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AVALIACAO DE REDES WIRELESSHART EM MALHAS DE CONTROLE

Anderson Santos, Daniel Lopes, Ivanovitch Silva, Julio Cesar, Layon Luciano,Adriao Neto, Luiz Affonso Guedes

Laboratorio de Informatica IndustrialDepartamento de Engenharia de Computacao e Automacao, Instituto Metropole Digital

Universidade Federal do Rio Grande do NorteCampus Universitario Lagoa Nova CEP 59078-970

Natal, Rio Grande do Norte, Brasil

Emails: andersoncs@dca.ufrn.br, danlartin@dca.ufrn.br, ivan@imd.ufrn.br,juliocesar@dca.ufrn.br, layonluciano@dca.ufrn.br, adriao@dca.ufrn.br,

affonso@dca.ufrn.br

Abstract Nowadays wireless communication is a tendency in industry environments, saving resources andenabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. In this context, theWirelessHART specification is emerging as a solution for the last mile connection. Despite its high degree ofapplicability, a WirelessHART network faces some technical (reliability, energy consumption, fault tolerance,ensuring constant delays) and cultural challenges. Thus, the demanding for evaluation and ensure reliabilitytools on the control loops is imminent. Aiming to demystify the use of wireless technology on the control loops inthe industry, this paper presents an evaluation that enables to analyze the behavior of a WirelessHART networkin a process of controlling the level of water in a system of coupled tanks, part of a Quansers educational kit.

Keywords WirelessHART, control, industrial wireless networks, XML-RPC.

Resumo Nos dias atuais a comunicacao sem fio e uma tendencia nos ambientes industriais, reduzindo custose permitindo a criacao de aplicacoes que nao eram possveis com as tecnologias legadas. Nesse contexto, aespecificacao WirelessHART esta emergindo como uma solucao padrao. Apesar dos benefcios diretos, uma redeWirelessHART apresenta uma serie de desafios tecnicos (confiabilidade, consumo de energia, tolerancia a falhas,garantir atrasos constantes) e culturais. Sendo assim, a demanda para o desenvolvimento de ferramentas paraavaliar e garantir confiabilidade em malhas de controle torna-se iminente. Objetivando desmistificar o uso datecnologia sem fio em malhas de controle na industria, este trabalho apresenta uma avaliacao a qual permiteanalisar o comportamento de uma rede WirelessHART em processos de controle do nvel de agua em um sistemade tanques acoplados, que faz parte de um kit didatico da Quanser.

Palavras-chave WirelessHART, controle, redes industriais sem fio, XML-RPC.

1 Introducao

O uso de tecnologias sem fio em ambientes indus-triais sempre foi visto com grande ceticismo pelascompanhias. Um dos motivos para esse cenarioe vinculado ao nao determinismo do canal de co-municacao sem fio (Liu et al., 2012). A situacaoe agravada pelo fato de que os equipamentos saoinstalados em areas sujeitas a influencia de agen-tes externos (rudo, interferencia, clima adverso,obstaculos naturais), que podem gerar altas taxasde erro de transmissao quando comparadas comtecnologias cabeadas (Bai, 2003). Outros erros decomunicacao ocorrem devido a atenuacao do sinal(influenciada pela distancia entre o transmissor ereceptor) e o problema de multiplos caminhos (de-vido a reflexao, difracao e espalhamento do sinaltransmitido) (Di Marco et al., 2012). Em geral,erros em comunicacao sem fio sao transientes. Acomunicacao no canal e ruim por um curto pe-rodo de tempo e depois volta ao normal (Williget al., 2002). Diferentemente dessa tecnologia, er-ros de comunicacao em redes cabeadas sao normal-mente permanentes e ocorrerem principalmentedevido a falhas nos cabos, conectores ou outroscomponentes (Marshall and Rinaldi, 2005).

Apesar de todos esses desafios, com a evolu-cao das tecnologias sem fio novos mecanismos fo-ram desenvolvidos para garantir a confiabilidadede rede (modulacao, coexistencia com outras tec-nologias, criptografia, escalamento determinstico,saltos de frequencias e redundancia). Essas mu-dancas e o surgimento de padroes internacionais,como por exemplo o WirelessHART, tornaram ouso de tecnologias sem fio viavel em ambientesindustriais para petroleo e gas, qumica, petroqu-mica, etc (Silva et al., 2013).

Diante da necessidade da industria em usaressa nova tecnologia de comunicacao, este traba-lho vem apresentar avaliacoes em tempo real docomportamento de uma rede WirelessHART emprocessos de controle do nvel de agua em um sis-tema de tanques acoplados a fim de analisar oatraso na transmissao dos pacotes e a confiabili-dade das redes industriais sem fio para aplicacoesde controle.

O restante deste documento e organizado daseguinte forma: a Secao 2 apresenta uma descri-cao teorica sobre o protocolo WirelessHART. Nasecao 3 sao apresentados os trabalhos relaciona-dos. Os cenarios, os equipamentos utilizados e osresultados sao descritos na Secao 4. Finalmente,

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automtica Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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as conclusoes sao apresentadas na Secao 5.

2 WirelessHART

WirelessHART e um padrao de comunicacao semfio desenvolvido pela HART Comunication Foun-dation (HCF) com o objetivo de transmitir mensa-gens HART sem a necessidade de utilizar os meiosclassicos de transmissao (4-20 mA ou RS484). Umdispositivo WirelessHART implementa a mesmaestrutura de comandos usadas por um dispositivoclassico HART RS484. As mesmas aplicacoes uti-lizadas no padrao HART sao compatveis com opadrao WirelessHART. Sua versao final foi apro-vada em 2010, IEC 62591 (IEC, 2010).

A especificacao WirelessHART define 8 tiposde dispositivos como descrito na Figura 1: gerenteda rede, gerente de seguranca, gateway, ponto deacesso, dispositivo de campo, adaptador, roteadore dispositivo portatil. Entre todos os dispositivossuportados, o gerente da rede e considerado o prin-cipal. Instalado fisicamente no gateway, o gerenteda rede e responsavel por controlar todos os even-tos na rede (roteamento, escalonamento, alarmes,etc).

Dispositivo de

campo

Dispositivo

Porttil

Roteador

Adaptador

Gateway

Rede de Automao (TA)

Gerente da Rede e

Gerente de Segurana

Ponto de acesso

Figura 1: Dispositivos WirelessHART.

2.1 Aspectos de roteamento

Uma rede WirelessHART tem suporte para to-pologias mesh, com o objetivo de se poder criarcaminhos redundantes entre os dispositivos e ogateway. Nesse sentido, a especificacao Wireles-sHART define quatro tipos de roteamento: ro-teamento na origem, roteamento em grafo, rote-amento baseado no superframe e roteamento deproxy. Todos esses tipos de roteamento utilizamcomo base informacoes coletadas pelos dispositi-vos e passadas para o gerente da rede.

O roteamento e criado pelo gerente da redee os dispositivos apenas utilizam as configuracoes

que lhe foram atribudas (Silva et al., 2012). Osdispositivos de campo nao apresentam liberdadeem escolher a melhor rota em tempo real. Essae a razao pela qual os dispositivos de campo en-viam periodicamente informacoes da rede para ogerente. Sempre que possvel o gerente da redeconfigura cada transmissao com pelo menos duasopcoes de roteamento (rota principal e secunda-ria) com o intuito de aumentar a confiabilidadena entrega da informacao.

Adicionalmente, com o objetivo de minimizara influencia de interferencias (rudos) na rede epermitir a coexistencia com outros padroes (IEEE802.11, Bluetooth, ZigBee), foi adicionado ao pro-cedimento de roteamento um mecanismo de sal-tos de frequencia (atraves da camada de enlace).Cada transmissao na rede utiliza uma frequenciadiferente (canal), diminuindo assim a probabili-dade de escolher um canal ruidoso.

2.2 Formacao da Rede

O gerenciador da rede e quem inicia o processode formacao de uma rede WirelessHART criandoum canal seguro e confiavel de comunicacao como gateway. O provisionamento inicial do ponto deacesso sera realizado atraves desse canal, e con-siste na passagem das seguintes informacoes:

superframe de gerenciamento que garantebanda mnima para a execucao das funcoesbasicas de monitoramento e manutencao darede;

grafo de rede para trafego upstream, ou seja,em direcao ao gerenciador da rede;

superframe e links de join, que possibilitaraoa entrada de novos dispositivos na rede;

links dedicados e compartilhados (tanto detransmissao quanto de recepcao) para o ge-renciamento de dispositivos, trafego de healthreports e comunicacao de alarmes (link per-dido, por exemplo).

O processo de formacao da rede pode ser di-vidido em tres etapas: advertisement, join e ne-gociacao de parametros. O advertisement e reali-zado por dispositivos de campo que ja passarampelo processo de join, e sua funcao e informar apresenca da rede e possibilitar a incorporacao denovos dispositivos que estejam ao seu alcance desinal. O pacote de anuncio deve conter as infor-macoes de network ID e ASN (Absolute Slot Num-ber), alem dos links e superframe de join. Tal pa-cote e esperado por dispositivos passveis de join,cuja resposta sera em forma de um pedido para odispositivo em questao juntar-se a rede, ou seja,um join request.

Assim que um novo dispositivo for agregadoa rede, tanto o gateway quanto o dispositivo farao

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requisicoes de banda ao gerente da rede. O ga-teway necessitara da banda para suportar o tra-fego de requisicoes/respostas, enquanto o disposi-tivo fara uso da banda para publicar informacoessobre a variavel de processo, por exemplo. O ge-rente da rede estimara a banda necessaria atravesdessas requisicoes de servico, de modo a otimi-zar a gerencia da rede. Caso exista banda sufi-ciente, o gerente alocara superframes e links deacordo com as requisicoes. Caso contr