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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADOMestrando: MARCO AURÉLIO CORRÊA
Engenheiro Eletricista
UM SISTEMA ESPECIALISTA PARA SELEÇÃO DE REDES INDUSTRIAIS
Dissertação apresentada para obtenção do título
de Mestre em Automação Industrial da
Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro
de Ciências Tecnológicas – CCT, orientada pelo
Prof. Dr. Marcelo da Silva Hounsell.
Joinville, Agosto de 2003
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
"UM SISTEMA ESPECIALISTA PARA SELEÇÃO DE REDES INDUSTRIAIS "
por
Marco Aurélio Corrêa
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Especialidade em "Automação e Informática Industrial", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. Marcelo da Silva Hounsell(presidente - UDESC)
Banca Examinadora:Joinville, agosto de 2003 Dr. Claudio Cesar de Sá
(UDESC)
Dr. Marcelo Teixeira dos Santos(IST)
Dr. Antônio Heronaldo de Souza(suplente - UDESC)
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À minha família ...
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Agradecimentos
Agradeço a Deus pela magia da vida e por tudo o que ela nos proporciona.
Agradeço profundamente a minha esposa Claudia e a minha filha Catarina, pelo
apoio e compreensão nas muitas horas de ausência.
Agradeço meus familiares pelo incentivo, principalmente a meus pais, sem os quais
jamais teria alcançado tal objetivo.
Em especial, agradeço o professor Marcelo da Silva Hounsell, pela orientação
deste trabalho, dedicação, prestatividade, apoio e amizade, nas diversas etapas de
construção desta dissertação.
Agradeço ao Prof. Aldelir Fernando Luiz pela ajuda no início do desenvolvimento
do Sistema Especialista.
Agradeço aos colegas de curso e demais professores do Departamento de
Engenharia Elétrica, que, de uma forma ou de outra, contribuíram para a realização deste
trabalho.
A todos estes, dedico esta obra.
v
Sumário
1. Introdução................................................................................................................... 3
1.1 Identificação e Problema......................................................................................3
1.2 Motivação ............................................................................................................ 4
1.2.1 Vantagens da Utilização de Redes Industriais..............................................4
1.3 Por que um Sistema de Seleção é Importante ?.......................................................5
1.4 Objetivos................................................................................................................6
1.4.1 Objetivo Geral ................................................................................................6
1.4.2 Objetivos Específicos......................................................................................6
1.5 Metodologia ........................................................................................................... 6
1.6 Organização........................................................................................................... 7
2. Revisão Bibliográfica.................................................................................................. 9
2.1 Fundamentos de Redes...........................................................................................9
2.1.1 O Modelo OSI – Open Systems Interconnection .............................................9
2.1.2 Redes Industriais.......................................................................................19
2.2 Sistemas Especialistas e a Inteligência Artificial.................................................. 38
2.2.1 Inteligência Artificial.................................................................................... 38
2.2.2 Sistemas Especialistas................................................................................... 39
vi
2.2.3 Sistemas Especialistas Baseados em Regras.................................................. 43
Conclusão ................................................................................................................... 48
3. Situação Atual........................................................................................................... 49
3.1 Pesquisa de Campo ..............................................................................................49
3.1.1 Objetivo........................................................................................................ 49
3.1.2 Expectativa de Resposta em Cada Item.........................................................50
3.1.3 Amostra da Pesquisa de Campo.................................................................... 52
3.1.4 Resultado da Pesquisa................................................................................... 53
3.2 Estado da Arte....................................................................................................... 60
3.2.1 Sistemas Especialistas para Configuração de Redes Industriais..................... 61
3.2.2 Sistemas Especialistas para Seleções Complexas.......................................... 62
Conclusão ................................................................................................................... 65
4. Implementação.......................................................................................................... 67
4.1 Introdução............................................................................................................. 67
4.2 Estratégia do Sistema Especialista para Seleção de Redes Industriais................... 69
4.3 Elicitação do Conhecimento.................................................................................. 70
4.4 Implementação da Arquitetura do Sistema.............................................................73
4.5 Funcionamento: Explorando o Espaço de Estados ................................................. 77
4.6 Arquivos ............................................................................................................... 81
4.7 Elicitação de Conhecimento: Regras..................................................................... 82
4.8 Como Construir as Perguntas e Regras do Sistema Especialista.............................86
Conclusão ................................................................................................................... 87
5. Considerações Finais ................................................................................................ 89
5.1 Discussões............................................................................................................ 89
5.2 Conclusão ............................................................................................................ 91
vii
5.3 Trabalhos Futuros ................................................................................................. 95
Referências Bibliográficas............................................................................................. 97
A Questionário sobre Redes Industriais .................................................................... 100
viii
Lista de Figuras
Figura 1 - O Modelo OSI................................................................................................. 10
Figura 2 - Fluxo de Dados e Relações Lógicas................................................................. 11
Figura 3 - Repetidor ........................................................................................................ 14
Figura 4 - Splitter........................................................................................................... 15
Figura 5 – Bridge............................................................................................................. 15
Figura 6 - Roteador ......................................................................................................... 16
Figura 7 - Gateway.......................................................................................................... 16
Figura 8 - Topologia de anel............................................................................................17
Figura 9 - Topologia de Estrela........................................................................................18
Figura 10 - Topologia de Árvore ..................................................................................... 18
Figura 11 - Pirâmide CIM................................................................................................20
Figura 12 - Níveis em uma rede industrial........................................................................ 21
Figura 13 - Sistema Tempo Real e seu Ambiente.............................................................28
Figura 14 - Arquitetura distribuída de um sistema tempo real.......................................... 29
Figura 15 - A problemática da comunicação tempo real................................................... 30
Figura 16 - Arquitetura para sistemas tempo real.............................................................31
Figura 17 - Meios de transmissão.................................................................................... 35
Figura 18 - Modelo do Sistema de Produção.................................................................... 44
Figura 19 - Arquitetura do Sistema Baseado em Regras................................................... 45
ix
Figura 20 - Estrutura do sistema de informação DryInf.................................................... 64
Figura 21 - Arquitetura do Sistema Especialista para Seleção de Instalações de RedesIndustriais............................................................................................................... 74
Figura 22 - Janela FACTS (MAIN)................................................................................. 74
Figura 23 - Janela do CLIPS 6.2 explanando o raciocínio do sistema...............................75
Figura 24 - Janelas de Interface do Usuário..................................................................... 76
Figura 25 - Janela de Interface de Desenvolvimento........................................................77
Figura 26 - Seleção da Rede Industrial em Função das Características.............................78
Figura 27 - Determinação da Rede Industrial com apenas duas perguntas........................78
Figura 28 - Determinação da Rede Industrial com diversas perguntas..............................80
x
Lista de Tabelas
TABELA 1 – ABORDAGENS PARA COMUNICAÇÃO TEMPO REAL ..................... 32
TABELA 2 – TIPOS DE PROBLEMAS SOLUCIONADOS POR SISTEMASESPECIALISTAS .................................................................................................. 40
TABELA 3 – COMPARAÇÃO DE UM ESPECIALISTA HUMANO EM UM SISTEMAESPECIALISTA .................................................................................................... 42
TABELA 4 - EMPRESAS QUE POSSUEM REDES(S) DE COMPUTADORES .......... 53
TABELA 5 – EMPRESAS QUE POSSUEM REDES INDUSTRIAIS ............................53
TABELA 6 – QUAL OU QUAIS REDES INDUSTRIAIS AS EMPRESAS POSSUEM 54
TABELA 7 - A REDE INDUSTRIAL ESTÁ EM TODO O CHÃO DE FÁBRICA ? ...... 54
TABELA 8 – QUAL A ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDESINDUSTRIAIS? ..................................................................................................... 55
TABELA 9 – QUE TIPOS DE MÁQUINAS ESTÃO EM REDE ? ................................. 56
TABELA 10 - A REDE DE COMPUTADOR E A REDE INDUSTRIAL ESTÃOINTERLIGADAS ? ................................................................................................57
TABELA 11 – QUEM FEZ A ESPECIFICAÇÃO DA REDE ? ...................................... 58
TABELA 12 – QUANDO FOI FEITA A ESPECIFICAÇÃO E QUANTO TEMPOLEVOU? ................................................................................................................ 58
TABELA 13 – QUEM FEZ A IMPLANTAÇÃO ?..........................................................59
TABELA 14 – QUANDO FOI FEITA A IMPLANTAÇÃO E QUANTO TEMPO LEVOU? .............................................................................................................................59
TABELA 15 – GRUPO OU PESSOA ESPECIFICAMENTE RESPONSÁVEL PELAMANUTENÇÃO DA REDE INDUSTRIAL ..........................................................60
TABELA 16 – CARACTERÍSTICAS INSERIDAS NA BASE DE CONHECIMENTODO SISTEMA ESPECIALISTA ............................................................................ 73
xi
Lista de Quadros
QUADRO 1 - PROGRAMA Chamadas.clp..................................................................... 81
QUADRO 2 – REGRA QUE DETERMINA SE A ÁREA DA REDE INDUSTRIAL É DESEGURANÇA INTRÍNSECA................................................................................ 82
QUADRO 3 – REGRA PARA TRATAR A RESPOSTA “Tanto Faz” ............................83
QUADRO 4 – REGRA DE ATALHO PARA UMA CONCLUSÃO ...............................84
QUADRO 5 – REGRA QUE DETERMINA SE A REDE INDUSTRIAL PRECISA SERDETERMINÍSTICA...............................................................................................85
QUADRO 6 – REGRA CONCLUSIVA EM FUNÇÃO DA GERAÇÃO DEDETERMINADOS FATOS ................................................................................... 86
QUADRO 7 – REDES INDUSTRIAIS UTILIZADAS NAS EMPRESAS PESQUISADAS............................................................................................................................. 101
QUADRO 8 – ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES INDUSTRIAIS ...... 101
QUADRO 9 – TIPOS DE MÁQUINAS CONECTADAS A REDE INDUSTRIAL ....... 101
QUADRO 10 – QUANTIDADE DE MÁQUINAS LIGADAS EM REDE .................... 102
xii
Lista de Abreviações
A/D – Analógico/Digital
API – Aplication Protocol Interface
APC – Automated Process Control
ASCII – American Standard Code for Information Interchange
ASIC – Application Specific Integrated Circuit
ATM - Asynchronous Transfer Mode
CAD – Computer Aided Design
CAD - Control and Data Field
CAM – Computer Aided Manufacturing
CAN – Controler Area Network
CCITT – Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique
CIM – Computer Integrated Manufacturing
CLIPS – C Language Integrated Production System
CLP – Controlador Lógico Programável
CNC – Controlador Numérico Computadorizado
CPU – Central Porcess Unit
CRC – Cyclical Redundance Check
CRMA – Cyclic Reservation Multiple Access
CSMA – Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CSMA/DCR – Carrier Sense Multiple Access with Deterministic Collision Resolution
DCE – Data Communication Equipment
DKE - Deutsche Elektrotechnische Kommission
DPA - Demad Priority Access
DQDB – Distributed Queue Dual Bus
xiii
DTE – Data Terminal Equipment
E/S – Entrada / SaídaFDDI - Fiber Distributed Data Interface
FES - Frame End Sequence
FIFOs - First In First Out
FIP – Factory Instrumentation Protocol
FSD - Delimitador de início
FSS - Frame Start Sequence
HDLC – High-Level Data Link Control
IA – Inteligência Artificial
IEC – International Electrotechnical Comission
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISA – Instrumentation Society of America
ISO – International Organization for Standardization
LAN – Local Area Network
LLC – Controle Lógico de Enlace
MAC – Medium Access Control
MAN – Metropolitan Area Network
MAP – Manufacturing Automation Protocol
MAP/EPA – Manufacturing Automation Protocol / Enhaced Performance Architecture
MPC - Message Passing Coprocessor
NIM – Network Interface Module
NDM – Modo de Desconexão
NRM – Modo de resposta normal
NRZ - Non Return to Zero
NSI - Network Services Interfaces
NUT – Network Update Internal
ODVA - Open DeviceNet Vendor Association Inc.
OSI – Open Systems Interconnection
PID – Proporcional – Integrated – Derivativo
PRE - Preambulo
PROWAY – Process Data Highway
QOS – Quality Of Service
xiv
RAC – Remote Access Control
RC – Rede de Computadores
RDSI – Rede Digital de Serviços Integrados
RI – Redes Industriais
RTR - Remote Transmission Request
RTU’s – Remote Terminal Units
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition
SCD – Sistemas de Controle Distribuído
SDCD - Sistema Distribuído de Controle Digital
SDE – Secure Data Exchange
SDS - Smart Distributed System
SE – Sistema Especialista
SMSC - Standard Microsystems Corporation
SNMP - Simples Network Management Protocol
SRR - Substitute Remote Request
TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol
TDMA – Time Division Multiple Access
TOP – Technical and Office Protocol
WAN – Wide Area Network
WorldFIP - World Field Instrumentation Protocolo
ResumoDiversos sistemas e técnicas tem sido desenvolvidos para controlar (as operações),
supervisionar e gerenciar os sistemas de automação industrial. Desenvolvimento
semelhante tem ocorrido com relação a transmissão de informações no chão de fábrica. Na
parte física do processo de automação industrial ocorre o mesmo, através de novas
tecnologias e métodos para transmissão em redes de dados (fieldbus).
Atualmente existem diversas redes de dados (fieldbus), denominadas Redes
Industriais (RI), contendo diversas características. Para este trabalho, foram consideradas
as tecnologias de RI, especificamente dos diversos sistemas de fieldbus encontrados no
mercado. Estas RI foram caracterizadas quanto a sua aplicação, tecnologia e aceitação das
tecnologias existentes. Ao selecionar uma RI, um especialista deve analisar as
características que envolvem a seleção de uma Rede Industrial, pois a seleção incorreta
pode ter um alto custo à empresa. Com o conhecimento de RI, é possível avaliar e
selecionar a RI que atende a todas as exigências impostas pela sua aplicação. São muitas as
características de RI, onde um número maior de características avaliadas melhora o
resultado obtido. O desenvolvimento de um Sistema Especialista (SE) agiliza e facilita o
trabalho do especialista.
Com esta pesquisa foi possível elaborar um Sistema Especialista para seleção de
instalações de Redes Industriais, o qual utiliza o método de encadeamento direto, cuja
estratégia de inferência começa com um conjunto de fatos conhecidos, derivando novos
fatos através de regras, as quais combinam premissas aos novos fatos, continuando este
processo até que o objetivo seja alcançado ou até que as regras não tenham mais
premissas que combinem os fatos conhecidos ou derivados.
Para desenvolvimento deste Sistema Especialista seguiram-se as etapas de
avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação e manutenção. A etapa de projeto
resultou na elaboração de um protótipo do sistema, o qual mais tarde possibilitou a
implantação do sistema acabado.
Ao final, para validar o desenvolvimento do programa e da dissertação, foram feitos
vários testes com o programa, onde para estes, foram levantados dados para simular uma
aplicação e, em seguida, foram inseridas diversas características desta aplicação, executado
o programa, onde após encontrada a solução, foi feita a avaliação dos resultados.
2
AbstractMany systems and techniques have been developed to control (operations),
supervise and manage industrial automation system. Development like this occur with
relation to information’s transmission at the factory floor. In the physical industrial
automation process occur the same, using new technologies and methods to transmission in
fieldbus.
Nowadays there is a lot of fieldbus, called Industrial Network (IN), containing a
diversity of features. In this work, were considered the IN technologies, specifically from
the diverses fieldbus systems meted in the market. This IN were characterized as for
application, technology and acceptance of the existent technologies. When selecting an IN,
an expert have to analyze the features that involve the IN selection. With this knowledge,
is possible to evaluate and select the IN that answer all the requirements imposed by the
application. How there is a lot of features, and how much more features are evaluated
better is the result obtained, the Expert System (ES) development make easier the expert
work, making available more time to the professional, that will can deep in the IN
evaluated and selection, or go in for at another activities.
With this research was possible to make an Expert System to Industrial Network
installations selection, that use the forward chaining method, whose inference strategy
begin with a group of well know facts, firing new facts through rules, that prearrang
premissas to the new facts continuing this process until that the goal have been gained on
or until that the rules don’t have more premissas that prearrange the well know facts or
derived.
To the development of this Expert System followed the evaluation, acquisition,
project, test, documentation and maintenance stages. The project stage result in the system
prototype, that later enabled the finished system implantation.
In the end, to validate the development program and the dissertation, many tests
was made, where to this, dates were computed and, next, the program was executed where,
after founded the solution, the results were evaluated.
3
CAPÍTULO 1
1. Introdução
1.1 Identificação e Problema
Uma Rede de Computador (RC) é formada por um conjunto de módulos
processadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos, interligados por um
sistema de comunicação. Este sistema vai se constituir de um arranjo topológico
interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de
transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação
(protocolos) [SOARES, 1995].
As Redes Industriais (RI) são usadas em aplicações distribuídas para monitorar e
controlar um processo de manufatura, tal como uma industria automotiva, maquinário
têxtil, fabricação de semicondutores, processamento químico, entre outros [THOMESSE,
1999]. Comparando as RC às RI, estas últimas apresentam algumas restrições mais
rigorosas, tais como a velocidade ao transmitir informações, sua confiabilidade e sua
imunidade a distúrbios (ruídos) industriais [LAÎNÉ, 1999].
Os sistemas de automação e controle tem se apoiado cada vez mais em redes de
comunicação industriais, seja pela crescente complexidade dos processos industriais, seja
pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais.
Atualmente, implementam-se sistemas que incluem alguma forma de comunicação de
dados, seja local, através de RI, seja remota, implementadas em sistemas SCADA
4
(Supervisory Control and Data Acquisition). Um sistema SCADA compreende um ou mais
computadores que atuam como uma interface entre a comunicação na rede física, o
operador e os dados adquiridos de RTUs (Remote Terminal Units), onde estes RTU’s são
dispositivos remotos, responsáveis pela aquisição da informação de processo, normalmente
feita com a utilização de dispositivos de campo.
Embora essa disseminação de aplicações de comunicação seja recente, há muito
tem sido desenvolvidos diferentes esquemas de comunicação de dados em ambientes
industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos
dados, bem como a velocidade de comunicação.
Atualmente existem diversas RI para os vários níveis de integração em uma
empresa, onde a seleção de determinada RI deve ser fundamentada nas características
quantitativas e qualitativas da rede, dos equipamentos e da filosofia da empresa, o que
torna tal decisão complexa e difícil, em função da quantidade de informações e
características a serem consideradas, em função também do grande número de opções de
RI presentes no mercado, um exemplo disso são as 26 RI pesquisadas para esta dissertação.
1.2 Motivação
1.2.1 Vantagens da Utilização de Redes Industriais
Pode-se citar algumas vantagens que se consegue com a utilização de Redes
Industriais, vantagens estas que somente as RI podem fornecer [Introducción a Profibus,
2000 – Internet].
• Visualização e supervisão de todo o processo produtivo;
• Tomada de dados do processo mais rápida ou instantânea;
• Melhora do rendimento geral de todo o processo;
• Possibilidade de intercâmbio de dados entre setores do processo e entre
departamentos;
• Programação a distância, sem necessidade de estar no chão de fábrica.
Pode-se afirmar, que não existe uma única alternativa que possa ser definida como
sendo a "solução" para todas as necessidades apresentadas pelos mais diferentes segmentos
e aplicações industriais.
5
No contexto da solução, um especialista representa um valioso recurso para
qualquer organização. Eles podem oferecer idéias criativas, solucionar problemas difíceis
ou executar eficientemente regras rotineiras. Sua contribuição pode realçar a produtividade
da organização, que pode aperfeiçoar sua posição competitiva dentro do mercado
[DURKIN, 1994].
1.3 Por que um Sistema de Seleção é Importante ?
O problema complexo de selecionar Rede Industrial (RI), como mostrado na seção
1.1, se beneficiaria muito de um sistema para auxílio a tomada de decisões, o qual poderia
facilitar e agilizar a seleção de uma RI, seja ela feita por um especialista ou não, o que, por
sua vez, facilitaria a disseminação deste recurso (RI) nos ambientes fabris, facilitando em
muito o seu processo de automação industrial.
Um grande fator motivacional, é a importância em determinar uma RI com
precisão, ou seja, uma RI cujas características são adequadas ao tipo de ambiente, caso
contrário, a RI pode não funcionar corretamente, e como conseqüência disso, o sistema
também pode não funcionar de acordo com as expectativas, tornando a RI inadequada a
aplicação, o que inviabilizaria todo o investimento. Como resultado de uma seleção
inadequada, todas as placas de comunicação dos equipamentos, bem como os demais
componentes do meio físico devem ser trocados para uma nova seleção de RI, o que, com
certeza, acarreta em novos custos e um grande atraso no cronograma da instalação e start
up do sistema.
O sistema é viável pois este procurará estabelecer uma metodologia para seleção de
RI, podendo assim auxiliar um especialista na função, permitindo a este maior rapidez no
processo de seleção de RI.
Considerando que uma das aplicações da IA é a seleção de problemas não triviais,
passa a ser interessante avaliar uma técnica de IA, no sentido de aplicá-la na importante
tarefa de selecionar, de forma sistemática e objetiva, opções de RI dentre as inúmeras
alternativas e critérios disponíveis para esta tarefa.
Uma ferramenta de seleção colaboraria com as empresas que desejassem instalar
uma RI. A existência de um sistema para seleção de RI, proporciona às empresas, uma
ferramenta de trabalho capaz de determinar, sem a influência dos fabricantes de
6
equipamentos, uma RI que atenda suas reais necessidades de implantação, com segurança
no investimento.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo Geral
Desenvolver um Sistema Especialista de simples operacionalidade e
entendibilidade, para auxílio à seleção de Redes Industriais.
1.4.2 Objetivos Específicos
� Identificar o grau de disseminação de Redes Industriais (RI) na região de
Joinville, bem como a forma como estas se encontram instaladas nas empresas;
� Experimentar uma área e técnica de Inteligência Artificial (IA), no caso Sistemas
Especialistas (SE), no auxílio da seleção de instalações de RI;
� Estabelecer uma arquitetura de sistema para solucionar o problema de seleção,
considerando uma ampla gama de opções de RI;
1.5 Metodologia
Para obter dados sobre a difusão das RI em Joinville e região, foi feito um
questionário, conforme anexo A, o qual foi enviado às empresas. Caso fosse constatado um
consenso sobre a RI selecionada pelas empresas, verificar-se-ia os fatores que levaram a
este consenso. Como foi constatado uma diversidade de escolhas, passou-se então a
catalogar as RI pelas suas características técnicas. Com este levantamento, observou-se que
além da variedade de opções de RI, elas ainda continham um grau de dificuldade, pois
eram caracterizadas por diversos fatores técnicos.
Posteriormente foi feita uma pesquisa bibliográfica objetivando identificar se
existia alguma solução já consagrada para auxílio à seleção de RI. Uma vez identificado
que não havia uma solução já estabelecida para o problema, buscou-se utilizar técnicas
modernas, capazes de solucionar problemas complexos que normalmente requerem a
7
intervenção de especialistas. Técnicas de IA foram então consideradas, em especial SE, por
considerar-se inicialmente que havia um casamento entre as proposições desta técnica com
o problema em questão.
Para confirmar que um SE auxiliaria na tarefa de seleção, foi problematizado um
sistema e implementado um protótipo utilizando um SE aberto e gratuito.
Em seguida foram feitos diversos testes de funcionalidade e coerência de resposta,
onde eram respondidas as perguntas feitas pelo SE, o qual ao final, apresentava uma ou
mais respostas. Assim, baseado nestas perguntas e respostas, comparava-se a solução
apresentada pelo SE àquela que atenderia a todas as características determinadas pelas
perguntas.
1.6 Organização
O restante desta dissertação está organizado da seguinte forma:
No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica, onde são introduzidos conceitos
utilizados nas Redes Industriais (RI), abordando o Modelo OSI (Open Systems
Interconnection), o qual é um modelo de referência para o desenvolvimento de padrões de
comunicação de dados. As Redes Industriais são abordadas ao determinar-se a motivação
do seu uso, os parâmetros comparativos das diversas tecnologias, definindo a comunicação
industrial e nesta consagrando as vantagens da utilização de RI para comunicação neste
ambiente. Em seguida, estas redes são caracterizadas. Ainda neste capítulo, Sistema
Especialista é abordado, já que é uma área de estudo de IA. O Sistema Especialista
baseado em regras é introduzido, abordando ainda a arquitetura e vantagens deste sistema.
A seguir, no capítulo 3, é apresentada a pesquisa de campo em Joinville e região,
seguido das expectativas de cada resposta. Em seguida, são apresentadas as amostras da
pesquisa e seus resultados. Este capítulo trata ainda do estado da arte, onde são abordados
o estudo dos sistemas de auxílio à seleção de instalações de Redes Industriais e estudo de
SE para seleção.
O capítulo 4 trata da implementação do SE, onde é descrita a arquitetura da solução
e implementação do protótipo do programa especialista para seleção de Redes Industriais.
Em seguida, para validar o desenvolvimento do programa e da dissertação, são
8
apresentados testes, onde para estes, são levantados dados da aplicação e, em seguida,
executado o programa. Após encontrada a solução, é feita a avaliação destes resultados.
No capítulo 5 os resultados são discutidos, conclusões são emitidas e trabalhos
futuros são propostos.
9
CAPÍTULO 2
2. Revisão Bibliográfica
2.1 Fundamentos de Redes
2.1.1 O Modelo OSI – Open Systems Interconnection
Dentro de uma rede, a comunicação entre controladores e estações é possível pela
utilização de um protocolo, que são regras de comunicação.
No intuito de uniformizar e universalizar os padrões e modelos adotados pelos
protocolos de redes, foi desenvolvido o Modelo OSI. Um modelo é um padrão que
organiza os conceitos gerais ou fornece diretrizes como uma descrição facilmente
compreendida. No caso de redes, o modelo descreve os serviços necessários para mover os
dados de um lugar para outro. O OSI, criado pela International Organization for
Standardization (ISO) em 1977, é o modelo de referência para desenvolver padrões de
comunicação de dados.
O modelo de referência OSI é formado por sete camadas, conforme figura 1. O
modelo de referência OSI é apenas um padrão. Entretanto, as implementações do protocolo
(compostas de hardware e/ou software) executam funções associadas a uma camada do
modelo de referência do OSI. As camadas se comunicam enviando parâmetros chamados
service primitives de uma para as outras através de endereços predefinidos chamados
pontos de acesso aos serviços. Embora dois protocolos possam endereçar as mesmas
camadas do Modelo de Referência OSI, eles não podem trabalhar juntos. A melhor
10
utilização do modelo é categorizar tecnologias de rede e suas implementações de protocolo
[LÓPEZ, 2000].
Figura 1 - O Modelo OSI
a) Regras das Camadas do Modelo OSI
• O caminho de comunicação entre o usuário e o canal de transmissão passa através das
sete camadas;
• Cada camada realiza uma função limitada de comunicação;
• As interfaces entre as camadas são específicas. A interface define quais operações e
serviços existem;
• Cada camada oferece serviços específicos para a próxima camada. As camadas mais
altas enviam um pacote consistindo de dados e demandas para serviços;
• Um serviço representa a operação que uma camada pode realizar para a camada
superior. Os serviços são realizados de acordo com um protocolo. Para o usuário de um
serviço o protocolo executado não é importante;
• Um sistema de comunicação não é obrigado a implementar as sete camadas do
modelo [LOPEZ, 2000].
b) Forma de Transmissão
Primeiramente as camadas implementam as funções que são importantes para
assegurar a transmissão da informação, distribuição para os endereços, controle da
comunicação e serviços gerenciados para o usuário. O processo de comunicação entre
camadas iguais é realizado com um protocolo próprio. O protocolo especifica o formato e
11
o significado dos dados e informação de controle, e os algoritmos de acordo com os
serviços executados. Assim, há sete protocolos distintos para as sete camadas do Modelo
OSI.
Se o transmissor e o receptor estão localizados em sistemas de comunicação
diferentes (por exemplo, Ethernet e Token Bus), então um bridge deve ser inserido. O
bridge adapta protocolos diferentes, permitindo a interação e atuando sobre as duas
camadas do Modelo OSI. Quando há diferenças entre os protocolos na camada de rede (por
exemplo, Token bus e X.25), uma transformação deve ser realizada nesta camada através
de um roteador ou gateway. A figura 2 ilustra a comunicação entre dois sistemas abertos
baseados no Modelo OSI [LÓPEZ, 2000].
Figura 2 - Fluxo de Dados e Relações Lógicas
c) As Sete Camadas do Modelo OSI
Na figura 2 pode-se visualizar o fluxo de dados e as relações lógicas entre as
camadas.
• Camada Física: os tópicos específicos da camada física são: tipos de conexão,
topologia física, sinalização digital, sinalização analógica, sincronização de bits, uso da
banda passante e multiplexação. As implementações do protocolo da camada Física do OSI
coordenam as regras para a transmissão de bits [LÓPEZ, 2000]. A camada define: as
estruturas de rede físicas, as especificações mecânicas e elétricas para a utilização do meio
12
de transmissão, como nível de tensão e corrente, a codificação de transmissão de bits e
regras de sincronização. Este é o nível em que se deve tomar algumas decisões básicas a
respeito de questões mecânicas e elétricas, é onde se define qual será a interface entre o
terminal e dispositivo de rede. Como hardwares de conectividade de rede pode-se citar:
concentradores, hubs, repetidores, conectores do meio de transmissão e modems [LÓPEZ,
2000] e [Fieldbus, 2001 - Internet].
• Camada de Link de Dados: os tópicos específicos desta camada são: topologia
lógica, acesso ao meio de transmissão, endereçamento, sincronização de transmissões e
serviços de conexão. As finalidades básicas das implementações do protocolo da camada
de Link de Dados são: organizar os bits da camada física em grupos lógicos de
informações chamados frames ( o frame é uma série contínua de bits agrupados como uma
unidade de dados), detectar e corrigir erros, controlar o fluxo de dados, identificar os
dispositivos da rede. Esta camada especifica quais unidades de mensagens serão enviadas
(pacotes ou frame), seu formato, e como elas acessarão a rede. Cada pacote recebe um
código de endereço e uma soma de verificação para detecção de erros. Geralmente, a tarefa
dessa camada é assegurar que as transmissões ocorram sem erros. Como na maioria das
outras camadas ela acrescenta suas próprias informações de controle à frente do pacote de
dados. Estas podem incluir um endereço de origem e destino (hardware), informações
sobre o tamanho do frame e uma indicação dos protocolos da camada superior envolvidos.
As funções da camada de Link de Dados são normalmente divididas entre as seguintes
subcamadas:
- Media Access Control (MAC): controla o modo como os transmissores
compartilham um único canal de transmissão.
- Logical Link Control (LLC): estabelece e mantém a ligação da transmissão dos
frames de um dispositivo para outro.
• Camada de Rede: como tópicos específicos desta camada temos: endereçamento,
comutação, descoberta de rota, seleção de rota, serviços de conexão e serviços de gateway.
Esta camada define a rota e o processo pelo qual os dados se movem pela rede. Também é
a camada em que a rede decide como realizará certas funções de gerenciamento, tais como
enviar mensagens de status para os nós e regular o fluxo de pacotes. A função principal da
camada é mover os dados para localizações específicas.
13
O endereçamento da camada de Link de Dados envia dados para todos os
dispositivos conectados a uma única rede e depende dos dispositivos receptores para
determinar se os dados foram destinados aos mesmos. De forma inversa, a camada de Rede
pode escolher uma rota específica em uma rede interligada e impedir que os dados sejam
enviados às redes não envolvidas [LÓPEZ, 2000].
• Camada de Transporte: esta camada inclui: endereçamento, desenvolvimento de
segmentos, serviços de conexão e resolução de endereço/nome. Esta camada oculta a
complexidade da estrutura da rede para o processo da camada superior. Ela organiza
mensagens de nível mais alto em segmentos e entrega-os à camada de Sessão ou aos
processos superiores da própria camada. Nesse nível, é configurada a distribuição dos
endereços dos nós, bem como os métodos de detecção de erros e recuperação.
A camada de Transporte normalmente compensa a falta de serviços de conexão
confiáveis e orientados por conexão nas camadas inferiores. Caso um cabo parta, esta
camada não garantirá que os dados sejam enviados, mas as implementações de protocolo
podem normalmente confirmar ou negar o envio dos dados. Se os dados não forem
enviados corretamente ao dispositivo receptor, a camada de Transporte pode iniciar a
retransmissão ou informar as camadas superiores. Essas camadas podem, então, tomar as
devidas providências para corrigir o problema ou oferecer opções para a correção [LÓPEZ,
2000].
• Camada de Sessão: esta inclui tópicos de controle de diálogo e administração da
sessão. A camada de Sessão define como as conexões são estabelecidas e desfeitas e como
os dados são trocados na rede, facilitando a comunicação entre fornecedores e solicitantes
de serviços. As sessões de comunicação são controladas através de mecanismos que
estabelecem, mantêm, sincronizam e gerenciam o diálogo entre dispositivos de
comunicação. Esta camada também ajuda as camadas superiores a identificar e se conectar
aos serviços disponíveis na rede [LÓPEZ, 2000].
• Camada de Apresentação: os tópicos específicos desta camada incluem:
conversão e criptografia. Esta camada define a sintaxe, transformações e formatação dos
dados. Quando a sintaxe e o formato de uma aplicação diferirem da sintaxe e formatação
do pacote conforme ele trafega através da rede, esta camada define como as diferenças são
traduzidas [LÓPEZ, 2000].
14
• Camada de Aplicação: inclui tópicos relacionados com a divulgação de serviços e
uso do serviço. A camada de Aplicação inclui todos os tópicos e funções específicas para
cada serviço de rede. Logo, as seis camadas inferiores incluem tarefas e tecnologias que
suportam os serviços de rede, enquanto a camada de Aplicação fornece os protocolos
necessários para realizar as funções específicas dos serviços de rede. Este é o nível final
que define como os aplicativos entram no Modelo OSI para a transmissão [LÓPEZ, 2000].
d) Elementos de Comunicação
Em uma rede de comunicação de um certo tamanho, não é suficiente conectar nós
com um cabo, mas torna-se necessário inserir circuitos para isolar porções da rede, para
melhorar suas características. Em outros casos, o barramento precisa ser conectado a outros
sistemas de comunicação, que requerem equipamentos adicionais.
• Repetidor: ou amplificador, é o aparelho para realçar sinais elétricos, para
permitir a eles viajarem distancias maiores entre os nós e conectar um número maior de
nós à rede. Também possibilita adaptar diferentes meios físicos um ao outro – tal como um
RS 485 a uma fibra ótica. De acordo com o modelo OSI, este aparelho codifica e
decodifica sinais somente na camada física. Uma simples modificação de um repetidor
transforma-o em um splitter. Este é um a aparelho de amplificação com vários conectores,
que recebem o sinal em uma porta e transmite este para todos os outros. O repetidor e o
splitter podem ser observados nas figuras 3 e 4 [Fieldbus, 2001 - Internet].
Figura 3 - Repetidor
15
Figura 4 - Splitter
• Bridge: um bridge pertence a ambas as camadas 1 e 2 do modelo OSI. Isto
permite a conexão entre duas diferentes sessões da rede que possuem diferentes
características elétricas e de codificação. Em particular, um bridge pode unir duas redes
diferentes, assim permitindo as aplicações distribuir através das redes e comunicar.
Entretanto, a melhor performance da rede sofre, pois esta precisa emular a mais baixa
performance. Um bridge não é “inteligente” e por isso, para uma mensagem vindo de um
sistema, este retransmite uma versão equivalente na outra sem alguma interpretação a mais.
Na figura 5 temos um bridge inserido em uma rede [Fieldbus, 2001 - Internet].
Figura 5 – Bridge
• Roteador: um roteador desvia as estruturas de comunicação entre diferentes
segmentos de rede, definindo o caminho. Para fazer isto, precisa interpretar sinais para
cima da camada 3 do modelo OSI. Pode ser visto na figura 6 [Fieldbus, 2001 - Internet].
16
Figura 6 - Roteador
• Gateway: conforme a figura 7, um gateway é algo como um bridge com
inteligência suficiente para decodificar sinais até a camada de aplicação do modelo OSI.
Este aparelho permite a conexão de barramentos de diferentes tipos e características, onde
aplicações podem se comunicar através do gateway. Graças aos seus recursos e ao fato de
poder ser facilmente configurado, é capaz de otimizar a comunicação em ambos os lados.
Este tipo de aparelho, ao contrario da sua importância, é um tanto raro, talvez devido a sua
complexidade e mercado limitado [Fieldbus, 2001 - Internet].
Figura 7 - Gateway
e) Topologia de Rede
A estrutura física completa do meio de transmissão é chamada de topologia física.
Quando um grande número de nós precisa ser conectado, a questão da topologia de rede
deve ser observada. Topologia nada mais é que a forma da rede, baseada em elementos de
17
comunicação e nós, bem como no tipo de conexão. A seguir estão as topologias físicas
mais comuns.
• Topologia de Anel: conforme a figura 8, cada dispositivo se conecta diretamente
ao anel, através de interface e cabo trançado. Os sinais são passados de um dispositivo a
outro em apenas uma direção, onde cada dispositivo incorpora um receptor no cabo de
chegada e um transmissor no cabo de saída [LÓPEZ, 2000]. O nó cuidará de repetir o sinal
recebido e adicionar a este sua própria informação quando necessário [Fieldbus, 2001 -
Internet].
Figura 8 - Topologia de anel
Esta estrutura tem duas vantagens principais: primeiro, a degradação do sinal é
mínima, pois este é “refrescado” a cada nó, portanto grandes distâncias podem ser
cobertas; segundo, o sentido unidirecional é ideal para fibras ópticas, onde cada segmento
da rede se parece com uma conexão ponto-a-ponto em uma única direção. Isto garante uma
segurança considerável em redes.
Entretanto há duas desvantagens que não podem ser ignoradas: não é possível
aumentar a rede enquanto estiver comunicando, porque isto quebraria a rede; similarmente,
em caso de falha, quando se usa loop simples, todos os dispositivos são afetados, mas a
localização é fácil. O loop duplo (redundante em caso de falha) tem dois anéis separados
fisicamente e cada transmissão é feita em uma direção diferente.
• Topologia de Estrela: como pode ser observado na figura 9, esta topologia é
baseada em um nó com funções especiais – tal como um master – o qual funciona como
ponto central para conexões bidirecionais para cada nó; cada dispositivo da rede é
conectado através de uma ligação ponto-a-ponto ao dispositivo central. Esse tipo de
topologia pode ser utilizado em outras estrelas para formar topologias de rede hierárquica
18
ou em forma de árvore [LÓPEZ, 2000]. Esta estrutura permite adicionar mais nós sem
interromper o funcionamento da rede. A falha de um componente não põe em risco o
funcionamento da rede e a localização da falha é fácil. Entretanto a centralização de
conexões requer um grande número de cabos, não permitindo cobrir grandes distâncias
[Introducción a Profibus, 2000 - Internet].
Figura 9 - Topologia de Estrela
• Topologia de Árvore: a estrutura de árvores possui vantagens e desvantagens
situando-se entre as duas topologias anteriores. A princípio, uma árvore permite
bifurcação, tornando-se parecida a uma estrutura estrela, mas ao mesmo tempo muitos nós
podem ser conectados em série em um ramal. Por outro lado, a forma ideal de uma árvore
é aquela de um único ramal, que se parece como um anel, entretanto os nós, diferente de
um anel, estão em paralelo ao invés de em série, onde uma falha em um nó não põe os
outros fora de serviço. Esta é a topologia mais popular para “fieldbus“, com tipicamente,
conexões físicas tipo RS 485 [Fieldbus, 2001 – Internet]. Esta topologia pode ser vista na
figura 10.
Figura 10 - Topologia de Árvore
19
• Topologia de Barramento: usa normalmente um cabo longo chamado backbone;
os dispositivos são conectados ao backbone usando conectores em forma de T. O backbone
é terminado nas extremidades. A maioria das topologias de barramento permitem que os
sinais trafeguem nas duas direções e possuem restrição de distância e número de
bifurcações para manter a integridade do sinal. Em caso de falha, todos os dispositivos são
afetados e a localização é difícil.
• Topologia de Malha: possui conexão ponto-a-ponto entre cada dispositivo da
rede; cada dispositivo necessita de interface com todos os outros da rede. Em caso de falha,
a rede total continua em operação e a localização é fácil.
2.1.2 Redes Industriais
a) Comunicação na Automação Industrial
Em uma empresa coexistem uma série de equipamentos e dispositivos dedicados ao
controle de máquinas ou uma parte fechada de um processo. Entre estes dispositivos estão
os controladores lógicos programáveis (CLP), os programadores de gestão, sensores,
atuadores, etc. O desenvolvimento das Redes Industriais estabeleceu uma forma de unir
todos estes dispositivos, aumentando o rendimento e proporcionando novas possibilidades
[Introducción a Profibus, 2000 - Internet].
As redes de comunicação industriais tem como objetivo fundamental a
comunicação de dados aplicados no âmbito industrial, bem como, a integração de
informações entre os diversos elementos que compõe o sistema de automação. Utilizando
como base a pirâmide de Automação e Integração da Manufatura "CIM" (Computer
Integrated Manufacturing) de acordo com a figura 11, podemos identificar 5 níveis de
dispositivos e equipamentos que compõem um sistema de automação completo.
• Nível 0. Caracterizado pelos dispositivos que interagem diretamente com o
processo, tais como sensores e atuadores, possui baixo volume de dados e elevada
dinâmica;
• Nível 1. Onde se localizam as unidades de controle com estruturas de dados
completas e grande interação entre dispositivos;
20
Figura 11 - Pirâmide CIM
• Nível 2. Composto por equipamentos de supervisão, predomina maior
concentração de dados intercambiados em base eventual ou cíclica;
• Nível 3. São os sistemas de gestão da produção com grandes quantidades de
dados;
• Nível 4. Caracterizado por sistemas corporativos com volumes maciços de dados,
utilizando recursos de multimídia.
Esta estrutura não é universal e, haverá casos em que conste um número maior ou
menor de níveis, dependendo do tamanho do processo e da própria industria [Introducción
a Profibus, 2000 - Internet].
Em uma rede industrial coexistem equipamentos e dispositivos de todo tipo, os
quais agrupam-se hierarquicamente para estabelecer conexões mais adequadas a cada área.
Uma outra estrutura pode ser vista na figura 12.
Desta forma pode-se definir quatro níveis dentro de uma Rede Industrial, onde
utilizaremos novamente a pirâmide para identificá-los:
• Nível de E/S - (Sensor Bus): é o nível mais próximo do processo. Aqui estão os
sensores e atuadores, encarregados de manejar o processo produtivo e tomar as medidas
necessárias para a correta automação e supervisão. Possui características determinística e
21
tempo de resposta extremamente curto. Ex. AS-i, Seriplex [Protocolos de Redes
Industriais, 2000 – Internet];
Figura 12 - Níveis em uma rede industrial
• Nível de campo e processo – (Device Bus): se encarrega da integração de
pequenas automações (CLPs compactos, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc)
dentro de subredes ou “ilhas”. No nível mais alto destas redes pode-se encontrar CLPs
modulares, atuando como mestres da rede ou mestres flutuantes. Neste nível se emprega
Bus de campo [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Possui perfil determinístico e alta
performance, orientada para a distribuição dos automatismos (dispositivos de controle) e
seus periféricos, com íntima relação com unidades centrais de processamento. Ex. Device
Net, Device, Word Fip, Interbus-S, Profibus-DP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 -
Internet];
• Nível de controle – (Field Bus): se encarrega de enlaçar e dirigir as distintas zonas
de trabalho. Neste nível é que se situam os CLPs com funções de controle e PCs com
softwares supervisórios, controle de qualidade, programação, etc. Empregam uma rede do
tipo LAN [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Dotada de estruturas de dados mais
completas e alta performance aplicada na comunicação entre dispositivos inteligentes. Ex.
22
Fieldbus Foundation, Fieldbus Word Fip, ModBus, Profibus [Introducción a Profibus,
2000 - Internet];
• Nível de gestão - (Data Bus): é o nível mais elevado e se encarrega de integrar os
níveis seguintes em uma estrutura de fábrica, e incluso de múltiplas fábricas. As máquinas
aqui conectadas são estações de trabalho que servem de ponte entre o processo produtivo e
a área de gestão, na qual se supervisiona as vendas, estoques, etc. Emprega-se uma rede do
tipo LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network) [Introducción a Profibus,
2000 - Internet]. Tem capacidade de manipular grandes quantidades de informações em
tempo não crítico, destinado ao domínio da informática industrial. Ex. Ethernet, TCP/IP,
MAP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 – Internet].
A maioria das redes de comunicação existentes no mercado procuraram atender a
demanda existente na automação de escritórios. A grande maioria destas redes são
baseadas no protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection), com o qual se iniciaram os desenvolvimentos de redes locais (LANs, Local
Area Networks) [STEMMER, 2001].
A comunicação de dados em ambiente industrial apresenta, no entanto,
características e necessidades que tornam a maioria das redes para automação de escritório
inadequadas. Segundo STEMMER (2001), algumas destas características são:
• Ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações eletromagnéticas,
elevadas temperaturas, sujeira, etc.);
• A troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre equipamentos e não
entre um operador humano e o equipamento;
• Os tempos de resposta e a segurança dos dados são críticos em diversas situações;
uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede, o que torna a
questão de custos muito importante [STEMMER, 2001].
Em função das características de comunicação necessárias para interligar os
níveis de dispositivos e equipamentos dentro do CIM, surgiram os quatro níveis de RI.
b) Parâmetros Comparativos das Diversas Tecnologias
Um modelo “abrangente” para os vários requisitos de comunicação no ambiente
industrial é o de três níveis diferentes de “requisitos”:
23
• Nível de informação: caracterizado por grandes volumes de troca de dados com
constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico).
Essencialmente de domínio da informática;
• Nível de automação e controle: caracterizado por volumes moderados de dados com
constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de milisegundos. Orientado para
integração entre unidades inteligentes, de naturezas diversas. Aplicações de característica
contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível
de informações de diferentes propósitos;
• Nível de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de dados com
constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos (tempos de
resposta muito curtos). Orientado a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta.
Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis
superiores;
Normalmente uma única rede de comunicação local não poderá atender todos os
três níveis, havendo em geral, a implementação de diferentes redes para atender cada
característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede,
é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois
inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados.
Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto
a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo
protocolo e finalmente pela taxa de transmissão. Conclui-se que não adianta comunicar a
altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes.
A camada de enlace, discutida no item 2.1.1.c, responsável pelo mecanismo de
entrega de pacotes, tem sido implementada tradicionalmente em redes industrias com a
estrutura origem/destino. Essa implementação agrega a cada mensagem enviada o
endereço da estação de destino.
Observa-se que esta implementação, em determinadas circunstâncias, pode ser
ineficiente: suponha que um mesmo dado deve ser transmitido a vários nós de uma mesma
rede. O dispositivo que está transmitindo este dado deverá emitir uma mensagem com
ambos endereços origem/destino para cada nó que deva receber tal mensagem. Portanto,
aumentando o tráfego da rede e constituindo uma operação repetitiva em conter sempre o
endereço do dispositivo a ser enviado tal mensagem. Além disso, caso haja necessidade de
24
sincronizar vários dispositivos pertencentes a uma mesma rede, haverá alguma dificuldade
em fazer tal sincronismo, uma vez que, ao ser necessário mandar mensagens consecutivas
a todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse instante de
sincronismo.
Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar a
camada de enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementação está baseada no
conceito de que alguns dispositivos são produtores de informações e outros são
consumidores dessas. Nessa implementação, quando um produtor disponibiliza sua
informação, esta é colocada na rede e disponibilizada para todos os dispositivos que sejam
seus consumidores ao mesmo tempo, reduzindo o número de mensagens a serem emitidas,
bem como reduzindo o próprio comprimento da mensagem, uma vez que não será
necessário incluir ambos endereços de remetente e destinatário, sendo necessário tão
somente identificar a informação a ser transmitida. Logo, o modelo produtor/consumidor,
empregado nas redes de mercado mais recentes como Foundation Fieldbus, WorldFIP,
ControlNet e DeviceNet, apresentam um modelo de rede eficiente, quanto a maximização
de troca de dados, além de se ter um aumento da flexibilidade da rede.
c) Características Básicas das Redes Industriais
Serão listadas agora as características que identificam de forma única umadeterminada RI:
c.1 Confiabilidade
O conceito de confiabilidade está baseado na capacidade da rede em garantir o
transporte de dados em tempo compatível e a idoneidade das informações [Protocolos de
Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais fatores que influenciam na confiabilidade:
•Concepção Determinística: Identifica a capacidade da rede em garantir a
disponibilidade de informações entre seus integrantes em tempo determinado [Protocolos
de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Tratamento de Erros: Caracteriza a capacidade da rede em identificar e tratar
erros ocorridos no intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 -
Internet];
25
• Imunidade Elétrica (EMI/RFI): Deve conferir a rede características de isolação e
susceptibilidade eletromagnética compatíveis com o ambiente industrial [Protocolos de
Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.2 Performance
A performance identifica a eficiência e a eficácia da rede como instrumento de
intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais
fatores que caracterizam a performance:
• Tempo de Resposta: Identifica o tempo consumido pela rede para transferir
informações. Não é velocidade de comunicação. O tempo de resposta considera medidas
como taxa de transferência de informações (troughtput) sem o envelope, e o tempo de ciclo
(que identifica o tempo total para o intercâmbio de informações da rede) [Protocolos de
Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Método de Acesso: Define como é gerido o uso da rede por seus integrantes,
como acesso livre, query response e filosofia compartilhada [Protocolos de Redes
Industriais, 2000 - Internet].
c.3 Capacidade Operacional
Os recursos disponíveis para a efetivação da comunicação de dados em uma
aplicação, compõem a capacidade operacional da rede [Protocolos de Redes Industriais,
2000 - Internet]. Fatores que definem a capacidade operacional da Rede
• Quantidade de integrantes: Determina o número de elementos que podem ser
interligados na rede de comunicação de forma simultânea [Protocolos de Redes Industriais,
2000 - Internet];
• Área de cobertura: Especifica a abrangência física da rede em termos de distância
máxima [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Topologia: Define a adaptação geográfica da rede aonde a mesma será
implantada. Ex. Anel, Barramento, Estrela, Árvore [Protocolos de Redes Industriais, 2000
- Internet].
26
c.4 Protocolo de Comunicação
Considerado o principal elemento tecnológico das redes de comunicação, ao qual se
associam todas as características operacionais [Protocolos de Redes Industriais, 2000 -
Internet].
c.5 Funcionalidade
À funcionalidade estão relacionados fatores como a implementação e a utilização
da rede de comunicação [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
• Instalação: A implantação da rede e todos seus constituintes de maneira simples,
facilita sua colocação em operação e reduz a probabilidade de erros [Protocolos de Redes
Industriais, 2000 - Internet];
• Programação: Devido a característica inteligente da rede e seus integrantes, se
faz necessário o processo de parametrização para seu correto funcionamento [Protocolos
de Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Expansão: Exprime a capacidade de se expandir a rede, devido à evolução natural
dos sistemas de forma a acompanhar as necessidades da industria [Protocolos de Redes
Industriais, 2000 - Internet].
c.6 Fatores Econômicos
A fim de conduzir a uma estratégia factível, é necessário considerar os fatores
econômicos que envolvem a adoção de uma rede de comunicação industrial [Protocolos de
Redes Industriais, 2000 - Internet].
c.7 Custos
O custo de uma rede é dividido entre o custo de todo o desenvolvimento da
instalação, os custos das interfaces para os mais diversos equipamentos, além da
manutenção da RI [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].
• Custo de desenvolvimento: Apesar de não ser considerado na análise econômica,
o custo pode influenciar significativamente no resultado final [Protocolos de Redes
Industriais, 2000 - Internet];
27
• Custos de interfaces: Os componentes como, cabo, conectores, caixas de
passagem, caixas de derivação, roteadores, repetidores, estações remotas e etc, devem ser
considerados a fim de relevar o valor associado com a rede isoladamente [Protocolos de
Redes Industriais, 2000 - Internet];
• Custo de manutenção: A maneira com o qual a rede deve ser tratada para corrigir
situações de falha, podem representar tempos de paradas excessivas, o que leva a perdas de
produção ou danos irreversíveis ao processo [Protocolos de Redes Industriais, 2000 -
Internet].
d) Aspectos Tecnológicos Básicos
Os aspectos tecnológicos básicos discutidos nas seções que seguem diferenciam as
redes locais para aplicações industriais das demais redes [STEMMER, 2001].
d.1 Comportamento Temporal
d.1.1 Introdução à Comunicação Tempo Real
As redes de difusão, ou seja, aquelas que levam em conta as possibilidades de
descentralização do controle da comunicação, apresentam aspectos interessantes que as
tornam uma solução bastante adequada aos requisitos de comunicação industrial. Um
problema importante na utilização das redes de difusão é o método de acesso ao meio (que
é compartilhado) pois, uma vez que vários equipamentos deverão trocar informações num
dado instante, a decisão de quem vai ter o direito de uso do meio para o envio de uma
mensagem não é uma tarefa evidente. Os protocolos de acesso ao meio tem papel
fundamental no tempo de entrega de uma mensagem via rede. Como veremos a seguir, este
tempo é importante para aplicações com características de tempo real (TR) [STEMMER,
2001].
Segundo THOMESSE (1999), a exigência de comunicação em aplicações que
envolvem controladores de máquinas de produção, sistemas de transporte, controle entre
outras, podem ser caracterizadas pelo tempo crítico e freqüência de transmissão dos dados.
Nestas aplicações existem dados com uma validade temporal limitada. O tempo de
resposta de todas as atividades envolvidas (produção, transmissão, consumo, computação,
...) no processamento, precisam ser pequenos, arranjados em ordem para eficientemente
28
monitorar e controlar a correta operação do processo de manufatura e a qualidade dos
produtos. Estes dados são chamados dados críticos e são referidos como dados em tempo
real.
Um Sistema Tempo-Real é um sistema computacional para o qual é requerida uma
reação a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo
impostos pelo próprio ambiente (figura 13). A correção não depende somente dos
resultados lógicos obtidos, mas também do instante no qual são produzidos [STEMMER,
2001].
Figura 13 - Sistema Tempo Real e seu Ambiente
A arquitetura de sistemas computacionais utilizados para controle e supervisão de
processos industriais em tempo real tem apresentado nos últimos anos uma clara tendência
para a distribuição das funções de controle, como ilustrado na figura 14 [STEMMER,
2001].
29
Figura 14 - Arquitetura distribuída de um sistema tempo real
Em aplicações tempo real, é importante poder determinar o comportamento
temporal do sistema de comunicação envolvido. As mensagens em sistemas TR podem ter
restrições temporais associadas e podem ser classificadas em:
� Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.:
mensagens ligadas as malhas de controle.
� Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo
mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de
relatórios.
� Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem
previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas [STEMMER, 2001].
Do ponto de vista da programação distribuída, o meio de transmissão (o
barramento) constitui um recurso compartilhado entre as estações a ele conectadas. Os
métodos de definição de direito de acesso utilizados nas redes locais são os denominados
protocolos de acesso ao meio. O problema de comunicação em tempo real tem forte
ligação com o tipo de protocolo de acesso ao meio adotado. A figura 15 ilustra a
problemática aqui discutida. Suponha que desejamos transmitir 5 mensagens diferentes
originadas de 5 estações na rede. Cada mensagem tem um tempo limite de entrega
30
associado a ela, aqui denominado deadline. Cada estação tem seu endereço na rede,
também indicado na figura [STEMMER, 2001].
Figura 15 - A problemática da comunicação tempo real
As mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes
de um prazo limite (deadline) associado. Assim, o problema de comunicação tempo real
fica sendo o seguinte:
� como organizar as filas locais de mensagens pendentes, de forma que a mais
prioritária seja colocada na cabeça da fila?
� como definir concessão do direito de acesso ao meio de forma a garantir que a
mensagem mais prioritária do conjunto de estações seja enviada primeiro e todas as
mensagens sejam entregues antes de seu deadline? [STEMMER, 2001].
O protocolo MAC utilizado precisa garantir rápido acesso ao barramento para
mensagens esporádicas de alta prioridade. Ele deve também atender mensagens periódicas
com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines [STEMMER, 2001].
Isto implica em que o sistema deve ter comportamento determinista (isto é, seu
tempo de reação deve ser conhecido) e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global
de mensagens. Para tal, o LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens
locais pendentes por deadline ou prioridade associada [STEMMER, 2001].
Para garantir um melhor desempenho temporal do sistema, é usual utilizar-se em
sistemas tempo real uma arquitetura de software com apenas três camadas, com a camada
de enlace subdividida em Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Controle Lógico de
Enlace (LLC), conforme mostrado na figura 16 [STEMMER, 2001].
31
Figura 16 - Arquitetura para sistemas tempo real
d.1.2 Abordagens para Comunicação Tempo Real
A definição de um protocolo determinístico de acesso ao meio ainda não resolve
completamente a questão da comunicação em tempo real. A solução global do problema da
comunicação em tempo real inclui a realização de um escalonamento das mensagens. A
exemplo do que se faz em sistemas multitarefas, onde processos concorrentes são
escalonados segundo vários critérios de forma a definir qual deles terá acesso ao
processador em um dado momento, aqui deve ser realizado um escalonamento de
mensagens de forma a definir qual delas terá acesso ao meio de comunicação em um dado
momento [STEMMER, 2001].
A tabela 1 apresenta de forma resumida algumas soluções apresentadas na literatura
para a problemática da comunicação em tempo real.
32
TABELA 1 – ABORDAGENS PARA COMUNICAÇÃO TEMPO REAL
Abordagem Requisitos Ex. de ProtocolosToken-Ring c/ Pr.Dif. AtrasosComp. Preâmbulo
Atribuição de Prioridadescom teste deescalonabilidade Off-line(em tempo de projeto)
MAC com resolução deprioridades
Forcing Headers(CSMA/CA)TDMAToken-PassingWaiting Room
Circuito Virtual TR comescalonamento On-line demensagens
MAC com tempo de acessoao meio limitado
CSMA/DCRReserva com escalonamentoglobal
Requer cópias locais de todasas filas de mensagens,difundidas em “slots times”de reserva
PODA
Uma abordagem proposta é a atribuição de prioridades fixas às mensagens e a
realização de um teste off-line de escalonabilidade sobre o conjunto. Neste caso, o
protocolo MAC tem que ser capaz de distinguir prioridades e enviar primeiramente a
mensagem mais prioritária entre todas as estações. Exemplos de protocolos adequados
neste caso seriam CSMA/CA ou Comprimento de Preâmbulo [STEMMER, 2001].
Outra proposta seria a realização de um escalonamento on-line das mensagens. O
MAC utilizado deve apenas ter um tempo de transmissão limitado.
Outra classe de soluções são os chamados protocolos de reserva, baseados em
conhecimentos globais do sistema, isto é, cada estação sabe que mensagens estão
pendentes nas demais estações. Para isto, é necessário que o estado das filas locais seja
transmitido às demais estações em intervalos de tempo (time slots) reservados para este
fim. [STEMMER, 2001].
A camada de enlace de uma rede para tempo real deve prover ao usuário ou ao
software da camada logo acima um conjunto mínimo de serviços, tais como:
- Serviços sem conexão:
� SEND (identificação do receptor, mensagem, requisitos Tempo Real);
� Mensagem = RECEIVE (emissor);
Os requisitos Tempo Real podem ser expressos sob a forma de uma prioridade ou
um tempo limite de entrega (deadline).
33
- Serviços com conexão:
� Rtcid = CONNECT (receptor, requistos TR);
� SEND (rtcid, mensagem);
� Mensagem = RECEIVE (rtcid);
� DISCONNECT (rtcid)
Aqui, “rtcid” significa “real time connection identifier”, isto é, um identificador
para a conexão.
d.2 Confiabilidade
Em aplicações industriais onde são transmitidos muitos códigos de comando,
leitura de medidores e comando de atuadores, um erro de um Bit qualquer poder ter
conseqüências desastrosas. A transferência de programas para máquinas de Comando
Numérico, por exemplo, exige um sistema altamente confiável, pois são transmitidos
códigos de comando cuja mínima alteração pode produzir danos de elevado custo. Desta
forma, redes industriais de comunicação tem que oferecer uma elevada confiabilidade
[STEMMER, 2001].
Para aumentar esta confiabilidade nas mensagens transmitidas, normalmente é
usado um teste cíclico de redundância (CRC – Cyclical Redundance Check).
Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio
de transmissão e estações de controle redundantes. Além disso, os cabos utilizados em
geral são blindados [STEMMER, 2001].
d.3 Requisitos do Meio Ambiente
Devido às características do ambiente industrial, a presença de perturbações
eletromagnéticas, provocadas principalmente pelos acionamentos de motores elétricos de
grande porte ou outras fontes chaveadas (estações de solda, conversores estáticos, etc.),
não pode ser desprezada na escolha do meio de transmissão de uma rede de comunicação
[STEMMER, 2001].
Para a definição do meio físico de transmissão e do protocolo de comunicação,
estas características devem ser consideradas. O meio de transmissão deve possuir uma boa
resistência mecânica e deve estar eletricamente isolado.
34
O meio físico a ser adotado não depende apenas de aspectos técnicos mas também
(e muito especialmente no chão de fábrica) do aspecto de custo. Cabos coaxiais são menos
afetados por perturbações eletromagnéticas do que o par trançado. No entanto, o custo do
cabo coaxial é superior ao do par trançado. Além disso, barramentos construídos com cabo
coaxial e conectores T requerem resistências terminais (“terminadores”) para a correta
operação da rede. Isto é necessário para evitar ressonâncias ou ecos, onde o sinal
propagado na rede retorna sobre si mesmo. Se o cabo for aberto em qualquer ponto da
fábrica, a rede cai [STEMMER, 2001].
Futuramente, a adoção de fibras óticas poderá vir a ser a melhor solução tanto do
ponto de vista técnico quanto econômico. Atualmente ainda há dificuldades na realização
de bifurcações com este meio físico, sendo necessárias as conexões em T usadas em redes
com topologia em barramento, de modo que as fibras óticas são mais utilizados em
sistemas com topologia em estrela ou anel. A realização de bifurcações tem alcançado
melhores resultados adotando acopladores ativos (com eletrônica adicional para conversão
do sinal ótico em elétrico e vice-versa nos pontos de derivação). Vem sendo realizados
também trabalhos para a realização de bifurcações passivas, baseadas em prismas. Tanto as
bifurcações ativas quanto as passivas encarecem a conexão, o que torna a solução
antieconômica para o nível de chão de fábrica. Uma solução que vem ganhando terreno é o
uso de Hubs, que emulam um barramento para as placas mas que efetivamente atuam
como estações concentradoras. Transformando a topologia física em estrela, o que permite
o uso de fibras óticas sem a necessidade de bifurcações. Com fibras óticas, além disso,
pode-se trabalhar com freqüências da ordem de vários GigaBaud (109 bits por segundo), o
que permitiria uma melhoria de performance do sistema de comunicação (esta, no entanto,
não é a vantagem chave da fibra ótica em redes locais industriais, pois o gargalo em termos
de tempo de transmissão não está na camada física, como veremos a seguir) [STEMMER,
2001]. A figura 17 apresenta uma comparação sumária entre os três tipos de meio.
35
Figura 17 - Meios de transmissão
Atualmente, a melhor solução para o chão de fábrica ainda é o par trançado. A fibra
ótica será certamente a melhor solução em futuro próximo, já existindo hoje diversas
aplicações industriais bem sucedidas.
d.4 Tipos de Mensagens e Volume de Informações
Nos níveis hierárquicos superiores de automação (por exemplo, a nível de
planejamento) são freqüentemente trocados pacotes de vários Kbytes, que requerem
tempos de transmissão variando de alguns segundos até vários minutos. Nas aplicações
mais próximas ao processo, normalmente são enviadas mensagens curtas, tais como:
� Comando para ligar ou desligar uma unidade (basta um bit);
� Comando para fazer a leitura de um sensor / medidor (bastam 8, 12 ou 16 bits,
conforme a resolução do conversor A/D utilizado);
� Comando para alterar o estado de um atuador (idem acima);
� Comando para verificar o estado de uma chave ou relê (basta um bit).
Estas operações podem ser feitas normalmente com um único quadro de comando
acrescido dos respectivos dados, quando existirem.
Para dispositivos programáveis encontrados no ambiente industrial (Controladores
Lógicos Programáveis, Comandos Numéricos Computadorizados, Comandos de Robô,
etc.), normalmente é necessário o envio de programas no início da produção de um lote,
que caracterizam mensagens maiores do que as referidas anteriormente. No entanto, estes
programas raramente ultrapassam 10 Kbytes em tamanho e dificilmente são utilizados
mais de 3 programas por unidade de fabricação durante um turno de trabalho.
Como conseqüência, uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa a nível
da camada física atende as necessidades de comunicação na maioria dos casos (1 Mbps é
quase sempre suficiente). Por outro lado, tem-se uma elevada taxa de ocupação do
barramento, com um grande número de mensagens sendo trocadas constantemente. Deve-
se portanto evitar mensagens grandes, que podem monopolizar o meio de transmissão por
um tempo muito longo [STEMMER, 2001].
e) Projetos de Padronização de Redes Industriais
36
As exigências de comunicação entre unidades para a integração flexível dos
sistemas de automação, descritas nos itens anteriores, evidenciam a necessidade de uma
especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em
automação de escritório. Existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril,
desenvolvidas por grandes empresas e que normalmente utilizam um protocolo específico
desenvolvido pelo próprio fabricante. Estas redes nem sempre permitem a interligação de
equipamentos de outros fabricantes. Desta forma, o usuário fica na total dependência de
um único fornecedor [STEMMER, 2001].
A arquitetura das redes de comunicação industrial deve integrar sistemas
heterogêneos de diferentes fabricantes, suportando tanto a operação de chão de fábrica
quanto as funções de apoio à produção. A definição de padrões de protocolo de
comunicação e a sua adoção por diferentes fabricantes permitiria a interconexão
(interoperabilidade) e até mesmo a intercambiabilidade das várias unidades de
processamento (neste caso, equipamentos produzidos por fabricantes diferentes podem ser
facilmente incorporados a instalação, simplesmente conectando-os ao sistema de
comunicação). Entre as diversas iniciativas de padronização para redes industriais, pode-se
destacar: Projeto PROWAY, Projeto IEEE 802, Projeto MAP (incluindo MAP/EPA e
MINI-MAP), Projeto TOP e Projeto FIELDBUS [STEMMER, 2001].
A princípio, seria dada ênfase no estudo dos projetos de padronização das redes
industriais, acreditando que as diversas redes industriais hoje existentes no mercado fariam
parte de um dos vários projetos de padronização de redes industriais que surgiram.
Entretanto, constatou-se que esta não é a realidade, pois cada projeto de padronização
originou sua própria rede industrial e todas as demais redes não fazem parte destes
projetos, onde estas redes em alguns casos, buscaram no máximo características destes
projetos que melhor lhe convieram [STEMMER, 2001].
f) Sistemas de Fieldbus
Também a partir dos vários projetos de padronização, surgiram diversos Sistemas
de Fieldbus, compostos pelas redes industriais, como Profibus DP, PA e FMS, Foundation
Fieldbus, entre outras.
A proposta FIP (“Factory Instrumentation Protocol”) foi elaborada por um conjunto
de empresas européias (Telemecanique, CEGELEC, CGEE Alsthom), órgãos do governo
37
francês e centros de pesquisa conglomerados em torno do chamado “Club FIP”. A proposta
procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por um grande
número de aplicações a nível de chão de fábrica. Definiu-se um modelo de transmissão
“produtor-consumidor, que difere das soluções mais usualmente encontradas em redes
locais. Para este fieldbus existem “chips” integrados que implementam as funções das três
camadas (FIPART, FULLFIP) [STEMMER, 2001].
Da proposta FIP de padronização, surgiu a rede industrial WORLDFIP, a qual tem
sido mais utilizada na área química.
A proposta PROFIBUS (“Process Field Bus”) foi desenvolvida na Alemanha,
inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller, em 1987. Em
1988 tornou-se um “Trial Use Standard” no contexto da norma DIN (DIN 19245, parte 1),
que define as camadas física e enlace. Posteriormente, um grupo de 13 empresas e 5
centros de pesquisa propuseram alterações nas camadas física e enlace e definiram a
camada de aplicação (norma DIN 19245, parte 2). O PROFIBUS representa a proposta
alemã para a padronização internacional do fieldbus. Esta proposta é atualmente apoiada
por cerca de 110 empresas européias e internacionais (Siemens, ABB, AEG, Bosch, entre
outras). Em 1996 tornou-se um padrão da comunidade européia, sob a designação
EN50170 [STEMMER, 2001].
Como as demais redes fieldbus para aplicações industriais, para atender aos
requisitos de tempo de resposta, o PROFIBUS implementa o modelo de referência
ISO/OSI reduzido a três camadas (1,2 e 7).
Da proposta PROFIBUS surgiram as redes industriais profibus DP, profibus PA e
profibus FMS.
Para a proposta ISA SP-50, os projetos FIP e PROFIBUS contribuíram
grandemente para o projeto SP-50 (“Standards & Practices 50”), em elaboração na ISA
(“Instrumentation Society of America”), que deverá tornar-se a proposta definitiva para o
fieldbus padronizado. Os trabalhos de padronização ainda estão em andamento
[STEMMER, 2001].
A ISA adotou a terminologia da CCITT, na qual um elemento de comunicação é
composto de duas partes:
� DTE (Data Terminal Equipment), que inclui as funcionalidades das camadas de
aplicação, de enlace e a parte da camada física independente do meio de transmissão
adotado;
38
� DCE (Data Communication Equipment), que inclui as partes da camada física
que dependem do meio.
Com a proposta ISA SP-50 surgiram as redes industriais IEC/ISA SP-50 Fieldbus e
Foundation Fieldbus H1.
Atuando nos vários níveis do chão de fábrica, pode-se encontrar atualmente
diversos Sistemas de Fieldbus, alguns com protocolo aberto e outros com protocolo
fechado. No anexo pode-se encontrar detalhes técnicos de diversas redes industriais, tanto
aquelas advindas dos projetos de padronização, como outras desenvolvidas por fabricantes
de equipamentos de automação e hoje disponíveis no mercado.
2.2 Sistemas Especialistas e a Inteligência Artificial
De acordo com os níveis das RI, os quais interligam diversos equipamentos e
dispositivos, a possibilidade de selecionar uma ou mais RI para a comunicação, com o
auxílio de um SE capaz de agilizar e facilitar o trabalho, é objeto de estudo a seguir.
2.2.1 Inteligência Artificial
Segundo PATTERSON (1990), Inteligência Artificial (IA) é uma área da ciência
da computação interessada no estudo e criação de sistemas de computação que
demonstram alguma forma de inteligência: sistemas que aprendem novos conceitos e
tarefas, sistemas que podem raciocinar e tirar conclusões úteis sobre o mundo ao nosso
redor, sistemas que podem entender uma linguagem natural ou perceber e compreender
uma cena visual, e sistemas que executam outros tipos de feats que requerem inteligência
humana.
Um programa de computador comum só pode fornecer respostas aos problemas
para os quais está especificamente programado. Se um programa comum precisar ser
modificado para acomodar novas informações, todo o programa terá de ser analisado até
que o espaço ideal seja encontrado para que a modificação possa ser inserida. Isto não
apenas toma tempo como também outras partes do programa podem ser afetadas de
maneira desfavorável durante o processo, podendo resultar em erros [LEVINE, 1988].
39
As técnicas de IA permitem a construção de um programa no qual cada parte
representa uma etapa altamente independente e identificável em direção a solução de um
problema ou de um conjunto de problemas. Cada parte do programa é como uma
informação na mente de uma pessoa. Se aquela informação é contestada, a mente pode
automaticamente ajustar seu pensamento para acomodar um novo conjunto de fatos. Não é
preciso se dar ao trabalho de reconsiderar cada informação que já se aprendeu, mas apenas
as partes que são relevantes àquela determinada mudança [LEVINE, 1988].
Um programa comum pode fazer tudo o que um programa de IA faz, mas não pode
ser programado tão fácil ou rapidamente. Em ambos os tipos de programa, todas as partes
são interdependentes na maneira como executam as funções que lhe são designadas. Mas
um programa de IA possui uma característica notável, equivalente a uma característica
vital da inteligência humana. Cada parte minúscula pode ser modificada sem afetar a
estrutura do programa inteiro. Essa flexibilidade permite maior eficiência e
compreensibilidade na programação – em uma palavra, inteligência [LEVINE, 1988].
2.2.2 Sistemas Especialistas
Sistema Especialista (SE) é uma área da IA que faz extenso uso de conhecimento
especializado para solucionar problemas no nível de um especialista humano [
GIARRATANO, 1994].
Podemos enumerar diversas áreas onde os sistemas especialistas podem ser
aplicados, como: agricultura, negócios, química, comunicações, educação, eletrônica,
engenharia, geologia, processamento de imagem, gerenciamento de informações,
manufatura, matemática, medicina, meteorologia, área militar, sistemas de potência,
ciência, tecnologia espacial, transporte entre outros [DURKIN, 1994].
Além de categorizar as aplicações dos sistemas especialistas por áreas de
problemas, uma outra forma de classificar as aplicações dos sistemas especialistas, é
através de paradigmas de solução de problemas. Especialistas apresentam um conjunto
genérico de regras quando estão solucionando certos tipos de problemas, tal como
diagnóstico ou planejamento. Independentemente da área de aplicação, dado o tipo de
problema, o especialista reúne e raciocina com informações em caminhos similares. Os
40
sistemas especialistas são designados para realizar regras genéricas baseados no tipo do
problema como ilustrado na tabela 2 [DURKIN, 1994].
TABELA 2 – TIPOS DE PROBLEMAS SOLUCIONADOS POR SISTEMASESPECIALISTAS
Paradigma de
Solução de
Problemas
Descrição
Controle
Projeto
Diagnóstico
Instrução
Interpretação
Monitoração
Planejamento
Predição
Prescrição
Seleção
Simulação
Governando sistema de comportamento para encontrar especificações
Configurando objetos sob restrições
Inferindo mau funcionamento de sistema de observações
Diagnosticando, debugando, e reparando comportamento de estudantes
Inferindo descrição de situação de dados
Comparando observações a expectativas
Planejando ações
Inferindo conseqüências prováveis de situações dadas
Recomendando solução para mau funcionamento do sistema
Identificando a melhor escolha de uma lista de possibilidades
Modelando a interação entre componentes de sistema
Conforme tabela 2, o tipo de problema a ser resolvido pelo sistema especialista a
ser desenvolvido nesta pesquisa é do tipo seleção, o qual deve identificar a melhor escolha
ou a melhor rede industrial de uma lista de possibilidades, baseado nas características
exigidas pela aplicação, confrontadas com as características de todas as RI armazenadas
na base de conhecimento do SE.
Os SE iniciam a especificação do problema definido pelo usuário e tentam
encontrar a solução que mais combina com esta especificação. Estes sistemas usualmente
empregam uma técnica de raciocínio inexato ou uma função de avaliação de
confrontamento quando estão formando suas seleções [DURKIN, 1994].
a) Características de um Sistema Especialista
41
Segundo PATTERSON (1990), os Sistemas Especialistas diferem de sistemas
computacionais convencionais em vários aspectos importantes.
� SE usam conhecimento ao invés de dados para controlar o processo de solução. A
maioria do conhecimento usado é naturalmente heurístico ao invés de algorítmico;
� O conhecimento é codificado e mantido como uma entidade separada do
programa de controle, ou seja, não é compilado junto com o controle do programa. Isto
permite a adição e modificação (refinamento) incremental do conhecimento base sem
recompilação do controle do programa. É possível em alguns casos usar diferentes bases de
conhecimento com o mesmo programa de controle para produzir diferentes tipos de
ambientes de SE. Tais sistemas são conhecidos como ambientes de SE desde que possam
ser carregados com diferentes bases de conhecimento;
� Os SE são capazes de explicar como uma conclusão particular foi alcançada, e
por que a informação requisitada é necessária durante a consulta. Isto é importante pois
possibilita ao usuário uma chance para acessar e entender a habilidade de raciocínio do
sistema;
� SE usam representações simbólicas para o conhecimento (regras, redes, ou
“frames”) e representam sua inferência através de computações simbólicas que
assemelham-se a manipulações da linguagem natural. (Uma exceção a isto é o SE baseado
em arquiteturas de redes neurais);
� SE freqüentemente raciocinam com metaconhecimento, isto é, raciocinam com
conhecimento a cerca deles mesmo, seus próprios limites e capacidades.
Para construir um Sistema Especialista é preciso direcionar um domínio de
conhecimento e habilidade em uma área de aplicação; este conhecimento é com freqüência
vago ou parcialmente articulado. O engenheiro conhecedor deve traduzir o conhecimento
de um especialista em uma linguagem formal.
Um especialista é um indivíduo que possui uma especialidade em uma certa área,
isto é, o especialista tem conhecimento ou habilidades especiais que não são conhecidas ou
disponíveis para a maioria das pessoas [GIARRATANO, 1994].
Há duas grandes características de um especialista que tenta-se modelar no sistema:
o conhecimento do especialista e o raciocínio. Para realizar isto, o sistema precisa ter dois
módulos principais: uma base de conhecimento e um motor de inferência [DURKIN,
1994].
42
A base de dados contém conhecimento altamente especializado na área do
problema, fornecido pelo especialista. Isto inclui fatos problema, regras, conceitos e
relações. Para codificar o conhecimento em uma base de conhecimento, são utilizadas
técnicas de representação do conhecimento.
O motor de inferência aceita perguntas e respostas a questões através de I/O
interfaces e usa estas informações dinâmicas, juntamente com o conhecimento estático (as
regras e fatos) armazenados na base de conhecimento. O conhecimento na base de dados é
usado para extrair conclusões acerca do caso ou situação corrente, como apresentado pela
entrada do usuário [PATTERSON, 1990].
O valor da captura deste talento em um sistema especialista pode ser respondido
pela comparação da tabela 3 abaixo, entre sistema especialista em software e um
especialista humano [DURKIN, 1994].
TABELA 3 – COMPARAÇÃO DE UM ESPECIALISTA HUMANO EM UM SISTEMAESPECIALISTA
Fator Especialista Humano Sistema Especialista
Disponibilidade de tempo
Geografia
Segurança
Perecível
Performance
Velocidade
Custo
Dia de trabalho
Local
Insubstituível
Sim
Variável
Variável
Alto
Sempre
Disponível em qualquer local
Substituível
Não
Consistente
Consistente (usualmente
veloz)
Permitido
Da comparação da tabela acima aparecem duas razões gerais para se construir um
sistema especialista: substituir um especialista ou ajudar um especialista.
Segundo DURKIN (1994), algumas das principais razões do desenvolvimento de
um SE para substituir um especialista são:
• Tornar o especialista disponível após seu horário de trabalho ou na sua ausência;
• Automatizar uma regra rotineira que requer um especialista;
• O especialista está se aposentando ou deixando a empresa;
43
• O especialista é caro [DURKIN, 1994].
Segundo DURKIN (1994), algumas das principais razões para o desenvolvimento
de um sistema especialista para ajudar um especialista são:
• Auxiliar o especialista em alguma regra rotineira para aumentar a produtividade;
• Auxiliar o especialista em alguma regra difícil para efetivamente gerenciar as
complexidades;
• Tornar disponível ao especialista, informações que são difíceis de lembrar.
De acordo com Joe Carter, sócio da Andersen Consuting Inc., 70 % dos custos de
desenvolvimento em manufatura e 90% dos custos de serviços em atividades como
aconselhamento financeiro são atribuídos ao homem tomando decisões [DURKIN, 1994].
2.2.3 Sistemas Especialistas Baseados em Regras
A programação do SE para Seleção de Redes Industriais foi feita em CLIPS, o qual
é implementado baseado em regras.
A construção de Sistemas Especialistas baseados em regras é a escolha mais
popular dos engenheiros de conhecimento. Esta popularidade tem crescido em função do
grande número de sucessos na construção de sistemas baseados em regras e da abundância
de desenvolvimento de programas de SE baseados em regras disponíveis atualmente
[DURKIN, 1994].
A seguir é apresentado um estudo da fundamentação dos SE baseados em regras.
a) Sistemas de Produção
Um sistema de produção é a base dos sistemas baseados em regra de hoje.
Produção é o termo usado em psicologia cognitiva para descrever a relação entre situações
e ações, é mais comumente referida hoje como regra [DURKIN, 1994].
A estrutura básica de uma produção consiste de um antecedente, ou a parte IF,
descrevendo a situação e uma conseqüência, ou a parte THEN, descrevendo alguma ação a
ser tomada no evento na qual a situação existe.
Segundo NEWELL e SIMON (1972), ao solucionar algum problema, os homens
usam um conjunto de regras de produções, de sua memória de longa duração, que é
44
aplicada a uma situação dada, armazenada na sua memória de curta duração. A situação
causa a produção de alguns disparos, resultando em uma ação a ser adicionada a sua
memória de curta duração. Este processo é similar ao raciocínio humano: inferindo novas
informações de informações conhecidas. Com estas informações adicionais acrescentadas
a memória de curta duração, a situação muda, o que poderia causar outras produções de
disparo. Este modelo humano de solução de problema, evocando produções da memória de
longa duração e trocando o conteúdo da memória de curta duração, tornou-se conhecido
como sistema de produção e é ilustrado na figura 18 [DURKIN, 1994].
Figura 18 - Modelo do Sistema de Produção
b) Sistemas Baseados em Regras
A idéia do sistema de produção é natural mas efetiva. O sistema de produção
tornou-se a fundação dos sistemas especialistas baseados em regras de hoje [DURKIN,
1994].
Sistema especialista baseado em regras é um programa de computador que processa
informações específicas de um problema, contidas em uma memória de trabalho, com um
conjunto de regras contidas na base de conhecimento, usando um motor de inferência para
inferir novas informações.
Um sistema especialista baseado em regras modela um sistema de produção usando
os seguintes módulos:
• Base de conhecimento: modela a memória de longa duração do ser humano como
um conjunto de regras;
• Memória de trabalho: modela a memória de curta duração do ser humano e
contém “fatos problema”, ambos inseridos e inferidos pelo disparo das regras;
45
• Motor de inferência: modela o raciocínio humano combinando “fatos problema”
contidos na memória de trabalho com regras contidas na base de conhecimento para inferir
novas informações.
No sistema baseado em regras, as regras contidas na base de conhecimento
representam as produções contidas na memória de longa duração e os fatos contidos na
memória de trabalho representam as situações na memória de curta duração. O motor de
inferência age como o módulo de raciocínio do modelo de sistema de produção e compara
os fatos com os antecedentes ou premissas das regras para ver quais podem ser executadas.
Estas regras que podem ser executadas, podem produzir novas informações que serão
adicionadas à memória de trabalho e o processo continua até que nenhuma outra regra
tenha antecedentes que combine os fatos contidos na memória de trabalho [DURKIN,
1994].
c) Arquitetura do Sistema Especialista Baseado em Regras
Segundo DURKIN (1994), os módulos base de conhecimento, memória de trabalho
e motor de inferência correspondem ao núcleo do sistema, mas há outros subsistemas em
um sistema real. Uma arquitetura mais completa é vista na figura 19.
Figura 19 - Arquitetura do Sistema Baseado em Regras
Segundo DURKIN (1994), os subsistemas adicionais são:
46
• Interface do usuário: o veículo através do qual o usuário visualiza e interage com
o sistema;
• Interface de desenvolvimento: veículo através do qual o engenheiro de
conhecimento desenvolve o sistema;
• Facilidade de explanação: o subsistema responsável por proporcionar explanações
do raciocínio do sistema;
• Programas externos: programas tal como base de dados, relatórios, algoritmos,
etc, que trabalham como suporte ao sistema.
Interface usuário/desenvolvedor – todos os programas de desenvolvimento,
incluindo os shells e linguagens base, oferecem diferentes faces de trabalho ao usuário e ao
desenvolvedor do sistema. O usuário pode ser exposto a simples displays textuais ou
gráficos interativos. O desenvolvedor precisa desenvolver o sistema usando um acesso ao
código fonte ou ser conduzido através de um editor durante o desenvolvimento do sistema.
Facilidade de Explanação – a natureza da facilidade de explanação dependerá da
escolha do software de desenvolvimento. Muitos shells proporcionam uma capacidade
limitada de proporcionar explanações de porque alguma questão que está sendo perguntada
e como alguma conclusão é alcançada.
Programas externos – a maioria dos shells no mercado oferecem uma arquitetura
aberta que permite a interface do sistema especialista com uma variedade de programas
externos. Esta capacidade adiciona à capacidade do sistema, pois estas informações
armazenadas nas fontes externas podem ser facilmente acessadas e usadas pelo SE.
d) Vantagens do Sistema Baseado em Regras
Segundo DURKIN (1994), o Sistema Especialista baseado em regras apresenta
diversas vantagens, são elas:
• Expressão Natural: para muitos problemas, os seres humanos naturalmente os
solucionam utilizando seu conhecimento através de declarações do tipo IF ... THEN. A
facilidade de captura deste conhecimento em uma regra, torna a abordagem baseada em
regra uma escolha atrativa para o projeto do SE;
• Separação do Controle do Conhecimento: o sistema baseado em regras separa o
conhecimento contido na base de conhecimento de seu controle executado pelo motor de
inferência. Esta característica não é única a este sistema, mas é uma marca registrada de
47
todos os sistemas especialistas, e permite a troca do conhecimento do sistema ou controle
separadamente;
• Modularidade de Conhecimento: uma regra é um pedaço de conhecimento. Este
logicamente deriva fatos que podem ser concluídos sobre o problema contido em seu parte
THEN, de fatos que são estabelecidos em sua parte IF. Desde que esse é um pedaço
independente de conhecimento, pode-se facilmente revê-lo e verificar sua correção;
• Facilidade de Expansão: a separação do conhecimento do sistema de seu controle
permite facilmente adicionar regras adicionais permitindo uma grande expansão do
conhecimento do sistema;
• Crescimento Proporcional de Inteligência: mesmo uma regra pode ser um pedaço
valioso de conhecimento. Esta é capaz de informar ao sistema algo novo sobre o problema,
de evidências estabelecidas. Com o número de regras aumentadas, o nível de inteligência
do sistema a respeito do problema também aumenta;
• Uso de Conhecimento Relevante: o sistema usa somente as regras que são
relevantes ao problema. Um sistema provavelmente tem muitas regras que podem ser
endereçadas a um número distribuído de problemas. Entretanto o sistema pode decidir
baseado nas informações descobertas qual deve ser ocupado em ordem para solucionar o
problema corrente;
• Verificação da Consistência: a estrutura rígida da regra permite a checagem da
consistência do sistema para assegurar que as mesmas situações não conduzam a diferentes
situações;
• Utilização do Conhecimento Heurístico: uma característica típica de especialistas
humanos é que eles são particularmente adeptos ao uso de regras básicas ou heurísticas
para ajudá-los a solucionar um problema eficientemente. Estes especialistas aprendem com
suas experiências, e são freqüentemente mais valiosos a eles que os princípios
fundamentais que podem ser aprendidos em uma sala de aula. Sistemas baseados em regras
são bem adequados para trabalhar com estas heurísticas. Pode-se escrever regras
heurísticas que trabalham em senso comum para tirar conclusões ou para eficientemente
controlar a pesquisa da base de conhecimento;
• Utilização de Conhecimento Incerto: as regras podem ser escritas de forma a
capturar uma relação incerta, através de um número chamado Fator de Certeza (FC). Pode-
se estabelecer um nível de crença a regra de conclusão;
48
• Capacidade de Incorporar Variáveis: variáveis podem ser usadas nas regras que
realçam a eficiência do sistema. As variáveis podem ser amarradas a números de exemplos
na memória de trabalho e testados pela regra.
As inúmeras características de um SE induzem a que esta técnica seja considerada
uma boa alternativa para ser usada na implantação de um sistema de seleção de RI. Dentre
as características e vantagens mais importantes destacam-se:
• Um conhecimento amplo e diversificado;
• Um conhecimento específico considerando a planta industrial;
• Flexível e de boa modularidade;
• A modelagem do conhecimento expresso no formato “if-then”;
• Fácil manutenção;
• Auto-explicativo e heurístico.
Conclusão
Este capítulo apresentou o Modelo OSI, que objetiva padronizar os protocolos de
redes, os quais são regras de comunicação. Este é formado por sete camadas, onde cada
uma realiza uma função, sendo estas o caminho de comunicação entre o usuário e o canal
de transmissão. Conforme apresentado no item 2.1, as Redes Industriais fazem uso de
apenas algumas destas camadas.
Equipamentos adicionais são também utilizados em redes para exercerem
determinadas funções, como isolar partes da rede ou conectá-la a outros sistemas de
comunicação. O meio físico para comunicação pode ser estruturado em diversas
topologias, cada qual com suas vantagens e desvantagens.
As RI são utilizadas para comunicação no ambiente industrial, onde este é dividido
em diversos níveis de dispositivos e equipamentos. Cada nível possui diferentes
características. Uma mesma RI geralmente tem capacidade para atender um só nível da
pirâmide CIM, em função de suas características diferenciadas. Estas características
básicas são essenciais no processo de seleção de uma RI para um determinado nível.
Também foi apresentado neste capítulo conceitos de Inteligência Artificial (IA), o
qual imita o processo básico do aprendizado humano, por meio do qual novas informações
são absorvidas, tornando-se disponíveis. A IA possui diversos campos de estudo, dentre
49
eles os Sistemas Especialistas (SE), ao quais fazem uso do conhecimento especializado
para solucionar problemas. Os SE podem solucionar diversos tipos de problemas, dentre
eles, problemas de seleção. Um SE possui características que o diferem de sistemas
computacionais convencionais, como uso de conhecimento ao invés de dados, onde este
conhecimento é mantido separado do programa de controle, o que facilita em muito o
desenvolvimento e até o entendimento do processo de raciocínio e tomada de decisão.
CAPÍTULO 3
3. Situação Atual
3.1 Pesquisa de Campo
3.1.1 Objetivo
A região norte do estado de Santa Catarina e o sul do Paraná são regiões
densamente povoadas por industrias com alto nível de automação. Entretanto, seria difícil
entrar em contato com todas estas para averiguar como as Redes Industriais (RI) estão
sendo usadas, tanto pela dificuldade de deslocamento em uma área geográfica extensa,
quanto pelo custo associado a necessidade de agendamento prévio. Sendo assim, foi
elaborado um questionário (ver Anexo A), o qual foi enviado por e-mail e, quando
possível, aplicado pessoalmente. Antes do envio do questionário, via contato telefônico, foi
contatada a pessoa da empresa que domina o assunto, evitando assim, o envio do e-mail
para uma pessoa despreparada.
50
O objetivo do formulário na pesquisa de campo era:
� Descobrir o nível tecnológico das empresas, ao determinar quais utilizam esta
tecnologia, verificando se a RI está se comunicando com a Rede de Computadores,
aproveitando assim diversas informações das máquinas e do processo, disponíveis na rede
industrial, ou que poderiam ser acrescentadas a esta rede e que podem fornecer para áreas
de supervisão, gerenciamento, compras, entre outros, preciosos elementos de informação;
� Determinar quais RI estão sendo utilizadas, identificando aquelas realmente
difundidas;
� Verificar em que área estão instaladas estas redes, que tipos de máquinas estão
conectadas nesta rede e se estas redes estão interligadas a Rede de Computadores da
empresa. Espera-se identificar algum tipo de consenso na seleção das Redes Industriais,
procurando identificar se há uma metodologia para seleção;
� A pesquisa ainda objetiva determinar se alguém na empresa domina a tecnologia
quando da especificação da rede, ou se esta é feita por um consultor ou alguma outra
pessoa, pois isso pode ser uma indicação da complexidade da tarefa de selecionar e gerir
tais redes. Além disso, será possível determinar quando foi feita a instalação desta rede,
para determinar se a empresa já possui algum conhecimento no uso desta tecnologia e
também em quanto tempo foram efetivados os trabalhos de instalação;
� Por fim, objetiva-se determinar se após a implantação da RI, alguma área ou
pessoa na empresa foi treinada para fazer a manutenção desta rede ou se este trabalho
ainda é realizado por alguém ou alguma empresa externa, o que caracterizaria a total
dependência das empresas na área.
3.1.2 Expectativa de Resposta em Cada Item
Antes mesmo da aplicação do questionário, tinham-se algumas expectativas quanto
a realidade do setor industrial pesquisado. Estas expectativas são listadas a seguir:
� Com relação a pergunta “possuem na empresa Rede(s) de Computadores”, era
quase garantida uma resposta afirmativa, já que é comum nas empresas;
� A questão “possuem na empresa Rede(s) Industriais”, era crucial, já que
determina o preenchimento ou não do restante da pesquisa. Esperava-se encontrar um
índice afirmativo de 50 % das respostas;
51
� Em seguida, para aquelas empresas que possuem Redes Industriais, perguntou-se
“qual Rede Industrial”, onde esperava-se encontrar as mais variadas, já que existem
diversos tipos;
� Na pergunta “a Rede Industrial está em todo o chão de fábrica”, não esperava-se
encontrá-la a este nível de implementação em todas as empresas, já que são conhecidas
aquelas que por tradição investem em tecnologia e que provavelmente teriam instaladas em
todo o chão de fábrica a Rede Industrial;
� A pergunta “que tipos de máquinas estão em rede”, acreditava-se que as áreas
que mais estariam se beneficiando desta tecnologia seriam áreas principalmente de
montagem e usinagem. As máquinas seriam aquelas que utilizam CLPs, sendo estas
específicas para o trabalho que devem executar e ainda, máquinas CNCs, robôs e
computadores pessoais (PC);
� A pergunta que determina aproximadamente quantas máquinas estão em rede,
esperava-se que esta quantidade variasse em função do tamanho da empresa pesquisada, ou
seja, do tamanho do processo fabril e também do nível de investimento da empresa em
máquinas com esta tecnologia. Para aquelas que utilizam Redes Industriais, esperava-se
encontrar um percentual acima de 75% das máquinas ligadas em rede;
� Ao perguntar se a Rede Industrial e a Rede de Computadores estão interligadas, a
expectativa era de muitas respostas positivas, mas havia dúvidas quanto a isso, pois no
Brasil, o nível de automação não é alto em todas as empresas;
� Nas perguntas “quem fez a especificação da rede” e “quem fez a implantação”,
era esperado que tanto o trabalho de especificação quanto de implantação tivessem sido
feitos por alguma empresa especializada, já que o assunto em si não é de domínio geral;
� Quanto as datas de especificação e implantação da RI, esperava-se respostas com
no máximo cinco anos, já que no Brasil, a chegada de novas tecnologias é um pouco tardia,
apesar desta não ser tão nova. Empresas de alta tecnologia, bem como as mais recentes,
provavelmente já possuem em seus processos esta tecnologia de comunicação;
� Na pergunta que procurava identificar se havia um grupo ou pessoa
especificamente responsável pela manutenção da RI, procurava-se determinar se as
empresas procuram fazer com que seus funcionários adquiram o conhecimento destas
tecnologias ou se este ainda é restrito a outros.
52
3.1.3 Amostra da Pesquisa de Campo
A pesquisa de campo foi realizada em dezessete empresas, as quais estão situadas
nas cidades de Joinville, Jaraguá do Sul e São José dos Pinhais. As dezessete empresas
envolvidas na pesquisa são:
� Amanco Brasil SA (fabricação de tubos e conexões plásticas)
� DOCOL Metais Sanitários Ltda (fabricação de metais sanitários)
� Douat Cia T êxtil (têxtil)
� Dohler SA (t êxtil)
� Embraco (fabricação de compressores para geladeiras e freezers)
� Herten (modelação)
� Kohlbach Motores Ltda (fabricação de motores elétricos)
� Marisol SA (têxtil)
� Moliporex (usinagem)
� Multibras Eletrodomésticos (fabricação de eletrodomésticos)
� Renault do Brasil (fabricação de automóveis)
� Schulz SA ( fabricação de compressores)
� Tritec Motores Ltda (fabricaç ão de motores para automóveis BMW)
� Tubos e Conex ões Tigre (fabricação de tubos e conexões)
� Tupy Fundições Ltda (fundição)
� VAMA Industrial Ltda (usinagem)
� WEG Indústrias SA (fabricação de motores elétricos)
As empresas acima foram escolhidas ou porque são as maiores da região, ou pela
atividade que exercem. Acreditava-se que dispunham alto grau de automatização no seu
parque fabril, tanto em máquinas como equipamentos, logo, a probabilidade de possuirem
Redes Industriais no seu processo era maior. Algumas foram escolhidas porque sabia-se de
antemão que já possuiam Rede Industrial, como no caso da Tritec Motores Ldta.
Das dezessete empresas cujo questionário foi enviado, a Tubos e Conexões Tigre
não foi autorizada a responder e a Moliporex não respondeu, por razões que não foram
explicitadas.
53
3.1.4 Resultado da Pesquisa
No Anexo A são apresentadas as respostas tabuladas em valores absolutos e neste
texto serão comentados os valores percentuais daqueles.
Para a avaliação da pesquisa, cada pergunta do questionário é avaliada
separadamente e seu resultado é mostrado a seguir:
� Empresas que possuem Rede(s) de Computadores
Na tabela 4, pode-se observar que todas as empresas possuem Rede de
Computadores, já que isto facilita a troca de informações, não exige grandes investimentos
e a tecnologia deste tipo de rede está bem amadurecida. Estas respostas comprovam as
expectativas iniciais.
TABELA 4 - EMPRESAS QUE POSSUEM REDES(S) DE COMPUTADORES
Percentual de Empresas (%) Número deEmpresas
Possuem Redes de Computadores 100 15
Não possuem Redes de Computadores 0 0
Total 100 15
� Empresas que possuem Redes Industriais
Para esta resposta, conforme tabela 5, mais da metade das empresas possuem Redes
Industriais, alcançando assim as expectativas iniciais, de que pelo menos metade das
empresas possuiriam este tipo de rede.
TABELA 5 – EMPRESAS QUE POSSUEM REDES INDUSTRIAIS
Percentual de Empresas (%) Número deEmpresas
Possuem Redes Industriais 53,33 8
Não possuem Industriais 41,17 7
Total 100 15
A partir de agora, os percentuais nas tabelas a seguir se referirão ao universo de oito
empresas, pois somente oito delas possuem RI instaladas. Além disso, pode-se ter
respostas múltiplas.
54
� Tipos de Redes Industriais que as empresas possuem
Observa-se na tabela 6, que são empregados os mais variados tipos de redes,
provavelmente, como se esperava, em função da marca dos equipamentos utilizados nas
máquinas, onde cada fabricante de equipamento sempre procura vender a sua rede
proprietária, apesar de muitos possuírem placas de comunicação para outras redes. Pode-se
observar, por exemplo, que 62,5 % das oito empresas que possuem RI, utilizam o Profibus.
TABELA 6 – QUAL OU QUAIS REDES INDUSTRIAIS AS EMPRESAS POSSUEM
Percentual de Empresas com
Determinado Tipo de RI ( % )
Número de Empresas comDeterminado Tipo de RI
MPI 12,5 1
Sinec L2 12,5 1
ASI 12,5 1
Modbus 12,5 1
FIPWAY 12,5 1
DH + 25 2
Ethernet 37,5 3
Profibus 62,5 5
Total Empresas 100 8
� Verificar se a Rede Industrial está em todo o chão de fábrica
Na tabela 7, como era esperado, observa-se que apenas três das empresas, ou seja,
37,5% tem a Rede Industrial em todo o chão de fábrica. Sabe-se que duas destas empresas
são fábricas novas, construídas a poucos anos e que utilizam um Sistema Flexível de
Manufatura, sendo para isso, importante a comunicação entre os equipamentos e por esta
razão, foram levadas a implantar as RI em toda a fábrica. Além do que, são multinacionais
e já incorporaram as redes em suas empresas matriz.
TABELA 7 - A REDE INDUSTRIAL ESTÁ EM TODO O CHÃO DE FÁBRICA ?
Percentual Empresas (%) Número de Empresas
Está em Todo o Chão de Fábrica 37,5 3
Não está em Todo o Chão de Fábrica 62,5 5
55
Total 100 8
� Determinar a área onde estão instaladas as Redes Industriais
Conforme o resultado da tabela 8, pode-se observar quantas industrias possuem
uma RI em determinada área. De acordo com as expectativas, esperava-se a área de
usinagem e montagem dominando disparadamente a pesquisa. Uma empresa não
especificou as áreas, informando apenas que estava em todo o processo, o qual
provavelmente envolve a usinagem, sendo assim, não foi considerada a área de usinagem,
apenas marcado todo o processo. Ocorre também que as empresas pesquisadas são das
mais diversas áreas, algumas sequer possuem um centro de usinagem, ou se a tem, é
apenas para pequenos serviços ou reparos, o que influenciou nos resultados. O mesmo
ocorre com a montagem. Mesmo assim a usinagem e a montagem receberam um
considerável percentual de RI.
TABELA 8 – QUAL A ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDESINDUSTRIAIS?
Percentual de Empresas ( % ) Número de Empresas
Beneficiamento 12,5 1
Preparação Matéria-Prima 12,5 1
Máquinas para Preparação de Fios 12,5 1
Estamparia 12,5 1
Injeção de Alumínio 12,5 1
Sistema de Esgoto 12,5 1
Teste 12,5 1
Processo de PU 12,5 1
Usinagem 25 2
Montagem 25 2
Todo o Processo 37,5 3
Total de Empresas 100 8
� Determinar que tipos de máquinas estão em rede
A maioria das máquinas ligadas em rede são equipamentos de montagem, como
pode ser visto na tabela 9, como era de se esperar, previa-se que a maioria das máquinas
56
que incorporam um ou mais CLP’s utilizariam uma Rede Industrial e, os equipamentos de
montagem quase que certamente possuem CLP. Em segundo lugar encontram-se os robôs,
já que estes provavelmente trabalham em conjunto com os equipamentos de montagem,
tanto realizando a montagem como manipulando peças, para ou de outras máquinas. Já as
máquinas CNC ficaram aquém das expectativas, pois esperava-se encontrar um número
maior de máquinas CNC ligadas em RI, já que estas empregam grande tecnologia, o que
permitiria através da RI, descarregar programas, acompanhar diversos fatores da máquina
CNC, como tempo de máquina parada, produção da máquina, etc.
TABELA 9 – QUE TIPOS DE MÁQUINAS ESTÃO EM REDE ?
Percentual de Empresas ( % ) Número de Empresas
PC 12,5 1
Dosadores 12,5 1
Silos 12,5 1
Máquina Têxtil 12,5 1
Bobinadoras 12,5 1
Prensas 12,5 1
Lavadoras 12,5 1
Painéis de Teste 12,5 1
Elevatório 12,5 1
Balanceadoras 12,5 1
Engomadeiras 12,5 1
Extrusoras 12,5 1
Urdideiras 12,5 1
Sistema de Transporte 25 2
CNC 25 2
Injetoras 25 2
Robôs 37,5 3
Equipamento de Montagem 50 4
Total de Empresas 100 8
� Averiguar quantas destas máquinas estão em rede:
57
Para este ítem não foi possível precisar o número de máquinas em rede, pois no
questionário, as empresas respondiam o número total de máquinas e não a quantidade de
cada tipo de máquina em rede. Assim, são citadas abaixo, aproximadamente as quantidades
de máquinas por empresas.
- Empresa A: toda a planta de compostagem, envolvendo dosadores, silos e sistema de
transporte
- Empresa B: 10 a 20 máquinas, sendo estas: engomadeiras, extrusoras polipropileno e
urdideiras
- Empresa C: aproximadamente 5 microcomputadores.
- Empresa D: não precisou o número de máquinas, as quais envolviam equipamentos
de montagem (robôs, etc), elevatório (sistema de esgoto) e painéis de teste.
- Empresa E: aproximadamente 15 máquinas, entre elas CLP’s de equipamentos de
montagem e máquinas do processo de PU.
- Empresa F: mais de 200 máquinas, envolvendo todo o processo, transporte e
logística.
- Empresa G: aproximadamente 80 máquinas, como máquinas de usinagem,
montagem, lavadoras, robôs, balanceadoras entre outras.
- Empresa H: cerca de 100 máquinas, entre elas centros de usinagem CNC, linha de
bobinagem, prensas rápidas, injetoras, etc.
As empresas que possuem maior número de máquinas ligadas em rede são
obviamente aquelas onde todo o chão de fábrica está ligado em uma ou mais Redes
Industriais.
� Determinar se a Rede de Computadores e a Rede Industrial estão interligadas
Em relação ao número de empresas que possuem Redes Industriais, encontrar
esta(s) rede(s) ligadas a Rede de Computadores foi uma surpresa. Pode ser visto na tabela
10, um percentual considerável destas, ou seja, das oito empresas que possuem RI, cinco
interligaram as redes, possibilitando assim uma grande troca de informações disponíveis.
TABELA 10 - A REDE DE COMPUTADOR E A REDE INDUSTRIAL ESTÃOINTERLIGADAS ?
Percentual de Empresas (%) Número de Empresas
Sim 62,5 5
Não 37,5 3
58
Total de Empresas 100 8
� Conhecer quem fez a especificação da rede
Conforme a expectativa inicial, onde acreditava-se que este trabalho seria realizado
por uma empresa especializada, a tabela 11 informa que a maioria realizou um trabalho
conjunto entre funcionários internos e externos, dividindo seus conhecimentos e dúvidas
conseguindo com isso, uma melhor especificação da rede a ser empregada.
TABELA 11 – QUEM FEZ A ESPECIFICAÇÃO DA REDE ?
Percentual de Empresas (%) Número de Empresas
Interno 62,5 5
Consultor 12,5 1
Fornecedor da Máquina ou Sistema 50 4
Total de Empresas 100 8
� Determinar quando foi feita a especificação e quanto tempo levou
Muitos dos entrevistados não sabiam definir quando foi feita a especificação, nem
quanto tempo levou para ser feita, como pode ser visto na tabela 12, assim sendo, serão
comentadas apenas as empresas que souberam responder a estas perguntas. Em função das
respostas, as expectativas permanecem.
TABELA 12 – QUANDO FOI FEITA A ESPECIFICAÇÃO E QUANTO TEMPOLEVOU?
Quando Quanto tempo levou
Empresa A 1997
Empresa C 30 dias
Empresa D Instalação 15 dias
Empresa K Etapa de Projeto 365 dias
� Determinar quem fez a implantação
59
Para a implantação também ocorreram casos do trabalho ter sido realizado em
conjunto entre pessoal interno da empresa e consultores, fornecedores ou integradores,
como pode ser visto na tabela 13.
Assim como no caso da especificação, sobressaiu o trabalho em grupo entre
pessoas internas à empresa, com grande atuação destas, e pessoas externas à empresa.
TABELA 13 – QUEM FEZ A IMPLANTAÇÃO ?
Percentual de Empresas (%) Número de Empresas
Interno 50 4
Consultor 25 2
Fornecedor da Máquina ou Sistema 25 2
Trabalho Conjunto com
Integradores
25 2
Total de Empresas 100 8
� Determinar quando foi feita a instalação e quanto tempo durou:
Como no caso da especificação, conforme a tabela 14, muitos dos entrevistados não
sabiam definir quando foi feita a implantação e quanto tempo levou para ser feita, assim
sendo, serão apresentadas apenas as empresas que souberam responder estas perguntas.
TABELA 14 – QUANDO FOI FEITA A IMPLANTAÇÃO E QUANTO TEMPO LEVOU?
Quando Quanto tempo durou
Empresa A 1997 Imediata
Empresa C 2001 (última) 120 dias
Empresa D 7 dias
Empresa M 1999 60 dias
60
As instalações são algo recente, como era esperado. Quanto ao período de
instalação, depende do nível de complexidade das máquinas, das redes, do fato das
máquinas serem novas ou se está apenas implantando a rede nas antigas máquinas.
� Grupo ou pessoa especificamente responsável pela manutenção da RedeIndustrial
Tinha-se como expectativa que as empresas treinariam uma pessoa ou um grupo
para a manutenção das Redes Industriais, já que o pronto atendimento para o serviço nem
sempre pode ser executado por uma empresa externa e sim por alguém interno. O fato é
que, dependendo da manutenção a ser realizada, o sistema não pode permanecer muito
tempo sem comunicação, comprometendo assim as máquinas e o processo, já que este,
dependendo do caso, permanecerá parado. Como pode-se notar na tabela 15, apenas
metade das empresas que utilizam Rede Industrial treinaram ou especificaram uma ou mais
pessoas para a manutenção de suas Redes Industriais.
TABELA 15 – GRUPO OU PESSOA ESPECIFICAMENTE RESPONSÁVEL PELAMANUTENÇÃO DA REDE INDUSTRIAL
Percentual de
Empresas (%)
Número de Empresas
Sim 50 4
Não 50 4
Total de Empresas 100 8
3.2 Estado da Arte
Para a seleção de Redes Industriais (RI) é necessário avaliar diversos fatores, tanto
físicos de instalação, quanto aqueles relacionados ao tráfego da informação. Atualmente a
especificação de uma RI é feita pelos fabricantes dos equipamentos a serem instalados na
empresa, os quais estão condicionados a selecionar a rede desenvolvida pela sua empresa.
Estes equipamentos geralmente possuem placas de comunicação de alguma outra RI,
porém são poucos os tipos de RI, o que acaba engessando a seleção. Apesar do fabricante
do equipamento geralmente possuir placas de comunicação para outras RI, segue-se a
tendência de utilizar aquela desenvolvida pela empresa. A especificação parte
principalmente do fornecedor do equipamento que será o mestre da RI, como por exemplo
61
o fabricante do Controlador Lógico Programável (CLP). Caso alguma característica não
seja atendida pela sua RI, geralmente existem meios de contornar o problema, como no
caso do comprimento máximo da rede não atender a instalação. Neste caso o fabricante do
CLP pode dividir sua RI em duas, utilizando agora dois CLP’s e interligando-os através de
uma outra RI.
Na pesquisa de campo realizada, a seleção da RI foi também feita internamente,
mas observa-se um trabalho conjunto com o fabricante dos equipamentos, ou seja, não há a
participação de uma consultoria independe de qualquer tendência na especificação das RI.
3.2.1 Sistemas Especialistas para Configuração de Redes Industriais
Stefano e Mirabella (1996) implementaram uma ferramenta baseada em um
Sistema Especialista (SE) para projeto de Fieldbus baseado no padrão FIP (Factory
Instrumentation Protocol). Este SE, durante a fase de planejamento do projeto de um
Fieldbus, pode oferecer ao usuário informações sobre a performance oferecida pelo FIP e
sugerir um tamanho adequado de rede a exigência da aplicação. O SE implementado é
interativo e o usuário não somente inicia o motor de inferência e não só supre as hipóteses
a serem calculadas, mas também toma uma parte ativa no projeto do Fieldbus por meio de
janelas de diálogo, através das quais ele supre elementos de cálculo e respostas que guiam
o motor de inferência ao longo de vários caminhos possíveis [STEFANO, 1996].
Este SE é composto de blocos de regras, onde cada qual soluciona um subproblema
particular. Por ser o dimensionamento da rede muito complexo, este foi dividido em
subproblemas, correspondendo aos vários aspectos a serem considerados. Esta divisão é
feita inicialmente ao separar o problema nos três níveis da arquitetura: a Camada de
Aplicação, o Link de Dados e a Camada Física [STEFANO, 1996].
Como vantagens deste SE pode-se citar [STEFANO, 1996]:
• A incorporação no sistema de regras de todos os detalhes específicos da Rede
Industrial, não exigindo do projetista conhecimento muito detalhado;
• O grande número de parâmetros a serem analisados, faz com que o projeto de
uma Rede Industrial, cujo tempo de resposta pode ser crítico, torne a operação complexa e
acabe requerendo uma considerável soma de tempo; o qual pode ser amplamente reduzido
com o auxílio de um SE;
62
• A necessidade de encontrar uma boa escolha de parâmetros inter-relacionados,
pode não resultar em uma escolha satisfatória, sendo necessário revisar parte do projeto
como conseqüência de uma escolha feita em um nível intermediário. O uso de uma
ferramenta automática torna-se importante para reduzir a probabilidade de erros.
Como limitação, este SE está voltado somente ao padrão FIP, determinando a
versão de FIP adequada, que atenda a todas as características desejadas.
Quanto a validade do desenvolvimento deste SE, segundo Stefano e Mirabella
(1996), um projetista precisa ter o conhecimento detalhado dos vários padrões de Redes
Industriais e, dentre eles, escolher o mais adequado às características da aplicação a ser
suportada, o que pode ser relativamente simples, a nível macroscópico dos aspectos de
projeto à que dizem respeito, entretanto pode tornar-se extremamente complicado ao
detalhar e ao especificar as várias exigências que tem impacto na performance.
Observa-se que este sistema é limitado por abranger somente o padrão FIP. Este
sistema é capaz de gerar informações quanto a performance, tamanho adequado da rede à
exigência, entre outras informações importantes.
Stefano e Mirabella (1996), comentam que “uma evolução da aproximação feita por
eles, deve consistir no desenvolvimento de um Sistema Especialista que incorpore regras
relacionadas a diferentes padrões de Redes Industriais. Este ofereceria, em uma simples
ferramenta, a oportunidade para guiar a escolha de projetos levando em consideração
diferentes funções supridas pelas várias Redes Industriais.
3.2.2 Sistemas Especialistas para Seleções Complexas
a) Seleção de Robôs
Nour et al (1994) descreve o desenvolvimento do protótipo de um Sistema
Especialista (SE) para seleção inteligente de robôs para operações de manufatura.
Segundo os autores a decisão de adquirir um robô não é trivial, não somente por
envolver uma grande despesa de capital, que deve ser justificada, mas também por ser
muito complicado, em função da variedade de modelos de robôs de numerosos fabricantes.
Uma seleção de robôs não assistida por computador (manual) acarretaria um certo número
de riscos, um destes é que a seleção do robô pode não atender as regras exigidas; e mesmo
que atenda, este pode não ser a melhor e mais econômica escolha. A razão para isso é que
63
o processo de seleção de robô é mau estruturado e complexo, envolvendo não somente
produção e análise de engenharia, mas também análise de custo/benefício e análise de
fabricantes. O autor comenta que, a aproximação não tradicional, utilizando Sistemas
Especialistas (SE) ou Redes Neurais Artificiais (RNA), parecem ser ferramentas
intuitivamente atraentes nesta circunstância.
Na solução apresentada, primeiramente é modelado um processo de três estágios
para o problema de seleção de robô. Estes estágios compreendem primeiramente uma
decisão técnica, a qual é a decisão mais crítica a ser feita, a qual é uma seleção formal de
um ou mais robôs candidatos que satisfazem as exigências mínimas e características das
regras a serem representadas. O segundo estágio envolve o mérito econômico do robô. Esta
é uma decisão acerca da melhor alternativa de custo considerando o custo inicial de
compra e custos de operação. O terceiro estágio envolve uma decisão de aquisição, onde é
decidido de qual fabricante será adquirido o robô. Esta escolha é baseada não somente no
preço, mas também no serviço de assistência técnica e qualidade.
b) Seleção de Secadores
Kudra et al (1999), apresentou um trabalho sobre um sistema denominado DryInf,
para seleção de secadores de matéria-prima. A secagem é considerada como uma das
unidades de operação de intensa energia. A secagem geralmente determina a qualidade
final do produto e altera para cima ou para baixo a fluidez do processo. Por isso, a seleção
cuidadosa da tecnologia de secagem seguida de equipamento adequado e projeto de
processo pode resultar em uma qualidade de produto realçado, menor tempo de secagem,
melhor gerenciamento de energia, redução da emissão de CO2., etc. Mesmo que o projeto
do equipamento e do processo tenham sofrido um progresso notável, a seleção do secador
mais apropriado é ainda uma tarefa desafiadora, principalmente em função das várias
opções que podem ser realizadas em um processo de secagem, o grande número de tipos de
secadores disponíveis no mercado e também um grande número de modificações no
projeto.
A estrutura geral do DryInf é apresentado na figura 20, onde o sistema consiste de
três módulos principais:
� Pré-seleção do secador baseado em Sistema Especialista.
64
� Gerenciamento de informação compreendendo a representação gráfica do
equipamento de secagem, acumulação de dados, pesquisa por informações sobre as
propriedades dos materiais, características de secagem, projeto típico em uso e outros
assuntos relatados.
� Base de dados sobre especialistas em tecnologia de secagem
Figura 20 - Estrutura do sistema de informação DryInf
O módulo de pré-seleção do tipo de secador compreende um complexo bloco de
análise das propriedades dos materiais úmidos e uma base de dados de conhecimento em
65
secadores. A base de dados de conhecimento provê todas as características técnicas dos
tipos básicos de secadores. As informações são extraídas de dados publicados, reportagens
e livros, bem como informações técnicas dos fabricantes de secadores.
Uma característica deste sistema é que este possui dois modos de operação, o modo
especialista e o modo manual. No módulo especialista o projetista pode escolher o
maquinário automaticamente, colocando 15 propriedades, tal como classe do produto,
diâmetro máximo e mínimo da partícula, temperatura máxima do material, toxidade, tempo
de secagem, etc, para uma dada substância. Um pós-projeto manual do maquinário está
incluído. No modo manual, o especialista pode adicionar um equipamento novo ao
sistema, neste caso, o especialista deve inserir todos os parâmetros e estimações
especialistas para uma nova planta. Todos os módulos neste modo são manuais e
especialistas devem prestar atenção especial enquanto projetam um novo tipo de
equipamento.
O gerenciamento de informações (Módulo II) possibilita adicionar e modificar
regras para seleção de um equipamento, em um bloco base de conhecimento, observando
as características e desenhos de vários secadores, os quais contém os principais tamanhos
de construção.
A base de dados de fabricantes (Módulo III) permite ao usuário encontrar
informações dos tipos de secadores e seus fabricantes, bem como seu endereço.
Conclusão
Após a pesquisa de campo, observa-se que a seleção de Redes Industriais (RI) é um
problema complexo, haja visto a diversidade de tipos de RI instaladas nas mais diversas
áreas e máquinas. Constatou-se, a priori, que não existe uma metodologia e tão pouco um
especialista interno a empresa para realizar a seleção da RI.
Foram encontrados poucos trabalhos que relacionassem RI’s com SE, dentre os
encontrados, o de Stefano e Mirabella (1996) era um SE baseado em regras e dividido em
subproblemas para projeto de fieldbus baseado no padrão FIP, onde este pode oferecer
informações da performance e tamanho da rede. Entretanto, este trabalho está voltado
somente ao padrão FIP. Os próprios autores apresentam como possível evolução do seu
sistema o desenvolvimento de um SE que considere a seleção com base na taxonomia de
RI´s, o que é justamente a proposta desta dissertação..
66
Nour et al (1994) desenvolveu um sistema de seleção inteligente de robôs em
operações de manufatura, em função do grande número de fabricantes, do risco de uma
seleção errônea ou por não ser a melhor e mais econômica opção, após um grande
investimento de capital. Este SE é modelado em três estágios, o da decisão técnica
atendendo as características, o estágio envolvendo o mérito econômico e a decisão do
fabricante fornecedor em função do preço, assistência técnica e qualidade.
Kudra et al (1999) desenvolveram um sistema para seleção de secadores industriais,
pois uma boa escolha melhora a qualidade do produto, diminui o tempo de secagem,
melhora o gerenciamento da energia, reduz a emissão de CO2, etc. O sistema
implementado foi dividido em três módulos, o de pré-seleção, baseado em um SE, o de
gerenciamento de informações e uma base de dados sobre especialistas em secagem.
Pode-se observar que o emprego de um Sistema Especialista (SE) é
comprovadamente uma solução, a qual tem sido usada para seleção de vários problemas
complexos, das mais diversas áreas. Um SE não exige do usuário conhecimento detalhado,
formaliza o processo de seleção e diminui a probabilidade de erros. Ainda pôde-se notar
neste capítulo que selecionar RI’s dentre as inúmeras alternativas é também um trabalho
valorizado e importante segundo a literatura, principalmente porque o estudo de campo
indicou uma falta significativa de metodologia neste processo.
67
CAPÍTULO 4
4. Implementação
4.1 Introdução
A proposta da dissertação é desenvolver um Sistema Especialista capaz de
selecionar Redes Industriais, que incluirá todos os tipos de Redes Industriais hoje
existentes no mercado, inclusive o FIP. Este sistema pretende ser mais abrangente e
pretende abrir o leque de sugestões, não limitando as oportunidades de escolha do usuário,
68
conseguindo com isso uma melhor performance de comunicação, sem amarrar o usuário a
um determinado padrão imposto ou defendido por alguns.
Para desenvolver o Sistema Especialista (SE), utilizou-se o método de raciocínio
progressivo, seguindo as etapas que envolviam avaliação, aquisição, projeto, teste,
documentação e manutenção. Foi necessário avaliar quais tipos de informações seriam
necessárias à elaboração do SE. Com a base teórica de funcionamento de um SE, iniciou-se
a fase de projeto, onde foi traçada a estratégia que seria utilizada na elaboração do sistema.
Após diversos estudos e questionamentos com profissionais que atuam na área de
automação e especificamente trabalham com Redes Industriais (RI), foi criada uma
estratégia para compor as perguntas que nortearam a seqüência de raciocínio
implementada, cuja seqüência de perguntas apresenta as seguintes características:
� Estes são capazes de eliminar o maior número possível de alternativas, o mais
rápido possível ?
� Estes seguem uma lógica e uma seqüência coerente e inter-relacionadas ?
� as perguntas iniciais, são aquelas cujas informações são as mais disponíveis e
menos específicas ?
Estabelecida esta estratégia básica, foi iniciado o desenvolvimento do protótipo do
SE. Após a execução de diversos testes de funcionalidade e coerência de resposta,
pretendia-se fazer um estudo de caso para determinar se a resposta do SE condizia com a
realidade e, se este resultava na mesma conclusão ou conclusões de um especialista em
Redes Industriais, quanto a rede instalada. Após vários contatos com especialistas em RI, e
após a explicação do objetivo e importância do SE desenvolvido, não houve
disponibilidade de nenhum especialista nesta área para realizar o estudo de caso. É
importante frisar que estes especialistas trabalham em empresas que vendem como solução
às indústrias, determinadas RI. O fato do SE desenvolvido comparar as mais diversas RI
presentes no mercado, pode ter sido fato gerador da indisponibilidade em avaliar este SE.
A etapa de documentação é feita nesta dissertação e a manutenção do SE é
contínua, sempre que há novas informações a serem inseridas ou modificadas.
69
4.2 Estratégia do Sistema Especialista para Seleção de Redes
Industriais
Para o desenvolvimento do Sistema Especialista (SE) foi utilizada uma ferramenta
denominada CLIPS (“Computer Language Integrated Production System”), versão 6.2.
CLIPS foi projetada pela NASA/Johnson Space Center em 1985, com o propósito
específico de prover alta portabilidade, baixo custo e fácil integração com sistemas
externos. CLIPS foi escrito usando a linguagem de programação C para facilitar estes
objetivos. Originalmente CLIPS provia suporte somente para programação baseada em
regras. A versão 5.0 do CLIPS introduziu o suporte a programação procedural e orientada a
objeto [GIARRATANO,1994].
CLIPS é uma linguagem de programação multi-paradigma que provê suporte para
programação baseada em regras, orientada a objeto e procedural. As capacidades de
inferência e representação providas pela linguagem de programação baseada em regras do
CLIPS são similares, mas mais poderosas, que o OPS 5, linguagem clássica de SE.
Sintaticamente, as regras do CLIPS se parecem com linguagens tal como ART, ART-IM,
Eclipse e Cognate. O CLIPS 6.2 suporta somente regras de encadeamento direto.
Encadeamento reverso não é suportado pelo CLIPS [GIARRATANO, 1994].
Segundo Giarratano (1994), sendo o CLIPS um SE baseado em regras, este é
formado por três componentes básicos:
� Lista de fatos: contém os dados nos quais as inferências são derivadas;
� Base de conhecimento: contém todas as regras;
� Motor de inferência: controla todas as execuções.
Em função da sua portabilidade, CLIPS tem sido instalado em uma ampla
variedade de computadores, de PCs a supercomputadores CRAY e, tem sido testado em
sistemas operacionais que incluem Windows 95/98/NT, MacOS X e Unix. A versão do
CLIPS 6.2, utilizada para o desenvolvimento do presente SE, utilizou o sistema
operacional Windows 2000.
O CLIPS foi a ferramenta escolhida para o desenvolvimento do SE por ser gratuita,
já que é mantido como software de domínio público, “freeware open source”, estando
disponível na WEB para download, além de ser uma ferramenta eficiente, oriunda da
NASA, uma instituição de renome.
70
4.3 Elicitação do Conhecimento
Para contemplar a necessidade dos fatos, foram determinadas quais as
características necessárias à seleção de Redes Industriais, as quais estão resumidas na
tabela 16. Estes fatos juntamente com as regras representam a base de conhecimento que
modela a memória de longa duração.
Para considerar que uma determinada característica não faz parte de uma RI, é
preciso que esta informação esteja clara em algum texto pesquisado, e não somente
considerar sua ausência. Algumas RI não possuem determinada característica e, por não
possuírem, os textos simplesmente não a mencionam, dificultando o trabalho de pesquisa.
Pode-se observar que algumas lacunas da tabela 16 não foram preenchidas, pois para certas
RI não se encontrou a característica.
A tabela 16 apresenta a consolidação do conhecimento relativo aos detalhes que
identificam cada uma das diversas opções de RI hoje disponíveis. Os itens de
caracterização remetem-se tanto a especificação do nível da rede (detalhado no item
2.1.2.a) quanto a opções de configurações topológicas (detalhadas no item 2.1.1.e) bem
como de seus parâmetros de operacionalização (detalhados no item 2.1.2). Este conjunto
de informações, apesar de não representar fato novo, foi aqui aglomerado e organizado de
forma objetiva e pode servir para outros estudos comparativos de RI. Alguns itens da
tabela 16 aparentemente duplicados (Arcnet, Sercos, Controlnet, etc) representam RI com a
opção de funcionarem com configurações bastante díspares (Arcnet, por exemplo, funciona
tanto em cobre quanto em fibra mas com características de velocidade bastante distintas).
Uma grande contribuição desta dissertação é a construção da tabela 16, onde se
conseguiu delimitar as características entre RI. Um conhecimento “solto” que foi
estruturado em uma tabela e que, ao se fazer uso em uma consulta, permite precisar o que
se necessita.
71
72
73
TABELA 16 – CARACTERÍSTICAS INSERIDAS NA BASE DE CONHECIMENTODO SISTEMA ESPECIALISTA
74
4.4 Implementação da Arquitetura do Sistema
Ao modelar-se o SE desenvolvido de acordo com a arquitetura da figura 19, obtém-
se o resultado apresentado na figura 21.
Figura 21 - Arquitetura do Sistema Especialista para Seleção de Instalações de RedesIndustriais
Os fatos problema inferidos pelo disparo das regras e que compõem a memória de
trabalho podem ser visualizados na janela “FACTS Window”, conforme figura 22.
Figura 22 - Janela FACTS (MAIN)
75
A facilidade de explanação que seria dada por um subsistema, responsável por
explicar o raciocínio do sistema, é apresentada pelo próprio CLIPS através da janela
Dialog Window, e pode ser visualizada abaixo na figura 23.
Figura 23 - Janela do CLIPS 6.2 explanando o raciocínio do sistema
A interface com o usuário, através do qual o usuário visualiza e interage com o
sistema é feito através de várias janelas, as quais podem ser vistas na figura 24.
76
Figura 24 - Janelas de Interface do Usuário
O sistema é desenvolvido através da Interface de Desenvolvimento, onde no CLIPS
6.2 esta tarefa é realizada na janela “Dialog Window”, quando o engenheiro de
conhecimento abre o arquivo no qual pretende trabalhar. Esta janela pode ser vista na
figura 25.
77
Figura 25 - Janela de Interface de Desenvolvimento
4.5 Funcionamento: Explorando o Espaço de Estados
A seguir será mostrado como o sistema funciona indicando a relação entre fatos
(detalhados anteriormente) e regras (detalhadas no item 4.7) através de um exemplo.
A medida que são inseridos fatos (características) a partir das perguntas feitas ao
usuário, na memória de curta duração do SE, muitas das Redes Industriais que não
possuem a característica obtida pela pergunta são eliminadas, o que acarreta na diminuição
78
das opções de escolha. Este processo está representado pela figura 26, que nos fornece a
estrutura geral de funcionamento do sistema, exemplificado nas figuras 27 e 28. Ao final
pode-se obter uma única RI, respostas múltiplas ou nenhuma RI para a aplicação.
Figura 26 - Seleção da Rede Industrial em Função das Características
O importante é lembrar que uma característica pode ser atendida por várias ou até
por todos os tipos de Redes Industriais. Se uma determinada característica é atendida por
todas as RI, então este fato não diminui as possibilidades de escolha.
Figura 27 - Determinação da Rede Industrial com apenas duas perguntas
Na figura 27, após a definição do nível da RI, apesar de não serem apresentadas
respostas intermediárias, somente as redes Profibus PA, Profibus FMS, Worldfip,
Controlnet, Ethernet e Modbus Plus atendem a exigência deste nível solicitado. Se o
79
usuário necessita uma RI para área de segurança intrínseca, há somente uma possibilidade
de instalação, que seria a rede Profibus PA. Todas as opções anteriores com exceção do
Profibus PA são descartadas. A conclusão na determinação da rede Profibus PA não é
fornecida logo após as duas respostas (nível da RI e necessidade de segurança intrínseca),
mas sim, após a conclusão de todas as perguntas relacionadas a este tipo de configuração,
pois outras características obtidas através das perguntas seguintes, podem excluir esta
única opção. Este procedimento garante que a Rede Industrial Profibus PA atenderá a todas
as exigências da instalação. Se a resposta fosse fornecida após as duas perguntas e, o
usuário viesse a utilizar esta RI sem analisar outras características, esta poderia não atender
a necessidade.
Na figura 28 estão representadas todas as perguntas necessárias a seleção de uma
RI, sendo que estas foram determinadas em função das características exigidas pelo
sistema, pelo ambiente e pela instalação.
Na figura 28, após a primeira resposta a uma pergunta, a qual define o nível onde
será instalada a RI, assim como na figura 27, as Redes Industriais Profibus PA, Profibus
FMS, Worldfip, Controlnet, Ethernet e Modbus Plus são utilizadas a nível Field Bus. Em
seguida, o sistema pergunta se a rede será para uma área que exige segurança intrínseca,
sujeita a explosão. Ao responder que a rede não trabalhará em uma área de segurança
intrínseca, a Profibus PA deixa de ser uma opção, já que esta só é empregada em áreas de
segurança intrínseca. Ao perguntar se a RI deverá ser aberta ou proprietária, e o usuário
optar por uma rede aberta, Modbus Plus é excluída. Necessitando de uma rede
determinística, todas as opções restantes se mantém. O mesmo serve ao optar por uma
topologia Bus. Em seguida é perguntado ao usuário se este sabe o número de nós.
Respondendo “sim” e especificando a necessidade de 120 nós na rede, restam como opções
o Profibus FMS, a Woldfip e a Rede Industrial Ethernet. Quando o SE pergunta o
comprimento necessário para a instalação da Rede Industrial, e o usuário especifica 3000
m, elimina-se a hipótese da utilização da Worldfip na instalação. Como última pergunta,
defini-se o meio físico utilizado para a comunicação industrial, sendo este o cobre, o
sistema especialista informa que as Redes Industriais Profibus FMS e Industrial Ethernet
são aquelas selecionadas e que atendem a todas as exigências da aplicação.
80
Figura 28 - Determinação da Rede Industrial com diversas perguntas
A figura 28 é uma árvore de todo o conhecimento relativo a tabela 1 e, apresentaainda, o Espaço de Estados do SE.
81
4.6 Arquivos
O SE está dividido em vários arquivos, onde o primeiro a ser executado é o
“Chamadas.clp”, o qual primeiramente faz a limpeza da tela, carrega os demais arquivos
necessários ao funcionamento do SE, sendo este processo executado através do comando
“load “. O arquivo “Chamadas.clp” carrega os arquivos que contém as regras quanto as
perguntas feitas ao usuário do SE (Perguntas.clp), onde através destas perguntas são
também determinadas algumas características que deverão ser atendidas pela RI, sendo
estas perguntas feitas em função das respostas do usuário. Outras regras para determinar
quais RI atendem o número de nós necessários, estão no arquivo (Numero Nos.clp), assim
como as regras quanto a velocidade em função do comprimento e/ou número de nós, e
meio físico estão inseridas em (Velocidade.clp) e as regras quanto a conclusão que o SE
chegará (Conclusão.clp). Os arquivos carregados podem ser visualizados no quadro1.
;** Carrega a interface com o usuário**
(load* Perguntas.clp)
;** Carrega as regras para determinar a velocidade de comunicação**
(load* Velocidade.clp)
;**Carrega regras para determinar as RI que atendem o número de nós da aplicação**
(load* Numero Nos.clp)
;** Carrega as regras de conclusão do Sistema Especialista**
(load* Conclusao.clp)
QUADRO 1 - PROGRAMA Chamadas.clp
A função principal do arquivo “Perguntas.clp”, é realizar as perguntas necessárias
à seleção de Redes Industriais, feitas ao iniciar o programa. Quanto mais precisas as
respostas, mais rapidamente e com maior grau de precisão será selecionada a RI ideal. A
falta ou o desconhecimento de algumas das respostas pode acarretar na seleção de RI não
adequadas a instalação, ou mesmo, ocasionando a impossibilidade no prosseguimento das
perguntas, se esta informação for essencial na determinação da RI. Um exemplo disto pode
ser visto no trecho do programa do quadro 2.
82
As regras que tratam as dúvidas do usuário, e que podem comprometer a solução
apresentada pelo sistema, bem como demais regras relativas ao raciocínio do sistema são
apresentadas no item 4.7.
(defrule pergunta_seguranca_intrinseca "Para determinar se a RI irá trabalhar em uma
área de segurança intrínseca "
(p_seguranca_intrinseca)
=>
(printout t crlf "Uma rede industrial que precisa trabalhar em área de segurança
intrínseca deve possibilitar a comunicação de dados e")
(printout t crlf "transporte de energia sobre o mesmo bus utilizando tecnologia de dois
cabos, de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.")
(printout t crlf "")
(printout t crlf "A sua rede industrial deve trabalhar em uma área de segurança
intrínseca ? (SSI)Sim - Segurança Intrínseca / ")
(printout t crlf "(NSI)Não - Segurança Intrínseca / (TFSI)Tanto faz /(NSSI) Não sabe")
(printout t crlf "")
(bind ?seg_int (read))
(switch ?seg_int
(case SSI then (assert (atende_seg_intrinseca)))
(case NSI then (assert (atende_nao_seg_intrinseca)))
(case TFSI then (assert (tanto_faz_seg_intrinseca)))
(case NSSI then (assert (nao_sabe_seg_intrinseca)))))
QUADRO 2 – REGRA QUE DETERMINA SE A ÁREA DA REDE INDUSTRIAL É DESEGURANÇA INTRÍNSECA
4.7 Elicitação de Conhecimento: Regras
A seguir são apresentadas as regras que conduzem o raciocínio empregado pelo
Sistema Especialista, tanto para o tratamento das dúvidas do usuário quanto para fornecer
uma solução conclusiva da RI para a configuração requerida.
83
Quando o especialista ou usuário responde com “Tanto Faz” ou “Não sabe”,
diferentes estratégias são tomadas, dependendo da pergunta. Cada caso foi avaliado, já que
respostas deste tipo não devem comprometer o funcionamento do sistema e, se possível,
evitar que o sistema pare, o que prejudicaria o andamento do trabalho de seleção. Sempre
que o usuário responde “Não sabe” a pergunta que lhe é feita, o SE deve desconsiderar
esta resposta e seguir o procedimento de seleção, baseado nas outras respostas do usuário.
Com uma resposta do tipo “Não sabe”, deixa de ser gerado um fato que poderia excluir
determinadas RI que não atendem a resposta fornecida. Obviamente que uma resposta
“Não sabe” aumenta a imprecisão de seleção feita pelo SE. Respostas do tipo “Tanto
Faz”, na verdade podem fazer o SE considerar todas as RI como prováveis respostas ou
chegar a uma conclusão de que não é possível determinar uma solução com este tipo de
resposta. Cada caso deve ser analisado e para cada caso, uma ou mais regras foram criadas.
Ao perguntar se a RI irá operar em uma área de segurança intrínseca, caso o usuário
responde que “Tanto faz” , a regra ativada é apresentada no quadro 3.
(defrule tanto_faz_seg_intrinseca "" (tanto_faz_seg_intrinseca)
=> (assert (nao_e_possivel_continuar)))
QUADRO 3 – REGRA PARA TRATAR A RESPOSTA “Tanto Faz”
Ativando a regra acima, na seqüência, a regra do quadro 4 também é ativada,
gerando uma conclusão e encerrando o programa.
84
(defrule deterministica_e_data_bus "Para RI determinística e de nível Data Bus"
(nao_e_possivel_continuar)
=>
(printout t crlf "Conclusão: Não é possível determinar a RI que você necessita, pois
você não soube responder a pergunta acima que era essencial.")
(printout t crlf "Não posso determinar uma RI inadequada para trabalhar em uma área
de segurança intrínseca, colocando em risco a vida de pessoas. ")
(halt)
)
QUADRO 4 – REGRA DE ATALHO PARA UMA CONCLUSÃO
A instalação de uma RI inadequada, em uma área de segurança intrínseca,
seguramente traz graves conseqüências e, em função disso, esta pergunta deve ser
respondida, caso contrário o sistema é encerrado.
O sistema é sempre iniciado visando selecionar o nível no qual será instalada a RI,
onde a determinação do nível gera uma série de perguntas válidas ao nível selecionado, ver
figura 23.
As respostas às perguntas, geram um ou mais “assert’s”. Os asserts são a forma de
se criar fatos na memória de trabalho do CLIPS. Estes fatos são utilizados nos próximos
questionamentos, ou podem ser um dos fatos geradores da resposta conclusiva, como pode
ser visto no quadro 5. Por exemplo, para a regra do quadro 5, se a RI precisa ser
determinística, esta gera o fato “atende_deterministica”, o qual é utilizado no arquivo
“Conclusao.clp”, para encontrar todas as RI determinísticas.
85
QUADRO 5 – REGRA QUE DETERMINA SE A REDE INDUSTRIAL PRECISA SERDETERMINÍSTICA
No quadro 6 encontra-se uma regra conclusiva, a qual somente será executada se
todas as características (fatos) foram geradas, a partir das diversas perguntas executadas
pelo arquivo “Perguntas.clp“, e necessários a determinação da rede Interbus S como
adequada a instalação. Observa-se inclusive que esta é determinística.
(defrule pergunta_deterministica "Para determinar se a RI será determinística ou
não determinística"
(p_deterministica)
=>
(printout t crlf "Uma rede industrial determinística é caracterizada pela
capacidade da rede em garantir a disponibilidade de informações entre seus")
(printout t crlf "integrantes em tempo determinado.")
(printout t crlf "A sua rede industrial precisa ser determinística ? (SD)Sim
Determinística / (ND)Não Determinística / (TFD)Tanto faz /")
(printout t crlf "(NSD)Não sabe ->")
(printout t crlf "")
(bind ?det (read))
(switch ?det
(case SD then (assert (atende_deterministica)))
(case ND then (assert (atende_nao_deterministica)))
(case TFD then (assert (tanto_faz_deterministica)))
(case NSD then (assert (nao_sabe_deterministica)))))
86
(defrule rede_interbus_s "Chegou-se a conclusão que a RI Interbus S adequa-se
ao usuário"
(atende_deterministica)
(atende_device_bus)
(atende_nao_seg_intrinseca)
(atende_aberta)
(atende_anel)
(interbus_s_nos)
=>
(printout t crlf "A Rede Industrial Interbus S atende sua necessidade")
)
QUADRO 6 – REGRA CONCLUSIVA EM FUNÇÃO DA GERAÇÃO DEDETERMINADOS FATOS
4.8 Como Construir as Perguntas e Regras do Sistema
Especialista
A estratégia da utilização de diversos arquivos na implementação do SE, torna-o
mais didático e de fácil manutenção, já que é um dos objetivos do desenvolvimento deste
SE. O arquivo “Perguntas.clp”, sendo responsável pela determinação das diversas
características que devem ser atendidas pela RI, é também aquele que poderá sofrer
modificações, quando houver a necessidade de inserir novas perguntas ou modificar as já
existentes. A partir dos estudos e questionamentos com profissionais que atuam na área de
automação e especificamente trabalham com RI, ficou claro que o arquivo “Perguntas.clp”
deveria ser estruturado iniciando pelas perguntas mais importantes e menos específicas, as
quais direcionam para perguntas mais específicas, o que também facilita no momento de
uma alteração.
As alterações das características, como velocidade e número de nós, são tratadas
nos arquivos correspondentes, “Velocidade.clp” e “Numero Nos.clp”, facilitando assim a
reprogramação. Sempre que a característica de uma RI envolver algum tipo de cálculo, este
é feito em um arquivo específico para este, facilitando também o trabalho do programador.
Tal estratégia de construção deste SE possui então três justificativas principais:
87
• Facilitar o entendimento da programação a nível didático, bem como o entendimento do
raciocínio utilizado pelo sistema na busca de uma resposta;
• Facilitar alterações de alguma característica sofrida pelas Redes Industriais já inseridas
neste SE;
• Facilitar a inserção de uma nova RI utilizada no mercado.
Conclusão
O desenvolvimento do Sistema Especialista (SE) foi feito utilizando o método de
encadeamento progressivo, de acordo com as etapas de avaliação, aquisição, projeto, teste,
documentação e manutenção.
O SE foi desenvolvido utilizando a ferramenta CLIPS, versão 6.2, trabalhando
sobre o sistema operacional windows 2000. O CLIPS é uma ferramenta que provê um
ambiente completo para construção de SE baseados em regras e/ou objetos, suportando
somente o método de encadeamento progressivo. Dispõe de várias janelas, através das
quais é possível visualizar os fatos inferidos, facilitar a explanação, interagir com o SE e
permitir o desenvolvimento do SE. É ainda formado por três componentes básicos, sendo
estes, lista de fatos, base de conhecimento e motor de inferência. O CLIPS é uma
ferramenta de domínio público disponível para donwload gratuito na WEB. Além de
eficiente, o CLIPS é proveniente de uma instituição de renome (NASA).
Toda a base de conhecimento do SE formado por diversas características, foram
colocadas em uma tabela..
O SE está dividido em vários arquivos. O arquivo “Chamadas.clp” carrega os
demais arquivos, o qual engloba o arquivo “Perguntas.clp” que contém as regras
relacionadas as perguntas feitas ao usuário, o arquivo “Numero Nos.clp” para verificar
quais RI atendem o número de nós necessários a aplicação, o arquivo “Velocidade.clp”
com as regras referentes as características que determinam a velocidade de comunicação da
RI e o arquivo “Conclusão.clp” com as regras conclusivas na seleção da RI que atende
todas as características.
O arquivo “Perguntas.clp” gera determinados “assert´s”, os quais são utilizados
pelos outros arquivos na determinação da RI que atenda o número de nós e velocidade
88
necessários a aplicação. Os “assert´s” gerados em todos os arquivos são utilizados pelo
arquivo “Conclusão.clp” na determinação da RI.
89
CAPÍTULO 5
5. Considerações Finais
5.1 Discussões
Atualmente, para controlar e monitorar um processo de manufatura, são utilizadas
as Redes Industriais nos vários níveis de integração em uma empresa. Sistemas de
automação e controle necessitam RI cujas características são adequadas ao ambiente, caso
contrário, sua utilização compromete a troca de informações, afetando o desempenho do
processo fabril. Existem hoje diversas RI, onde a seleção destas deve ser fundamentada nas
características quantitativas e qualitativas da rede e dos equipamentos, o que dificulta a
seleção pela quantidade de informações e características a serem avaliadas, bem como o
grande número de RI atualmente no mercado.
Assim sendo, o objetivo é desenvolver um Sistema Especialista de simples
operacionalidade e entendibilidade, para auxílio à seleção de RI. Para atingir este objetivo,
foi identificado o grau de disseminação de RI na região de Joinville, bem como a forma
como estas se encontram instaladas nas empresas; foi experimentada uma área e técnica de
Inteligência Artificial (IA), no caso Sistemas Especialistas (SE), no auxílio à seleção de RI;
além do estabelecimento de uma arquitetura de sistema para solucionar o problema de
seleção, considerando uma ampla gama de opções de RI.
90
O desenvolvimento deste trabalho permitiu identificar o quão importante é uma boa
seleção de Rede Industrial (RI) e também o quão extensa e complexa é esta análise. Outra
constatação, de certa forma lamentável, e igualmente importante, é o fato de que há
dificuldade em encontrar profissionais da área que usam um procedimento sistematizado,
metodológico, isento de pré-conceitos e entusiasmos ou tendências no sentido de
selecionar criteriosamente uma solução de rede. Neste processo, ainda percebeu-se uma
forte influência de forças extras (estratégias da empresas, decisões / interferências do dono)
que acabam tendo muitas vezes influência maior que critérios técnicos.
Durante e, principalmente, após a execução do Sistema Especialista (SE), foram
realizados testes para verificar se o sistema apresentava resposta coerente com uma
avaliação feita por um especialista, caso contrário as respostas não trariam segurança ao
usuário. Cada regra foi testada durante a inserção do conhecimento no sistema. Quando da
execução dos testes, o CLIPS permitiu a abertura de uma janela de nome “Facts”, onde
nesta foi possível acompanhar quais regras foram executadas e quais foram eliminadas
após sua execução.
Os testes feitos com o sistema foram testes funcionais, que buscaram avaliar se todo
o espaço de estados de soluções estava sendo considerado e se as respostas conferiam com
a bibliografia estudada. Foi constatado que as conclusões do SE estavam corretas, ou seja,
o sistema está selecionando todas as características relativas as escolhas feitas pelo usuário,
para determinar com grande precisão qual ou quais Redes Industriais (RI) são adequadas a
aplicação, baseado sempre no processo de seleção.
No início do programa, quando o usuário seleciona o nível industrial onde esta rede
será instalada, somente aquelas com capacidade para operarem neste nível são
consideradas como prováveis soluções. Nas demais regras, pelo mesmo princípio, somente
as RI que satisfazem a exigência da regra continuam como prováveis soluções, onde cada
resposta do usuário do sistema atua como um novo fato inserido na memória de trabalho, o
qual é usado posteriormente para excluir as RI que não estão de acordo com este novo fato.
A maior dificuldade foi quanto ao paradigma de programação diferente do
convencional, pois linguagens de programação convencionais, tal como FORTRAN,
Pascal e C, são projetadas e otimizadas para a manipulação procedural de dados. Por outro
lado, CLIPS é uma linguagem declarativa e portanto, um paradigma de programação que
não é usualmente explorado em cursos de graduação na área das engenharias.
91
A extensão (tamanho) dos dados das RI e a quantidade de RI disponíveis hoje no
mercado, exigiram um grande esforço de pesquisa, haja vista a dificuldade em encontrar
bibliografia que trata exclusivamente das características destas RI, ou ainda, quando a
literatura é proveniente dos fabricantes de equipamentos que utilizam determinada RI, não
são expostas as características que não venham a favorecer a RI.
Outra dificuldade encontrada no desenvolvimento desta pesquisa, talvez a mais
significativa, foi a falta de um especialista que pudesse ficar a disposição para fornecer as
heurísticas e os conhecimentos sobre RI. Como constatado na pesquisa de campo
(detalhada no item 3.1.4), este profissional é usualmente escasso ou externo às empresas, o
que torna seu tempo valioso e também difícil de encontrá-lo. Como o próprio mestrando
estava envolvido com esta tecnologia no seu local de trabalho e, como a pesquisa exigiu
um estudo abrangente e aprofundado sobre o assunto, passou-se a considerar o próprio
mestrando como se fosse o especialista humano. Acredita-se que este fato não tenha
comprometido a solução encontrada e implementada e, ainda, tenha possibilitado a isenção
do raciocínio do especialista em relação as pressões mercadológicas, atendo-se única e
exclusivamente a critérios objetivos e operacionais para a seleção.
5.2 Conclusão
As Redes Industriais são utilizadas para comunicação no escopo industrial, sendo
estas divididas em diversos níveis de dispositivos e equipamentos, cada nível com suas
características. Cada nível pode necessitar uma RI diferente, onde este apresenta certas
características básicas, as quais são essenciais no processo de seleção.
A Inteligência Artificial (IA) visa imitar o processo básico do aprendizado humano,
por meio do qual novas informações são absorvidas, tornando-se disponíveis. A IA possui
diversas áreas de estudo, dentre eles os Sistemas Especialistas (SE), os quais fazem uso do
conhecimento especializado para solucionar problemas. Os SE podem solucionar diversos
tipos de problemas, dentre eles problemas de seleção. Um SE possui características que o
diferem de sistemas computacionais convencionais, como uso de conhecimento ao invés de
dados, onde este conhecimento é mantido separado do programa de controle e se apresenta
na forma de fatos e regras, sendo capaz de explicar como chegou a determinada conclusão,
entre outras características.
92
Como software de SE, o CLIPS é baseado em regras para solução de problemas, o
qual apresenta inúmeras vantagens, como a facilidade de expansão, separação do controle
do conhecimento, conhecimento modular entre outras vistas anteriormente.
Na pesquisa de campo sobre Redes Industriais (RI) na região de Joinville, conclui-
se que mesmo tendo realizado a pesquisa dentre as maiores empresas da região, ou em
função da atividade que exercem, onde acreditava-se que estas possuiriam um alto grau de
automatização, constatou-se que apenas um pouco mais da metade das empresas possuem
Redes Industriais. Procurava-se determinar as RI que se encontram instaladas nas
empresas, ou seja, quais RI estão sendo utilizadas, identificando aquelas realmente
difundidas. Conclui-se que as RI estão pouco difundidas nas empresas de médio e grande
porte em Joinville e se apresentam em grande diversidade, as quais dependem sempre do
tipo de equipamento utilizado na automação, pois estes equipamentos possuem sempre
placas para comunicação com apenas alguns tipos de RI, ou ainda, o emprego de uma RI
foi feita por uma tendência do especialista e demais envolvidos, no momento da seleção da
RI. Ainda, pelos contatos pessoais mantidos com as pessoas envolvidas na área de
utilização ou mesmo no processo de seleção, percebeu-se que o processo de escolha das RI
foi severamente influenciado pelo fabricante dos equipamentos que seriam interligados
e/ou por pressões mercadológicas sofridas por fornecedores tendenciosos. Ou seja, o
processo de escolha não seguiu uma metodologia e nem considerou critérios técnicos
objetivos e isentos.
Com a pesquisa de campo, verificou-se as áreas onde estão instaladas estas redes,
que tipos de máquinas estão conectadas nesta rede (equipamentos de montagem, robôs,
CNC’s, etc) e se estas redes estão interligadas a Rede de Computadores da empresa (em 50
% dos casos). Não foi observado consenso na seleção das Redes Industriais, procurando
identificar se havia uma metodologia para seleção. Após a pesquisa de campo, percebeu-se
que a seleção de Redes Industriais (RI) é um problema complexo, haja vista a diversidade
de tipos de RI instaladas nas mais diversas áreas e máquinas. Constatou-se a priori que não
existe uma metodologia e, na grande maioria dos casos, tão pouco um especialista “in
house” para realizar a seleção da RI.
A pesquisa bibliográfica, por outro lado, revelou que existem poucos trabalhos no
sentido de formalizar o processo de seleção de RI, pois poucos trabalhos nesta direção
puderam ser encontrados. Basicamente, o trabalho de Stefano e Mirabella (1996) que
desenvolveram um SE baseado em regras e dividido em subproblemas para projeto de
93
fieldbus baseado no padrão FIP, onde este pode oferecer informações da performance e
tamanho da rede. Quanto a sua validade, este está voltado somente ao padrão FIP. Como
sugestão futura está o desenvolvimento de um SE que considere os demais padrões.
Pôde-se observar entretanto, que o emprego de um Sistema Especialista (SE) é
comprovadamente uma solução, a qual tem sido usada para seleção de vários problemas
complexos, das mais diversas áreas. A IA e SE como alternativa para seleção de RI’s
parece ser uma solução interessante. Um SE no processo de seleção possui diversas
vantagens como estar disponível em qualquer local, sendo substituível, não perecível, com
performance e velocidade consistente e com um custo viável.
Sendo o principal objetivo desta dissertação desenvolver um sistema inteligente
para apoio a decisão na seleção de Redes Industriais, com um SE capaz de auxiliar um
especialista, conclui-se que o objetivo principal foi atingido, pois este SE pode auxiliar um
especialista. Acredita-se não ser capaz de substituir um especialista, pois para tal, seria
necessário alimentar a base de conhecimento do sistema com outras características,
podendo-se assim chegar a conclusão de que o SE está decididamente pronto para
substituir um especialista. Também seria necessário avaliar com um estudo de caso, se o
SE encontraria a mesma solução dada por um especialista em uma determinada aplicação,
o que comprovaria a capacidade do SE de substituir um especialista. Este estudo não foi
possível, haja vista a dificuldade em encontrar um especialista na área com disponibilidade
para tal estudo, que não siga certos entusiasmos ou tendências no processo de seleção, já
que diversas RI estariam sendo analisadas e, mais ainda, que adote metodologias claras no
processo. Estas restrições tornam difícil encontrar este profissional.
No estudo de caso poderia ainda haver discrepâncias quando comparássemos os
resultados obtidos pelo SE com implementações já ocorridas, pois os fatores não técnicos
(estratégicos e econômicos) não foram considerados nesta implementação e, nem se tem a
garantia de independência, idoneidade e imparcialidade da análise feita quando o sistema
foi especificado pela primeira vez. Para poder validar efetivamente o presente SE, seria
necessário considerar uma instalação industrial que estivesse sendo interligada e então
comparar as soluções fornecidas pelo especialista humano e pelo sistema implementado,
mantendo-se os dois restritos a critérios técnicos para a seleção.
A arquitetura de sistema para solucionar o problema de seleção, considerando uma
ampla gama de opções de RI foi definida e efetivamente experimentada. Para tal
desenvolveu-se o Sistema Especialista (SE) utilizando o método de encadeamento
94
progressivo, de acordo com as etapas de avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação
e manutenção. Toda a base de conhecimento do SE é formado por diversas características,
as quais foram expostas na tabela 16. A arquitetura foi implementada e pode ser
visualizada na figura 21. O SE está dividido em vários arquivos, onde o arquivo
“Chamadas.clp” carrega os demais arquivos, o qual engloba o arquivo “Perguntas.clp” que
contém as regras relacionadas as perguntas feitas ao usuário, o arquivo “Numero Nos.clp”
para verificar quais RI atendem o número de nós necessários a aplicação, o arquivo
“Velocidade.clp” com as regras referentes as características que determinam a velocidade
de comunicação da RI e o arquivo “Conclusão.clp” com as regras conclusivas na seleção
da RI que atende todas as características. Na fase de aquisição, ou elicitação de
conhecimento, explicitou-se todos os fatos representativos das características das RI (ver
item 4.3) bem como as regras de raciocínio e funcionamento do sistema que, inclusive,
tratam as dúvidas dos usuários (ver item 4.7).
Apesar da quase totalidade dos equipamentos hoje vendidos no mercado
possibilitarem uma comunicação com algum tipo de Rede Industrial, ainda assim pouco se
está aproveitando e investindo nesta tecnologia. Sabe-se que a implantação geralmente
começa em uma pequena área da empresa, até que seja comprovada sua eficácia e
utilidade, para depois ser expandida nas demais áreas. Geralmente, os funcionários da área
técnica precisam provar aos gerentes e responsáveis o quão valiosa pode ser uma Rede
Industrial, para que então estes responsáveis aprovem no orçamento o investimento.
Vale salientar novamente, que as empresas que trabalham com um Sistema Flexível
de Manufatura, sem dúvida utilizam as capacidades da Rede Industrial para implementar
seu processo.
Através do estudo acima, foi possível concluir que se uma tarefa requer do
especialista quase sempre horas para ser solucionada, então esta tarefa está além da
capacidade de um SE, ou seja, não é correto querer abranger através do SE uma gama
enorme de informações para executar um trabalho que levaria horas para ser feito por um
especialista. Um problema que requer de um especialista cerca de quinze minutos para ser
solucionado, é um razoável problema para um SE. Se o problema é mais complexo, deve-
se tentar quebrar este em sub-partes, onde cada qual pode ser solucionada com um simples
SE. O problema não precisa ser tão complexo que resulte em uma situação incontrolável
com uma aproximação por SE.
95
Importante também do SE para seleção de RI é que este pode sofrer uma constante
manutenção, corrigindo e acrescentando informações na base de conhecimento da memória
de longa duração. Para este caso, aumentando o conhecimento implícito do SE, melhora-se
a avaliação da RI e conseqüentemente, mais precisa se torna a resposta e, com certeza,
menores são os problemas encontrados durante a instalação e start up.
5.3 Trabalhos Futuros
Pode-se sugerir outros temas complementares aos resultados obtidos nesta
dissertação.
� Sugere-se detalhar a pesquisa de campo, pois decorrido o tempo desde a última
pesquisa, pode-se comparar a evolução das RI nas empresas;
� Para que o Sistema Especialista (SE) possa se tornar mais útil, é necessário o
acréscimo de características na base de conhecimento, com a criação de novas regras,
mesmo com a dificuldade em conseguir as informações necessárias a formação da base de
conhecimento do Sistema Especialista, pois as informações sobre RI estão muito dispersas
na literatura. O SE poderia ser feito selecionando as RI de acordo com os níveis nos quais
estas podem operar, assim teria-se não mais de cinco Sistemas Especialistas, cada qual
para um nível de dispositivos e equipamentos;
� Os SE então implementados, podem fazer uso de uma base de conhecimento
composta pelos mais diversos equipamentos utilizados e disponíveis para este uso, pois a
escolha de uma RI deve também considerar a disponibilidade de todos os equipamentos
necessários ao funcionamento do processo de automatização, sendo que estes devem poder
comunicar-se com a RI selecionada, pois de nada adianta selecionar a melhor RI para
aplicação, se não houver no mercado, equipamentos disponíveis para a RI selecionada;
� O sistema poderá ainda compreender três estágios, sendo o primeiro formado
por uma análise técnica, a qual é primordial e antecede obrigatoriamente as demais
análises, pois a RI deve obrigatoriamente atender a todas as exigências da instalação e
troca de informações, para então prosseguir aos demais estágios, onde o segundo estágio
poderá envolver o mérito econômico da melhor alternativa de custo considerando os custos
de compra e operação. O último poderá envolver uma decisão de aquisição, onde será
96
decidido qual fabricante fornecerá a RI. Esta escolha é baseada não somente no preço, mas
também no serviço de assistência técnica e qualidade no atendimento;
� Modelar o processo decisório considerando outros aspectos, como aspectos
políticos da empresa, econômicos, estratégicos, entre outros, reunindo assim outros
especialistas e permitindo a sua interação;
� Como a utilização de um SE para seleção de RI não permitiu fazer uso de uma
característica dos Sistemas Especialistas, que é o uso das regras de atalho para se chegar a
uma rápida solução, o que de certa forma também não compromete a sua utilização,
sugere-se então o estudo de outras técnicas de auxílio a tomada de decisão para problemas
complexos;
97
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mai 2001.
100
ANEXO A
A Questionário sobre Redes Industriais
Para enviar por e-mail o questionário abaixo, primeiramente através de contato
telefônico ou pessoalmente, procurou-se identificar a(s) pessoa(s) que conheciam RI e
tivessem conhecimento necessário para responder este questionário.
Ficou estabelecido que qualquer dúvida referente ao questionário deveria ser
sanado, para que o questionário tivesse credibilidade de pesquisa.
Segue abaixo a tabulação das respostas ao questionário enviado para empresas de
Joinville e região, na pesquisa de campo efetuada entre março de 2001 a maio de 2001.
1 – Empresa : Amanco Brasil SA, DOCOL Metais Sanitários Ltda, Dohler SA, Marisol
SA, Douat Cia Têxtil, Embraco, Herten, Moliporex, Kohlbach Motores Ltda, Multibras
Eletrodomésticos, Renault do Brasil, Schulz SA, Tritec Motores Ltda, Tubos e Conexões
Tigre, Tupy Fundições Ltda, VAMA Industrial Ltda e WEG Indústrias SA.
2 – Nome:
Cargo:
Setor :
e-mail:
Fone :
3 – Possuem na empresa Rede(s) de Computadores: ( 15 ) Sim
101
( 0 ) Não
4 - Possuem na empresa Rede(s) Industriais: ( 8 ) Sim
( 7 ) Não
4 – Qual ou quais Rede(s) Industrial :
QUADRO 7 – REDES INDUSTRIAIS UTILIZADAS NAS EMPRESAS PESQUISADAS
Rede
Industrial
Profibus Ethernet DH + Sinec L2 ASI Modbus FIPWAY
Quantidade 5 3 2 1 1 1 1
6 – A Rede Industrial está em todo o chão de fábrica: ( 3 ) Sim ( 5 ) Não
Qual área:
QUADRO 8 – ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES INDUSTRIAIS
Área Todo o
processo
Usinagem Montagem Beneficiamento Preparação Matéria-
Prima
Quantidade 3 2 2 1 1
Máq. Preparação
Fios
Estamparia Injeção de
Alumínio
Sistema de
Esgoto
Teste Processo de
PU
Quantidade 1 1 1 1 1
7 - Que tipos de máquinas estão em rede:
QUADRO 9 – TIPOS DE MÁQUINAS CONECTADAS A REDE INDUSTRIAL
Máquina Equipamento
de
Montagem
Robôs Sistema de
Transporte
CNC Injetoras IBM - PC
Quantidade 4 3 2 2 2 1
102
Máquina Dosadores Silos Máquina
Têxtil
Bobinadoras Prensas Lavadoras
Quantidade 1 1 1 1 1 1
Máquina Painéis
de Teste
Elevatórios Balanceadoras Engomadeiras Extrusoras Urdideiras
Quantidade 1 1 1 1 1 1
8 – Aproximadamente quantas destas máquinas estão em rede: número não preciso.
QUADRO 10 – QUANTIDADE DE MÁQUINAS LIGADAS EM REDE
Empresa A C D I K M Q
nº Máquinas Toda a planta 10 a 20 ± 5 ± 15 Mais de 200 ± 80 ± 100
9 – A Rede de Computadores e a Rede Industrial estão interligadas: ( 5 ) Sim ( 3 ) Não
10 – Quem fez a especificação da Rede Industrial: ( 5 ) Interno
( 1 ) Consultor
( 4 ) Fornecedor do Sistema
11 – Quando : número não preciso. Quanto tempo levou: número não preciso
12 – Quem fez a implantação da Rede Industrial : ( 4 ) Interno
( 2 ) Consultor
( 2 ) Fornecedor da máquina ou sistema
( 2 ) Trabalho conjunto com integradores
13 - Quando : Quanto tempo levou:
14 – Há um grupo ou pessoa especificamente responsável pela manutenção da Rede
Industrial:
( 5 ) Sim . Contato : ( 6 ) Não
103
15 – Teria disponibilidade para me receber para uma entrevista mais longa: ( 9 ) Sim
( 1 ) Não
Observações: Também possuímos dois sistemas que compõem facilidades de MES
(Manufacturing Execution System) que estão interligados em rede inclusive com a rede
corporativa.
O parque fabril ainda não está interligado por redes industriais e o processo ainda é pouco
automatizado.
104