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UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E

DE COMPUTAÇÃO

Ferramenta para Análise de Ativos em Redes IndustriaisWirelessHART

Anderson Costa Silva dos Santos

Orientador: Prof. Dr. Ivanovitch Medeiros Dantas da Silva (IMD/UFRN)

Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Affonso Henderson Guedes de Oliveira (DCA/UFRN)

Dissertação de Mestrado apresentada aoPrograma de Pós-graduação em EngenhariaElétrica e de Computação da UFRN (área deconcentração: Engenharia de Computação)como parte dos requisitos para obtenção dotítulo de Mestre em Ciências.

Número de ordem PPgEEC: M439Natal, RN, Março de 2015

UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede.

Catalogação da Publicação na Fonte

Santos, Anderson Costa Silva dos.

Ferramentas para análise de ativos em redes industriais

weirelessHART / Anderson Costa Silva dos Santos. – Natal, RN, 2015.

65 f. : il.

Orientador: Prof. Dr. Ivanovitch Medeiros Dantas da Silva.

Coorientador: Prof. Dr. Luiz Affonso Henderson Guedes de Oliveira.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do

Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Elétrica e de Computação.

1. Redes industriais sem fio – Dissertação. 2. WirelessHART –

Dissertação. 3. Gerenciamento de ativos – Dissertação. I. Silva,

Ivanovitch Medeiros Dantas da. II. Oliveira, Luiz Affonso Henderson

Guedes de. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.

RN/UF/BCZM CDU 004.725.5

Ferramenta para Análise de Ativos em Redes IndustriaisWirelessHART

Anderson Costa Silva dos Santos

Dissertação de Mestrado aprovada em 05 de Março de 2015 pela banca examinadoracomposta pelos seguintes membros:

Prof. Dr. Ivanovitch Medeiros Dantas da Silva (orientador) . . . . . . IMD/UFRN

Prof. Dr. Luiz Affonso H. Guedes de Oliveira (co-orientador) . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Eduardo Paciência Godoy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UNESP

Aos meus pais, que sempre estiverampreocupados com minha formação eme deram apoio e carinho em todos

os momentos de minha vida.

Agradecimentos

Agradeço, em primeiro lugar, a Deus pelo dom da vida e por sempre iluminar meuscaminhos.

Aos meus pais que me ensinaram a viver com dignidade, além de terem se doadointeiramente e renunciado aos seus sonhos para que eu realizasse os meus e por tudo quetêm feito para tornar minha vida melhor a cada dia.

Aos meus familiares e amigos, em especial à minha irmã, pela compreensão nos mo-mentos em que precisei me ausentar e pelo apoio em todas as situações independente-mente das dificuldades.

A todos os meus colegas da LogAp Sistemas, do Laboratório de Informática Industriale do Programa de Pós-gradução em Engenharia Elétrica e de Computação, que de umamaneira ou de outra me ajudaram a solucionar os problemas encontrados nessa tragetória.

A todos os professores e colegas, que estão na pós-graduação, pelo conhecimentorepassado e pela cobrança para que minha formação acadêmica tivesse uma base cada vezmais sólida. Em especial a Ivanovitch Silva, Luiz Affonso Guedes, Adrião Duarte, DanielMacedo, Daniel Lopes e Júlio César, que colaboraram diretamente no desenvolvimentodesta dissertação.

E a todos que de uma forma ou de outra colaboraram para que eu conseguisse chegaraté esta fase, o meu muito obrigado!

Resumo

Nos dias atuais a comunicação sem fio tem despertado interesse e está se tornandouma tendência nos ambientes industriais. Em parte essa realidade deve-se às facilidadesde implantação e manutenção, dispensando projetos sofisticados e execução de obras comcustos proibitivos para implementação do cabeamento. Adicionalmente, a inserção dessastecnologias permite a criação de aplicações que não eram possíveis com as tecnologiaslegadas, além da flexibilização de testes. Apesar dos benefícios diretos, desafios técnicos(confiabilidade, autonomia de recursos energéticos, interferência do ambiente) e cultu-rais se apresentam como os principais entraves para a implantação das redes industriaissem fio. Nesta dissertação será abordado o problema da análise de ativos em redes in-dustriais sem fio para o padrão WirelessHart através da implementação de um sistema demonitoramento. O sistema permite a realização de diversas atividades de gestão de ativosindependente de fabricantes, tais como: previsão da vida útil das baterias, manutenção,dados de confiabilidade, topologia e a possibilidade de criação de novas métricas a par-tir de bibliotecas de desenvolvimento abertas e padronizadas. Através da implementaçãodessa ferramenta pretende-se contribuir para inserção das tecnologias de comunicaçãosem fio em ambientes industrias.

Palavras-chave: Redes Industriais Sem Fio, WirelessHART, Gerenciamento de Ati-vos.

Abstract

Nowadays wireless communication has emerged as a tendency in industry environ-ments. In part this interest is due to the ease of deployment and maintenance, whichdispenses sophisticated designs and wired infrastructure (which in industrial environmentoften prohibitively expensive) besides enabling the addition of new applications whencompared to their wired counterparts. Despite its high degree of applicability, an in-dustrial wireless sensor network faces some challenges. One of the most challengingproblems are its reliability, energy consumption and the environment interference. In thisdissertation will discuss the problem of asset analysis in wireless industrial networks forthe WirelessHART standard by implementing a monitoring system. The system allowsto carry out various activities of independent asset management manufacturers, such asprediction of battery life, maintenance, reliability data, topology, and the possibility ofcreating new metrics from open and standardized development libraries. Through the im-plementation of this tool is intended to contribute to integration of wireless technologiesin industrial environments.

Keywords: Wireless Industrial Networks, WirelessHART, Asset Management.

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Artigos Aceitos e/ou Publicados vii

1 Introdução 11.1 Redes Industriais sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Primeiras Tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.2 Ethernet Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.3 O Surgimento de Protocolos sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Protocolos de Comunicação 92.1 HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Benefícios do HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1 Modelo de Camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Aspectos de Roteamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.3 Formação da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 ISA100.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.1 Modelo de Camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4 Comparação entre os Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Estado da Arte 233.1 Gestão de Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

i

3.2 Sistemas Relacionados à Gestão de Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.1 AMS Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 BR-Collector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.3 BR-PlantHistorian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.4 BR-PlantViewer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3 Trabalhos Relacionados a Simuladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4 Discussão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Proposta 334.1 Comunicação com Dispositivos WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.1 Equipamentos Industriais WirelessHART . . . . . . . . . . . . . 344.1.2 SmartMesh WirelessHART Starter Kit . . . . . . . . . . . . . . . 354.1.3 Driver Serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.1.4 Driver XML-RPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.1.5 Driver HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Ferramenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5 Resultados 455.1 Controle em Rede WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.2 BR-WirelessExpert 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.3 Gerenciamento dos Dados de Dispositivos WirelessHART . . . . . . . . 55

6 Conclusão e Trabalhos Futuros 576.1 Comparação entre os Drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Referências Bibliográficas 60

Lista de Figuras

1.1 Evolução das redes de chão-de-fábrica [Sauter 2010]. . . . . . . . . . . . 2

1.2 Pirâmide da automação - modelo hierárquico representando os diversosníveis da automação industrial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Chaveamento por deslocamento de frequência (FSK) [HCF 2013]. . . . . 10

2.2 Dois canais de comunicação [HCF 2013]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Mestres primários e secundários [HCF 2013]. . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Dispositivos WirelessHART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Uma típica rede ISA100.11a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Arquitetura do BR-Collector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Análise geral das variáveis historiadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3 Acompanhamento de varáveis de processo. . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.1 Variáveis monitoradas e configuradas da rede. . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 Fluxo dos comandos enviados para o gateway. . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.3 Fluxo dos comandos enviados diretamente para um dispositivo. . . . . . . 34

4.4 Equipamentos WirelessHART da Emerson Process Management. . . . . . 35

4.5 Variáveis monitoradas e configuradas da rede. . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.6 Requisição e resposta no padrão XML-RPC. . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.7 Nova arquitetura do BR-Collector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.8 Arquitetura do BR-WirelessExpert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.9 Topologia de rede WirelessHART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.10 Arquitetura da aplicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.1 Cenário com os instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Controlador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3 Controlador com tempo de 4 segundos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.4 Atraso do controlador com tempo de 4 segundos. . . . . . . . . . . . . . 50

5.5 Controlador com tempo de 1 segundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.6 Atraso do controlador com tempo de 1 segundo. . . . . . . . . . . . . . . 51

iii

5.7 Controlador com tempo de 1 segundo usando a função fast pipe. . . . . . 525.8 Atraso do controlador com tempo de 1 segundo usando a função fast pipe. 525.9 Topologia da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.10 Redes cadastradas no sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.11 Lista de dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.12 Links da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.13 Tela com os valores das variáveis de processo em rede WirelessHART. . . 56

Lista de Tabelas

2.1 Comparações entre os padrões de comunicação industrial. . . . . . . . . . 20

5.1 Kp, Ki e Kd para cada rodada de testes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.1 Comparações entre os drivers para comunicação com equipamentos in-dustriais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

v

Lista de Artigos Aceitos e/ou Publicados

SANTOS, ANDERSON; MACEDO, D.; SILVA, I.; DÓRIA NETO, A. D.; GUEDES, L.A., Ferramenta para Gerenciamento de Redes Industriais WirelessHART, em Sim-pósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI), 2013, Fortaleza.

SANTOS, ANDERSON; LOPES, D.; SILVA, I.; OLIVEIRA, J.; ALVES, L.; DÓRIANETO, A. D.; GUEDES, L. A., Avaliação de Redes WirelessHART em Malhas deControle, em Congresso Brasileiro de Automática (CBA), 2014, Belo Horizonte.

SANTOS, ANDERSON; LOPES, D.; SILVA, I.; OLIVEIRA, J.; ALVES, L.; DÓRIANETO, A. D.; GUEDES, L. A., Assessment of WirelessHART Networks in Closed-Loop Control System, em IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT), 2015, Sevilha.

SANTOS, ANDERSON; LOPES, D.; SILVA, I.; OLIVEIRA, J.; ALVES, L.; DÓRIANETO, A. D.; GUEDES, L. A., Avaliação de Redes WirelessHART em Malhas deControle, em Revista Controle & Instrumentação 18(204), 2015, pp. 46-52.

vii

Capítulo 1

Introdução

As redes industriais, também chamadas de redes de chão-de-fábrica, foram especifi-camente desenvolvidas para automação industrial, sendo portanto, bastante diferentes dasredes de computadores tradicionais em relação a dados, padrões de tráfegos, confiabili-dade das aplicações, exigências temporais, entre outros fatores [Sauter 2005]. Historica-mente, as redes industriais foram desenvolvidas a partir de redes de barramento, porém,atualmente existem diversas pesquisas relacionadas à inserção do Ethernet e redes sem fiopara ambientes industriais [Zurawski 2014].

O objetivo desse capítulo é descrever os principais desafios das tecnologias de comu-nicação sem fio quando inseridas em ambientes industriais. Ao final do capítulo serãodescritos as motivações e os objetivos deste trabalho, além da organização do respectivodocumento.

1.1 Redes Industriais sem Fio

As redes de chão-de-fábrica são redes que operam no nível das plantas industriais,fornecendo a comunicação entre os dispositivos mais básicos (sensores, atuadores) e osdispositivos de alto nível (controladores lógicos programáveis e computadores de supervi-são). Quando comparada com as redes de computadores tradicionais, as redes de chão-de-fábrica apresentam diferenças principalmente associadas aos dados transmitidos, padrãode tráfego, confiabilidade das aplicações e exigências rígidas de tempo real [Gungor &Lambert 2006].

A diferença entre as redes de chão-de-fábrica e as redes tradicionais são motivadasprincipalmente pela limitação das tecnologias utilizadas e dos requisitos das aplicações.Entretanto, o avanço tecnológico tem criado uma estrutura adequada para estender asredes originalmente projetadas para serem instaladas em escritórios (Ethernet e soluçõessem fio) em ambientes industriais [Willig 2008]. Para compreender melhor esse contexto

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

é necessário observar toda a evolução das redes de chão-de-fábrica, desde as tecnologiasmais primitivas até a utilização das redes sem fio. A Figura 1.1 é um exemplo de talabordagem, onde as diferentes tecnologias de comunicação para redes de chão-de-fábricasão organizadas cronologicamente de acordo com essa evolução.

Red

esde

Chao-d

e-F

abri

caR

edes

Tra

dic

ionais

MIL 1553

Telex

V.21

X.21

Primeiras tecnologias

Arpanet

Ethernet

OSI/ISO

Modbus

HART

CAN

P-NET

Interbus

Profibus

FIP

MAP MMS

Internet

Sercos

ASiFF

WorldFip

DeviceNet

ControlNet

WLANBluetooth

Wimax

Ethernet/IP

Modbus RTPS

Profinet IRT

EtherCat

EPL

EPA

Sercos III

802.15.4 802.15.5

ZigBee

UWB

WirelessHART

ISA100.11a

IEC 62601

Era do barramento Ethernet Industrial Tecnologias sem fio

1970 1980 1990 2000 2010

Figura 1.1: Evolução das redes de chão-de-fábrica [Sauter 2010].

1.1.1 Primeiras Tecnologias

Embora a origem das redes de chão-de-fábrica datam de 30 anos atrás, os conceitospor trás dessas redes são muito mais antigos e remontam às redes Telex e às primeirastecnologias usadas nas redes de telecomunicações (V.21 e X.21) [Sauter 2005]. As redesde chão-de-fábrica foram criadas com a finalidade de disponibilizar as informações pre-sentes no mais baixo nível das plantas industriais para toda a companhia. Essa demandaresultou em um modelo hierárquico representado pela pirâmide da automação, como des-crito na Figura 1.2. Nesse modelo, as camadas inferiores são interligadas pelas redes dechão-de-fábrica, enquanto que as camadas superiores estão sob influência das redes cor-porativas. A comunicação entre as redes de chão-de-fábrica e as redes corporativas sãogeralmente realizadas nas camadas intermediárias através de dispositivos específicos paraessa finalidade.

Durante as décadas de 80 e 90, diversas soluções proprietárias para redes de chão-de-fábrica foram desenvolvidas. Essas soluções eram dedicadas a aplicações específicas e re-

1.1. REDES INDUSTRIAIS SEM FIO 3

des de diferentes fabricantes eram incompatíveis. Analisando a evolução dessas redes doponto de vista da padronização, é possível perceber a influência direta do modelo OSI/ISO(Interconexão de Sistemas Abertos/Organização Internacional para Padronização). Essemodelo serviu de base para que protocolos fossem desenvolvidos com a finalidade decomunicar redes de diferentes fabricantes.

SensoresAtuadores

CLPControladores

Sistemas Supervisorios

MES

ERP

I

II

III

IV

V

Redes de Chao-de-Fabrica

Redes Corporativas

Figura 1.2: Pirâmide da automação - modelo hierárquico representando os diversos níveisda automação industrial.

No geral, a tentativa de criar um protocolo universal para as redes de chão-de-fábricafracassou. Essa busca tecnológica durou aproximadamente 16 anos (1986-2002) [Felser& Sauter 2002]. Inicialmente, França (FIP) e Alemanha (PROFIBUS) disputaram a es-colha da solução universal para as redes de chão-de-fábrica. Entretanto, o FIP e o PRO-FIBUS propuseram padrões que se complementavam. Algumas tentativas foram feitascom o objetivo de incrementar o PROFIBUS com as funcionalidades propostas pelo FIPe vice-versa (ISP, WorldFIP). Em 1995, diversas empresas, na sua grande maioria empre-sas americanas, decidiram não esperar por uma solução universal oriunda da combinaçãoentre o FIP e PROFIBUS, criando a definição de um novo protocolo, o Foundation Field-bus. No final, o objetivo de criar um protocolo universal para as redes de chão-de-fábricafoi abandonado com o surgimento dos padrões IEC 61158 e IEC 61784, os quais acomo-davam todos os protocolos de redes de chão-de-fábrica existentes [Felser 2002].

1.1.2 Ethernet Industrial

Baseado na pirâmide da automação, descrita na Figura 1.2, verifica-se que os dispo-sitivos de chão-de-fábrica (sensores e atuadores) e as aplicações de alto nível são interli-gados por diferentes redes. Se um mesmo tipo de rede fosse utilizado para essa finalidade


a pirâmide da automação seria muito mais simples, eliminando a necessidade de equi-pamentos adicionais (pontes) para converter diferentes protocolos. Uma escolha naturalpara simplificar a comunicação dos equipamentos seria utilizar a própria rede corporativada companhia. O motivo dessa solução é decorrente do fato que as redes corporativas jáestão conectadas com as aplicações de alto nível, dessa forma o acesso às informaçõesde chão-de-fábrica poderia ser realizado de uma maneira mais flexível. Adicionalmente,as redes corporativas, que por sua vez são baseadas no protocolo Ethernet, já alcança-ram um nível de maturidade considerável em relação à confiabilidade dos equipamentosdesenvolvidos. Em aplicações industriais a confiabilidade é uma exigência fundamental,haja visto que falhas nos equipamentos podem provocar danos ao meio ambiente e exporoperadores a situações de risco [Rahimi et al. 2011].

O padrão Ethernet, desde sua criação, tem atraído potencial interesse de pesquisadorescom o objetivo de adaptar o referido protocolo para ambientes industriais [Potter 1999,Montague 2001, Vitturi 2001, Felser & Sauter 2004, Urli & Murgia 2011]. No início,ainda na década de 80, as empresas tinham uma certa resistência em adotar o Ether-net em suas aplicações industriais devido ao protocolo não apresentar características detempo real. A saber, se duas estações estão esperando uma terceira estação liberar o meiode transmissão, é impossível estimar de forma determinística qual estação irá transmitir.Uma contribuição para mudar esse cenário ocorreu em 1997, quando o Ethernet Full Du-plex foi criado [IEEE-802.3x 1997]. A padronização do Ethernet Full Duplex permitiua utilização de um novo equipamento, o Switch Ethernet. Esse equipamento eliminou ascolisões na rede e trouxe benefícios para inserção do Ethernet em ambientes industriais.

1.1.3 O Surgimento de Protocolos sem Fio

O surgimento das tecnologias de redes industriais sem fio foi uma evolução naturaldas primeiras tecnologias de comunicação industrial desenvolvidas, que usavam caboscomo meio de transmissão. A proposta de eliminar o cabeamento e utilizar um novoparadigma na transmissão dos dados em ambientes industriais não é recente, por exemplo,Lessard & Gerla (1988) desenvolveram um dos primeiros trabalhos nessa área na tentativade comunicar dispositivos industriais por infravermelho. Entretanto, apenas nos últimosanos a demanda por tecnologias sem fio na indústria tem se intensificado.

O uso de tecnologias de comunicação sem fio em ambientes industriais sempre foivisto com grande ceticismo por parte das companhias. Esse cenário foi criado principal-mente pela baixa confiabilidade do canal de comunicação, haja visto que os equipamentossão instalados em áreas sujeitas à influência de agentes externos (ruídos, interferências,

1.2. MOTIVAÇÃO 5

clima adverso, obstáculos naturais), que podem provocar erros em taxas superiores aosdas tecnologias cabeadas [Bai & Atiquzzaman 2003].

Outro desafio a ser observado está relacionado com a coexistência de diferentes tecno-logias no mesmo ambiente. Devido ao meio de transmissão das tecnologias de comunica-ção sem fio ser aberto, poderá existir situações onde tecnologias diferentes compartilhema mesma faixa de frequência. Assim, é importante que mesmo coexistindo num mesmoambiente, diferentes tecnologias possam operar sem que uma não interfira na outra. Essacaracterística é fundamental para garantir o dinamismo das aplicações.

Apesar de todos esses desafios, com a evolução das tecnologias de comunicação, no-vos mecanismos foram desenvolvidos para garantir a confiabilidade das redes sem fio(modulação e codificação, escalonamento determinístico, saltos de frequências e topolo-gias redundantes), tornando sua utilização acessível aos ambientes industriais [Gungor &Hancke 2009, Han et al. 2011].

Uma vantagem imediata em utilizar uma tecnologia de comunicação sem fio para am-bientes industriais está na eliminação do cabeamento. Segundo [Colpo & Mols 2011], ouso de equipamentos sem fio podem reduzir os custos de instalação entre 50-90%, quandocomparados com cenários onde dispositivos cabeados são utilizados.

1.2 Motivação

Nos dias atuais a comunicação sem fio é uma tendência nos ambientes industriais,reduzindo custos e permitindo a criação de aplicações que não eram possíveis com as tec-nologias legadas. Nesse contexto, a especificação WirelessHART está emergindo comouma solução padrão. Apesar dos benefícios diretos, uma rede WirelessHART apresentauma série de desafios técnicos (confiabilidade, consumo de energia, interferência do am-biente) e culturais. Sendo assim, a demanda para o desenvolvimento de ferramentas dediagnóstico, manutenção e comissionamento da rede torna-se iminente.

O objetivo principal desse novo paradigma de comunicação é reduzir os custos rela-cionados com instalação, peso (plataformas offshore), manutenção e escalabilidade dasaplicações, além de permitir o monitoramento de novos processos que antes era inviávelcom as tecnologias de comunicação tradicionais. Outro benefício é a flexibilização detestes, os quais podem ser realizados mais rapidamente reduzindo os custos operacionais(operadores, parada da planta, permanência em áreas de risco, etc).

Por outro lado, as tecnologias de comunicação sem fio adaptadas para o ambiente in-dustrial apresentam uma série de desafios, como por exemplo a eficiência energética. Parase tornarem atrativas, tais tecnologias eliminam o cabeamento, incluindo aqueles utiliza-


dos na alimentação de energia. Assim, os dispositivos instrumentados com tecnologiasde comunicação sem fio apresentam baterias. Essas necessitam ter um tempo de vida útilacima dos tempos de manutenção das plantas industriais. É conveniente trocar as bate-rias apenas nas paradas já agendadas das plantas. Essa característica reflete a eficiênciaenergética ser um dos principais tópicos da área na literatura [Xu et al. 2014, Pereira &Aguiar 2014].

Outro desafio dessas tecnologias refere-se à confiabilidade. Devido ao meio de trans-missão das tecnologias de comunicação sem fio ser o ar, problemas como desvanecimentode sinal, múltiplos caminhos e interferência podem ocorrer. Técnicas de diversidade defrequência, lista negra de canais, roteamento em múltiplos caminhos e topologias meshsão adotados pelos padrões na tentativa de mitigar esses problemas. Um desafio iminenteé que alguns algoritmos, nomeadamente os de escalonamento e roteamento, são apenassugeridos nas normas [HCF 2013]. Portanto, torna-se fundamental o monitoramento des-ses aspectos haja vista que fabricantes diferentes podem implementar seus próprios algo-ritmos. Dados estatísticos da chegada de pacotes, mudanças na topologia e identificaçãode pontos críticos podem nortear importantes métricas na rede [Silva et al. 2012b].

Por fim, devido ser uma tecnologia relativamente recente, e tomando como exemploas tecnologias legadas (Foundation Fiedlbus levou uma década para ser amadurecida), épreciso tempo para que a indústria obtenha expertise e amadurecimento sobre as melhorespráticas a serem utilizadas nas tecnologias de comunicação sem fio industriais [Silva et al.2012a].

Baseado no contexto descrito anteriormente, o uso de uma ferramenta para avaliar odesempenho de uma rede industrial sem fio poderia antecipar importantes decisões nasfases de projeto e execução. Exemplos de decisões poderiam ser a indicação da melhortopologia a ser utilizada em um dado projeto (a topologia pode ser forçada baseada no tipodo dispositivo e instante de comissionamento), criticalidade dos dispositivos (informaçõesestatísticas sobre a entrega de pacotes e nível da bateria podem indicar problemas), níveisde redundância (verificar se múltiplos caminhos estão sendo utilizados e a necessidade deinserir dispositivos roteadores) e robustez (configuração da lista negra de canais e análisede coexistência entre outras tecnologias). Dependendo da topologia a ser adotada, enlacesde comunicação alternativos podem ser criados entre os dispositivos visando aumentar aconfiabilidade da rede e o tempo de vida dos dispositivos. Adicionalmente, se uma aná-lise de fatores que influenciam no consumo de energia é suportada, dispositivos críticospodem ser previamente identificados e decisões sobre a melhor estratégia de formação darede podem ser tomadas.

1.3. OBJETIVOS 7

1.3 Objetivos

Considerando-se a iminente adoção em larga escala das tecnologias de comunicaçãosem fio em ambientes industriais vinculados a requisitos rígidos de confiabilidade, con-sumo de energia (haja vista que a maioria dos dispositivos são alimentados por baterias)e interferência do ambiente, nesta dissertação será abordado o desenvolvimento de umaferramenta de gerenciamento de ativos em redes industriais sem fio. A ferramenta iráprover funcionalidades de diagnóstico, manutenção e comissionamento da rede. Adicio-nalmente, através de uma biblioteca padronizada, a ferramenta irá habilitar o desenvolvi-mento de aplicações futuras voltadas para a otimização da rede. Face sua ampla utilizaçãona indústria, o protocolo de comunicação WirelessHART será usado como prova de con-ceito para validação da ferramenta.

Através da ferramenta proposta é possível monitorar de forma ativa ou passiva, emtempo real ou offline, os principais dados de uma rede WirelessHART. Drivers de comu-nicação universal (XML-RPC) e baseado no protocolo HART sobre o IP foram implemen-tados. A ferramenta se conecta à infraestrutura de comunicação, extraindo informaçõesem tempo real do estado da rede e de seus dispositivos através de requisições ao gerenteda rede. A ferramenta fornece diversas atividades de gestão de ativos, como por exemplo,previsão da vida útil das baterias, monitoramento de links e variáveis de processos.

Adicionalmente, os drivers de comunicação são conectados com uma ferramenta decoleta de dados já validada na indústria, o BR-Collector (detalhes são descritos no Ca-pítulo 3). Os dados coletados são processados e apresentados através de uma interfaceadaptada à expertise do operador da rede. A partir deles, o operador deve ser capaz detomar decisões e ações de maneira fácil para a manunteção e alterações na rede.

1.4 Contribuições

Em resumo, as contribuições dessa dissertação são:

1. Análise do padrão WirelessHART.

2. Desenvolvimento de driver Serial para comunicação com dispositivos do kit daDust-Networks.

3. Desenvolvimento de driver XML-RPC para comunicação com dispositivos Wire-lessHART da Dust-Networks.


4. Desenvolvimento de driver com os métodos para comunicação síncrona, através doprotocolo IP, com dispositivos HART/WirelessHART.

5. Implementou-se um sistema de serviço para coleta de dados via driver HART parapossibilitar a inserção dos dados coletados de redes WirelessHART no sistema BR-PlantHistorian, sistema para armazenar o histórico de processos industriais, e con-sequentemente, sua visualização via BR-PlantViewer, software para analisar infor-mações históricas ou em tempo real de processos industriais.

1.5 Organização da Dissertação

O restante desse trabalho está organizado da seguinte forma: no Capítulo 2 é apre-sentada uma descrição teórica sobre os protocolos de comunicação industrial associadosao trabalho; uma breve descrição sobre o estado da arte é mostrada no Capítulo 3; aferramenta de gestão de ativos é descrita no Capítulo 4; os resultados são exibidos noCapítulo 5; por fim, no Capítulo 6 é feita uma análise final dos objetivos alcançados nessetrabalho e também a apresentação dos trabalhos futuros.

Capítulo 2

Protocolos de Comunicação

Nos dias atuais a comunicação sem fio é uma tendência nos ambientes industriais,reduzindo custos e permitindo a criação de aplicações que não eram possíveis com astecnologias legadas. Apesar dos benefícios diretos, redes industriais sem fio apresentamuma série de desafios técnicos (confiabilidade, consumo de energia, interferência do am-biente) e culturais. Sendo assim, a demanda para estudar formas de diagnosticar, mantere comissionar essas redes torna-se iminente. Nesse capítulo serão descritos os principaisprotocolos de comunicação industrial nos quais a ferramenta desenvolvida é diretamenteaplicada e, adicionalmente, tem potencial de ser utilizada.

2.1 HART

O protocolo HART foi desenvolvido em meados da década de 1980 pela RosemountInc [HCF 2013]. O objetivo principal era desenvolver uma tecnologia que permitisse a uti-lização de instrumentos de medição inteligente. HART é a sigla em inglês para HighwayAddressable Remote Transducer (Via de Dados Endereçável por Transdutor Remoto). Atransmissão de dados é baseada no padrão Bell 202 de Chaveamento por Deslocamentode Frequência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital sobre o sinal de 4-20 mA, conforme mostrado na Figura 2.1 [HCF 2013]. Isso permite a comunicação decampo bilateral e possibilita que informações adicionais, além da variável normal de pro-cesso, sejam comunicadas de/para um instrumento de campo inteligente. O ProtocoloHART comunica-se a 1200 bps sem interromper o sinal de 4-20 mA e permite que o apli-cativo host (mestre) obtenha duas ou mais atualizações digitais por segundo a partir de umdispositivo de campo inteligente. Uma vez que o sinal digital de FSK é de fase contínua,não há interferência com o sinal de 4-20 mA.

A tecnologia HART é um protocolo mestre/escravo, ou seja, o dispositivo de campointeligente (escravo) somente se manifesta se solicitado pelo mestre. O Protocolo HART

10 CAPÍTULO 2. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

Figura 2.1: Chaveamento por deslocamento de frequência (FSK) [HCF 2013].

pode ser utilizado em vários modos, tais como ponto a ponto ou multiponto, para trans-mitir informações entre instrumentos de campo inteligentes e sistemas centrais de moni-toramento ou controle [Filho 2013].

A comunicação HART ocorre entre dois dispositivos habilitados para HART, geral-mente um dispositivo de campo inteligente e um sistema de monitoramento ou controle.A comunicação ocorre por meio de cabos de instrumentação padrão, utilizando práticaspadrão de fiação e terminação.

O protocolo HART fornece dois canais de comunicação simultâneos: o sinal ana-lógico de 4-20 mA e um sinal digital. O sinal de 4-20 mA transmite o valor primáriomedido (no caso de um instrumento de campo) utilizando uma malha de corrente de 4-20 mA. As informações adicionais do dispositivo são transmitidas por meio de um sinaldigital sobreposto ao sinal analógico.

O sinal digital contém as informações do dispositivo, tais como status, diagnósticos,valores adicionais medidos ou calculados, etc. Juntos, os dois canais de comunicaçãooferecem uma solução de comunicação de campo extremamente sólida e completa, debaixo custo e de fácil utilização e configuração. Isso pode ser observado na Figura 2.2.

O protocolo HART aceita até dois mestres (primário e secundário). Isto permite quemestres secundários, tais como comunicadores portáteis, sejam utilizados sem interfe-rir com as comunicações recebidas/enviadas pelo mestre primário, ou seja, o sistema demonitoramento/controle. Um exemplo pode ser observado na Figura 2.3.

2.1. HART 11

Figura 2.2: Dois canais de comunicação [HCF 2013].

Figura 2.3: Mestres primários e secundários [HCF 2013].

2.1.1 Benefícios do HART

A tecnologia HART apresenta os seguintes benefícios:

• Alavancar as capacidades de uma série de dados de dispositivos inteligentes paraobter melhorias operacionais;

• Receber avisos antecipados sobre as variações de desempenho de dispositivos, pro-dutos e processos;

• Acelerar o tempo despendido entre a identificação e a resolução de problemas;• Proporcionar a validação contínua da integridade de malhas e estratégias de siste-

mas de automação/controle;• Aumentar a produtividade de ativos e a disponibilidade de sistemas.

Aumentar a disponibilidade das instalações:

• Integrar dispositivos e sistemas para a detecção de problemas anteriormente nãodetectáveis;


• Detectar problemas de conexão de processos e/ou dispositivos em tempo real;• Minimizar o impacto de desvios graças ao recebimento de alertas novos e antecipa-

dos;• Evitar os altos custos de paradas ou de interrupções não programadas de processos.

Reduzir os custos de manutenção:

• Verificar e validar com rapidez as configurações de dispositivos e malhas de con-trole;

• Utilizar diagnósticos remotos para reduzir verificações de campo desnecessárias;• Capturar dados de tendência de desempenho para diagnósticos de manutenção pre-

ventiva;• Reduzir custos de inventários de sobressalentes e de gerenciamento de dispositivos.

Aumentar a conformidade normativa:

• Permitir o registro automatizado de dados de conformidade;• Facilitar testes automatizados de paradas de segurança;• Elevar o nível de integridade de segurança (SIL) com diagnósticos avançados;• Tirar proveito de dispositivos multivariáveis inteligentes para maior precisão e de-

talhamento de relatórios.

Os anos de sucesso no aproveitamento dessas vantagens explicam por que a tecnologiaHART é uma das principais entre todos os protocolos de comunicação, instalado em maisde 30 milhões de dispositivos em todo o mundo [Hahn 2011].

2.2 WirelessHART

WirelessHART é um padrão de comunicação sem fio desenvolvido pela HART Comu-nication Foundation (HCF) com o objetivo de transmitir mensagens HART sem a necessi-dade de utilizar os meios clássicos de transmissão (4-20 mA ou RS484). Um dispositivoWirelessHART implementa a mesma estrutura de comandos usada por um dispositivoclássico HART RS484. As mesmas aplicações utilizadas no padrão HART são compatí-veis com o padrão WirelessHART.

Em setembro de 2008, a especificação WirelessHART (HART 7.1) foi aprovada publi-camente (PAS) pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC 62591). WirelessHARTfoi a primeira tecnologia de comunicação sem fio a obter esse nível de reconhecimento

2.2. WIRELESSHART 13

internacional [Song et al. 2008]. A versão final da especificação foi concluída no iníciode 2010 [(IEC) 2010].

A especificação WirelessHART define 8 tipos de dispositivos como descrito na Fi-gura 2.4: gerente da rede, gerente de segurança, gateway, ponto de acesso, dispositivode campo, adaptador, roteador e dispositivo portátil. Todos os dispositivos são conec-tados para a rede e implementam mecanismos para suportar a formação, manutenção,roteamento, segurança e confiabilidade da rede. Entre todos os dispositivos suportados,o gerente da rede é considerado o principal. Instalado fisicamente no gateway, o gerenteda rede é responsável por controlar todos os eventos 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 2.4: Dispositivos WirelessHART.

Os dispositivos de campo são os dispositivos WirelessHART mais básicos. Eles estãodiretamente conectados aos processos da planta industrial os quais transmitem, recebeme encaminham dados monitorados para outros dispositivos. Eles também podem fazer oroteamento das mensagens.

Roteadores são utilizados para o encaminhamento das mensagens. O uso de roteado-res pode criar caminhos redundantes para o gateway, além de evitar que dispositivos decampo sejam usados para o roteamento das mensagens e consequentemente maximizandoo consumo de energia.


O gerente de segurança é a entidade responsável por assegurar a segurança em todarede. Ele fornece chaves de comunicação para todos os dispositivos. Essas chaves sãousadas para autenticar o dispositivo e criptografar os dados transmitidos.

O gerente da rede tem suas responsabilidades relacionadas ao escalonamento, geren-ciamento da lista de dispositivos, roteamento, coletar informações estatísticas sobre odesempenho, detecção de falhas e formação da rede.

2.2.1 Modelo de Camadas

Uma rede WirelessHART utiliza uma arquitetura baseada na versão simplificada domodelo OSI com apenas 5 camadas. As próximas seções descrevem as principais carac-terísticas de cada camada.

Camada Física

A camada física da especificação WirelessHART é baseada no padrão IEEE 802.15.4.Dessa forma, um rádio WirelessHART apresenta as mesmas taxas de transmissão, técni-cas de modulação e alcance de um rádio IEEE 802.15.4 com a limitação que apenas 15canais (11 - 25) são utilizados. O canal 26 não é utilizado por questões regulatórias dealguns países.

Camada de Enlace

Uma das tarefas mais importantes da camada de enlace é definir o controle de acessoao meio e consequentemente o escalonamento dos pacotes a serem enviados. Esse proce-dimento é realizado através de um acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) com-binado com um mecanismo de saltos de frequência. No TDMA, o tempo é divididoigualmente em janelas de 10 ms chamadas slots de tempo. Um conjunto de slots detempo forma um superframe. Cada transmissão entre dois dispositivos vizinhos na rede,incluindo o dado transmitido (origem) e o pacote de reconhecimento (vizinho), deveráocorrer dentro de um slot de tempo utilizando um dos 15 canais disponíveis. Teorica-mente 15 dispositivos podem transmitir ao mesmo tempo.

Com o objetivo de minimizar a influência de interferências (ruídos) na rede e permitira coexistência com outros padrões (IEEE 802.11, Bluetooth, ZigBee), foi adicionado aoTDMA um mecanismo de saltos de frequência. Cada transmissão na rede utiliza umafrequência diferente (canal), diminuindo assim a probabilidade de escolher um canal rui-doso.

2.2. WIRELESSHART 15

Camadas de Rede e Transporte

A camada de rede definida na especificação WirelessHART é o ponto de convergênciacom a especificação HART. As principais funções dessa camada estão relacionadas comroteamento (suporte a topologias mesh), endereçamento e segurança fim a fim. Por outrolado, a camada de transporte foi definida de uma maneira mais simples que a camada derede onde o objetivo principal é a transmissão dos dados com confiabilidade fim a fim.

Camada de Aplicação

A camada de aplicação tradicionalmente, de acordo com o modelo OSI, fornece umainterface de alto nível para os usuários poderem acessar informações da rede. Adicional-mente, na especificação WirelessHART a camada de aplicação também é responsável pelafragmentação dos dados além de herdar as características da tecnologia legada (HART),onde todos os procedimentos são orientados a comandos.

2.2.2 Aspectos de Roteamento

Uma rede WirelessHART tem suporte para topologias mesh, com o objetivo de sepoder criar caminhos redundantes entre os dispositivos e o gateway. Nesse sentido, aespecificação WirelessHART define quatro tipos de roteamento: roteamento na origem,roteamento em grafo, roteamento baseado no superframe e roteamento de proxy. Todosesses tipos de roteamento utilizam como base informações coletadas pelos dispositivos epassadas para o gerente da rede.

O roteamento é criado pelo gerente da rede e os dispositivos apenas utilizam as con-figurações que lhe foram atribuídas [Silva et al. 2012c]. Os dispositivos de campo nãoapresentam liberdade em escolher a melhor rota em tempo real. Essa é a razão pela qualos dispositivos de campo enviam periodicamente informações da rede para o gerente.Sempre que possível o gerente da rede configura cada transmissão com pelo menos duasopções de roteamento (rota principal e secundária) com o intuito de aumentar a confiabi-lidade na entrega da informação.

Adicionalmente, com o objetivo de minimizar a influência de interferências (ruídos)na rede e permitir a coexistência com outros padrões (IEEE 802.11, Bluetooth, ZigBee),foi adicionado ao procedimento de roteamento um mecanismo de saltos de frequência(através da camada de enlace). Cada transmissão na rede utiliza uma frequência diferente(canal), diminuindo assim a probabilidade de escolher um canal ruidoso.


2.2.3 Formação da Rede

O gerenciador da rede é quem inicia o processo de formação de uma rede Wireles-sHART criando um canal seguro e confiável de comunicação com o gateway. O provi-sionamento inicial do ponto de acesso será realizado através desse canal, e consiste napassagem das seguintes informações:

• superframe de gerenciamento que garante banda mínima para a execução das fun-ções básicas de monitoramento e manutenção da rede;

• grafo de rede para tráfego upstream, ou seja, em direção ao gerenciador da rede;• superframe e links de join, que possibilitarão a entrada de novos dispositivos na

rede;• links dedicados e compartilhados (tanto de transmissão quanto de recepção) para o

gerenciamento de dispositivos, tráfego de health reports e comunicação de alarmes(link perdido, por exemplo).

O processo de formação da rede pode ser dividido em três etapas: advertisement, join

e negociação de parâmetros. O advertisement é realizado por dispositivos de campo que jápassaram pelo processo de join, e sua função é informar a presença da rede e possibilitara incorporação de novos dispositivos que estejam ao seu alcance de sinal. O pacote deanúncio deve conter as informações de network ID e ASN (Absolute Slot Number), alémdos links e superframe de join. Tal pacote é esperado por dispositivos passíveis de join,cuja resposta será em forma de um pedido para o dispositivo em questão juntar-se à rede,ou seja, um join request.

Assim que um novo dispositivo for agregado à rede, tanto o gateway quanto o dis-positivo farão requisições de banda ao gerente da rede. O gateway necessitará da bandapara suportar o tráfego de requisições/respostas, enquanto o dispositivo fará uso da bandapara publicar informações sobre a variável de processo, por exemplo. O gerente da redeestimará a banda necessária através dessas requisições de serviço, de modo a otimizar agerência da rede. Caso exista banda suficiente, o gerente alocará superframes e links deacordo com as requisições. Caso contrário, o gerente pode alocar menos banda do que odispositivo requisitou, ou até mesmo recusar totalmente o pedido [Rech 2012].

2.3 ISA100.11a

O padrão ISA100.11a foi aprovado em 2009 pela Sociedade Internacional de Au-tomação (ISA) como um novo padrão de comunicação sem fio voltado para aplicações

2.3. ISA100.11A 17

industriais de monitoramento e controle. Esse padrão foi nomeado ISA100.11a. Apóssua revisão final em 2011, foi iniciado ainda no mesmo ano a tentativa de tornar o padrãopublicamente disponível (PAS) na Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC).

Diferentemente do padrão WirelessHART, que foi concebido com base nas exigênciasde uma padrão específico (HART), o padrão ISA100.11a foi criado baseado nas exigên-cias dos usuários finais. Um dos objetivos do padrão é fornecer uma comunicação semfio confiável e segura para as aplicações com latência de até 100 ms. Essas aplicaçõessão típicas de monitoramento e controle industriais. Adicionalmente, foi criado um me-canismo de tunelamento onde diversos padrões industriais de comunicação (HART, Wi-relessHART, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus, entre outros) podem ser utilizadosde forma transparente em uma rede ISA100.11a.

Uma rede ISA100.11a típica é descrita na Figura 2.5. Todos os dispositivos na redesão caracterizados por regras bem definidas que controlam seus funcionamentos. Em ge-ral os dispositivos podem assumir as seguintes regras: gerente do sistema, gerente de segu-rança, gateway, roteador backbone, roteador, dispositivo I/O, dispositivo portátil, funçãode provisionamento e referência temporal.

Figura 2.5: Uma típica rede ISA100.11a.

O roteamento na rede é realizado por dois dispositivos, o roteador e o roteador back-

bone. O primeiro atua como um proxy, encaminhando os dados em direção ao gateway eestendendo o alcance da rede. Ele também é responsável por propagar a noção de tempoe comissionar novos dispositivos. Adicionalmente, o padrão ISA100.11a introduziu umnovo conceito, o roteador backbone. Esse dispositivo é responsável por um roteamento de


alto nível na rede. Também pode ser utilizado para aumentar a vazão de tráfego na medidaque sub-redes são criadas. O tráfego entre backbones utiliza uma versão compactada doIPV6, o 6LoWPAN (IPV6 sobre rede pessoal de baixa potência), o qual é otimizada paraas redes de sensores sem fio [Neves & Rodrigues 2010]. O tunelamento, uma das prin-cipais características do padrão ISA100.11a, também é de responsailidade dos roteadoresbackbones.

2.3.1 Modelo de Camadas

Uma rede ISA100.11a também utiliza uma arquitetura baseada na versão simplificadado modelo OSI com apenas 5 camadas. Nas próximas seções serão descritos as principaiscaracterísticas de cada camada.

Camada Física

Similarmente ao padrão WirelessHART, a camada física do padrão ISA100.11a é ba-seada no IEEE 802.15.4. As camadas físicas desses padrões são bastante similares, entre-tanto, o ISA100.11a adiciona algumas peculiaridades. Diferentemente do padrão Wireles-sHART, um rádio ISA100.11a suporta todos os níveis de avaliação da portadora (CCA),inclusive, apresentando suporte para desabilitar a função se necessário.

Adicionalmente, o padrão ISA100.11a permite o controle da potência de transmissãocom o intuito de economizar energia. Porém nenhum algoritmo é especificado no padrão.Ambos ISA100.11a e WirelessHART devem limitar o alcance do rádio às leis regulamen-tadoras específicas, dessa forma, espera-se que esses padrões tenham rádios com alcancessimilares.

Camada de Enlace

A camada de enlace definida no padrão ISA100.11a tem como responsabilidade con-trolar o acesso dos dispositivos ao meio de transmissão. Essa é uma característica básicade toda camada de enlace baseada no modelo OSI. Entretanto, o padrão ISA100.11a di-fere um pouco dos modelos clássicos de arquiteturas de redes, pois define roteamento nonível da camada de enlace.

O controle de acesso ao meio é baseado em um TDMA configurado com um meca-nismo de saltos de frequência. Diferentemente do padrão WirelessHART, onde apenas umperfil de saltos de frequência é suportado, no padrão ISA100.11a são definidos 3 perfis desaltos de frequência (slotted, lento, híbrido). No primeiro perfil, cada comunicação ocorre

2.3. ISA100.11A 19

em uma frequência diferente seguindo 5 padrões pré-definidos. A ordem dos canais a serseguida foi definida com a finalidade de otimizar a coexistência com redes IEEE 802.11e WirelessHART. Existe também a possibilidade de configurar os dispositivos para esco-lherem os canais de comunicação seguindo uma sequência específica. Por outro lado, noperfil de saltos de frequência lento, os dispositivos modificam o canal de comunicaçãoapenas em intervalos específicos (100 ms a 400 ms). Esse mecanismo é utilizado pordispositivos que perderam a sincronização com a rede ou estão sendo comissionados pelogateway. Por questões de coexistência com outros padrões, recomenda-se utilizar os ca-nais 15, 20 e 25 no perfil de saltos de frequência lento. A desvantagem desse perfil estárelacionada com o aumento no consumo de energia. Durante o período em que um ca-nal de comunicação é utilizado, os dispositivos precisam manter seus rádios ligados. Porfim, um perfil de saltos de frequência híbrido utilizando ambas características dos perfisanteriores pode ser utilizado para otimizar o envio de alarmes e retransmissões.

Independente do perfil de saltos de frequência utilizado, a comunicação entre os di-positivos ocorre dentro de um slot de tempo com duração de 10 ms ou 12 ms. Diferen-temente do padrão WirelessHART, o slot de tempo estendido (12 ms) foi adicionado aopadrão ISA100.11a para suportar a recepção em sequência de múltiplas mensagens dereconhecimento (duocast), priorização de mensagens (CCA é postergado para mensagensde pouca prioridade) e permitir a comunicação entre dispositivos cuja referência temporalesteja atrasada em até 2 ms.

Camadas de Rede e Transporte

A camada de rede tem como objetivo principal prover o mecanismo de roteamento nonível dos backbones. No nível da camada de enlace, o roteamento é limitado às sub-redes.Por outro lado, quando uma mensagem alcança um roteador backbone, o roteamento apartir daquele ponto é de responsabilidade da camada de rede.

Em relação ao endereçamento dos dispositivos, no nível da camada de enlace cadadispositivo utiliza um endereço de 16 bits, enquanto que no nível da camada de rede oendereçamento é de 128 bits (6LoWPAN). A camada de rede é responsável por traduziros endereços de 16 bits para os endereços de 128 bits. Outra funcionalidade da camadade rede é a fragmentação de dados. Caso uma mensagem tenha um tamanho superior acarga útil da camada de enlace o dispositivo é programado para fragmentar a mensagemem partes menores. Em relação à camada de transporte, as principais funções suportadasestão relacionadas com a comunicação fim a fim baseada em serviços sem conexão.


Camada de Aplicação

A camada de aplicação definida no padrão ISA100.11a é estruturada na orientaçãode objetos. Nesse paradigma, um dispositivo real, por exemplo uma entrada analógica, émodelado em um objeto de software. A camada de aplicação é responsável pela comuni-cação entre objetos definindo os modos de iteração e interoperabilidade com tecnologiaslegadas. A forma como a camada de aplicação foi definida permite a utilização de tune-lamento, onde aplicações legadas (HART, Foundation Fieldbus, Profbus) podem acessaros dispositivos de uma rede ISA100.11a.

2.4 Comparação entre os Protocolos

Esta seção tem como objetivo descrever de forma sucinta as principais diferenças exis-tentes entre os padrões de comunicação industriais descritos anteriormente. Os principaispontos de discussão estão descritos na Tabela 2.1.

Propriedades HART WirelessHART ISA100.11aCamada de en-lace

Padrão Bell 202com FSK

Slots de 10 ms,saltos de frequên-cia (1 tipo),TDMA

Slots de 10-12ms, saltos defrequência (3tipos), TD-MA/CSMA,roteamento anível da subrede(grafo e origem)

Camada de rede Roteamento, se-gurança de pontoa ponto e trans-porte

Roteamento(grafo e origem)

Fragmentação,roteamento anível de rotea-dores backbones(6LoWPAN)

Camada de trans-porte

ACK fim a fim Serviços com/-sem conexão,ACK fim a fim

Serviços UDPsem conexão

Camada de apli-cação

HART Fragmentação,HART

Genérica orien-tada a objetos

Topologia Ponto a ponto oumultiponto (até15 instrumentos)

Mesh Mesh

Tabela 2.1: Comparações entre os padrões de comunicação industrial.

Os padrões de comunicação sem fio utilizam um controle de acesso ao meio baseado

2.4. COMPARAÇÃO ENTRE OS PROTOCOLOS 21

em TDMA. O ponto crítico em utilizar uma técnica de TDMA é a sincronização da rede.Os padrões WirelessHART e ISA100.11a adotam um mecanismo simples e eficiente (in-formações temporais são enviadas nas mensagens advertise e de reconhecimento) paratal propósito. Enquanto que o HART em utilização normal, um dispositivo de camposomente responde quando solicitado e as regras de temporização definem quando cadamestre pode iniciar a transação de comunicação, caso existam dois mestres.

Outro ponto de grande importância é o roteamento. Os padrões WirelessHART eISA100.11a empregam um mecanismo de múltiplos caminhos na tentativa de maximi-zar a confiabilidade da rede. Esse mecanismo é combinado com um suporte a topologiasmesh. Dois algoritmos são utilizados, o roteamento em grafo e origem. Adicionalmente, opadrão ISA100.11a apresenta suporte à Internet através do padrão 6LoWPAN. Entretanto,essa funcionalidade é apenas suportada na comunicação entre roteadores backbones. In-clusive essa característica adiciona um ponto adicional de falha na medida que a frag-mentação é exigida nos roteadores backbones. No padrão WirelessHART a fragmentaçãoocorre apenas no gateway.

Por fim, no que se refere aos fabricantes de hardware, o HART tem mais de 30 milhõesde instrumentos instalados pelo mundo e o padrão WirelessHART apresenta algumas van-tagens em relação à interoperabilidade, comparado ao ISA100.11a, principalmente porser uma extensão do padrão HART (já consolidado na indústria). O padrão ISA100.11aapresenta várias configurações opcionais as quais podem contribuir para problemas deinteroperabilidade entre diferentes fabricantes.

Importante enaltecer que não existe um protocolo bom ou ruim, o que se discute sãosuas características quando comparado aos requisitos das aplicações. Como descrito an-teriormente, ambos os padrões WirelessHART e ISA100.11a apresentam característicasatrativas para o ambiente industrial. Nesse trabalho foi adotado o padrão WirelessHARTdevido à disponibilidade de dispositivos interoperáveis ser superior ao padrão ISA100.11adurante o período de execução da dissertação. Adicionalmente, ambos os padrões são pú-blicos, e seus comandos podem ser implementados seguindo as diretivas do HART/IP(WirelessHART) e GSAP (ISA100.11a).

Capítulo 3

Estado da Arte

Em uma rede industrial, todo dispositivo é considerado um ativo, em outras palavras,um elemento fundamental para a aplicação. Dessa forma, sem perda de generalidade,pode-se categorizar a problemática de avaliar a confiabilidade, o consumo de energia, oroteamento e as estatísticas das informações transmitidas na rede como sendo um pro-blema de gerenciamento de ativos. A implementação em software de tal gerenciamentoexige conhecimentos técnicos e precisos dos protocolos de comunicação aos quais os ati-vos estão imersos. Nesse capítulo será feita uma breve descrição do gerenciamento deativos, além da apresentação de alguns sistemas, que são usados na indústria para análisede suas redes.

3.1 Gestão de Ativos

Ativos representam todos os itens da organização onde informações são criadas, pro-cessadas, armazenadas, transmitidas ou descartadas, como por exemplo, equipamentos deTI, equipamentos utilizados no processo de produção, caracterizando o maquinário, ferra-mentas e materiais. O gerenciamento de ativos é fundamental para priorizar investimentose concentrar esforços nos ativos mais críticos, que sustentam os processos da organiza-ção. A gestão de ativos industriais integra o planejamento, a engenharia e manutenção,análise e estudos de confiabilidade com vistas a melhorar a eficiência dos equipamentosindustriais durante todo o seu ciclo de vida, desde sua aquisição até o seu descarte. Ecompreende:

• Gestão integrada de ativos industriais;• Gestão global de manutenção;• Serviços de engenharia de manutenção;• Soluções de produtividade;• Planejamento e serviços de manutenção e recuperação.

24 CAPÍTULO 3. ESTADO DA ARTE

O uso e o tempo de vida de sensores sem fio em redes inteligentes é um dos temasmais inspiradores para vários pesquisadores [Eris et al. 2013]. A eficiência que é fornecidapelas redes inteligentes que empregam monitoramento, processamento e comunicação nasredes, abre o caminho para estudos referentes à otimização do gerenciamento de ativosa fim de aumentar a vida útil das aplicações. A avaliação do tempo de vida pode ser deacordo com diversos parâmetros, tais como a taxa de recepção de pacotes, comprimentodos pacotes e o duty cycle, que afetam a capacidade de transmissão dos sensores, estaanálise é importante por proporcionar uma maneira adequada de analisar a utilização dedispositivos em diferentes configurações de ambientes industriais.

3.2 Sistemas Relacionados à Gestão de Ativos

Apesar dos benefícios diretos, uma rede industrial de sensores sem fio apresenta umasérie de desafios técnicos (confiabilidade, consumo de energia, interferência do ambi-ente) e culturais. Sendo assim, a demanda para o desenvolvimento de ferramentas dediagnóstico, manutenção e comissionamento da rede torna-se iminente. Nesta seção, sãoapresentadas algumas soluções encontradas no mercado para gerir os ativos em redes in-dustriais.

3.2.1 AMS Suite

A AMS Suite da Emerson Process Management é uma família integrada de aplicativosde software de diagnóstico que permite ao usuário detectar problemas com o equipamentoda planta antes que eles ocorram, usando técnicas preditivas para melhorar a disponibi-lidade e desempenho de seus principais ativos de produção, incluindo equipamentos me-cânicos, sistemas elétricos, equipamentos de processos, instrumentos e válvulas. Para ousuário que deseja realizar a gestão de instalações, operações, ou a manutenção e confi-abilidade, a AMS Suíte pode receber as informações desejadas pelos ativos para tomardecisões. Esta gestão pode ser realizada para alcançar seus objetivos financeiros com di-agnósticos preditivos de AMS Suite, pois a manutenção preditiva ajuda as plantas a evitarparadas não planejadas e práticas ineficientes que geram perdas.

Entre as aplicações contidas nesta suíte, o AMS Device Manager é um dos sistemasque ajuda a evitar custos desnecessários através da análise da saúde dos dispositivos decampo. Com base em dados coletados em tempo real a partir de dispositivos inteligentesde campo, a equipe da planta pode responder rapidamente e tomar decisões informadassobre a possibilidade de manter ou substituir os dispositivos de campo. Ele oferece alguns

3.2. SISTEMAS RELACIONADOS À GESTÃO DE ATIVOS 25

recursos de diagnósticos preditivos para os usuários, incluindo:

• Configuração e gerenciamento de calibração;• Diagnóstico e monitoramento;• Monitoramento de alerta avançado;• Documentação automática;• Inicialização e comissionamento mais rápidos;• Melhoria da qualidade e aumento da disponibilidade.

Outra importante aplicação dessa suíte é o AMS Wireless SNAP-ON Application quepermite planejar a rede sem fio e compará-la com as algumas práticas já analisadas, so-lucionar problemas da rede sem fio a partir de telas gráficas e manter a rede sem fio comanálise de parâmetros-chave de rede. Nela é possível montar a rede em modo offline pararealizar análises baseadas em dados de estudos da Emerson Process Management ou pa-râmetros informados pelo usuário. O sistema além de apresentar uma visão abrangenteda rede, como está sua organização, ajuda a identificar pontos de conflito potencial, visu-alizar os parâmetros de diagnóstico e de desempenho para cada dispositivo e também seintegra com o AMS Device Manager para obter detalhes adicionais do dispositivo. Entreos dados que podem ser analisados, estão:

• A tag do dispositivo ou gateway;• Tensão da bateria;• Taxa de atualização de dados;• Temperatura ambiente;• Status;• Vizinhos.

3.2.2 BR-Collector

A ferramenta BR-Collector, desenvolvida através de uma parceria entre a UFRN e aPetrobras, é um produto criado para integrar a captura de dados em um ambiente industriale disponibilizá-los de forma simplificada. Atualmente o BR-Collector suporta capturade dados de processo histórico e em tempo real, captura de dados de alarmes e eventoshistóricos [Machado 2014].

Padronizado em módulos, o BR-Collector possui uma arquitetura dividida em slots edrivers. Os drivers são responsáveis por implementar os detalhes de cada protocolo decomunicação e servem como interfaces para o BR-Collector através dos slots. Os slots,


por sua vez, têm como função padronizar a forma como o BR-Collector entende cadatipo de dado. Atualmente são disponibilizados quatro slots e quatro drivers conformedemonstra a Figura 3.1.

À medida que necessário, novos drivers podem ser acoplados a essa arquitetura semqualquer alteração nas camadas superiores.

Figura 3.1: Arquitetura do BR-Collector.

Aspectos de Robustez

Visando evitar ao máximo a perda de dados, o BR-Collector incorpora uma lógicade redundância. Ao configurar o BR-Collector para captura de dados, o usuário podeoptar por adicionar um servidor secundário o qual entrará em ação no momento em queo primário ficar indisponível, superando assim eventuais falhas de operação e evitandoperda de dados. Tal operação ocorre de forma totalmente transparente ao usuário, ou seja,toda a configuração pré-existente no servidor primário é transferida para o secundárioautomaticamente. O sistema se encarrega ainda de chavear novamente para o servidorprimário tão logo este volte à ativa.

Comunicação

Atualmente o BR-Collector utiliza a tecnologia Java Remote Method Invocation (RMI)como forma de comunicação com as máquinas clientes. Assim, para se ter acesso a todosas funcionalidades disponibilizadas pelo BR-Collector é necessário que a aplicação cli-ente seja implementada também em Java, e realize primeiramente o processo de conexãocom o RMI.

3.2. SISTEMAS RELACIONADOS À GESTÃO DE ATIVOS 27

Após a conexão ter sido realizada o cliente recebe uma referência para a interface Re-quest onde estão todos os métodos de acesso as funcionalidades do BR-Collector. Desseponto em diante o acesso a todos os dados se dará através de chamadas de métodos daclasse Request. Para o usuário, a partir desse momento, a comunicação remota entre amáquina cliente e servidora é totalmente abstraída. No entanto, dependendo do tipo dedados que se deseja obter, diferentes fluxos de execução poderão ser tomados.

Adição de Driver

Devido à sua grande aceitação no mercado, sua facilidade na adição de novos drivers

e realização de uma abstração de diversas fontes de dados utilizando-se de drivers, quefornecem as informações dos servidores de dados de uma forma padronizada e indepen-dente do método utilizado para obtê-los e têm por função transformar a conexão comqualquer servidor de dados em uma conexão homogênea a fim de que a mesma possaser interpretada pelas camadas superiores do BR-Collector, pretende-se, como trabalhofuturo, reaproveitar o BR-Collector para implementar a proposta, adicionando um driver

para coleta de dados de redes HART e WirelessHART. Os detalhes serão explicados noCapítulo 4.

3.2.3 BR-PlantHistorian

O BR-PlantHistorian é um sistema desenvolvido pelo Laboratório de Informática In-dustrial da UFRN para gerenciamento das informações das variáveis de processos indus-triais de forma otimizada com técnicas apropriadas para gestão de big data. O objetivoé auxiliar a gestão dos processos, possibilitando armazenar e distribuir os dados de cadaplanta industrial. Atualmente, o sistema está gerenciando as informações de processos daPetrobras de forma automática, onde a coleta é realizada fazendo uso do BR-Collector.

Ele é um sistema para armazenamento e processamento de dados oriundos de proces-sos industriais através de atividades de pesquisa e suporte tecnológico que propiciem umamelhoria significativa no gerenciamento das informações das indústrias e consequente-mente uma diminuição dos riscos e custos de produção. Os seus diferenciais em relaçãoàs soluções existentes no mercado são:

• Um ambiente integrado de armazenamento e processamento de dados industriaiscom tecnologias modernas e que permite a fácil integração com outras soluções;

• Necessidade de menos recursos de infraestrutura devido à utilização de novas téc-nicas de armazenamento e processamento de dados.


Este sistema é utilizado para armazenar e permitir consultas posteriores aos dadoscoletados de redes WirelessHART. A tela do sistema para análise geral das variáveis deprocessos historiadas pode ser visualizada na Figura 3.2.

Figura 3.2: Análise geral das variáveis historiadas.

3.2.4 BR-PlantViewer

O BR-PlantViewer é um sistema, que foi desenvolvido pela UFRN em parceria coma Petrobras, para monitoramento das variáveis de processos industriais via navegadoresWeb ou dispositivos móveis. O seu objetivo é auxiliar no gerenciamento dos processos,possibilitando o acompanhamento dos dados de cada planta industrial em tempo real oua partir de dados históricos, através de telas e gráficos construídos dinamicamente. Atu-almente, o sistema consegue obter informações das variáveis de processos monitoradaspelo PI System, que é um sistema muito utilizado para gerenciamento das informaçõesdos processos, BR-PlantHistorian e diretamente do BR-Collector. Os seus benefícios são:

• Criação de relatórios visuais customizados para extração de informação de negócio;• Criação de relatórios visuais para extração de informação e acompanhamento de

índices de engenharia de automação e controle do processo;

3.3. TRABALHOS RELACIONADOS A SIMULADORES 29

• Alto poder de usabilidade por utilizar plataforma Web, design responsivo e as maisrecentes tecnologias de interação com os usuários.

Um exemplo de tela gerada no sistema pode ser visto na Figura 5.13.

Figura 3.3: Acompanhamento de varáveis de processo.

3.3 Trabalhos Relacionados a Simuladores

Devido à importância de se gerenciar todos os processos que envolvem os dispositivosem redes industriais e ao crescente uso de redes sem fio na indústria, a avaliação dodesempenho em diversas configurações (diferentes intervalos de tempo) e alteração docomportamento de modo a evitar possíveis falhas ou melhorar o desempenho de acordocom o estado analisado torna-se fundamental. Esta seção apresenta alguns dos trabalhosrelacionados ao estudo de redes WirelessHART, onde foram desenvolvidos simuladorespara análise de desempenho dos ativos.

Diante dessa necessidade, foram desenvolvidos trabalhos com simulação de redesWirelessHART, entre eles, existem alguns que lidam com simulações para o protocolo


WirelessHART. Em [De Dominicis et al. 2009], é proposto um simulador que lida si-multaneamente com redes WirelessHART, IEEE 802.15.4 tradicional e com redes IEEE802.11.b. O simulador foi implementado utilizando a plataforma OMNet++. O objetivodo trabalho consiste em estudar problemas de coexistência entre as redes citadas e buscaparâmetros ótimos de configuração para a rede. As redes foram implementadas de ma-neira independente, de modo que estas não têm ciência umas das outras. A interferênciaé simulada por um elemento comum chamado Interference Module. Partindo de trans-missões simultâneas entre as redes envolvidas e do nível de energia do sinal, o simuladorcalcula uma taxa de erro do pacote. Um teste de Bernoulli é utilizado para determinarse o pacote será aceito ou rejeitado, contudo, não existe correlação entre os erros. Essemodelo foi melhorado por [Ferrari et al. 2013], o qual propõe o uso de uma plataformade co-simulação baseada na interação entre os simuladores TrueTime e OMNet++. Oobjetivo foi a melhoria generalizada da coexistência entre as redes, entretanto nenhumaanálise sobre o consumo de energia foi realizada.

Em [Zand et al. 2012], é apresentado um simulador WirelessHART desenvolvido nosimulador NS-2. O projeto se mostra bem completo e inclui o Network Manager bemcomo toda a pilha de protocolos apresentadas no padrão. Foi adotada a camada físicanativa no NS-2 e adaptaram a camada de enlace do modulo IEEE 802.15.4 existente nosimulador. As camadas superiores (rede e aplicação) foram implementadas de modo apermitir a análise do número de comunicações necessárias ao processo de ingresso na redee ao estabelecimento de conexão. Apesar de bem desenvolvido, o simulador dispensouuma maior atenção para as funcionalidades das camadas inferiores, tais como modelos deerro mais acurados e modelos de consumo de energia.

No trabalho desenvolvido por [Nobre et al. 2014], realizou-se um conjunto de si-mulações computacionais utilizando um novo módulo WirelessHART para a plataformaNetwork Simulator 3, realizando testes de confiabilidade e consumo de energia em umatopologia em linha. Nele foi modelado a camada física juntamente com os recursos deatenuaçãao, posicionamento e consumo de energia. Além disso, implementou-se um mo-delo de erro Gilbert/Elliot. Tal modelo calcula a taxa de erro por pacote com base notamanho do pacote e nas probabilidades de perda de um bit, porém não foi levado emconsideração a influência do tipo de roteamento dos pacotes na rede.

Já em [De Biasi et al. 2008a, De Biasi et al. 2008b], foram desenvolvidos trabalhoscom simulação de redes WirelessHART aplicados a sistemas de controle em redes. Issofoi realizado estendendo o simulador TrueTime da ferramenta Simulink do software Ma-tlab. O protocolo MAC do WirelessHART foi implementado utilizando-se classes dalinguagem C++ com suas correspondentes MATLAB MEX-interfaces. A utilização de

3.4. DISCUSSÃO 31

classes C++ foi escolhida visando uma melhora na velocidade da simulação. Em [De Bi-asi et al. 2008b] especificamente, o autor também faz um comparativo entre o desempenhode redes WirelessHART e redes ZigBee. Os testes foram realizados com um número fixode pacotes perdidos. As técnicas desse trabalho não foram aplicadas em ambientes re-ais o que não possibilita aos interessados obter conclusões sobre o real desempenho doscontroladores em redes sem fio reais.

Outra análise de controladores usando redes WirelessHART foi realizada em [Shah2009]. Os autores também desenvolveram um modelo de simulação que permite montarredes WirelessHART em diversas configurações que avalia o uso dos canais de acordocom o tamanho da rede e a localização de cada dispositivo a fim de encontrar o melhormétodo de escalonamento para as aplicações de controle. Essa proposta também nãopossibilita obter conclusões aprofundadas sobre redes sem fio reais.

3.4 Discussão

Apesar da grande quantidade de funcionalidades apresentadas na AMS Suite, a so-lução possui custo bastante elevado, não tem facilidade na integração com sistemas deoutros fabricantes e não possibilita um estudo apropriado dos melhores parâmetros parauma determinada configuração da rede. Além disso, as ferramentas dessa família de apli-cações não apresentam uma interface amigável nem flexibilidade de configuração, impos-sibilitando uma análise adequada de todos os paramêtros que influenciam no desempenhoda rede.

Por outro lado, a solução desenvolvida neste trabalho permite além da análise de to-dos os parâmetros da rede (técnica passiva) configurações em tempo real (técnicas ativas).As variáveis monitoradas não estão limitadas às informações liberadas pela suíte, bastaapenas implementar os comandos do padrão HART/WirelessHART necessários. Adicio-nalmente, a ferramenta possui uma fácil usabilidade com design responsivo, permitindo aanálise da rede em qualquer dispositivo, incluindo os móveis, e uma fácil integração comoutros sistemas existentes no mercado.

E diferentemente dos trabalhos com simuladores citados anteriormente, a ferramentadesenvolvida nesse trabalho tem a capacidade de realizar avaliações didáticas para con-trole wireless permitindo analisar o comportamento da rede e o desempenho de controla-dores em uma rede industrial sem fio real. A ferramenta proposta permite monitorar asvariáveis do processo e da rede em tempo real a fim de avaliar a confiabilidade baseando-se nos atrasos nas transmissões dos pacotes.

Capítulo 4

Proposta

Neste capítulo é apresentada a proposta de dissertação que tem como principal contri-buição o desenvolvimento de uma ferramenta para gerenciamento de redes e dispositivosWirelessHART.

A aplicação desenvolvida tem por finalidade recuperar e configurar diversos parâme-tros suportados pelo padrão WirelessHART conforme descrito na Figura 4.1, de forma apermitir uma análise da confiabilidade, do consumo de energia, do roteamento e das esta-tísticas das informações transmitidas na rede. A lista de informações inclui dados sobreos dispositivos (propriedades da camada MAC, nível da bateria, roteamento, estatísticasobre vizinhos, temperatura, etc), a rede (quantidade de dispositivos, concordância emrelação ao nível do serviço, estado, confiabilidade, estatística de pacotes, alarmes, esta-bilidade, etc), os enlaces de comunicação (qualidade de serviço) e o sistema (usuários,redundância, sessões, etc).

Figura 4.1: Variáveis monitoradas e configuradas da rede.

34 CAPÍTULO 4. PROPOSTA

4.1 Comunicação com Dispositivos WirelessHART

A fim de permitir a comunicação entre a aplicação e os servidores WirelessHART, queestão presentes no gerente de rede, foram desenvolvidos três drivers de comunicação comequipamentos dos dois principais fabricantes do mercado, nomeadamente Dust-Networkse Emerson Process Management. Um driver usa a porta serial e o protocolo XML-RPCpara interação com o SmartMesh WirelessHART Starter Kit da Dust-Network, enquantoo outro driver utiliza o protocolo HART sobre IP, envio de comandos HART dentro dedatagramas do protocolo IP, para interagir com o gateway e dispositivos industriais daEmerson Process Management. Na Figura 4.2 é exibido o fluxo dos comandos enviadosda ferramenta desenvolvida neste trabalho, chamada de BR-WirelessExpert que será des-crita adiante, para o gateway e na Figura 4.3 é mostrado o fluxo dos comandos enviadosdiretamente para um dispositivo.

Figura 4.2: Fluxo dos comandos enviados para o gateway.

Figura 4.3: Fluxo dos comandos enviados diretamente para um dispositivo.

4.1.1 Equipamentos Industriais WirelessHART

Os equipamentos industriais da Emerson Process Management, onde estão imple-mentados o padrão de comunicação WirelessHART, utilizam redes de auto-organizaçãopara garantir que suas informações de medição estejam sempre disponíveis. Essas redesotimizam automaticamente a conectividade para ter alta confiabilidade dos dados, elasoferecem segurança, escalabilidade e confiabilidade dos dados. A segurança em camadasgarante que a rede permaneça protegida. Dispositivos adicionais podem ser adicionados

4.1. COMUNICAÇÃO COM DISPOSITIVOS WIRELESSHART 35

a qualquer momento sem a necessidade de configurar caminhos de comunicação hajavisto que o gateway administra a rede automaticamente. Esta funcionalidade tambémgarante que os dispositivos de campo tenham o caminho mais confiável para enviar da-dos [Management 2009]. Os dispositivos que estão à disposição no laboratório, sensoresde temperatura, pressão e posição, são exibidos na Figura 4.4.

Figura 4.4: Equipamentos WirelessHART da Emerson Process Management.

4.1.2 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

Produzido pela empresa Dust-Networks (comprada recentemente pela Linear), o Smart-Mesh WirelessHART Starter Kit, exibido na Figura 4.5, fornece um conjunto de hard-

ware/software suficiente para criação de uma rede WirelessHART simples. O kit incluicinco dispositivos de campo, uma placa de desenvolvimento, um gateway com o geren-ciador da rede e de segurança incorporados e softwares para configuração (chaves desegurança, identificação da rede, etc).

Os motivos para adoção deste kit WirelessHART estão relacionados com o fato deque o mesmo hardware (componentes onde o padrão WirelessHART está implementado)é utilizado em dispositivos industriais encontrados no mercado, permitindo a interopera-bilidade com equipamentos industriais.

4.1.3 Driver Serial

Os dispositivos do kit da Dust-Networks podem ser configurados diretamente atravésde uma porta serial. Ao adquirir um dispositivo WirelessHART desse kit, aquele vem de


Figura 4.5: Variáveis monitoradas e configuradas da rede.

fábrica com as configurações padrões. A porta serial pode ser utilizada para a configu-ração inicial. Por exemplo, para o gateway a porta serial é utilizada para configurar suaporta Ethernet, identificação e chaves de segurança da rede. Adicionalmente, um dispo-sitivo pode alterar seu estado de operação (mestre ou escravo) através da porta serial. Noestado mestre, um dispositivo funciona automaticamente enquanto que o estado escravoé utilizado para testes, por exemplo, para monitorar manualmente a entrada na rede. Ofluxo dos comandos enviados para o gateway pode ser visto na Figura 4.2 e o fluxo doscomandos enviados para os motes pode ser visto na Figura 4.3.

Os comandos disponibilizados para comunicação serial (CLI, command line interface)são:

Para o mote (os comandos estão descritos em [Dust-Networks 2013]):

• get: usado para obter o modo de funcionamento do dispositivo (mestre ou escravo);• help: fornece informações sobre um determinado comando;• info: fornece informações sobre a camada de aplicação;• loc: usado para enviar um comando;


• mclearnv: reseta os parâmetros de aplicação do dispositivo;• mget (parâmetros: netid, macaddr, joincntr, txpwr, jkey, psrcid, psrcdiscur, psrcdis-

time, psrcrectime, ttl, antgain, otaplock, joinmode, joinshed e hrcountmode): usadopara obter dados da camada MAC, por exemplo, a chave de entrada na rede, modode junção, identificador da rede, entre outros;

• mgeti (parâmetros: pftimer, advtout, numjnpar, srmaxretr, joindc, traceflgs, joindly

e nwl): usado para obter parâmetros da máquina de estado da camada MAC, porexemplo, clico de trabalho na entrada na rede, atraso na entrada na rede, entreoutros;

• minfo: fornece informações sobre o dispositivo;• mset (parâmetros: netid, macaddr, joincntr, txpwr, jkey, psrcid, psrcdiscur, psrcdis-

time, psrcrectime, ttl, antgain, otaplock, joinmode, joinshed e hrcountmode): usadopara alterar os valores de parâmetros da camada MAC, como por exemplo, endereçoMAC, potência de transmissão, entre outros.

• mseti (parâmetros: pftimer, advtout, numjnpar, srmaxretr, joindc, joindly e nwl):usado para alterar parâmetros da máquina de estado da camada MAC, por exemplo,forçar a lista de vizinhos, timeout após ouvir um pacote de advertisement, entreoutros;

• mstacks: fornece informações sobre a memória usada e status de erros;• mtrace (parâmetros: mac, io, otap e all): permite exibir os dados trafegados pela

camada MAC;• mtracesv: salva os parâmetros na memória não volátil;• mxtal (parâmetros: trim e meas): usado para alterar a frequência do cristal oscilador

do dispositivo;• radiotest (parâmetros: mode, tx, rx e stat): habilita ou desabilita o teste de comuni-

cação via rádio do dispositivo;• reset: reinicia o dispositivo;• set: usado para alterar o modo de funcionamento do dispositivo (mestre ou escravo);• trace (parâmetros: loc, oap e all): permite exibir os comandos executados pela

camada de aplicação.

Para o gateway (os comandos são especificados em [Dust-Networks 2012a]):

• delete: usado para remover um mote da lista de controle de acesso;• deleteSession: usado para encerrar uma sessão de um determinado cliente;• exec (parâmetros: activateAdv, activateFastPipe, cancelOtap, deactivateFastPipe,

decommissionDevice, exchangeJoinKey, exchangeMoteJoinKey, exchangeNetwor-


kId, exchangeMoteNetworkId, exchangeNetworkKey, exchangeSessionKey, getLa-

tency, getLicense, getTime, reset, sendRequest, setLicense e startOtap): usado paraexecutar comandos, como por exemplo, alteração da chave de junção na rede, enviaruma requisição para um dispositivo, entre outros;

• get (parâmetros: acl, acls, alarms, blacklist, mote, motes, network, otapfiles, otap-

motes, otapstatus, paths, path, security, sla, system e users): usado para obter osvalores dos parâmetros, como por exemplo, saber se um determinando dispositivopode acessar a rede, exibir todos os alarmes, etc;

• help: fornece informações sobre um determinado comando;• logout: encerra a sessão atual de comunicação;• onechannel: força a comunicação na rede ser realizada por um determinado canal;• otap (parâmetros: start, status e stop): permite atualizar o software dos dispositivos

da rede;• ping (parâmetros: show e stop): envia um pacote para um determinado mote;• set (parâmetros: acl, blacklist, mote, network, security, sla, system e user): usado

para alterar os valores de parâmetros dos objetos da rede, como por exemplo, achave de junção na rede de um determinado mote, alterar o nome de um dispositivo,etc;

• show (parâmetros: cli-sessions, events, frame, ap, linksmap, mote, motes, msg, op-

timization, sessions, stat, status, time e ver): usado para exibir informações sobreeventos da rede, dispositivos, entre outros dados;

• sm: fornece informações sobre todos os motes da rede;• trace: usado para exibir informações do sistema do gateway.

Todos os comandos disponíveis para comunicação serial tanto com o mote quanto como gateway foram implementados.

4.1.4 Driver XML-RPC

XML-RPC é um protocolo de comunicação baseado em chamadas de procedimentoremoto (RPC) codificadas em XML sobre o protocolo HTTP. Esta tecnologia foi intro-duzida em conjunto por UserLand Software e Microsoft, em 1998 [Winer 1998]. Ele éprovavelmente a abordagem mais simples de serviço web, permitindo que o desenvolve-dor faça chamadas de métodos através da rede. Utilizando a combinação de três padrões,a arquitetura de comunicação (RPC), a linguagem (XML), e o mecanismo de transporte(HTTP), o XML-RPC é uma excelente tecnologia para o estabelecimento de vários ti-pos de conexão entre computadores, bem como entre diferentes dispositivos [Ciccozzi


et al. 2010]. O XML-RPC é utilizado para interagir com o gerente da rede e os dispo-sitivos WirelessHART do SmartMesh WirelessHART Starter Kit devido ao fato de ser omodo de comunicação mais fácil entre os disponibilizados pelo kit (a saber, Serial, SSHe XML-RPC são os protocolos de comunicação disponibilizados). O gateway industrialda Emerson Process Management também possui a comunicação via XML-RPC, mas,atualmente, não é possível abrir a porta de comunicação desse protocolo devido à falta deusuário com a devida permissão.

A arquitetura RPC (na qual o XML-RPC é baseado), implica na presença de duaspartes: um processo de chamada (cliente) e um processo chamado (servidor). O clienteutiliza procedimentos fornecidos por um servidor em uma determinada URL via HTTP.Em nossos experimentos, o gerenciador da rede atua como servidor, enquanto que a nossaaplicação, que tem por finalidade analisar o consumo de energia na rede, atua como cli-ente. Dessa forma, nossa aplicação é capaz de invocar todos os métodos fornecidos pelogerenciador da rede através de mensagens XML-RPC, que são solicitações POST (viaHTTP) cujo corpo é escrito em XML. Essas mensagens contêm o nome do método invo-cado pelo cliente, e que será executado pelo servidor, dentro da tag XML <methodName>

e </methodName>. O servidor, então executa o método e responde com uma outra mensa-gem formatada em XML. O fluxo dos comandos enviados para o gateway via XML-RPCpode ser visto na Figura 4.2.

Um exemplo de mensagens de requisição e sua resposta podem ser vistas, repesctiva-mente, na Figura 4.6.

Os métodos disponibilizados, geralmente, utilizam parâmetros especificados na tag

XML <params> e </params> que pode, em alguns casos, ser vazia. Esses parâmetrospodem ser números inteiros ou reais, textos, datas, valores lógicos, arranjos dos valo-res anteriores, estruturas de registro e listas complexas. Todos os comandos disponí-veis foram implementados no driver (esses comandos são mostrados em [Dust-Networks2012b]), são eles:

• login: usado iniciar uma sessão de comunicação com o gerente da rede;• logout: encerra a sessão atual de comunicação;• subscribe: usado para abrir uma porta a fim de obter dados da rede de forma assín-

crona;• unsubscribe: usado para fechar a porta de comunicação assíncrona;• get (parâmetros: config, latency, time e license): usado para obter os dados de

configuração e latência da rede e tempo e licença do sistema do gerente da rede;• set (parâmetros: config e license): usado para alterar os dados de configuração da


<?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 4.6: Requisição e resposta no padrão XML-RPC.

rede e a licença do sistema;• deleteConfig: usado para remover uma configuração da rede;• sendRequest: usado para enviar uma requisição para os motes da rede;• exchange (parâmetros: networkKey, joinKey, moteJoinKey, networkId e session-

Key): usado para alterar os valores de parâmetros dos objetos da rede, como porexemplo, a chave de junção na rede de um determinado mote, alterar o identificadorda rede, etc;

• start (parâmetros: otap e otap with retries): permite atualizar o software dos dispo-sitivos da rede;

• cancelOtap: cancela uma atualização de software dos dispositivos da rede;• activate (parâmetros: fastPipe e advertising): ativa o uso do canal de banda largade

comunição ou o envio de pacotes de advertising por um mote específico;• deactivateFastPipe: desativa o uso do canal de banda largade comunição;• decommissionDevice: remover um determinado mote da rede;• pingMote: envia um pacote para um determinado mote;• reset (parâmetros: withId e withMac): reinicia as configurações de um objeto da

rede;• cli: usado para enviar um comando da interface CLI (comandos da interface serial)

para o gerente da rede.


4.1.5 Driver HART

Como a especificação do padrão WirelessHART especifica que todo gateway indus-trial deve disponibilizar a comunicação via HART (embora não proíba o uso de outrosprotocolos pelos fabricantes) [(IEC) 2010], a única maneira de garantir que nossa aplica-ção servirá para todos os gateways WirelessHART foi implementando uma forma de secomunicar via HART sobre IP. A proposta, a médio prazo, é a alteração do BR-Collectorpara suportar comunicações via HART conforme exibido na Figura 4.7.

Figura 4.7: Nova arquitetura do BR-Collector.

A implementação deste driver se tornou possível após análise dos comandos HART eWirelessHART, além do funcionamento da camada de aplicação do protocolo HART. Estedriver permite o monitoramento e gerenciamento de redes WirelessHART, pois todos oscomandos necessários foram implementados. E levando em conta que o HART é um dosprotocolos industriais mais difundidos pelo mundo com mais de 30 milhões de disposi-tivos instalados, entende-se que sua implementação é de grande ajuda para as pesquisascientíficas da UFRN relacionadas à automação industrial. Os comandos deste driver sãosempre enviados para o gateway e seguem o padrão da seguinte norma [(IEC) 2010]. Ofluxo de troca de comandos pode ser visto na Figura 4.2. Entre os comandos implemen-tados estão os seguintes:

• Referentes aos dados dos equipamentos (comandos 0, 20, 84, 777, 778, 781, 798e 841): esses comandos permitem obter dados importantes sobre os equipamentosindustriais, como por exemplo, versão do software, identificador do dispositivo,tipo do dispositivo, nome da tag, canal de comunicação, tipo da fonte de energia,informações da bateria, etc;

• Referentes aos valores lidos pelos sensores dos equipamentos (comandos 1, 2 e 3):


eles informam os valores das variáveis primária, secundária, terciária e quaternária,além de informações sobre a corrente, entre outras informações;

• Referentes aos dados da topologia da rede (comando 74 e 784): com esses é possívelsaber a quantidade de dispositivos na rede, de links existentes, o canal usado pelolink, o vizinho, sentido de comunicação do link, entre outros dados.

4.2 Ferramenta

Diante da necessidade da indústria em usar as novas tecnologias de comunicação semfio em seus processos, este trabalho vem apresentar uma nova ferramenta para gerencia-mento e diagnóstico de redes industriais sem fio, o software BR-WirelessExpert. A ferra-menta suporta o monitoramento em tempo real como também em modo offline (baseadoem variáveis armazenadas previamente) a partir de uma interface amigável. Adicional-mente, configurações dos dispositivos e rede podem ser realizadas para que os requisitosespecíficos de cada aplicação possam ser alcançados.

O sistema permite avaliar o comportamento de uma rede WirelessHART, com o ob-jetivo de validar a proposta foram utilizados os motes do SmartMesh WirelessHARTStarter Kit e os dispositivos industriais da Emerson Process Management. A ferramentacomunica-se com a rede WirelessHART do kit através dos drivers Serial e XML-RPCe com os equipamentos industriais a partir do driver HART para troca de pacotes. Asconfigurações dos dispositivos do kit são realizadas via driver Serial de acordo com ofluxo exibido na Figura 4.3, enquanto que as requisições para o gerente da rede podem serenviadas através dos outros dois drivers, se a informação solicitada não estiver presentenele, a mesma é encaminhada para o dispositivo solicitado, conforme o fluxo exibido naFigura 4.2.

A fim de permitir a comunicação entre a aplicação e o servidor, que está presente nogerente da rede do SmartMesh WirelessHART Starter Kit, foram desenvolvidos os drivers

Serial e XML-RPC, o que resultou na primeira versão do BR-WirelessExpert, que é umaaplicação para desktop. Uma visão geral da ideia é apresentada na Figura 4.8.

A ferramenta possibilita recuperar e configurar diversos parâmetros suportados pelopadrão WirelessHART para o kit, conforme descrito na Figura 4.1. A lista de informa-ções inclui dados sobre os dispositivos (propriedades da camada MAC, nível da bateria,roteamento, estatística sobre vizinhos, temperatura, etc), a rede (quantidade de disposi-tivos, concordância em relação ao nível do serviço, estado, confiabilidade, estatística depacotes, alarmes, estabilidade, etc), os enlaces de comunicação (qualidade de serviço) e osistema (usuários, redundância, sessões, etc).

4.2. FERRAMENTA 43

Figura 4.8: Arquitetura do BR-WirelessExpert.

Outra funcionalidade da ferramenta é a capacidade em formar a topologia real darede analisada, como exibido na Figura 4.9. Para exemplificar tal funcionalidade, foirequisitado ao gerente da rede que informasse todos os dispositivos que faziam parte datopologia junto com suas conexões primárias via driver XML-RPC.

Figura 4.9: Topologia de rede WirelessHART.

Ao perceber que embora o gateway da Emerson Process Management possua a co-municação via XML-RPC, a porta para troca de comandos por esse protocolo encon-trasse fechada, então foi decidido que seria desenvolvido um novo driver de comunicação


usando o protocolo HART sobre IP. A utilização deste protocolo se justifica porque todosos gateways devem suportar esse protocolo de acordo com a norma que regulamenta ouso de equipamentos WirelessHART. Além disso, segundo a estratégia do Laboratório deInformática Industrial, foi decidido que o BR-WirelessExpert passaria a ser um sistemaWeb, a nova versão do sistema é mostrada no Capítulo 5. Uma visão geral da proposta éapresentada na Figura 4.10.

Figura 4.10: Arquitetura da aplicação.

Capítulo 5

Resultados

Neste capítulo são apresentadas os resultados da dissertação que tem como principalcontribuição o desenvolvimento de uma ferramenta para gerenciamento de redes e dispo-sitivos WirelessHART.

5.1 Controle em Rede WirelessHART

A fim de exemplificar a importância do uso do driver XML-RPC e também desmis-tificar o uso de protocolos de comunicação sem fio em malhas de controle na indústria,nesta seção são apresentados cenários de diagnóstico ativo os quais permitem avaliar ocomportamento de uma rede WirelessHART. Para validar a proposta foram utilizados okit de desenvolvimento SmartMesh WirelessHART Starter Kit [Dust-Network 2013], umArduino Mega 2560, um sensor industrial de pressão da Emerson Process Management,um módulo didático de tanques acoplados da Quanser, um módulo de potência e umabomba para bombear a água.

A aplicação de controle desenvolvida comunica-se com a rede WirelessHART a partirdo driver de comunicação universal baseado em XML-RPC. Essa abordagem permite aleitura da pressão medida pelo sensor industrial (o sensor foi configurado para enviar amedida da pressão em tempos definidos para cada configuração de teste) a fim de repassara informação ao controlador. A mesma estratégia é usada para possibilitar o envio da açãode controle gerada pelo controlador para o gateway. O Arduino pode ler a informaçãopré-processada dos pacotes que chegam ao dispositivo via comunicação serial e entãoagir como atuador acionando a bomba com a tensão especificada no pacote. Uma visãogeral do cenário é exibida na Figura 5.1.

46 CAPÍTULO 5. RESULTADOS

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 5.1: Cenário com os instrumentos.

Sistema de Tanques e Bomba

Os testes de controle de nível foram realizado sobre uma planta didática que contacom dois tanques, uma bomba e um reservatório de água.

A bomba pode trabalhar com uma tensão nominal de 0-12 volts e uma corrente entre3-5 ampéres necessitando de um módulo de potência para a sua ativação. A bomba captaa água do reservatório e leva até o tanque superior.

O sistema de tanques funciona através de gravidade, onde a água é recebida pelotanque superior e por gravidade, passa para o tanque inferior através de um orifício nofundo. O tanque inferior, por sua vez, repassa a água de volta para o reservatório. Nofundo de cada tanque existe um segundo orifício que é onde os sensores de pressão sãoconectados.

A medição do nível de água no tanque é realizada através da pressão que a água exerceno fundo do tanque. O instrumento industrial realiza a medição dessa pressão e a convertepara o valor do nível em milímetros.

5.1. CONTROLE EM REDE WIRELESSHART 47

Malha de Controle

A malha de controle é baseada no sensor (o medidor de pressão 3051S da EmersonProcess Management) que realiza a leitura do nível do tanque e envia essa informaçãopara o gateway. Ressalta-se que o gateway apenas gerencia a rede sem fio, ele não possuifuncionalidades para gerar ações de controle. Essa tarefa fica a cargo do sistema de con-trole que foi implementado, o qual se comunica com o gateway através de um coletor dedados via XML-RPC.

O coletor permite abrir uma conexão com o gateway via XML-RPC, que permitereceber dados assincronamente do gateway. Devido ao gerenciamento do coletor ser umWeb service, ou seja, utiliza um protocolo de comunicação universal, o acesso aos dadosda rede a partir de aplicações clientes podem ser implementados em várias linguagens deprogramação.

A ação de controle propriamente dita é realizada por um software controlador, queroda no computador do cliente. Esse software recebe a informação de pressão oriundado sensor de pressão e é repassada ao gateway, processa a informação e gera a ação decontrole que é enviada para o gateway novamente. Essa ação de controle é endereçada aoinstrumento final (o dispositivo que está ligado ao sistema de atuação na rede) e cabe aogateway apenas transmitir via rede WirelessHART o sinal de atuação.

O sinal de atuação é o valor de tensão a ser aplicado à bomba do sistema de tanques.Mas, como o instrumento final (dispositivo) não possui uma saída analógica para gerar atensão necessária, a ação de controle é repassada para o elemento com tal capacidade, oArduino.

O Arduino conecta-se diretamente ao dispositivo e recebe a informação pré-processadapor este (a informação sem o encapsulamento da WirelessHART) através de uma cone-xão serial. Então o Arduino captura apenas a parte da informação referente à tensão a seraplicada e gera em sua saída analógica a tensão desejada. Essa tensão é aplicada à bomba,através do módulo de potência, gerando o fluxo de água que irá encher ou secar o tanquee fechar a malha de controle.

Com o intuito de verificar o atraso no envio dos dados através da rede sem fio, o Ar-duino foi conectado ao computador onde a aplicação de controle está localizada. Assim,cada vez que a aplicação de controle envia um novo sinal de tensão ele começa a contaro tempo monitorando a porta de comunicação com o Arduino. Esse por sua vez, paracada nova tensão recebida, envia a tensão para o módulo de potência e também, repassa ainformação pré-processada recebida para a aplicação de controle via porta USB.

A aplicação de controle então realiza a diferença entre o tempo de envio e o tempo


que chegou o valor de tensão a ser aplicado na bomba. Essa diferença de tempo está rela-cionada aos atrasos ocorridos na rede sem fio, os atrasos de processamento de informaçãono gateway e atrasos de comunicação entre o gateway e o dispositivo.

O controlador PID desenvolvido permite configurar os ganhos e o setpoint através deuma interface homem-máquina. A Figura 5.2 exibe a interface gráfica do controlador.

Figura 5.2: Controlador.

Resultados do Experimento

Como prova de conceito, foi montada uma rede WirelessHART com as ferramentasapresentadas na seção anterior. Configurou-se o gateway, e consequentemente o gerenteda rede, o dispositivo e o sensor de pressão, de modo a formar o cenário exibido naFigura 5.1.

Em seguida foram realizados alguns testes, cada qual com uma taxa de atualização di-ferente ou configuração de rede diferente e com a mesma configuração para o controladorcomo ilustrado na Tabela 5.1.

Teste Parâmetros (Kp, Ki, Kd)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 5.1: Kp, Ki e Kd para cada rodada de testes.


A função fast pipe, permite criar uma conexão com grande largura de banda (pipe)entre o gerente da rede e um dispositivo, possibilitando a troca de grande quantidade deinformações em um curto intervalo de tempo entre os dois equipamentos. Essa funcio-nalidade foi necessária para controlar o tanque com dados coletados a cada 1 segundo,pois o tempo entre o envio do pacote pelo gerente da rede e o recebimento de pacotes nodispositivo era aproximadamente 2 segundos pelo que foi analisado. O gateway não con-segue enviar pacotes em taxa inferior a 2 segundos, o que gerou atrasos na comunicaçãono teste de controle com dados coletados a cada 1 segundo.

Analisou-se vários cenários alterando a configuração de transmissão dos pacotes. Porexemplo, na Figura 5.3 é apresentado o comportamento do nível do tanque onde a leiturada pressão, o processamento da ação de controle e o envio da ação de controle para oatuador são feitos a cada 4 segundos sem a utilização do fast pipe. Percebe-se que o con-trole se estabilizou nos níveis de 250, 50 e 100 milímetros, ou seja, seu comportamentofoi normal. O comportamento referente ao setpoint de 150 milímetros se deve ao com-portamento não linear do sistema de tanques. O controle foi efetuado com sucesso nestescasos e a média no atraso foi de aproximadamente 2 segundos.

Figura 5.3: Controlador com tempo de 4 segundos.

A Figura 5.4 apresenta o tempo de atraso para cada pacote enviado ao atuador noteste com 4 segundos sem a utilização do fast pipe. Ela mostra que o comportamentoinesperado da planta (o nível do tanque não convergiu), quando o setpoint desejado era


de 200 milímetros, se deve aos atrasos superiores a 4 segundos que ocorreram no inícioda alteração do setpoint desejado de 50 milímetros para 200 milímetros.

Figura 5.4: Atraso do controlador com tempo de 4 segundos.

Na Figura 5.5 pode-se analisar o comportamento do nível do tanque para o teste de1 segundo sem a utilização do fast pipe. E percebe-se que o controle estava muito ruim.Observa-se que controlar a planta com as configurações estabelecidas era inviável, pois oatraso estava aumentando linearmente com o aumento do envio de pacotes como pode serobservado na Figura 5.6.

Sendo assim, foi preciso ativar a função fast pipe, com a qual o gateway conseguetransmitir pacotes em taxa inferior a 2 segundos, a fim de possibilitar um comportamentobem melhor do controle do nível do tanque como pode ser verificado na Figura 5.7. Estaconfiguração também mostra que foi a melhor configuração encontrada para controlar omódulo de tanques.

Ao analisar o atraso no teste de 1 segundo com fast pipe apresentando na Figura 5.8,observa-se que como a média do atraso era inferior a 296 milissegundos, o controladoraté poderia controlar a planta numa taxa de 300 milissegundos, mas este caso não foitestado, pois o medidor de pressão 3051S da Emerson Process Management não conseguetransmitir pacotes numa taxa inferior a 1 segundo.

O trabalho mostrou que é possível fazer um sistema de controle com equipamentos in-


Figura 5.5: Controlador com tempo de 1 segundo.

Figura 5.6: Atraso do controlador com tempo de 1 segundo.


Figura 5.7: Controlador com tempo de 1 segundo usando a função fast pipe.

Figura 5.8: Atraso do controlador com tempo de 1 segundo usando a função fast pipe.

5.2. BR-WIRELESSEXPERT 2.0 53

dustriais sem fio, embora haja limitações referentes à taxa de transmissão de informaçõesna rede sem fio WirelessHART. Como observado, o controle com taxa de processamentode 1 segundo só foi possível utilizando a função fast pipe, informando que a funciona-lidade fast pipe devido ao fato de seu tempo de duração não ser especificado no padrãoWirelessHART, precisa ser verificada se está ativa em determinados intervalos de tempode forma a garantir o seu uso durante todo o teste.

5.2 BR-WirelessExpert 2.0

Nomeado de BR-WirelessExpert, que em sua segunda versão passou a contar com odriver HART, o seu principal objetivo é fornecer informações valiosas sobre redes indus-triais sem fio tanto para operadores quanto para projetistas, permitindo o desenvolvimentode aplicações industriais tolerantes a falhas e manutenção do sistema de forma mais efici-ente.

A fim de exemplificar sua funcionalidade, foi montada uma rede WirelessHART sim-ples com os dispositivos industriais. Em seguida, a rede foi analisada utilizando a ferra-menta de diagnóstico proposta. O primeiro passo para montar a rede foi a configuraçãodo gateway e consequentemente o gerente da rede, em seguida, um procedimento similarfoi realizado nos dispositivos, formando a topologia descrita na Figura 5.9. Uma das fun-cionalidades da ferramenta é a capacidade de formar a topologia real da rede analisada.Para exemplificar tal funcionalidade, foi requisitado ao gerente da rede que informasse to-dos os dispositivos que faziam parte da rede junto com os links existentes. Estudos estãosendo realizados para possibilitar a diferenciação da rota primária e secundária, além daincorporação de outras informações, como por exemplo, RSSI (Received Signal StrengthIndicator) e quantidade de pacotes trafegados e falhas ocorridas.

As informações gerais da rede também podem ser visualizadas em formato de tabela,caso o usuário tenha interesse, como exibido na Figura 5.10. As informações exibidas são:os tempos UTC (Coordinated Universal Time) e ASN (Absolute Slot Number) do gerenteda rede, número máximo de dispositivos suportados pela rede e número de dispositivospresentes na rede. O usuário também pode editar os dados da rede, por exemplo, alterar achave de junção, ou remover uma determinada rede.

Após obter a topologia, foi realizado o acompanhamento em tempo real das variáveisdos dispositivos, entre elas estão o nome da tag do dispositivo, variáveis primária (PV),secundária (SV), terciária (TV) e quaternária (QV), a quantidade de dias restantes da cargada bateria, a potência de transmissão em dBm e o nível do sinal recebido por cada sensorem dBm. Devido à grande quantidade de unidades de medida existentes, as mesmas ainda


Figura 5.9: Topologia da rede.

Figura 5.10: Redes cadastradas no sistema.

estão sendo mapeadas, por enquanto temos acesso ao seu código que não é exibido, poisnão facilita a compreensão do usuário. Os resultados são descritos na Figura 5.11.

Os links entre os dispositivos, formando os canais de comunicação dentro da rede,também podem ser monitorados. Na Figura 5.12 são exibidas as informações dos links,como o índice do link dentro da lista de links conectados ao dispositivo de origem, oidentificador do superframe usado pelo link, o número do slot no superframe, o canal, onome das tags do dispositivos de origem e destino (vizinho), as opções do link indicam adireção (se é upstream - 1 ou downstream - 2) e o tipo do link indica se é normal - 0 (paraum único dispositivo) ou usado para broadcast - 2.

5.3. GERENCIAMENTO DOS DADOS DE DISPOSITIVOS WIRELESSHART 55

Figura 5.11: Lista de dispositivos.

Figura 5.12: Links da rede.

5.3 Gerenciamento dos Dados de Dispositivos Wireles-sHART

A fim de auxiliar na gestão dos processos industriais em redes WirelessHART deforma otimizada com técnicas apropriadas para gestão de big data, utilizou-se o BR-PlantHistorian para armazenar e distribuir os dados dos dispositivos. Também foi utili-zado o BR-PlantViewer para monitoramento das variáveis de processos, possibilitandoo acompanhamento dos dados de cada experiência em tempo real ou a partir de dadoshistóricos, através de telas e gráficos construídos dinamicamente. Os valores das variá-veis primárias dos sensores de temperatura foram coletados via driver HART sobre IP acada 1 segundo e são exibidos em tempo real na tela de acompanhamento mostrada naFigura 5.13.


Figura 5.13: Tela com os valores das variáveis de processo em rede WirelessHART.

Capítulo 6

Conclusão e Trabalhos Futuros

Nos dias atuais a comunicação sem fio tem despertado interesse e está se tornandouma tendência nos ambientes industriais. Em parte essa realidade deve-se às facilidadesde implantação e manutenção, dispensando projetos sofisticados e execução de obras comcustos proibitivos para implementação do cabeamento. Adicionalmente, a inserção dessastecnologias permite a criação de aplicações que não eram possíveis com as tecnologiaslegadas, além da flexibilização de testes. Apesar dos benefícios diretos, desafios técnicos(confiabilidade, autonomia de recursos energéticos, interferência do ambiente) e cultu-rais se apresentam como os principais entraves para a implantação das redes industriaissem fio. Face esse novo paradigma de comunicação, a especificação WirelessHART estásurgindo como uma solução padrão.

Com o objetivo de desmistificar a utilização de tecnologias sem fio em ambientes in-dustriais foi desenvolvida neste trabalho uma ferramenta de diagnóstico (passiva e ativa)para redes WirelessHART baseadas em drivers de comunicação universal (Serial e XML-RPC) e via protocolo HART sobre IP. Os resultados a partir de dispositivos reais demons-traram a viabilidade da proposta em monitorar e configurar uma rede WirelessHART.Também avaliou-se o desempenho de controladores em redes WirelessHART com comu-nicação baseada no driver XML-RPC, desta forma a extração de dados da rede se tornaindependente de linguagem de programação, apresentando flexibilidade na integração fu-tura com outras aplicações já instaladas em plantas industriais.

A ferramenta desenvolvida apoia análises do ponto de vista de projetistas e opera-dores, proporcionando valiosas informações que permitem o desenvolvimento de aplica-ções industriais tolerantes a falhas e manutenção de sistemas de forma mais eficiente, porexemplo, monitorar a influência do nível de potência de transmissão no nível de bateriados dispositivos a fim de descobrir a melhor posição para um determinado dispositivo noambiente industrial e prever o período de quando a troca da bateria deverá ser realizada.

58 CAPÍTULO 6. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

6.1 Comparação entre os Drivers

Comparando os três drivers desenvolvidos para comunicação (Serial, XML-RPC eHART sobre IP) com os dispositivos de redes industriais sem fio, as principais quesitosde discussão estão descritos na Tabela 6.1.

Quesito Serial XML-RPC HARTVelocidade de co-municação

A comunicaçãovia porta serialé a mais rápida,apresentando amenor latência

O driver XML-RPC apresentatempo de co-municaçãointermediárioentre os três

Esse é o que ofe-rece tempo de co-municação maiselevado devido àscaracterísticas doprotocolo HART

Dificuldade deimplementação

Devido ao fatode sua docu-mentação nãodetalhar todosos comandos, aimplementaçãode alguns coman-dos necessita deuma análise depacotes trocadosna comunicação

Esse apresentaa maneira maissimples de im-plementação,pois sua docu-mentação estádetalhada

A sua implemen-tação é mais com-plicada do que aserial por causada estrutura doscomandos do pa-drão HART

Funcionalidades Em relação àdiversidade defuncionalidades,o driver serial é omais limitado

Apresenta maisfuncionalidadesem relação aodriver serial,mas tem menosfunções do que oHART

Esse é o que apre-senta maior diver-sidade de funções

Tabela 6.1: Comparações entre os drivers para comunicação com equipamentos industri-ais.

6.2 Trabalhos Futuros

Como trabalhos futuros, pretende-se utilizar a ferramenta de diagnóstico para iden-tificar os melhores parâmetros da rede a serem utilizados para aplicações específicas deforma a otimizar a gestão de ativos. Para tanto, estudos sobre a entrada na rede (ciclode trabalho, perfis de banda), latência (congestionamento, falhas), formas de roteamento

6.2. TRABALHOS FUTUROS 59

(graph, source, superframe, proxy), modelos de consumo de energia e confiabilidadeprecisam ser realizados. Além de extendê-la a outras redes industriais sem fio, comoa ISA100.11a.

As próximas atividades propostas estão listadas a seguir:

1. Implementação dos métodos para comunicação assíncrona através do driver HARTsobre IP via BR-Collector.

2. Coleta e análise dos tempos gastos e consumo de energia por dispositivos Wireles-sHART em diversas circunstâncias: durante a inicialização, durante o processo dejoin, durante a transmissão de pacotes de diversos tamanhos, durante a perda deconexão e durante o modo sleep.

3. Análise das formas de roteamento em redes WirelessHART.

4. Análise da estimativa da vida útil da bateria dos dispositivos.

5. Implementação do driver ISA100.11a para o BR-Collector.

6. Implementação de controladores para redes ISA100.11a.

7. Comparação de desempenho entre os controladores para redes WirelessHART eISA100.11a.

60 CAPÍTULO 6. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

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