Enrolamento Ortocíclico
O melhor uso espacial no processo de enrolamento pode ser alcançado se um padrão regular for mantido, eliminando a forma helicoidal, iniciando sua primeira volta adjacente à flange e normal ao eixo, isto é, ortogonal e perto do fim de completar a primeira volta o fio desvia para o lado para formar um passo de deslocamento ou crossover. O processo se repete a cada turno. Os crossovers são todos adjacentes e formam uma zona crossover. Na segunda camada a deflexão estará na direção oposta e inverte-se novamente com cada camada sucessiva, mas todas as voltas permanecem ortogonais, isso é chamado de método Ortocíclico (AAMOT, 1969).
O passo de enrolamento pode ocupar uma zona de até 60 graus da circunferência da bobina, criando uma pequena zona de sobreposição, enquanto os outros 300 graus da circunferência da bobina os fios na camada superior estão seguindo as ranhuras da camada inferior durante a volta, a Figura 2-5 apresenta estas zonas.
Figura 2-5 - Enrolamento Ortocíclico Fonte: adaptado (Pavel Talalay, 2015)
Sendo assim durante a maior parte do movimento de rotação, o mecanismo que desloca fio, estará parado, isso requer um controle de precisão sobre o movimento de rotação da bobina e do mecanismo de deslocamento.
Segundo (WILLIAMS, 1997) a chave para um enrolamento de camada perfeita bem-sucedida está em assegurar plenamente de que as voltas da primeira camada estão bem posicionadas, de modo que as camadas sucessivas têm uma base bem formada para se enrolar. A bobina pode exigir a aplicação de um adesivo na superfície de enrolamento para fornecer o atrito necessário para a primeira camada. Outra alternativa é cortar ou moldar ranhuras na bobina de modo que o primeiro enrolamento de fio de cobre crie uma base para os estádios iniciais de enrolamento.
Em teoria este enrolamento de camada perfeito produz um fator de preenchimento mais alta do que qualquer outro método, aproximando-se de um teor teórico de 91%. Por possuir um grande fator de preenchimento e um grau de dificuldade maior para a sua construção estas bobinas são destinadas para equipamentos de alto desempenho como transformadores de alta frequência e equipamentos no campo da medicina.
Figura 2-6 – Posicionamento fios em enrolamento ortocíclico, início camada longa Fonte: adaptado (Pavel Talalay, 2015)
Na Figura 2-6 observa-se a distância entre os centros dos fios em um enrolamento ortocíclico e a diferença entre as camadas ímpares e pares caso se inicie com uma camada mais longa. Enquanto o fio estiver nos primeiros 300 graus da volta não há deslocamento na direção 𝑧. Nos últimos 60 graus da volta ele dá um passo igual ao diâmetro do fio, d com velocidade 𝑣2.
A revisão da literatura sobre as áreas que envolvem essa dissertação limita-se aos trabalhos mais relevantes e que influenciaram de forma direta nesse estudo, como a estrutura da rede Profinet, indicadores de desempenho nas redes RTE e o processo de enrolamento de fio.
2.5.1 Pesquisas correlatas a estrutura rede Profinet
Um dos primeiros textos a apresentar a arquitetura do modelo da comunicação na rede Profinet deve-se a Neumann e Pöschmann (2004) e posteriormente este modelo foi analisado e comprovado por Ming e Guang (2014) utilizando o programa Wireshark para captura dos quadros de mensagem. Esta arquitetura é a base do funcionamento do protocolo.
Uma aplicação de sincronização de eixos de motores na rede Profinet é apresentada por Rata e Rata (2016). Este trabalho demonstra a aplicação de um controlador capaz de gerenciar dois eixos com alto desempenho de posicionamento em um motor de indução e em um motor sem escovas. Sendo possível o entendimento da configuração e programação da rede Profinet no software TIA Portal.
2.5.2 Pesquisas correlatas aos indicadores de desempenho redes RTE
O tempo de ciclo, jitter e tempo de resposta demonstraram ser indicadores de relevância abordados na literatura, principalmente em relação a aplicações de tempo real restritas, como em sincronização, posicionamento e controle de velocidade de motores elétricos.
Os indicadores de desempenho das redes RTE são abordados por Felser (2005). Descreve o indicador Tempo de resposta (Delivery Time), estabelecendo uma classificação de baixa velocidade à valores de 100 𝑚𝑠, velocidade mediana aproximadamente 10 𝑚𝑠 e alta velocidade inferiores a 1 𝑚𝑠.
Os indicadores também são apresentados por Zurawski (2009) onde seus conceitos são resumidos e sua funcionalidade é descrita nos protocolos baseados em RTE, explicando assim os procedimentos dos órgãos competentes para estabelecer as normas conhecidas que regem os protocolos RTE.
Exemplos de aplicações dos indicadores podem ser vistas na publicação de Marsal (2006) apresentando um método para avaliar o tempo de resposta das arquiteturas dos sistemas de
automação, o método baseia-se na modelagem do comportamento dos componentes dessas arquiteturas na forma de redes de Petri. Para o estudo do jitter, Ferrari, Flammini, et al. (2006) apresentam técnicas de mensuração do tempo da reação ao evento. Analisa também o jitter e refresh time em aplicações de redes RTE, através de modelos matemáticos. Eles foram baseados no ciclo completo de um sinal de saída, borda de subida, tempo de duração do nível lógico alto, borda de descida e nível lógico baixo. Em seguida é desenvolvida uma metodologia em uma rede Profinet onde é validada a modelagem matemática.
Com a intenção de reduzir custos e facilitar a medição dos tempos de comunicação entre os equipamentos de campo, Ferrari, Flammini, et al. (2008) desenvolveram uma metodologia inovadora, utilizando uma sonda, circuito integrado (FPGA), capaz de ser integrada em qualquer rede RTE. Associando as estampas de tempo dos pacotes de comunicação com uma resolução de 100 𝑛𝑠, assim comprometendo o mínimo possível os atrasos deste tempo e jitter na comunicação. As informações são duplicadas na camada física. Enquanto uma segue para o destino, outra é salva, podendo ser analisadas posteriormente por um software sniffer convencional de análise de dados, Wireshark. Seus resultados experimentais comprovam que o instrumento proposto é bastante semelhante ao desempenho de outros instrumentos comerciais, mas a um custo menor para ser adquirido.Parte da metodologia e o uso do software Wireshark, foram adotadas para o desenvolvimento deste trabalho.
Esta mesma metodologia foi aplicada em outro estudo em Ferrari (2011), O artigo apresenta um estudo de caso sobre uma PNIO para automação de fábrica com 127 dispositivos, dentre eles Controladores IO, switches e Dispositivos IO. O objetivo era fazer uma avaliação nos parâmetros de tempo jitter e Tempo de ciclo, em um estado de produção real. Concluindo que o protocolo apresenta um desempenho bom mesmo sob condições de operação extrema de carregamento de rede.
Uma outra forma de aplicação foi desenvolvida por Ning e Chongquan (2012) no protocolo EPA, onde os indicadores de tempo de resposta, precisão da sincronização do tempo e Throughput são analisando para determinar a regularidade da transmissão da informação e o mecanismo de escalonamento do EPA, eles concluem que o tempo de enfileiramento das mensagens periódicas é o fator principal que influencia no Tempo de Resposta.
Muitos trabalhos foram desenvolvidos fazendo comparações entre a Profinet e outros protocolos utilizando os indicadores, como Kleines, Detert, et al. (2007) que após terem feito
uma introdução do protocolo Profinet, desenvolveram um comparativo entre o PNIO class 1 com o Profibus DP, utilizando o jitter como indicador de referência em uma pequena rede.
Comparações foram feitas entre Profinet IRT e EtherCat. O trabalho de Jasperneite, Schumacher e Weber (2007) determinou como fatores analisados o tempo de transmissão de dados e seus atrasos. Tal como o tempo de ciclo, a transmissão era desenvolvida em uma topologia de barramento com velocidades de comunicação da Ethernet de 100 𝑀𝑏𝑖𝑡𝑠 para 1 𝐺𝑏𝑝𝑠. Neste trabalho foram obtidos os tempos de desempenho do EtherCat até duas vezes melhor, com a ressalva que a pequena estrutura favorece uma vantagem ao EtherCat. Em uma estrutura real, geralmente usa-se maiores escalas com topologias mais complexas, obtendo um aumento da velocidade de comunicação de 100 Mbps para 1 Gbps. O Profinet IRT é 50% mais rápidos que o EtherCat. Este trabalho finaliza com a pretensão de continuar a comparação para melhores resultados.
Schumacher, Jasperneite e Weber (2008) realizam um estudo em relação a eficiência de como os dados são enviados. Onde o protocolo Profinet IRT envia pacotes individuais para cada dispositivo, enquanto o EtherCat envia unicamente um grande pacote para todos os dispositivos. Após uma análise de como são enviados os pacotes em cada um dos protocolos. Concluíram que se necessário o envio de grandes pacotes de dados, o Profinet IRT tem desempenho de até 130% maior.
Prytz (2008) abrange um cenário mais próximo da realidade de uma aplicação industrial, desenvolvendo outro teste de comparação, estudando o tempo de ciclo. Os resultados diferem dos obtidos por Jasperneite, Schumacher e Weber (2007), que obtiveram melhor tempo para o EtherCat.
Após estudos de comparação, Ferrari, Flammini, et al. (2008b) demonstraram como a integridade da sincronização é comprometida quando há dois protocolos RTE em um mesmo meio físico. Foi implementado um medidor de múltiplas sondas, que consistiu em um sistema FPGA com capacidade de realizar medição em vários pontos. Este novo método propôs avaliar uma rede onde coexistia o PROFINET IRT, IEEE1588-based e uma rede Ethernet genérica, analisando o seu tempo de ciclo, jitter e tempo de resposta entre as sondas.
Na publicação de Aamot (1969) são apresentas as informações das máquinas de enrolamento totalmente mecanizadas, e como os padrões de enrolamento são executados. Já a publicação de Jürgen Hagedorn (2016) são apresentados as técnicas e tecnologias de automação relacionados. Desde a introdução de cada um dos componentes (fios, bobina, isolamento), os métodos de enrolamento, as propriedades físicas das bobinas e finalmente, é descrita a automação destes processos. Com essas informações foi possível entender o funcionamento dos equipamentos de enrolar fios para ser aplicado no protótipo desenvolvido.
Na revista B&R Industrial Automation (2014) é demonstrada uma mudança para equipamentos que utilizam RTE, no caso a Powerlink, para uma nova estrutura com embobinadoras automatizadas. Resultando em um novo sistema de controle que eliminou todas as interfaces de hardware do projeto anterior, com maior facilidade e flexibilidade na programação. A nova solução de controle foi bem recebida pelo cliente, o novo sistema possui um tempo de resposta de apenas 400 𝜇𝑠, oferecendo a dinâmica e a precisão necessária para lidar com aplicações altamente complexas, como enrolamento em espiral com eixo inclinado. Esta publicação demonstra a como as redes RTE são utilizadas para a construção de equipamentos mais modernos.
Os problemas causados pela falta de controle em um processo de enrolamento de fios são demonstrados por Blanc, Fleischer, et al. (2014). Para o enrolamento com velocidades mais altas e com uma produtividade mais elevada foi necessário um sistema de controle eficaz para aplicar uma tensão no fio correta. Com isso foi possível equilibrar os picos de perturbação das tensões nos fios induzidas pelas bordas do corpo da bobina.
Com a motivação de uma melhor compreensão do processo de enrolamento e uma possibilidade de prever o comportamento realista do fio J. Bönig (2015) desenvolvem uma simulação do enrolamento linear pelo padrão ortocíclico em um software. Seus dados foram importantes para o desenvolvimento da técnica no protótipo construído.
3 REDE ETHERNET INDUSTRIAL PROFINET
Este capítulo tem por finalidade apresentar os conceitos relacionados e a importância das redes de comunicação industrial, assim como os conceitos básicos sobre o protocolo Ethernet. Estes conhecimentos são a base para a compreensão do protocolo Profinet.
Em seguida são apresentados os conceitos do protocolo Profinet para o entendimento da proposta deste trabalho, tendo como foco a rede PNIO class 1, seus tipos de dispositivos e o funcionamento de sua estrutura na comunicação dos dados em tempo real.
3.1 Conceito das redes de comunicação industriais
As redes digitais de comunicação foram desenvolvidas inicialmente para a troca de dados entre computadores, devido à necessidade de interligar equipamentos de escritório com o intuito de compartilhar dados, dispositivos de armazenamento e periféricos entre os vários departamentos de uma empresa. Elas acabaram sendo introduzidas também na área industrial para a troca de informações e controle nos processos industriais de chão de fábrica. Com a introdução das redes de comunicação, além do compartilhamento de informações e diminuição do custo, houve incremento da confiabilidade do sistema por possibilitar cópias, backup, de programas e rotinas entre máquinas, assim outra máquina pode assumir sua tarefa (STEMMER, 2001).
A introdução de redes de nível de campo para fins de automação está intimamente ligada às tentativas de disponibilizar dados em todos os níveis funcionais de uma empresa. Um resultado dessas ideias foi a chamada arquitetura das redes de automação, que pode ser organizada em três níveis, conforme apresentado na Figura 3-1.
Figura 3-1 - Organização Rede Industrial
FONTE: us.Profinet.com
O primeiro nível, denominado de Informação ao Usuário (Gerência e manufatura) é encarregado pela administração dos recursos da empresa. Neste nível encontram-se softwares para gestão de vendas, gestão financeira e Business Intelligence (BI), ajudando na tomada de decisões que afetam a empresa como um todo.
O nível de controle de processo é responsável pelo controle e monitoramento da operação da planta industrial. Neste nível encontram-se os CLPs, terminais de acesso e IHM, que se comunicam ininterruptamente recebendo informações dos sensores para comandar os atuadores.
O terceiro e último nível citado como elementos de campo, contemplam os sensores e atuadores, responsáveis respectivamente pela coleta de dados do processo e por executar ações previamente programadas com base nos dados coletados pelos sensores A comunicação rápida e precisa entre todos os componentes e dispositivos é fundamental para a eficiência do projeto de automação.
As redes se distinguem pelos protocolos de comunicação utilizados, ou seja, pela codificação de como as informações são enviadas e recebidas, através do meio físico utilizado, podendo ser fibra óptica, wireless, cabo coaxial, etc.
3.1.1 Padronização das redes
Sem arquitetura padrão definida, várias empresas privadas tiveram a iniciativa de desenvolver o seus próprios softwares e hardwares visando suprir suas necessidades específicas. Este cenário gerou grandes problemas, dificultando a integração das redes industriais (DJIEV, 2003).
Para evitar esses problemas, a Organização Internacional de Normalização (International Standards Organization - ISO) apresentou um modelo de arquitetura para tornar padrão a comunicação entre máquinas de qualquer fabricante. Definindo normas genéricas para a construção de redes de computadores que fossem independentes da tecnologia de sua implementação.
O padrão Open Systems Interconnection (OSI) permite que dois dispositivos de automação se comuniquem de forma confiável independente do fabricante. Este modelo de arquitetura divide as redes de computadores em 7 camadas (ZIMMERMANN, 1980), como demonstrado na Figura 3-2. O modelo começa pela camada inferior, sendo ela a camada física, e avança até a camada superior denominada camada de aplicação.
Figura 3-2 - Tabela OSI
Segundo (ROSÁRIO, 2005) as camadas podem ser definidas como:
Camada Física: É responsável pela transferência de bits no circuito de comunicação, possuindo responsabilidades funcionais tipo modulação;
Camada Enlace: Assegura que o conteúdo da mensagem no local de destino seja exatamente igual da origem.
Camada Rede: Gerencia o tráfego e o roteamento dos dados, baseado no tráfego de dados e prioridades.
Camada Transporte gerencia a comunicação entre dois sistemas, ou seja, o sistema fonte dialoga com o programa executado na máquina destino.
A camada Sessão controla a comunicação entre os usuários. É responsável por agrupar as mensagens, coordenar a transferência de dados entre as camadas e sincronizar o diálogo.
Camada Apresentação assume as funções associadas à formatação, sintaxe e semântica dos dados transmitidos, que permitirá a interpretação correta da informação pelo receptor.
Camada Aplicação faz o interfaceamento entre os protocolos de comunicação e o aplicativo.
Os protocolos associados ao modelo OSI são pouco usados atualmente, porém ainda são válidos. O modelo não é uma arquitetura de rede, pois não especifica os serviços e os protocolos exatos que devem ser usados em cada camada, ele apenas informa o que cada camada deve fazer. No entanto, a ISO também produziu padrões para todas as camadas, embora esses padrões não façam parte do próprio modelo de referência. Cada um foi publicado como um padrão internacional distinto (TANENBAUM e WETHERALL, 2011).
3.1.2 Redes de comunicação no chão de fábrica
As redes por sinais elétricos analógicos surgiram no ambiente industrial a partir de1960, substituindo os tubos utilizados para a transmissão pneumática, reduzindo o custo de instalação dos sistemas e o tempo de transmissão dos sinais (GUTIERREZ, 2008).
Isto permitiu o compartilhamento de dados destes equipamentos utilizando loop de corrente. Essas redes possibilitaram a transmissão de informações entre o processo e o seu monitoramento.
As redes analógicas substituíram o uso de cartões perfurados e sistemas pneumáticos, com velocidades de 50 𝑘𝑏𝑝𝑠 em conexões de longa distância. Porém, elas só realizavam a comunicação entre os equipamentos do nível de processo, ainda consumiam muito espaço visto que a comunicação era feita em apenas um sentido, exigindo muitos quilômetros de fiação ligando equipamentos de campo aos sistemas de controle centralizados.
Com a invenção de circuitos integrados e microprocessadores, a funcionalidade de múltiplos loops de controle analógicos poderia ser replicada por um único controlador digital. Os controladores digitais começaram a substituir o controle analógico, embora a comunicação com o campo ainda fosse realizada usando sinais analógicos. O movimento em direção a sistemas digitais resultou na necessidade de novos protocolos de comunicação para o campo, bem como entre os controladores. Esses protocolos de comunicação são comumente chamados de protocolos Fieldbus. (GALLOWAY B., 2012).
A comunicação digital em pequenos dispositivos, como os transmissores de chão de fábrica, não foi vista até os anos 80, por isso o barramento de comunicação para redes de instrumentos de campo, não ganhou aceitação até os anos 90 (BERGE, 2002).
Segundo (Zurawski, 2014) os protocolos Fieldbus, são definidos na norma IEC 61158 como um barramento de dados digital, serial, multidrop para comunicação com dispositivos industriais de controle e instrumentação, transdutores, controladores, porém não sendo limitado entre eles.
As redes Fieldibus deram início as comunicações digitais nas redes industriais, seu conceito compartilha a ideia da descentralização da inteligência, a informação não precisa estar armazenada num único membro do processo, mas distribuída em vários equipamentos em sua rede, eliminando a necessidade de computadores grandes, complexos e centralizados em sistemas de controle. Elas abrangeram as redes analógicas, estabelecendo comunicação digital bidirecional entre vários dispositivos com um único par de fios, permitindo uma expansão na quantidade de dados de processo.
Mesmo trazendo estes benefícios para as redes de campo e de controle, as redes Fieldbus tinham dificuldades em suportar a demanda crescente de largura de banda e não conseguiam promover uma integração vertical com sistemas mais complexos.
3.2 Ethernet
A Ethernet foi desenvolvida como um projeto pioneiro da Xerox PARC. Entende-se, em geral, que a Ethernet foi inventada em 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais. Contudo, Metcalfe afirma que, na realidade, a Ethernet foi concebida durante um período de vários anos (KUROSE, 2006).
Nessa época as conexões entre computadores só eram possíveis utilizando baixas taxas de transmissão. O objetivo de Metcalfe quando desenvolveu a Ethernet era conectar em alta velocidade estações de trabalho avançadas entre si e com impressoras a laser a um custo relativamente baixo. Apesar de existir uma vantagem em velocidade, havia restrição no alcance para estabelecer esta conexão, a distância entre os equipamentos deveria ser no máximo algumas centenas de metros.
A tecnologia Ethernet foi padronizada em fevereiro de 1980 pelo IEEE sob padrão número 802.3. O nome foi baseado no ano e no mês de formação do grupo.
O grupo 802.3 padronizou a operação de rede Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detect ou Acesso Múltiplo Usando Detecção de Portadora e Detecção de Colisão (CSMA/CD) que tinha função equivalente a uma implementação de rede padronizada pelas empresas Digital, Intel e Xerox à Ethernet DIX. Ethernet e 802.3, possuindo diferentes terminologias e formatos de dados dos frames. Atualmente, o termo Ethernet se refere genericamente tanto à implementação DIX Ethernet, quanto à padronização IEEE 802.3.
O padrão Ethernet foi originalmente operado na velocidade de até três megabits por segundo usando um cabo coaxial 50 ohms. Como esse meio é compartilhado, apenas uma estação pode transmitir dados, ou seja, a sua comunicação é chamada de half-duplex. Além disso, a sua largura de banda (Bandwidth) também é compartilhada, e desta forma o tráfego de rede pode se tornar lento. Exemplo disto é que as redes e os nós tinham de ser reinicializados após qualquer interrupção elétrica.
Para que haja organização no acesso de cada estação, utiliza-se a técnica CSMA/CD. Este método interrompe a transmissão quando detecta uma colisão, ou seja, é bloqueado a comunicação quando duas estações transmitem simultaneamente. Para solucionar este problema, as estações esperam um certo tempo aleatório antes de tentar novamente, podendo
apenas uma delas conseguir passar as informações, enquanto a outra terá que esperar mais uma vez e assim sucessivamente. (SPURGEON, 2000).
O padrão Ethernet interage nas camadas de enlace e física promovendo a interconexão nas redes locais, que são conhecidas como Rede de Área Local (LAN) baseadas no envio de pacotes. Os cabeamentos e sinais elétricos para a camada física são definidos no formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (MAC) do modelo OSI.
Ao longo das últimas décadas, a tecnologia Ethernet tem sido oferecida em velocidades cada vez maiores: 3 𝑀𝑏𝑝𝑠, 10 𝑀𝑏𝑝𝑠, 100 𝑀𝑏𝑝𝑠, 1 𝐺𝑏𝑝𝑠, 10 𝐺𝑏𝑝𝑠 e 100 𝐺𝑏𝑝𝑠. Além disso, também houve evolução em sua camada física, migrando dos cabos coaxiais grossos para cabos coaxiais mais finos como os vários tipos de pares trançados e fibra ótica. Com essas mudanças, novos padrões foram criados, proporcionando maior conforto, confiabilidade e velocidade.
3.2.1 Endereçamento MAC
Cada estação em uma rede Ethernet possui seu próprio adaptador de endereço MAC. Os endereços de rede que contém um identificador único para o endereço físico da estação e possuem 6 bytes ou 48 bits são denominados endereços MAC. Os três primeiros bytes são chamados Organizationally Unique Identifier (OUI) e servem como identificação do fabricante de acordo com os dados fornecidos pela IEEE. Os três últimos bytes são definidos pelo fabricante e são únicos por construção de cada produto feito pelo mesmo, ou seja, o endereço gravado no hardware é único, como pode se ver na Figura 3-3.
Figura 3-3 - Endereço MAC Fonte: Adaptado (KHANNA, 2012)
Quando as estações se comunicam e a remetente conhece o endereço IP do destino, mas não conhece o seu endereço MAC, o mapeamento de endereços IP para endereços MAC é feito com o protocolo Address Resolution Protocol (ARP).
A Ethernet permite que frames (janelas) sejam enviados para endereços especiais, como o endereço FF-FF-FF-FF-FF-FF, conhecido como endereço de difusão, ou Broadcast, sendo os frames enviados para tal endereço são recebidos por todas as estações
3.2.2 Quadro Ethernet
Para ocorrer troca de informações dentro do protocolo Ethernet, os dados são organizados e transferidos como quadros, frames. Normalmente dividido em 7 campos, possui um tamanho de no mínimo 64 𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠 e máximo de 1526 𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠, como pode ser visto na Figura 3-4.
Figura 3-4 - Quadro Ethernet II
As siglas contidas na imagem podem ser interpretadas como:
PRE: O Preâmbulo dá início ao quadro com sete bytes, que forma uma sequência alternada de 1 e 0 para a sincronização do receptor;
SFD (Start of Frame Delimiter): É um byte, 10101011, os últimos bytes ‘11’ identifica o início do pacote de endereço do destinatário;
DA (Destination Address): contém o endereço MAC do destinatário. SA: (Source Address) contém o endereço MAC do remetente;
TIPO: (Ethertype) define qual dos protocolos que podem ser executados no padrão Ethernet está encapsulado e sendo transmitido, através de um conjunto de números em hexadecimal, a Tabela 3-1 informa os protocolos que um dispositivo Profinet poderia usar em uma rede Profinet.
