Proposta de Implementação de uma Plataforma Reconfigurável para Controle e Automação

baseado no Padrão IEEE 1451.7. Alexsandro Monteiro Carneiro, Edson Antonio Batista, Thiago Alexandre Prado, Roberto Morita e Jairo Ângelo

Universidade Católica Dom Bosco alexsandro.ucdb@gmail.com, edson.ucdb@gmail.com, thiago.ucdb@gmail.com,

moritarh.ec@gmail.com, jmandraque@gmail.com

Abstract- This work presents a transducer interface logic model based on IEEE 1451.7. The proposed architecture aims to acquire a transducer communication and data logic structure, according to control and automation systems guidelines and EPC standard to be used with RFID Technology. The information physically integrated to transducer through placing a electronic tag, makes easy the communication and accompaniment of control tasks, allowing verification and validation of devices according to specifications defined in the plant, which provides an analysis of the entire process based on historical data. The presented model aims to maintain compatibility with implemented software and hardware platforms that uses reconfigurable logic and consider some requirements, such as: flexibility, security, human-computer interaction, corporate systems integration and network capability. Besides this, this article also presents a new RFID system application environment, focused on Distributed Measurement and Control systems.

I. INTRODUÇÃO

Atualmente, a globalização de uma economia mundial,impulsiona diversos seguimentos da sociedade para uma nova forma organizacional. O uso de tecnologia é uma realidade em diversos mercados entre eles os ambientes industriais. Este cenário potencializa projetos de controle e automação a fim de obter expansão, interoperabilidade, interconexão de sistemas, diminuição de custos de gestão e manutenção [1]. Para isso, o desenvolvimento de sistemas de medição e controle distribuído (DMC – Distributed Measurement and Control) é uma alternativa apontada para tais requisitos, no entanto, o primeiro grande desafio enfrentando por equipes de engenharia se deve principalmente a pontos relacionados ao custo de obter total integração com as distintas camadas presentes na pirâmide da automação (figura 1). Já o segundo desafio se encontra devido a grande variedade de fornecedores de transdutores com um infinito conjunto de protocolos e mecanismos de interface I/O (Input/Output).

Fig 1 - Pirâmide da Automação

Diante deste contexto, o padrão IEEE 1451 aliado aoNational Institute of Standart and Tecnology (NIST) propõe através de seus comitês, conceitos e ferramentas padronizadas para desenvolvimento de transdutores inteligentes interconectados há um conjunto heterogêneo de interfaces presentes no mercado internacional. Os principais comitês responsáveis por estas ações são IEEE 1451.0, IEEE 1451.1, IEEE 1451.2, IEEE 1451.3, IEEE 1451.4, IEEE 1451.5, IEEE 1451.6 e IEEE 1451.7. Entre os comitês estabelecidos pelo NIST e IEEE, especificamente o IEEE 1451.0 e IEEE 1451.7 ainda não obtiveram uma padronização definida ao contrário dos demais. Neste trabalho, apresenta-se um modelo lógico para o padrão IEEE 1451.7, enfatizando mecanismos de comunicação e formatação dos dados nos transdutoresutilizando sistemas RFID. O modelo facilita a análise de um processo industrial com base no seu histórico e é totalmente flexível para integração com sistemas corporativos [2].

II. PADRÃO IEEE 1451

2010 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications- INDUSCON 2010 -

978-1-4244-8010-4/10/$26.00 ©2010 IEEE

Impulsionado pelo sucesso das redes de computadores, o cenário da automação industrial aponta uma realidade onde sensores e atuadores devem ter uma capacidade adicional de processamento e auto-identificação em rede [3]. Esta realidade transforma um simples transdutor que inicialmente apenas convertia um sinal de um domínio para outro, em um dispositivo inteligente, composto por processadores, memória e funcionalidade de I/O, conforme a figura 2.

Fig 2 – Transdutor Inteligente

Todavia, sistemas DMC, exigem não só que as informações relacionadas aos transdutores sejam transmitidas a outros dispositivos via rede, mas principalmente, o compartilhamento de recursos, integração, acesso e monitoramento remoto das variáveis do processo, diminuição do volume de cabos, integração de sistemas e qualidade na informação de forma simples e acessível [3]. A figura 3 apresenta a configuração de um transdutor em conformidade com as diretrizes estabelecidas pelo padrão IEEE 1451 apresentada no início da década de 90.

Fig 3 – Transdutor Inteligente conectado em rede.

A partir desta arquitetura, foram realizados diversos workshops para estabelecer a padronização de interfaces em todos os comitês da família 1451. Em 1994, os dois primeiros grupos denominados IEEE P1451.1 e IEEE P1451.2 iniciaram suas discussões. O primeiro comitê ficou responsável em definir a arquitetura de um processador com funções de um nó de rede (hardware/software). O nó foi denominado posteriormente como Network Capable Application Processor (NCAP), sendo este o dispositivo

responsável pela troca de informação entre o transdutor e ambientes externos composto por partes lógicas (software com blocos de funções e implementações) e partes físicas (I/O para redes e transdutores) [4]. Sua estrutura é demonstrada na figura 4.

Fig 4 – Arquitetura do NCAP.

Na sequência, o comitê P1451.2 apresentou diretrizes que definem um Módulo de Interface para Transdutor Inteligente (Smart Transducer Interface Module - STIM), cuja estrutura contém um sistema de aquisição de dados com memórias para armazenamento das informações dos transdutores em um bloco de dados eletrônicos do transdutor (Transducer Electronic Data Sheet - TEDS). Por fim, também foi adicionado um bloco com uma interface independente do transdutor (Transducer Independent Interface - TII). Este grupo propôs que o STIM deveria possuir uma capacidade plug and play com a TII. A figura 5 apresenta sua estruturação lógica.

Fig 5 – Proposta conceitual IEEE 1451.2.

O grupo de pesquisa P1451.3 ficou responsável por produzir uma interface de comunicação digital para sistemas distribuídos, denonimado Módulo de Interface para Transdutores conectados em Barramento (Transducer Bus Interface Modules - TBIM). Esta proposta sugere o uso de topologia em barramento e protocolo multidrop. Sua arquitetura foi projetada considerando que um dispositivo NCAP responsável por interfacear diversos TBIM há uma rede de campo conforme a figura 6. Para isso o NCAP possui

um bloco físico adicional, responsável por controlar o acesso e o uso do barramento por parte dos transdutores.

Fig 6 – Proposta IEEE1451.3

Já o grupo de pesquisa P1451.4 visou definir um protocolo de comunicação denominado de modo misto, com o objetivo de alcançar os dispositivos com sinais analógicos. Nesta proposta os dados dos sensores e TEDS compartilham o mesmo meio físico. O comitê IEEE1451.0 ficou responsável por definir uma interface para acessar a TEDS de forma padronizada. Em 2007 foi lançado uma normatização para protocolos disponíveis no mercado como RS-232, SPI (Serial Pheripheral Interface), UBS (Universal Serial Bus) e UART (Universal Asynchronous Receive/Transmitter ). Já o comitê IEEE1451.5 ficou responsável por definir uma interface padronizada para aplicações sem fio (WLANs - Wireless Local Área Network), sendo esta dividida em várias especificações em cima do IEEE 802.11. O comitê IEEE 1451.6 normatizou uma interface transdutor-NCAP e TEDS com rede de campo de alta velocidade, sendo a tecnologia escolhida o protocolo SensorBus CAN (Controller Area Network), por ter ampla aceitação da industria. Por fim o comitê IEEE 1451.7 que até o presente momento encontra-se em fase de desenvolvimento e especificações, porém ainda não apresentou nenhuma proposta concreta para o uso de sistemas RFID [3][4][5].

III. RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION

A tecnologia RFID é adotada pela ISO (International Organization for Standardardization) e a EPCglobal. Ambas desenvolvem os padrões para uso industrial do código EPC, os protocolos de interface e a aplicação desta tecnologia [6]. O sistema de identificação RFID usa freqüência de rádio ou variação de campo magnético para comunicar com um identificador fixado a um objeto [7]. Os principais componentes desta tecnologia são: o identificador ou etiqueta eletrônica, o leitor ou coletor de dados, a antena para emissão do sinal RF (Radio Frequency) e o servidor Middleware(Savant) que realiza a interface entre o sistema RFID e os sistema de informação corporativo [8] como mostrado na figura 7.

Fig 7 - Sistema RFID

A tecnologia RFID está estruturada em uma arquitetura multicamadas, onde a camada física inclui o subsistema de hardware com os dispositivos RFID (identificador, leitor e antena), já a camada de aplicação (Middleware) representa o subsistema de software para gerenciar e monitorar os elementos da camada física e integrar este sistema aos sistemas de informação corporativos.

Os aspectos relevantes no projeto baseado em RFID estão relacionados com as características físicas de cada um dos componentes do sistema de hardware. A etiqueta (Tag) apresenta pouca energia para transmissão dos seus dados, seja a versão ativa com a presença de energia interna (bateria), a passiva que é polarizada através da energia recebida do leitor ou a semi-passiva que é um a combinação de ambas. Portanto, o leitor deve transmitir uma força de campo suficiente para polarizar os circuitos da Tag, no caso de Tags passivas, e para que o sinal seja mais forte do que o ruído eletromagnético presente no ambiente de sua aplicação. Isto limita também, o ângulo de visada entre o leitor e a Tag [9]. O ruído eletromagnético, as limitações de energia na transmissão dos dados, e em geral, a interferência causada sobre a onda enviada entre o leitor e a Tag, causam erros na transmissão que devem ser compensados através da retransmissão dos dados pré-programados no leitor (Reader). O desempenho da camada de hardware depende, portanto, do ambiente da aplicação [10][13].

Adicionalmente, se a aplicação o exige, deve-se ter em conta os aspectos relacionados com a segurança na transmissão. Outros aspectos de interesse são: a identificação dos objetos que deve ser única, através do código EPC, e as leituras simultâneas sobre diferentes objetos que podem, também, causar interferência.

As características do desenvolvimento do Middleware estão relacionadas com a gestão dos erros na transmissão, a identificação correta dos objetos, os aspectos de segurança, quando sejam necessários e principalmente a integração com os sistemas corporativos das empresas. É importante notar que os problemas relacionados com a segurança no acesso aos sistemas corporativos, devem ser tratados diretamente no mesmo, portanto, o Middleware deve trabalhar como interface de acesso único. Finalmente, é necessário inserir flexibilidade no sistema Middleware para desenvolvimentos futuros ou atualização de todo sistema RFID [11],[12],[13].

IV. O MODELO PROPOSTO

De acordo com o site do NIST, até o presente momento não foi definido nenhuma padronização entre transdutores e Tags RFID. Cada fornecedor constrói sua própria interface e realiza um grande esforço, a fim de obter uma proposta de interface voltada ao mercado de controle e automação.

Muitas empresas fornecem etiquetas eletrônicas (Tag) e Reader com diferentes faixas de frequência, fator de forma e tipo (ativa, passiva e semi-passiva). Para tanto, o projeto de sistemas RFID deve-se ao estabelecimento das principais características a serem observadas durante a escolha de seus elementos lógicos e físicos, entre eles destacam-se: uso da mesma faixa de frequência na Tag e Reader, fator de forma da Tag bem como o seu tipo de alimentação, modelo do coletor de dados (fixo ou móvel), interface I/O para comunicação Reader - Middleware e suporte a tecnologias de desenvolvimento. Especificamente, a maioria dos fornecedores e fabricantes de aplicações em RFID, apresentam soluções baseadas em software livre (Plataforma Java) e software proprietários (Microsoft Visual Studio). A grande vantagem encontrada neste aspecto encontra-se no suporte a linguagens de programação orientada a objetos citados no padrão IEE 1451, o uso de banco de dados relacionais e drivers para execução de leitura e escrita de dados via radiofreqüência. Estas características permitem transformar o Middleware presente em sistemas RFID no módulo NCAP apresentado no IEEE 1451, seja por meio de hardware com dispositivos lógicos programáveis como FPGA (Field Programmable Gate Array), microcontroladores e DSP (Digital Signal Processor) ou via software supervisório com protocolos de comunicação variados (CAN, RS-232, Ethernet e IEEE 802.11) comumente usados no mercadoindustrial.

Estes pontos se relacionados com trabalhos já implementados, permitem uma fácil adaptação de sistemas existentes para inserir módulos RFID. Pesquisas recentemente desenvolvidas apresentaram um sistema NCAP em ambiente Java comunicando com dispositivo FPGA, sua arquitetura implementa o STIM através de um FPGA com I/O via RS 232 e IEEE 1451.5 com Bluetooh e ZigBee [2]. A NASA juntamente com Universidade de Houston desenvolveu um sistema de sensores sem fio composto por ZigBee, memória flash, conversor Analógico/Digital e microprocessador. Nesta pesquisa os valores das variáveis do processo eram enviados há um microcomputador, o qual disponibilizava os dados via web. Kang Lee e Eugene Song apresentaram uma extensão do atual padrão IEEE 1451.0 adotando uma arquitetura orientada a serviços na respectiva camada de serviços no padrão IEEE 1451.0.

Diante destes trabalhos é possível visualizar que nas diversas arquiteturas propostas, contém um microcomputador como elemento NCAP de concentração das TEDS. Neste sentido, a presente proposta pretende fixar Tags RFID nos transdutores, proporcionando uma identificação (ID) única de

cada dispositivo e nesta mesma Tag a gravação de um histórico das ações (inspeção, manutenção entre outros) desenvolvidas por cada transdutor dentro de um processo físico. A Tag também permite estabelecer uma forma de rastreamento dos objetos (sensores e atuadores) e uma atualização cíclica tanto nos sistemas de controle, quanto nos sistemas corporativos (bases de dados). Essa conciliação se torna importante para grandes concessionárias para obter a gerencia e conciliação de ativos em momentos de inspeção geralmente implementados por agencias reguladoras.

A figura 8 apresenta o modelo lógico de interfaceamento, onde o sistema Savant além de controlar rotinas ligadas ao controle industrial, também permite adicionar o processo de atualização dos dados nas Tags de cada transdutor e no banco de dados do próprio Savant e sistemas corporativos. Tornando possível que os dados de campo sejam, concisos com as informações disponíveis nos sistemas. A idéia geral é que após um período finito, além de atualizar as informações internas na base da empresa, também atualize dados nos transdutores. O modelo proposto apresenta vantagens devido a integração com o sistema corporativo, uso de equipamento RFID do mercado, permitindo sua utilização imediata por parte da indústria, flexibilidade na arquitetura para atualização ou inserção de novos módulos no sistema de controle, segurança na transmissão e recepção do código EPC para identificação de transdutores. E finalmente, interface homem-máquina amigável para maximizar o uso imediato do sistema para um conjunto diversificado de usuários e integração com diferentes dispositivos lógicos programáveis como FPGA para serem estes os agentes de controle e medição em uma planta industrial.

Fig 8 – Proposta de Implementação do Padrão IEEE 1451.7

V. IMPLEMENTAÇÃO

O protótipo desenvolvido com base na proposta citada na seção anterior segue requisitos como flexibilidade para atualização e inserção de novos módulos na arquitetura, Interface homem máquina amigável, integração com sistema de supervisão e uso de sistemas RFID do mercado conforme apresenta a figura 9.

Fig 9 – Arquitetura Proposta

Com este modelo é possível apresentar um formato de dados referente a cada transdutor (Tag), sistema de comunicação entre os transdutores (NCAP) e aplicação do sistema RFID para interconectar os transdutores a vários subsistemas como software supervisório, sistemas corporativos e consulta rápida referente aos históricos (manutenção, acionamento entre outros) de cada transdutor.

O Reader utilizado foi o modelo IP4 da empresa Intermec. O mesmo suporta tecnologia de programação orientada a objetos o qual permite adotar um modelo de marcação que define todo o datasheet do transdutor, os mecanismos de I/O com um diversificacdo conjunto de protocolos como serial, Ethermet, Bluetooh e GSM para facilitar sua implantação em diferentes sistemas de comunicação industrial bem como a qualquer dataBus e fieldBus. Neste projeto foi implementado em Java um Nó de rede por meio de um host o qual via TCP/IP conecta ao IP4 para troca de dados em suas bases de dados, as informações transmitidas refletem as últimas ações desenvolvidas no transdutor. A Tag utilizada foi a Large Rigid também da empresa Intermec, mesmo fornecedor do Reader, a mesma suporta 2Kbytes de dados, modelo passiva o que permite um bom tempo de vida útil em campo se comparada a Tags ativas. A figura 10 apresenta taisequipamentos.

Fig 10 – Tag e Reader utilizado

Nesta pesquisa estabeleceu a seguinte regra de formatação dos sensores e atuadores dado a capacidade de armazenamento da Tag selecionada:

• 10 bits para identificação do transdutor; • 1024 bits para armazenamento de códigos chaves

referente as últimas manutenções do equipamento. o Código de manutenção: 06 bits o Data de manutenção: 10 bits o Código do técnico executor: 06 bits o Observação: Texto de 1002 caracteres

com informações e indicações relacionadas a problemas e soluções adotadas na manutenção.

A arquitetura desenvolvida segue o modelo da figura 11.

Fig 11 – Modelo implementado.

Com a estrutura acima foi possível estabelecer um ciclo durante o funcionamento dos transdutores onde o primeiro passo seria aguardar a finalização de um dado processo, estimando um período em minutos onde após o seu término o IP4 identifica o transdutor, ao realizar uma operação de escrita na Tag do equipamento gravando os dados do processo na base do NCAP. Esta etapa ficou classificada como ciclo de atualização. As próximas ações (manutenção ou inspeção do equipamento) o operador visualizava via leitura da Tag a identificação e os dados das últimas duas manutenções do equipamento. As tecnologias em software utilizadas foram Linguagem Java e banco de dados relacional Oracle no NCAP, linguagem C# e banco SQL Móbile no IP4 onde todas são compatíveis com as interfaces de programação (APIs) e drivers dos fornecedores mantendo a consistências da tecnologia.

O protótipo está sendo testado há 03 meses sem interrupção. Foram fixadas duas Tags em um kit didático de hidráulica, especificamente em dois pistões. Os testes de leitura e escrita nas Tags foram feitos em diferentes distancias em condições ambientais (temperaturas). Inicialmente não foram detectados pontos negativos com relação a interface homem máquina, o sistema RFID também não apresentou dificuldades na transmissão e recepção dos dados RF de cada

NCAP 2

Transdutores do NCAP 1

Transdutores do NCAP 2

Blocos

Blo

Blocos

Blo

RFID

TCP/IP

1451

Interfaceamento

COMUNICAÇÃO&

CONTROLE

NCAP 1

Atuadores Supervisão

transdutor. Os elementos comerciais utilizados se apresentaram suficientes para aplicações industriais mesmo considerando um kit didático, o que amplia o uso de RFID em ambientes industriais. Re-configurações do sistema como o aumento da força do campo da Reader, ajuste do ângulo de visada entre Tag-Reader foram necessários devido a barreiras físicas e oscilação da relação sinal/ruído presente no ambiente, mais nada que comprometa o funcionamento do sistema.

VI. CONCLUSÃO

Neste artigo foi apresentado um modelo de sistema de controle e automação utilizando o padrão IEEE 1451.7 para interfaceamento de transdutores e formatação de dados. A discussão abordou a integração do Sistema RFID com o sistema de controle, transformando o processo de comunicação flexível e confiável para a gestão das atividades presentes na planta. O (modelo desenvolvido obedece ao padrão mundial EPC e as características presentes no kit hidráulico didático), mostrando uma nova aplicação de sistemas RFID em ambientes industriais. O sistema permite fácil manutenção e pode ser gerenciado diretamente por equipes do setor industrial composta por engenheiros e técnicos de diferentes empresas, independente dos desenvolvedores do sistema.

REFERÊNCIAS

[1] P. U. Albuquerque, A. R. Alexandria. Redes Industriais: Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional.2ª edição. São Paulo, 2009.

[2] Edson A. Batista. Emprego da tecnologia Java para Implementar a Parte Lógica de um Processador de Aplicação com Capacidade de Operar em Rede de Comunicação (NCAP), em conformidade com padrão IEEE 1451.

[3] Silvano R. Rossi , Edson A. Batista, Aparecido A. de Carvalho, Alexandre C. E. da Silva. Utilização Da Tecnologia De Lógica Programável Na Implementação De Um Módulo De Interface Para Transdutores Inteligentes (Stim) IEEE 1451.2

[4] NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY. IEEE 1451 website. Whats is IEEE 1451? Disponível em http://ieee1451.nist.gov. Acessado em 07 de outubro de 2009.

[5] NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY. 1451.7 Work Group. Disponível em http://ieee1451.nist.gov/group7.html. Acessado em 07 de outubro de 2009.

[6] EPCglobal. http://www.epcglobalinc.org. Acessado em 20 de abril de 2008.

[7] M. Son, Y. Lee, C. Pyo. Design and Implementation of Mobile RFID Technology in the CDMA Networks. RFID/USN Research Group, Electronics and Telecommunications Research Institute, Daejeon, Korea.

[8] K. Deeb. Efficiency, Privacy, and Security Analysis of Ubiquitous System in the Retail Industry. Barry University, Miami Shores. IEEE, 2006.

[9] B. Glover, H. Bhatt Fundamentos de RFID. Editora ALTA BOOKS. Rio de Janeiro, 2007.

[10] Intermec T. C. System Manual, U.S.A, 2005. [11]C. A. Monteiro.S. A. Muniz, Silva J. Muniz, C. L. Castro, M. E. Mazina,

T. Gilberto, R. M. E. Romero. Sistema de Gerência de Ativos Físicos Usando Tecnologia RFID na Subestação de Energia Elétrica. Universidade Federal de Mato Grosso do Sul.. VII Conferencia Internacional de Aplicações Industriais. Poços de Caldas, 2008.

[12] L. Jongyoung, K. Naesoo. Peformance Test Tool for RFID Middleware: Parameters, Design, Implementation, and Features. Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI).

[13] S. M. Birari, S. Iyer.Mitigating the Reader Collision Problem in RFID Networks with Mobile Readers. Indian Institute of Technology, Powai, Mumbai, India, 2005.

AGRADECIMENTO

A Universidade Católica Dom Bosco pelo incentivo e a disponibilidade de infra-estrutura humana e tecnológica para o desenvolvimento deste projeto. Aos docentes Thiago Alexandre e Edson Batista pelas grandes contribuições nos tópicos relacionados ao padrão IEEE 1451 e apoio durante o desenvolvimento do protótipo. Aos acadêmicos Roberto Morita e Jairo Ângelo pelo esforço e dedicação durante todo o desenvolvimento da pesquisa.