avaliac˘ao de redes wirelesshart em malhas de … · avaliac˘ao de redes wirelesshart em malhas...

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: [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected],

[email protected]

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 Quanser’s 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 possıveis com as tecnologias legadas. Nesse contexto, aespecificacao WirelessHART esta emergindo como uma solucao padrao. Apesar dos benefıcios 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 nıvel 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 (ruıdo, 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-rıodo 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 determinıstico,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, quımica, petroquı-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 nıvel 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 Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

2593

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 compatıveis 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

Portátil

Roteador

Adaptador

Gateway

Rede de Automação (TA)

Gerente da Rede e

Gerente de Segurança

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 atribuıdas (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 possıvel 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 (ruıdos) 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 mınima 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 passıveis 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


2594

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 contrario, o ge-rente pode alocar menos banda do que o disposi-tivo requisitou, ou ate mesmo recusar totalmenteo pedido (Rech, 2012).

3 Trabalhos Relacionados

Devido a importancia de se controlar processosvia redes industriais e ao crescente uso de redessem fio na industria, a avaliacao do atraso e daconfiabilidade dessas redes para aplicacoes de con-trole torna-se fundamental. E desejavel analisar odesempenho em diversas configuracoes (diferentesintervalos de tempo) e alterar o comportamentode modo a evitar possıveis falhas ou melhorar odesempenho de acordo com o estado analisado.

Diante dessa necessidade, foram desenvolvi-dos trabalhos com simulacao de redes Wireles-sHART (De Biasi et al., 2008a; De Biasi et al.,2008b) aplicados a sistemas de controle em re-des. Isso foi realizado estendendo o simulador Tru-eTime da ferramenta Simulink do software Ma-tlab. O protocolo MAC do WirelessHART foiimplementado utilizando-se classes da linguagemC++ com suas correspondentes MATLAB MEX-interfaces. A utilizacao de classes C++ foi esco-lhida visando uma melhora na velocidade da si-mulacao. Em (De Biasi et al., 2008b) especifica-mente, o autor tambem faz um comparativo en-tre o desempenho de redes WirelessHART e redesZigBee. Os testes foram realizados com um nu-mero fixo de pacotes perdidos. As tecnicas dessetrabalho nao foram aplicadas em ambientes reaiso que nao possibilita aos interessados obter con-clusoes sobre o real desempenho dos controladoresem redes sem fio reais.

Uma analise de controladores usando redesWirelessHART foi realizada em (Shah, 2009). Osautores tambem desenvolveram um modelo de si-mulacao que permite montar redes WirelessHARTem diversas configuracoes que avalia o uso dos ca-nais de acordo com o tamanho da rede e a loca-lizacao de cada dispositivo a fim de encontrar omelhor metodo de escalonamento para as aplica-coes de controle. Essa proposta tambem nao pos-sibilita obter conclusoes aprofundadas sobre redessem fio reais.

Outro trabalho recente sobre o controleusando redes WirelessHART foi propostoem (Ferrari et al., 2013), onde os autores tambemimplementaram uma ferramenta de simulacao de

redes sem fio em malhas de controle estendendoas funcionalidade do simulador TrueTime paraintroduzir um nıvel escalavel de detalhes nocenario simulado e avaliar os problemas referentesa coexistencia entre as redes sem fio na mesmaarea. Novamente, a proposta se limita a analisede ambientes simulados nao possibilitando umaavaliacao equivalente a de um ambiente cominstrumentos reais.

Diferentemente dos trabalhos anteriores, aproposta desenvolvida nesse trabalho realizou ava-liacoes didaticas para controle wireless permitindoanalisar o comportamento da rede e o desempenhode controladores em uma rede industrial sem fioreal. As variaveis sao monitoradas em tempo reala fim de avaliar a confiabilidade da rede baseando-se nos atrasos nas transmissoes dos pacotes. Adi-cionalmente, foi realizado um acoplamento com aferramenta desenvolvida em (Santos et al., 2013),tornando possıvel estimar a latencia e o consumode energia a qualquer momento.

4 Avaliacao

A fim de desmistificar o uso de protocolos decomunicacao sem fio em malhas de controle naindustria, nesta secao sao apresentados cenariosde diagnostico ativo os quais permitem avaliaro comportamento de uma rede WirelessHART.Para validar a proposta foram utilizados o kit dedesenvolvimento SmartMesh WirelessHART Star-ter Kit (Dust-Network, 2013), um Arduino Mega2560, um sensor industrial de pressao da Emer-son Process Management, um modulo didatico detanques acoplados da Quanser, um modulo de po-tencia e uma bomba para bombear a agua.

A aplicacao de controle desenvolvidacomunica-se com a rede WirelessHART apartir de um driver de comunicacao universalbaseado em XML-RPC. Essa abordagem permitea leitura da pressao medida pelo sensor industrial(o sensor foi configurado para enviar a medidada pressao em tempos definidos para cada confi-guracao de teste) a fim de repassar a informacaoao controlador. A mesma estrategia e usada parapossibilitar o envio da acao de controle geradapelo controlador para o gateway. O Arduino podeler a informacao pre-processada dos pacotes quechegam ao mote via comunicacao serial e entaoagir como atuador acionando a bomba com atensao especificada no pacote. Uma visao geralda proposta e apresentada na Figura 2.

4.1 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

Produzido pela empresa Dust-Network, o Smart-Mesh WirelessHART Starter Kit fornece um con-junto de hardware/software suficiente para criacaode uma rede WirelessHART simples. O kit incluicinco dispositivos de campo (tambem chamados


2595

Ethernet

Módulo de Potência

T1

T2

Reservatório

3051S

Bomba

0-5AV 0-5AV

Tanques

Sensor de Pressão

802.15.4

MoteArduino

Gateway

Controlador e Coletor

Serial

802.15.4

Serial (exclusiva para medição do atraso)

Figura 2: Cenario com os instrumentos.

de motes), uma placa de desenvolvimento, um ga-teway com o gerenciador da rede e de segurancaincorporados e softwares para configuracao (cha-ves de seguranca, identificacao da rede, etc).

Os motivos para adocao deste kit Wireles-sHART estao relacionados com o fato de que omesmo hardware (componentes onde o padrao Wi-relessHART esta implementado) e utilizado emdispositivos industriais encontrados no mercado,permitindo a interoperabilidade com equipamen-tos industriais. Dessa forma, a avaliacao realizadaneste trabalho apresenta grande potencial paraanalise de plantas industriais com dispositivos ins-talados.

4.2 Comunicacao Serial

Os motes na rede WirelessHART podem ser con-figurados diretamente atraves de uma porta se-rial. Ao adquirir um desses dispositivos Wireles-sHART, este vem de fabrica com as configuracoespadroes. A porta serial pode ser utilizada para aconfiguracao inicial. Por exemplo, para o gatewayda Dust a porta serial e utilizada para configurarsua porta Ethernet, identificacao e chaves de se-guranca da rede. Adicionalmente, um mote podealterar seu estado de operacao (mestre ou escravo)atraves da porta serial. No estado mestre, ummote funciona automaticamente enquanto que oestado escravo e utilizado para testes (e.g para mo-nitorar manualmente a entrada na rede). Apenasuma parte dos comandos suportados pelo padraoWirelessHART sao disponıveis pela porta serial.Alem disso, o mote permite que a informacao pre-processada dos pacotes transmitidos ou recebidos,seja acessıvel via porta serial, o que permite queo Arduino leia qualquer informacao de um pacoteque chegue ao mote.

4.3 XML-RPC

XML-RPC e um protocolo de comunicacao base-ado em chamadas de procedimento remoto (RPC)codificadas em XML sobre o protocolo HTTP.Esta tecnologia foi introduzida em conjunto porUserLand Software e Microsoft, em 1998.

Ele e provavelmente a abordagem mais sim-ples de servico web, permitindo que o desenvolve-dor faca chamadas de metodos atraves da rede.Utilizando a combinacao de tres padroes, a ar-quitetura de comunicacao (RPC), a linguagem(XML), e o mecanismo de transporte (HTTP),o XML-RPC e uma excelente tecnologia para oestabelecimento de varios tipos de conexao entrecomputadores, bem como entre diferentes disposi-tivos (Ciccozzi et al., 2010). A ferramenta desen-volvida utiliza o XML-RPC para interagir com ogerente da rede e os equipamentos WirelessHART.

A arquitetura RPC (na qual o XML-RPC ebaseado), implica na presenca de duas partes: umprocesso de chamada (cliente) e um processo cha-mado (servidor). O cliente utiliza procedimentosfornecidos por um servidor em uma determinadaURL via HTTP. Em nossos experimentos, o geren-ciador da rede atua como servidor, enquanto que anossa aplicacao, que tem por finalidade controlara planta e analisar a rede de forma aprimorada,atua como cliente. Dessa forma, nossa aplicacao ecapaz de invocar todos os metodos fornecidos pelogerenciador da rede atraves de mensagens XML-RPC, que sao solicitacoes POST (via HTTP) cujocorpo e escrito em XML. Essas mensagens contemo nome do metodo invocado pelo cliente, e quesera executado pelo servidor, dentro da tag XML<methodName> e </methodName>. O servidor,entao executa o metodo e responde com uma outramensagem formatada em XML.

Um exemplo de mensagens de requisicao e suaresposta pode ser visto, respectivamente, na Fi-gura 3.

4.4 Sistema de Tanques e Bomba

Os testes de controle de nıvel foram realizado so-bre uma planta didatica que conta com dois tan-ques, uma bomba e um reservatorio de agua.

A bomba pode trabalhar com uma tensao no-minal de 0-12 volts e uma corrente entre 3-5 ampe-res necessitando de um modulo de potencia paraa sua ativacao. A bomba capta a agua do reser-vatorio e leva ate o tanque superior.

O sistema de tanques funciona atraves de gra-vidade, onde a agua e recebida pelo tanque supe-rior e por gravidade, passa para o tanque inferioratraves de um orifıcio no fundo. O tanque infe-rior, por sua vez, repassa a agua de volta para oreservatorio. No fundo de cada tanque existe umsegundo orifıcio que e onde os sensores de pressaosao conectados.


2596

<?xml version="1.0" encoding="utf -8"?><methodCall >

<methodName >subscribe </methodName ><params >

<param ><value><string >login -token

</string ></value></param><param ><value><string >

all</string ></value></param>

</params ></methodCall >

<?xml version="1.0" encoding="utf -8"?><methodResponse >

<params ><param ><value><array><data><value><string >

notif -token</string ></value><value><i4>

24112</i4></value>

</data></array></value></param></params >

</methodResponse >

Figura 3: Requisicao e resposta no padrao XML-RPC.

A medicao do nıvel de agua no tanque e re-alizada atraves da pressao que a agua exerce nofundo do tanque. O instrumento industrial rea-liza a medicao dessa pressao e a converte para ovalor do nıvel em milımetros.

4.5 Malha de Controle

A malha de controle e baseada no sensor (o medi-dor de pressao 3051S da Emerson Process Mana-gement) que realiza a leitura do nıvel do tanquee envia essa informacao para o gateway. Ressal-tamos que o gateway apenas gerencia a rede semfio, ele nao possui funcionalidades para gerar acoesde controle. Essa tarefa fica a cargo do sistema decontrole que foi implementado, o qual se comunicacom o gateway atraves de um coletor de dados viaXML-RPC.

O coletor permite abrir uma conexao com ogateway via XML-RPC utilizando o metodo subs-cribe, que permite receber dados assincronamentedo gateway. Devido ao gerenciamento do coletorser um web service, ou seja, utiliza um protocolode comunicacao universal, o acesso aos dados darede a partir de aplicacoes clientes podem ser im-plementados em varias linguagens de programa-cao.

A acao de controle propriamente dita e rea-lizada por um software controlador, que roda nocomputador do cliente. Esse software recebe a in-formacao de pressao oriunda do sensor de pressaoe repassada ao gateway, processa a informacao egera a acao de controle que e enviada para o ga-teway novamente. Essa acao de controle e endere-cada ao instrumento final (o mote que esta ligadoao sistema de atuacao na rede) e cabe ao gatewayapenas transmitir via rede WirelessHART o sinalde atuacao atraves da chamada do metodo send

via XML-RPC.

O sinal de atuacao e o valor de tensao a seraplicado a bomba do sistema de tanques. Mas,como o instrumento final (mote) nao possui umasaıda analogica para gerar a tensao necessaria, aacao de controle e repassada para o elemento comtal capacidade, o Arduino.

O Arduino conecta-se diretamente ao motee recebe a informacao pre-processada por este(a informacao sem o encapsulamento da Wireles-sHART) atraves de uma conexao serial. Entao oArduino captura apenas a parte da informacoesreferente a tensao a ser aplicada e gera em suasaıda analogica a tensao desejada. Essa tensao eaplicada a bomba, atraves do modulo de poten-cia, gerando o fluxo de agua que ira encher ousecar o tanque e fechar a malha de controle. Osistema com seus elementos pode ser visualizadona Figura 2.

Com o intuito de verificar o atraso no enviodos dados atraves da rede sem fio, o Arduino foiconectado ao computador onde a aplicacao de con-trole esta localizada. Assim, cada vez que a apli-cacao de controle envia um novo sinal de tensaoele comeca a contar o tempo monitorando a portade comunicacao com o Arduino. Esse por sua vez,para cada nova tensao recebida, envia a tensaopara o modulo de potencia e tambem, repassa ainformacao pre-processada recebida para a aplica-cao de controle via porta USB.

A aplicacao de controle entao realiza a dife-renca entre o tempo de envio e o tempo que chegouo valor de tensao a ser aplicado na bomba. Essadiferenca de tempo esta relacionada aos atrasosocorridos na rede sem fio, os atrasos de proces-samento de informacao no gateway e atrasos decomunicacao entre o gateway e o mote.

O controlador PID desenvolvido permite con-figurar os ganhos e o setpoint atraves de uma in-terface homem-maquina. A Figura 4 exibe a in-terface grafica do controlador.

4.6 Resultados

Como prova de conceito, foi montada uma redeWirelessHART com as ferramentas apresentadasna secao anterior. O primeiro passo do teste foia configuracao do gateway e consequentemente ogerente da rede. Esta operacao foi realizada uti-lizando a porta serial. Foram informados o IP daporta Ethernet (gateway), a identificacao da redee as chaves de seguranca. O mote e o sensor depressao foram configurados em sequencia via portaserial e HART modem, respectivamente, de modoa formar o cenario exibido na Figura 2.

Em seguida foram realizados 4 testes, cadaqual com uma taxa de atualizacao diferente ouconfiguracao de rede diferente e com a mesma con-figuracao para o controlador como ilustrado na Ta-bela 1.


2597

Figura 4: Controlador.

Teste Parametros (Kp, Ki, Kd)

8 seg. (0.0100, 0.0010, 0.0000)

4 seg. (0.0100, 0.0010, 0.0000)

1 seg. (0.0100, 0.0010, 0.0000)

1 seg. (f. pipe) (0.0100, 0.0010, 0.0000)

Tabela 1: Kp, Ki e Kd para cada rodada de testes.

A funcao fast pipe, ativada a partir do co-mando activateFastPipe via XML-RPC, permitecriar uma conexao com grande largura de banda(pipe) entre o gerente da rede e um mote, possibi-litando a troca de grande quantidade de informa-coes em um curto intervalo de tempo entre os doisequipamentos. Essa funcionalidade foi necessariapara controlar o tanque com dados coletados acada 1 segundo, pois o tempo entre o envio do pa-cote pelo gerente da rede e o recebimento de paco-tes no mote era aproximadamente 2 segundos peloque foi analisado. O gateway nao consegue enviarpacotes em taxa inferior a 2 segundos, o que gerouatrasos na comunicacao no teste de controle comdados coletados a cada 1 segundo. A funcao fastpipe apresentou um comportamento instavel, poisa duracao de sua ativacao oscilou dos 5 minutosaos 30 minutos. A explicacao para tal comporta-mento pode residir em uma configuracao internado algoritmo do gateway da Dust. No caso dosequipamentos industriais, como e o caso da Emer-son, a funcao fast pipe e ativada com o parametroque especifica a duracao dessa ativacao. No casodo gateway da Dust esse parametro nao e requi-sitado ao usuario, logo, ele deve ser especificadointernamente pelo proprio algoritmo.

Analisamos varios cenarios alterando a confi-guracao de transmissao dos pacotes. Por exem-plo, na Figura 5 e apresentado o comportamentodo nıvel do tanque onde a leitura da pressao, oprocessamento da acao de controle e o envio daacao de controle para o atuador sao feitos a cada8 segundos sem a utilizacao do fast pipe. Pode-se observar que o controlador so nao conseguiuestabilizar o nıvel em menos de 5 minutos na al-tura de 200 milımetros (embora estivesse conver-gindo para o setpoint desejado). Perceba que ocontrolador conseguiu estabilizar nos outros 4 nı-

veis, indicando que embora o comportamento docontrolador seja lento, pois a leitura dos dados sopodia ser efetuada a cada 8 segundos, o controlefoi realizado com sucesso em varios nıveis mesmosabendo que a planta tem um comportamento naolinear.

Figura 5: Controlador com tempo de 8 segundos.

Na Figura 6 que apresenta o tempo de atrasona transmissao de pacotes enviados a cada 8 se-gundos sem a utilizacao do fast pipe, percebe-seque tanto a media no atraso que foi de aproxima-damente 2 segundos quanto o maior atraso que foide quase 5 segundos sao inferiores a 8 segundos,o que nao implica em interferencias no comporta-mento do controlador.

Figura 6: Atraso do controlador com tempo de 8segundos.

O comportamento da planta para o teste de4 segundos sem a utilizacao do fast pipe pode serobservado na Figura 7. Percebe-se que o controlese estabilizou mais rapidamente nos nıveis de 250,50 e 100 milımetros comparando com o teste de 8segundos, ou seja, seu comportamento foi normalja que a acao de controle foi aplicada mais rapi-damente na planta. O comportamento referenteao setpoint de 150 milımetros se deve ao compor-tamento nao linear do sistema de tanques. Maisuma vez, o controle foi efetuado com sucesso nes-tes casos e a media no atraso tambem foi de apro-ximadamente 2 segundos.

A Figura 8 apresenta o tempo de atraso paracada pacote enviado ao atuador no teste com 4segundos sem a utilizacao do fast pipe. Ela mos-tra que o comportamento inesperado da planta


2598

Figura 7: Controlador com tempo de 4 segundos.

(o nıvel do tanque nao convergiu), quando o set-point desejado era de 200 milımetros, se deve aosatrasos superiores a 4 segundos que ocorreram noinıcio da alteracao do setpoint desejado de 50 mi-lımetros para 200 milımetros.

Figura 8: Atraso do controlador com tempo de 4segundos.

Na Figura 9 pode-se analisar o comporta-mento do nıvel do tanque para o teste de 1 se-gundo sem a utilizacao do fast pipe. E percebe-seque o controle estava muito ruim. Observa-se quecontrolar a planta com as configuracoes estabeleci-das era inviavel, pois o atraso estava aumentandolinearmente com o aumento do envio de pacotescomo pode ser observado na Figura 10.

Figura 9: Controlador com tempo de 1 segundo.

Sendo assim, foi preciso ativar a funcao fastpipe, com a qual o gateway consegue transmitirpacotes em taxa inferior a 2 segundos, a fim depossibilitar um comportamento bem melhor do

Figura 10: Atraso do controlador com tempo de 1segundo.

controle do nıvel do tanque como pode ser veri-ficado na Figura 11. Esta configuracao tambemmostra que foi a melhor configuracao encontradapara controlar o modulo de tanques.

Figura 11: Controlador com tempo de 1 segundousando a funcao fast pipe.

Ao analisar o atraso no teste de 1 segundocom fast pipe apresentando na Figura 12, observa-se que como a media do atraso era inferior a 296milissegundos, o controlador ate poderia contro-lar a planta numa taxa de 300 milissegundos, maseste caso nao foi testado, pois o medidor de pres-sao 3051S da Emerson Process Management naoconsegue transmitir pacotes numa taxa inferior a1 segundo.

Figura 12: Atraso do controlador com tempo de 1segundo usando a funcao fast pipe.


2599

5 Conclusoes

A insercao das tecnologias de comunicacao sem fiotem proporcionado a criacao de novas aplicacoesem ambientes industriais. Face esse novo para-digma de comunicacao, a especificacao Wireles-sHART esta surgindo como uma solucao padrao.

Com o objetivo de desmistificar a utilizacaode tecnologias sem fio em malhas de controle in-dustriais, o trabalho mostrou que e possıvel fazerum sistema de controle com equipamentos indus-triais sem fio, embora haja limitacoes referentes ataxa de transmissao de informacoes na rede semfio. Como observado, o controle com taxa de pro-cessamento de 1 segundo so foi possıvel utilizandoa funcao fast pipe, lembrando que a funcionalidadefast pipe precisa ser verificada se esta ativa em de-terminados intervalos de tempo, pois a variacao detempo de duracao da mesma nao e especificadano padrao WirelessHART. Tambem avaliou-se odesempenho de controladores em redes Wireles-sHART com comunicacao baseada em drivers decomunicacao universais (XML-RPC). A comuni-cacao com o gateway e independente de linguagemde programacao, apresentando flexibilidade na in-tegracao futura com dispositivos ja instalados emplantas industriais.

Como trabalhos futuros, pretende-se avaliaro desempenho de controladores em outras redespara identificar os melhores parametros da rede aserem utilizados para aplicacoes especıficas. Alemdisso, planeja-se comparar o desempenho dos con-troladores em outras redes sem fio e redes hıbridas(comunicacao cabeada e/ou sem fio).

Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES, ao CNPq, aoPrograma Petrobras de Formacao de RecursosHumanos - PFRH, atraves do PRH-PB n. 220, emautomacao industrial na area de petroleo e gas na-tural, pelo suporte financeiro atraves de bolsa depesquisa e a UFRN pela infraestrutura de suporteao desenvolvimento deste trabalho.

Referencias

Bai, H. Atiquzzaman, M. (2003). Error modelingschemes for fading channels in wireless: Asurvey, IEEE Communications Surveys andTutorials 5(2): 2–9.

Ciccozzi, F., Cicchetti, A., Delsing, J., Seceleanu,T., Akerberg, J. and Carlsson, L.-E. (2010).Integrating wireless systems into process in-dustry and business management.

De Biasi, M., Snickars, C., Landernas, K. and A.,I. (2008a). Simulation of process control withwirelesshart networks subject to clock drift,Computer Software and Applications .

De Biasi, M., Snickars, C., Landernas, K. and A.,I. (2008b). Simulation of process control withwirelesshart networks subject to packet los-ses, Automation Science and Engineering .

Di Marco, P., Fischione, C., Santucci, F. andJohansson, K. H. (2012). Modeling IEEE802.15.4 Networks over Fading Channels, Ar-Xiv e-prints .

Dust-Network (2013). DC9007A SmartMesh Wi-relessHART Starter kit, Dust Networks, Inc.

Ferrari, P., Flammini, A., Rizzi, M. and Sisinni,E. (2013). Improving simulation of wirelessnetworked control systems based on wireles-shart, pp. 13–22.

IEC (2010). IEC 62591: Industrial communi-cation networks - Wireless communicationnetwork and communications profiles - Wi-relessHART.

Liu, Z., Ma, M. and Dai, J. (2012). Utility-basedscheduling in wireless multi-hop networksover non-deterministic fading channels, Com-puter Networks 56(9): 2304 – 2315.

Marshall, P. S. and Rinaldi, J. S. (2005). Indus-trial Ethernet, 2 edn, ISA: The Instrumenta-tion, Systems, and Automation Society.

Rech, J. R. (2012). Desenvolvimento de um ge-rente de rede wirelesshart, pp. 20–21.

Santos, A., Macedo, D., Silva, I., Neto, A. andGuedes, L. A. (2013). Ferramenta paragerenciamento de redes industriais wireles-shart, Simposio Brasileiro de Automacao In-teligente pp. 3–5.

Shah, K. (2009). Design and implementation ofa simulator in support of wirelesshart-basedcontrol systems development, pp. 19–47.

Silva, I., Guedes, L. A. and Portugal, P. (2013).Embedded Computing Systems: Applicati-ons, Optimization, and Advanced Design.IGI Global, IGI Global, chapter EmergingTechnologies for Industrial Wireless SensorNetworks, pp. 343–359.

Silva, I., Guedes, L. A., Portugal, P. and Vasques,F. (2012). Reliability and Availability Evalu-ation of Wireless Sensor Networks for Indus-trial Applications, Sensors 12(1): 806–838.

Willig, A., Kubisch, M., Hoene, C. and Wolisz,A. (2002). Measurements of a wireless linkin an industrial environment using an IEEE802.11-compliant physical layer, IEEE Tran-sactions on Industrial Electronics 43: 1265–1282.


2600

avaliac˘ao de redes wirelesshart em malhas de … · avaliac˘ao de redes wirelesshart em malhas...

Documents