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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
LUCAS BARBOSA MARCOS
METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO DO PROTOCOLO
PROFINET APLICADO A REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL
São Carlos - SP
2013
LUCAS BARBOSA MARCOS
METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO DO PROTOCOLO
PROFINET APLICADO A REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola de Engenharia de São Carlos, da
Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em
Sistemas de Energia e Automação.
Área: Engenharia Elétrica, automação industrial.
ORIENTADOR: Prof. Dr. Dennis Brandão
São Carlos - SP
2013
AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Marcos, Lucas Barbosa M321m Metodologia para análise de desempenho do protocolo
PROFINET aplicado a redes de comunicação industrial /Lucas Barbosa Marcos; orientador Dennis Brandão. SãoCarlos, 2013.
Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação) -- Escola deEngenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo,2013.
1. PROFINET. 2. Jitter. 3. Ethernet Industrial. 4. Automação Industrial. 5. Indicadores de Desempenho. I.Título.
Para Agnaldo, Sandra, Renan e Daniela.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Dennis Brandão, por gentilmente ter me acolhido no
Laboratório de Automação Industrial.
Ao Eng. Guilherme Serpa Sestito, pelo auxílio e acompanhamento direto deste
trabalho, desde a parta teórica até a implementação e testes.
Aos engenheiros Afonso Turcato, André Luis Dias e Rogério Máximo Rapanello, pelo
auxílio remoto e colocações pontuais, mas muito pertinentes.
A todas as demais pessoas que, direta ou indiretamente, colaboraram com a
conclusão deste trabalho.
A primeira regra de qualquer tecnologia utilizada
nos negócios é que a automação aplicada a uma
operação eficiente aumentará a eficiência. A
segunda é que a automação aplicada a uma
operação ineficiente aumentará a ineficiência.
William Henry "Bill" Gates III
RESUMO
O presente trabalho tem como propósito apresentar uma metodologia para análise
do desempenho de redes de comunicação industrial que trabalham com o protocolo
PROFINET através da identificação e quantificação de variáveis de indicadoras de
desempenho (especificamente o jitter) em função da variação da sua topologia. Com
a popularização de sistemas de controle automatizados, em especial com a
aplicação do protocolo PROFINET, torna-se imperativo avaliar qual o
comportamento dos seus indicadores de desempenho (definidos na IEC 61784-2)
em função de mudanças efetuadas na topologia da rede. Fundamentos para este
trabalho são encontrados na teoria de redes de comunicação industrial, redes de
computadores, na normatização e em evidência empírica de testes. A monografia
compreende uma revisão bibliográfica sobre o assunto, seguido de testes na rede e
apresentação de resultados em tabelas, gráficos e histogramas. Finaliza o assunto
com a apresentação das conclusões e de sugestões para trabalhos futuros que
sigam a linha proposta.
Palavras-chave: PROFINET, Jitter, Ethernet Industrial, Automação, Indicadores de
Desempenho.
ABSTRACT
This paper aims to identify and quantify changes in performance indicators
(especially jitter) in a PROFINET (SIEMENS Technology) network due to changes in
topology. With the popularization of automated control systems, particularly with
PROFINET protocol applications, it becomes imperative to evaluate the behavior of
its performance indicators (defined by IEC 61784-2) due to topology changes. The
foundations for this work are found in industrial communication networks theory,
computer networks theory, standardization and empirical evidence. The paper
comprises a literature review on the subject, followed by network testing and results
presentation in tables, charts and histograms. It winds up the matter showing
conclusions and suggestions for future papers following the proposed method.
Keywords: PROFINET, Jitter, Industrial Ethernet, Automation, Performance
Indicators.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Market Share das soluções de Ethernet industrial -------------------------------------- 27
Figura 2- Elementos da Rede --------------------------------------------------------------------------31
Figura 3- Relação de Aplicação -----------------------------------------------------------------------33
Figura 4- Transmissão de dados em PROFINET-----------------------------------------------------35
Figura 5- Canais de Comunicação do Protocolo PROFINET--------------------------------------36
Figura 6- Ciclo de Transmissão em PROFINET IO ----------------------------------------------37
Figura 7- Tempo de Transmissão em PROFINET IO ----------------------------------------------39
Figura 8- Arquivo GSD ---------------------------------------------------------------------------------42
Figura 9- Troca de Dados -----------------------------------------------------------------------------44
Figura 10- Situações de Jitter--------------------------------------------------------------------------48
Figura 11 - Topologia da rede 1------------------------------------------------------------------------54
Figura 12 - Topologia da rede 2------------------------------------------------------------------------56
Figura 13- Vista da tela do Wireshark ----------------------------------------------------------------58
Figura 14- Gráfico de tempo de ciclo por amostra rede 1 ------------------------------------------60
Figura 15- Histograma de tempo de ciclo para a rede 1 --------------------------------------------60
Figura 16- Gráfico de tempo de ciclo para cada amostragem da rede 2 -------------------------61
Figura 17- Histograma de tempo de ciclo para a rede 2 --------------------------------------------62
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Conformance Classes -----------------------------------------------------------------------45
Tabela 2- Interdependência entre Indicadores de Desempenho -----------------------------------47
Tabela 3- Equipamentos utilizados na rede 1 --------------------------------------------------------53
Tabela 4- Endereçamento dos componentes da rede 1 ---------------------------------------------54
Tabela 5- Equipamentos da rede 2 --------------------------------------------------------------------55
Tabela 6– Componentes da rede, endereços IP, MAC e nome de identificação na rede 2 -----55
Tabela 7- Comparação entre redes 1 e 2 --------------------------------------------------------------62
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO-----------------------------------------------------------------------21
1.1- Objetivos e contribuição do trabalho------------------------------------------------22
1.2- Organização do trabalho --------------------------------------------------------------22
CAPÍTULO 2: CONCEITOS FUNDAMENTAIS --------------------------------------------------24
2.1 – Breve revisão da tecnologia Ethernet -------------------------------------------------24
2.2 – Real-Time Ethernet ----------------------------------------------------------------------25
2.3 – Protocolos RTE ---------------------------------------------------------------------------26
2.4 – PROFINET -------------------------------------------------------------------------------26
CAPÍTULO 3: PROFINET ----------------------------------------------------------------------------28
3.1 – Introdução ao PROFINET---------------------------------------------------------------28
3.2 – PROFINET IO ---------------------------------------------------------------------------29
3.3 – Elementos da rede -----------------------------------------------------------------------29
3.4 – Tipos de comunicação dentro de PROFINET IO ------------------------------------31
3.5 – O tempo de transmissão de mensagens -----------------------------------------------38
3.6 – A topologia – estrela, anel e linha ------------------------------------------------------39
3.7 – O switch -----------------------------------------------------------------------------------40
3.8 – Integração ---------------------------------------------------------------------------------41
3.9 – Arquivo GSD -----------------------------------------------------------------------------41
3.10 – System Start-Up ------------------------------------------------------------------------43
3.11 – Conformance Classes ------------------------------------------------------------------44
3.12 – Conclusões do Capítulo 3 -------------------------------------------------------------45
CAPÍTULO 4: INDICADORES DE DESEMPENHO ---------------------------------------------46
4.1 – Os indicadores de desempenho --------------------------------------------------------46
4.2 – O Jitter -------------------------------------------------------------------------------------48
4.3 – Conclusões do Capítulo 4 ---------------------------------------------------------------51
CAPÍTULO 5: METODOLOGIA ---------------------------------------------------------------------52
5.1 – Descrição das redes ----------------------------------------------------------------------52
5.2 - Descrição do método de captura--------------------------------------------------------56
CAPÍTULO 6: RESULTADOS ------------------------------------------------------------------------58
CAPÍTULO 7: CONCLUSÃO-------------------------------------------------------------------------64
REFERÊNCIAS -----------------------------------------------------------------------------------------65
21
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO
No contexto do setor industrial, define-se rede de comunicação industrial
como um conjunto de dispositivos independentes, interligados por um sistema de
comunicação, capacitados a trocar informações entre si. Estas redes têm como
finalidade transmitir informações cruciais de controle e dados operacionais para
operadores, equipamentos, controladores, válvulas e sensores a fim de permitir a
coordenação automatizada dos mais variados processos. Para tanto, são
necessários os seguintes componentes: fonte dos dados, transmissor, canal de
comunicação, receptor, destino dos dados.
Existem variadas maneiras de formatação e transmissão das informações
(ou mensagens) entre os diversos componentes da rede. A essas diferentes
maneiras dá-se o nome de protocolo. Cada protocolo abrange um determinado
conjunto de regras para estabelecer a comunicação e criar um envelope de dados
(conhecido como quadro) para concatenar códigos necessários para a comunicação
da rede, além dos dados de interesse propriamente ditos que compõem a
mensagem.
PROFINET é um protocolo para comunicação de redes industriais que
utiliza o padrão Ethernet como meio físico e camada para enlace de dados. É
desenvolvido pela SIEMENS e apoiado pela fundação Profibus International
(associação de empresas e universidades do setor de automação industrial).
O protocolo PROFINET tem uma importância destacada no mercado.
Desde 2003, o número de dispositivos PROFINET em operação tem aumentado
exponencialmente. Ao final de 2012, estes eram em número superior a 5,8 milhões.
As expectativas sugerem que ao final de 2014, a quantidade de dispositivos
PROFINET operantes já tenha ultrapassado os 10 milhões [1].
Tendo em vista esta expansão do protocolo PROFINET, torna-se
imprescindível uma avaliação criteriosa do seu desempenho. Esta verificação é
plenamente possível se baseada em uma das normas da INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL COMMISSION, a IEC 61784-2 [2]. Nesta norma é feita a
definição de indicadores de desempenho, cujo propósito é quantificar a qualidade
22
das redes de comunicação industrial e de seus dispositivos, bem como facilitar a
determinação de requisitos de projeto. Torna-se, portanto, referência para a
avaliação da qualidade dos protocolos aplicados às redes de comunicação industrial.
Assim sendo, este trabalho propõe-se em avaliar o desempenho (sob o
ponto de vista do jitter) de uma rede PROFINET em função de variações na sua
topologia.
1.1 - Objetivos e contribuição do trabalho
Tendo em vista o contexto relatado, o objetivo deste trabalho é identificar
e quantificar as variações de indicadores de desempenho (especificamente o jitter)
em uma rede PROFINET em função da variação da sua topologia, baseando-se na
teoria de redes de comunicação industrial, redes de computadores, normatização e
evidência empírica de testes.
Uma vez atingido o objetivo, este trabalho fornecerá informações para
projetistas, de modo que poderão ter a priori indícios do comportamento de uma
rede PROFINET nas ocasiões de sua implementação e alteração. Com isso,
poderão determinar projetos que melhor atendam os seus requisitos.
Ainda, este trabalho possibilitará ao autor a aplicação e expansão dos
conhecimentos adquiridos nas disciplinas de graduação correlatas, especificamente
SEL 406 – Automação, SEL 431 – Laboratório de Controle de Processos e SEL 432
– Redes de Comunicação Industrial.
1.2 - Organização do trabalho
O capítulo 2 apresenta os conceitos fundamentais para o embasamento
teórico do protocolo PROFINET. Faz uma revisão da origem do protocolo PROFINET
e de seus objetivos, desde a origem da tecnologia Ethernet, passando pelas
transformações que sofreu para se adaptar ao ambiente industrial, até a gênese do
protocolo PROFINET e suas características básicas.
O capítulo 3 trata do protocolo PROFINET propriamente dito. Vai desde
uma visão geral do protocolo, passando por canais de comunicação, topologias de
23
rede, análise de parâmetros de tempo, até o processo de inicialização da rede
PROFINET. Fornece todo o embasamento teórico necessário para a compreensão
deste trabalho.
O capítulo 4 mostra os indicadores de desempenho, como estão
relacionados entre si e como podem ser úteis na avaliação da qualidade de uma
rede. Destaca o jitter, indicador fundamental para a continuidade do trabalho.
O capítulo 5 detalha uma metodologia de ensaio para teste em duas
redes PROFINET, desde a descrição da topologia até a descrição do método de
captura de dados.
O capítulo 6 exibe os resultados obtidos dos ensaios relatados no capítulo
5, explicando qual foi o tratamento utilizado para os dados.
O capítulo 7 finaliza este trabalho com algumas conclusões pertinentes ao
trabalho.
24
CAPÍTULO 2: CONCEITOS FUNDAMENTAIS
2.1 - Breve revisão da tecnologia Ethernet
Ethernet é o tipo de rede de computadores mais comumente instalado no
mundo. Foi desenvolvido pela empresa americana XEROX no início da década de
70. Em Fevereiro de 1980, o grupo de trabalho número 802 do IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) definiu pela primeira vez Ethernet como um
padrão para redes LAN [3].
Seu método de acesso ao meio é o CSMA/CD. Consiste em um esquema
Carrier-Sense (os dispositivos verificam se o meio físico está disponível) com acesso
múltiplo (vários dispositivos podem estar conectados à rede) com detecção de
colisão (se dois dispositivos tentam transmitir dados ao mesmo tempo, causando
uma colisão, os dispositivos aguardam um tempo aleatório para voltar a transmitir,
obedecendo ao algoritmo de backoff exponencial binário) [3].
O quadro (formato do pacote de dados) Ethernet é dividido em 7 (sete)
partes: preâmbulo, delimitador de início de frame, endereço MAC do destino,
endereço MAC da origem, tamanho/ethertype, dados propriamente ditos e frame
check sequence.
O endereço de hardware de um dispositivo Ethernet é chamado MAC
(Media Access Control) address. Um MAC address consiste de 2 partes de 3 bytes
cada uma: a primeira, designa qual é o fabricante do dispositivo; a segunda, designa
o número de sequência individual dele [3].
Para o transporte de dados, Ethernet faz uso dos protocolos TCP
(Transmission Control Protocol) ou UDP (User Datagram Protocol). A diferença
fundamental entre eles é que TCP é um protocolo com conexão e confirmação,
enquanto UDP não apresenta essas características. UDP é mais veloz, enquanto
TCP é mais confiável [3].
Para camada de rede, geralmente Ethernet vem acompanhada do
protocolo IP, que faz o roteamento das mensagens. É o protocolo mais usado em
tecnologia da informação (TI) no mundo [3].
25
2.2 Real-Time Ethernet
Apesar de muito difundida para aplicação em escritórios, havia alguns
requisitos que a tecnologia Ethernet ainda não era capaz de atender [4]. e que são
cruciais para o seu uso em ambiente industrial, tais como [5]:
Comunicação determinística;
Sincronismo entre os dispositivos;
Troca eficiente e frequente de quantidades muito pequenas de
dados.
Ainda, tem-se como exigência implícita a existência da
intercambiabilidade de comunicação entre os modelos de Ethernet para escritório e
industrial de modo que o software normalmente usado em Ethernet não precise ser
substituído. Isso nos leva a mais duas (2) necessidades [5]:
Suporte para a migração da Ethernet de escritório para e Ethernet
industrial;
Uso dos componentes padrão, bridges e protocolos mantidos o
máximo possível.
Tendo em vista que a Ethernet padrão não era apropriada para alcançar
essas condições, foram propostas algumas mudanças para que ela alcançasse o
desempenho necessário. Essas mudanças transformariam a Ethernet em Real-Time
Ethernet (RTE). Tais mudanças foram propostas em diferentes abordagens, tais
como [5]:
Preservar a pilha TCP/IP e implementar mudanças apenas nas
camadas superiores (solução on top of TCP/IP);
Ignorar etapas do protocolo TCP/IP e fazer o acesso direto às
funcionalidades da camada Ethernet (on top of Ethernet) – na qual
se enquadra PROFINET CBA (mais detalhes na sequência do
trabalho);
Modificações diretas na camada Ethernet (modified Ethernet).
A primeira abordagem, apesar de possibilitar a expansão da rede a um
26
nível de abrangência similar ao da Internet, tem como efeitos indesejados o uso de
muitos recursos para processamento, memória e introduz atrasos não-
determinísticos na comunicação, não sendo, portanto, capaz de atender plenamente
os requisitos necessários; a segunda abordagem leva ao uso do protocolo IP
associado a outro protocolo típico da tecnologia a ser empregada, sem alterações de
hardware; a terceira abordagem requer a modificação do switch, e a integração do
switch modificado aos dispositivos no caso de se fazer uma topologia em
barramento ou anel [5].
Diversas foram as associações e empresas que desenvolveram soluções
RTE, como Ethernet/IP (criado pela Rockwell Automation), HSE (apoiado pela
Fieldbus Foundation) e PROFINET (incentivado pela SIEMENS) [4].
2.3 Protocolos RTE
Pode-se definir RTE como uma especificação fieldbus que usa a
tecnologia Ethernet para as camadas 1 e 2 do modelo OSI [5] capaz de atender os
requisitos listados.
2.4 PROFINET
As principais razões para o desenvolvimento de novas tecnologias são
redução de custo, melhoras técnicas e melhora na relação custo-benefício.
PROFINET alcança esses objetivos sob todos os pontos de vista [3].
PROFINET tem sua importância destacada por ser uma evolução de
Profibus DP, mas com muitas vantagens, como [3]:
Operação em alta velocidade
Estrutura de rede simplificada
Baixos Custos
Cabeamento único
Rede de expansão simples
Configurações individuais
Integração com sistemas fieldbus
27
Dadas essas características vantajosas (e outras ainda a serem
detalhadas neste trabalho), o protocolo PROFINET vem despontando na liderança
do segmento de Ethernet industrial. Segundo [2], PROFINET já detém 30% do
market share (ver Figura 1). Assim sendo, o protocolo mostra-se digno de maior
pesquisa, com o intuito de ampliar o entendimento a seu respeito e aperfeiçoar as
suas aplicações.
Figura 1- Market Share das soluções de Ethernet industrial
(adaptado de [2])
Também, o protocolo PROFINET tem despertado o interesse da
comunidade acadêmica, sendo encontrados mais de 40 artigos publicados nos
últimos 5 anos na base de dados do IEEE (ieeexplore.org).
28
CAPÍTULO 3: PROFINET
Este capítulo objetiva o embasamento teórico sobre o protocolo
PROFINET. Encontra-se dividido em 12 seções, cada uma com um propósito bem
definido.
Na seção 3.1, é feita uma introdução ao Protocolo PROFINET, na seção
3.2, é feita a descrição de PROFINET IO, a versão atual do protocolo; na seção 3.3,
são destacados os elementos de uma rede PROFINET IO; em 3.4, faz-se a análise
dos três diferentes canais de comunicação de PROFINET IO; em 3.5, é abordada a
questão do tempo de ciclo para a tecnologia PROFINET IO; em 3.6, são explicadas
as diferentes topologias que uma rede PROFINET IO pode assumir; a seção 3.7
foca em um dispositivo da rede muito importante - o switch; a seção 3.8 comenta
sobre a integração do protocolo PROFINET com outros protocolos diferentes; a
seção 3.9 comenta sobre o arquivo GSD, importante para a parametrização e a
inicialização da rede PROFINET; em 3.10, é debatido o system start-up, ou seja,
quais são os primeiros passos para a inicialização de uma rede PROFINET; a seção
3.11 retrata as conformance classes, que definem categorias para os dispositivos
PROFINET de acordo com suas funcionalidades disponíveis; finalmente, em 3.12
são apresentadas as conclusões finais deste capítulo.
3.1- Introdução ao PROFINET.
PROFINET é um padrão aberto e inovador para automação industrial
baseado em Ethernet industrial. Possibilita a troca de dados entre dispositivos
similarmente ao um fieldbus tradicional, mas substituindo-o pela Ethernet como meio
de comunicação [3].
PROFINET tem como um de seus objetivos o corte de custos na área de
engenharia por meio da integração com plantas já existentes, mesmo que sejam
baseadas em fieldbuses tradicionais [4]. Há a possibilidade instalar equipamentos
Profinet gradualmente através da utilização de gateways específicos denominados
proxies. Isto gera uma economia de recursos por evitar que todos dispositivos já
instalados sejam mudados.
PROFINET é uma tecnologia de extrema relevância, por se tratar do único
29
protocolo RTE pela Siemens. Como a esta é a líder mundial em fabricação de CLPs,
espera-se que o protocolo PROFINET mantenha uma posição de liderança no
mercado, assim como PROFIBUS (também da Siemens) o fez [6].
3.2 - PROFINET IO
PROFINET IO é um protocolo definido também por uma miríade de
indústrias (com destaque novamente para a Siemens) e apoiado pela Profibus
International (Associação de empresas e universidades do setor de automação
industrial que representa os protocolos Profibus e PROFINET) que visa à conexão
entre os dispositivos de campo e os controladores.
PROFINET IO usa três canais de comunicação distintos para a troca de
dados com os sistemas de controle e outros dispositivos:
O padrão TCP/IP é usado para parametrização, configuração e
operações de leitura/escrita acíclicas. - é o canal NRT, usado para
processos não-críticos no tempo;
O canal RT (Real Time, tempo real) é usado como padrão para a
transferência cíclica de dados e para alarmes;
O terceiro canal, IRT, é o canal de alta velocidade usado para
aplicações de controle de movimento.
Em todos os casos, os dispositivos de campo são descritos por um
arquivo chamado GSD (General Station Description), baseado em linguagem XML
(Extensible Markup Language) [3], [5].
PROFINET IO ambiciona fundamentalmente: substituir os módulos IO
tradicionais que estão atualmente conectados via fieldbus e estender o protocolo
PROFINET às aplicações de controle de movimento [4].
3.3- Elementos da rede
Os elementos da rede podem assumir diferentes funções em PROFINET
30
IO, a saber:
IO Controller: é um dispositivo inteligente - geralmente, um CLP -
no qual o programa de automação é executado. O controlador é
usado para endereçar os dispositivos conectados, implicando que
ele troca sinais de entrada e saída os elementos IO no campo.
IO Supervisor: é, geralmente, uma estação de engenharia. Este
termo refere-se a um dispositivo para programação, um PC ou HMI
para configuração, comissionamento ou diagnóstico.
IO Device: é um dispositivo de campo (como sensores, atuadores,
módulos de entrada e saída) atribuído a um dos controladores.
Recebe ciclicamente suas entradas do IO Controller, e envia para
ele (também ciclicamente) os dados de saída do processo.
Transmite para o IO Controller também dados para diagnóstico e
informações de alarme [6].
Um subsistema contém ao menos 1 IO Controller e 1 ou mais IO Devices
[7].
Um IO Device é um dispositivo modular, composto de um ou mais slots,
os quais podem ter subslots. Cada slot (ou subslot) representa um módulo IO e tem
um número fixo de bits de entrada e de saída. O dado de entrada do IO Device é a
sequência de todos os dados de entrada dos slots e subslots, de acordo com seu
posicionamento no dispositivo. O raciocínio similar também vale para os dados de
saída, alarme e diagnóstico [6].
31
Figura 2- Elementos da Rede
Fonte: Adaptado de [3].
3.4 - Tipos de comunicação dentro do PROFINET IO
Como meio físico de comunicação, PROFINET utiliza Ethernet. Para o
transporte de dados, os protocolos TCP/UDP e IP estão implementados. Entretanto,
eles não são o suficiente para o processamento dos dados. Logo, outros protocolos
de aplicação devem ser implementados, como HTTP, SNMP, SMTP, FTP etc [3].
PROFINET IO é um conceito para a comunicação de dispositivos
distribuídos de entrada e saída. Usa o modelo provedor-consumidor, em que o
consumidor é o dispositivo que recebe dados e o provedor é o que envia [7].
Em PROFINET IO, existem três categorias de dados distintos (data
objects):
I/O Data objects: objetos de dados de entrada e saída são
transportados ciclicamente entre provedor (IO Device) e
32
consumidor (IO Controller) sem confirmação (ACK ou
acknowledgement). Os intervalos de transmissão são configuráveis
via ferramentas de engenharia [7].
Record Data Objects: são usados para definir os parâmetros dos
IO Devices, configurá-los e ler suas mensagens de status. Utiliza
transmissão de dados acíclica, por meio de serviços de
leitura/escrita (read/write). Alguns exemplos são dados de
parametrização, informação de diagnóstico, I&M (Identificação e
Manutenção) etc [7].
Alarm Data objects: alarmes são usados para transferir eventos
que tem que ser confirmados pelo processo de aplicação. Há dois
tipos: definidos por sistema ou por usuário. Os definidos por
sistema são, por exemplo, retirada e inserção de módulos; os
definidos por usuário são, por exemplo, tensão de carga defeituosa
ou temperatura muito alta. Alarmes de diagnóstico e de processo
podem ser priorizados diferentemente pelo usuário [7].
Com a função de estabelecer uma troca de dados cíclica ou acíclica entre
IO Controller e IO Device, o IO Controller deve definir as configurações de
comunicação ao iniciar o sistema. A figura 3 mostra os serviços de comunicação
entre um IO Controller e um IO Device. Para fazê-lo, o Controller configura a
conexão baseado nos dados da estação de engenharia (IO Supervisor). A Relação
de Aplicação (AR – Application Relationship) corresponde ao conjunto de dados
necessários para o estabelecimento da troca de dados. Uma AR pode conter uma ou
mais relações de comunicação (CR – Communication Relationship). São três ARs
distintas, cada uma para uma categoria de data object.
33
Figura 3- Relação de Aplicação
(adaptado de [7])
PROFINET usa três canais de comunicação com desempenhos distintos,
a saber:
3.4.1 – PROFINET NRT
PROFINET NRT (non real-time) é usada para processos acíclicos e não-
críticos no tempo, como parametrização, configuração ou HMI[7]. PROFINET usa as
pilhas TCP/IP e UDP/IP para transmitir os pacotes de dados, aliados aos demais
mecanismos padrão da Ethernet (padrão IEEE 802.3) [3], [7].
O endereçamento é feito usando ambos os endereços IP e MAC. O
endereço IP é usado para comunicação entre redes diferentes, enquanto endereços
MAC são usados para identificar o dispositivo dentro da própria rede. Todos os
equipamentos PROFINET suportam transmissão de dados via UDP/IP [7].
Toda a comunicação para gerenciamento de contexto, parametrização e
configuração é considerada NRT e é definida como um protocolo de aplicação
usando RPC (Remote Procedure Calls – Chamadas de procedimento remoto) sem
conexão e no topo da Pilha UDP/IP [6].
O tráfego de dados gerado por IO Supervisor e IO Parameter Server
34
tipicamente acontece enquanto o sistema não está em operação (off-line), tratando-
se, portanto de tráfego NRT [8].
3.4.2 – PROFINET RT
PROFINET RT (real-time) visa à transmissão de dados críticos no tempo,
para um desempenho otimizado na troca de dados. As operações de leitura e escrita
para automação industrial requerem, na maioria, transferência de dados de alta
velocidade. Este é o canal a ser usado, já que o padrão TCP/IP ou UDP/IP não
satisfaz este requisito [3], [7].
As latências causadas pelas pilhas TCP/IP ou UDP/IP podem ser evitadas
já que algumas ferramentas adicionais desses protocolos não são necessárias para
a comunicação em tempo real. Por exemplo, pelo uso de transferência de dados não
é necessário um protocolo orientado a conexão para controlar a comunicação;
comunicação em tempo real não necessita, geralmente, ser roteada para uma
subrede diferente e, logo, essa funcionalidade do protocolo IP não precisa ser
implementada (até porque o atraso para roteamento é muito maior do que os
requisitos de tempo demandados para comunicação RT); o tamanho dos frames a
serem enviados está tipicamente na faixa de 32 a 256 bytes, logo não é necessário
manter os elementos usados para a segmentação de dados (já que com fast
Ethernet é possível transmitir até 1500 bytes no mesmo frame) [9].
Para possibilitar desempenho em tempo real, PROFINET abandona
partes dos protocolos IP, TCP e UDP, mas conserva os mecanismos da Ethernet
(IEEE 802.3) [7].
O agendamento das tarefas de comunicação em PROFINET RT (e
também IRT) é baseado nos seguintes parâmetros [9]:
Send Clock: o atributo send clock é expresso em múltiplos da base
de tempo (31,25 µs). Um valor típico para Send Clock é 32, para
que o tamanho de uma fase (veja definição a seguir) seja de 1 ms.
Taxa de redução (reduction ratio): esse atributo contém a taxa de
redução do send clock do dispositivo. O verdadeiro ciclo de envio
de dados (send cycle) é a multiplicação de send clock e taxa de
35
redução.
Fase: esse atributo indica em que send cycle em particular o dado
deve ser enviado. Os valores permitidos vão de 1 até a taxa de
redução escolhida. Este atributo também permite espalhar o envio
dos frames por todo o send cycle e provém um meio de gerenciar a
distribuição do uso de largura de banda.
Sequência: esse atributo contém a posição do frame de dados na
fila de envio.
Offset de envio de frame: esse atributo contém o offset de envio
relativo ao início da fase em questão de acordo com a taxa de
redução correspondente. Sequência e offset de envio de frame
podem substituir um ao outro, já que o número de sequência não é
tão preciso quanto o necessário para aplicações de controle de
movimento (IRT).
Figura 4- Transmissão de dados em PROFINET
Os tempos de ciclo típicos são de 5 a 10 ms [7].
3.4.3 – PROFINET IRT
PROFINET IRT é usado para comunicação com sincronismo de clock.
36
Utilizado em aplicações como controle de movimento, já que pode atingir tempos de
resposta inferiores a 1 ms, além de automação industrial e de alto desempenho
[3],[7]. Exige modificações no hardware, não correspondendo simplesmente aos
elementos da Ethernet padrão.
Tempos de ciclo típicos são inferiores a 1 ms com jitter inferior a 1 µs [7].
O tráfego de dados entre IO Controller e IO Device é, via de regra,
relacionado ao processo de automação e, portanto, sujeito a requisitos de tempo
restritos [8]. Consequentemente, é enviado pelos canais RT e IRT.
Figura 5- Canais de comunicação do Protocolo PROFINET
(adaptado de [7])
O ciclo de comunicação em PROFINET IO é multiplexado no tempo entre
os 3 canais: uma parte corresponde a IRT, a outra a RT e, finalmente, NRT. Note que
a coexistência desses 3 canais não implica em qualquer interferência entre eles,
permitindo a circulação de dados TCP/UDP e RT em um mesmo ciclo. [7], [4], [11].
Um clock altamente preciso é usado para dividir estas 3 fases distintas [4].
A primeira fase, chamada fase isócrona, são transmitidos todos os frames
37
IRT. Esses frames são enviados pelo switch sem qualquer interpretação das
informações de endereço contidas neles. Os switches devem ser configurados
previamente com uma agenda. Percorrido um determinado tempo (offset time) o
frame agendado é enviado, sem interpretação do endereço, de uma porta a outra.
Na segunda fase, chamada fase de tempo real, o switch usa comunicação baseada
em endereçamento e se comporta como um switch tradicional, transmitindo os
dados RT. Por fim, são transmitidos os frames NRT [5].
Figura 6- Ciclo de Transmissão em PROFINET IO
(adaptado de [5])
Caso não seja feita a implementação do canal IRT, o ciclo começa
diretamente em sua fase RT. Tanto na presença quanto na ausência do canal IRT, os
quadros RT que são transmitidos primeiro são os cíclicos, para depois serem
transferidos os acíclicos [6]. Os dados cíclicos referem-se à informação transportada
periodicamente entre IO Controller e IO Device. Já os dados acíclicossão
informações trocadas esporadicamente nos instantes de configuração e diagnóstico
do IO Device.
Diferentemente da comunicação IRT, o canal RT não requer hardware
especial para a sua implementação, permitindo o uso de switches padrão (sem
38
sincronismo de clock). Essa ausência de sincronismo resulta em desempenhos não-
determinísticos com jitter crescente. Para limitar tal fenômeno, as especificações de
PROFINET RT exigem que pelo menos 40% da largura de banda deve ser deixado
livre de qualquer tipo de tráfego [11]. Essa fração de 40% do ciclo é chamada de
margem de segurança [6].
A não-observância da margem de segurança é fator primordial para a
sobrecarga do sistema. Na ocasião de tal sobrecarga, o protocolo tenta enviar os
frames RT, mas já encontra tráfego circulando na rede. A medida que é tomada
consiste em descartar todos os frames RT do ciclo, levando à perda de dados [9].
3.5 – O Tempo de Transmissão de Mensagens:
Quanto a parâmetros temporais, antes mesmo de analisar o tempo de
ciclo, é conveniente mencionar divisões do tempo de processamento para a
transmissão de dados. Ele pode ser dividido em 5 partes: T1 é o tempo que o
provedor leva para disponibilizar o dado; T2 é o tempo que a pilha de comunicação
leva para processar o dado e torná-lo adequado para transmissão no meio físico; T3
é o espaço temporal decorrido até que o dado percorra o meio físico até o
consumidor; T4 é o tempo que a pilha de comunicação do consumidor gasta para
conduzi-lo de forma adequada até a aplicação do consumidor; finalmente, T5 é o
tempo que o consumidor leva para processar o dado na sua camada de aplicação. A
soma desses tempos é determinante do tempo de ciclo e, em função dos requisitos
de tempo, escolhe-se o canal de comunicação a ser usado para melhor atender as
necessidades [7]. A figura 7 ilustra as etapas temporais da transmissão de dados:
39
Figura 7- Tempo de Transmissão em PROFINET IO
(adaptado de [7])
3.6 - A topologia - estrela, anel, linha
A topologia consiste no modo em que a interconexão dos equipamentos
acontece em certa rede. A escolha da topologia deve levar em conta os objetivos de
trabalho para a rede [3].
As topologias mais usuais são as seguintes:
Estrela: Existe um switch central que distribui os sinais e conecta-
se individualmente aos elementos da rede. Se um único dispositivo
falha, não leva a uma falha completa da rede. Mas se o switch
falha, a rede como um todo perde as conexões. É usada em área
com alta densidade de dispositivos e para curtas distâncias, como
em pequenas células de manufatura [3].
Linha: todos os dispositivos da rede são conectados em série,
como num barramento. Para a conexão entre os dispositivos,
existe um elemento de conexão (switch) conectando o dispositivo à
rede ou o elemento de conexão está integrado no próprio
dispositivo. Se um dos equipamentos falha, os equipamentos após
40
ele não poderão mais comunicar-se. Esta é a topologia que menos
exige fiação. É usada preferencialmente para conectar sistemas
distantes, como sistemas de transporte e diferentes células de
manufatura [3].
Anel: consiste na conexão das duas extremidades de uma
topologia em linha. É uma topologia redundante, ou seja, aumenta
a segurança contra panes. Se um fio da rede se quebra ou algum
dos componentes falha, a rede em si continua funcionando [3].
Árvore: é a conexão entre várias topologias tipo estrela. Nesta
topologia é possível combinar cabos de fibra óptica e de cobre. É
usada quando um sistema muito complexo é dividido em
subsistemas menores que precisam ser interconectados [3].
3.7 - O switch
PROFINET utiliza switches especiais para Ethernet industrial na conexão
entre os dispositivos. Isso acarreta em evitar colisões nos domínios por meio de
conexões dedicadas ponto-a-ponto. O uso de switches aumenta a robustez da rede
contra alto tráfego temporário de dados. [3] As diversas portas do switch permitem a
conexão de vários dispositivos [7]. Switches comuns podem ser usados se não
houver interesse em operar no canal IRT. [5] Vale ressaltar que os switches
especiais para aplicação IRT suportam tranquilamente as operações tradicionais
definidas na norma IEEE1588 [4].
Para garantir um bom desempenho de PROFINET IO, deve ser usada
uma rede com switch de 100 Mbits/s operando em full duplex [5], [9].
Vale lembrar que hubs não são usados em PROFINET [3].
Os diferentes tipos de switch são:
Cut through: um switch cut-through ou “on the fly” encaminha um
pacote de dados imediatamente após receber os 6 bytes
correspondentes ao endereço do destinatário. Desse modo, o
atraso entre emissão e recepção é reduzido, com os pacotes não
41
armazenados completamente em buffer. O atraso padrão de um
switch cut-through varia entre 5 e 60 µs [3].
Store-and-forward: um switch store-and-forward examina
previamente todos os pacotes de dados. Esses pacotes são
armazenados em buffer, verificados, validados e só então
rejeitados ou encaminhados. Isto aumenta o atraso para o
encaminhamento dos pacotes, mas garante que pacotes com
problemas não sejam transmitidos. O atraso de um pacote de
dados dependerá do tamanho do seu frame. Um frame pequeno
pode causar um atraso de 8 a 10 µs, enquanto um frame grande
pode causar um atraso até de 1,5 ms [3]. Switches store-and-
forward são as mais confiáveis [4].
Ainda, existe o switch fragment-free (sem fragmentação). É uma
derivação do switch cut-through, mas que verifica se o pacote possui o tamanho
mínimo para o frame Ethernet antes de iniciar a retransmissão [4].
3.8 – Integração
O conceito PROFINET permite o uso de proxy para integrar um sistema
fieldbus já existente, como PROFIBUS, INTERBUS, ASI etc a uma rede PROFINET.
Essa arquitetura levará a um sistema híbrido entre fieldbus e Ethernet industrial [3].
A tecnologia proxy é muito importante para permitir uma migração das
instalações fieldbus já existentes para a rede proposta pela PROFINET [5].
3.9 - Arquivo GSD
Todo equipamento PROFINET IO de campo deve ser descrito por um
arquivo GSD (General Station Description). O arquivo GSD é baseado em linguagem
XML e contém toda a informação técnica e as funções do dispositivo. Essa
informação é importante para a troca de dados. O arquivo GSD é disponibilizado
pelo próprio fabricante do equipamento. Por ser semelhante ao XML, a linguagem de
descrição do arquivo GSD é chamada de GDSML (General Station Description
Markup Language) [7].
42
O arquivo GSD permite a definição da estrutura dos módulos IO e a sua
parametrização. Esse arquivo, após devidamente editado no IO Supervisor, é
descarregado no IO Controller, o qual usa essa informação para configurar e
parametrizar os IOs associados antes de entrar no modo de troca cíclica de dados
[6].
O arquivo GSD é baseado no padrão ISO 15745 e contém duas partes,
profile header (cabeçalho) e profile body (corpo) [7], conforme a imagem abaixo:
Figura 8- Arquivo GSD
(adaptado de [7])
O cabeçalho contém as definições comuns especificando as funções dos
dispositivos de campo. Compreende também as referências ao padrão internacional
ISO 15745 [7].
O corpo abriga as informações que descrevem as possibilidades técnicas
do dispositivo de campo. Todos os módulos, submódulos, pré-alocação inicial e
diagnóstico são descritos nele. [7]
43
3.10 - System start-up
Para a inicialização do sistema, os arquivos GSD devem ser configurados
na ferramenta de engenharia (IO Supervisor). Nela, os equipamentos de campo são
conectados a um ou mais IO Controllers. Nessa etapa, o IO Device deve ser
configurado em relação à rede baseado no conteúdo do seu arquivo GSD. O IO
Device é, então, integrado, parametrizado e inserido na topologia [7].
Completada a etapa anterior, a informação de configuração e o programa
de automação do usuário são transferidos para o IO Controller [7].
Assim, o IO Controller toma o controle da troca de dados entre os IO
Devices descentralizados [7].
Uma vez que o IO Controller toma o controle da troca de dados, ele passa
por diversas etapas antes de iniciar a troca cíclica propriamente dita [6], a saber:
Cada IO Device configurado é verificado e tem um endereço de IP
atribuído via protocolo DCP (Discovery and Configuration Protocol).
São formadas as conexões de comunicação entre todos os IO
Devices, com os chamados serviços de gerenciamento de
contexto.
Com os serviços de record data todos os dispositivos são
configurados e parametrizados.
Uma vez bem-sucedida a configuração e a parametrização, um IO Device
entra o modo de troca de dados cíclicos. De acordo com a figura 9, a transmissão
ocorre de buffer para buffer. As áreas de buffer são lidas e escritas pelo processo de
aplicação no IO Controller e no IO Device de modo assíncrono no ciclo de
comunicação. No modo de troca de dados cíclico, também são trocadas mensagens
acíclicas de alarmes e confirmações (ACK). O tempo de ciclo é supervisionado pelo
IO Controller. Se houver três violações consecutivas do tempo máximo de ciclo
permitido, a comunicação é abortada por ser considerada instável [6].
44
Figura 9- Troca de Dados
Fonte: Adaptado de [6].
3.11 – Conformance classes
No protocolo PROFINET, existem três classes distintas entre si cuja
diferenciação é feita levando-se em consideração o tipo de comunicação usada, o
meio de comunicação, o protocolo de redundância e algumas outras funcionalidades
disponíveis. Contudo, vale ressaltar que todas as três classes abrangem as funções
básicas primordiais como troca de dados cíclicos, acíclicos e alarmes. O
agrupamento em Conformance Classes (CC) tem como propósito facilitar o projeto
das redes ao agrupar os dispositivos de características similares.
Um ordenamento das Conformance Classes, em ordem crescente de
funcionalidade, pode ser dado por: Conformance Class A (CC-A), Conformance
Class B (CC-B) e Conformance class C (CC-C). A Tabela 1 apresenta de maneira
sucinta as funcionalidades de distinguem as CCs entre si.
45
Tabela 1- Conformance Classes
CC-A CC-B CC-C
Funções
Básicas
Profinet com
comunicação
RT
Entradas e
saídas cíclicas
Parâmentros
Alarmes
Informação da
topologia
(LLDP)
Profinet com
comunicação RT
Entradas e
saídas cíclicas
Parâmentros
Alarmes
Informação da
topologia (LLDP)
Diagnóstico da
rede via IP
(SNMP)
Informação da
topologia com
LLDP-MIB
Redundância
Profinet com
comunicação RT
Entradas e saídas
cíclicas
Parâmentros
Alarmes
Informação da
topologia (LLDP)
Diagnóstico da
rede via IP
(SNMP)
Informação da
topologia com
LLDP-MIB
Redundância
Sincronização de
Hardware
Fonte: Adaptado de [10]
3.12 – Conclusões do Capítulo 3
Ao final do Capítulo 3, estão apresentadas as características principais
para que haja um bom entendimento do protocolo PROFINET, dos seus
mecanismos e das suas possibilidades. Este conhecimento é de total importância
para a execução do estudo de caso, apresentado no capítulo 4.
Terminada a análise do protocolo PROFINET, segue-se para outro
aspecto muito importante para o desenvolvimento deste estudo: o indicador de
desempenho denominado jitter.
46
CAPÍTULO 4: INDICADORES DE DESEMPENHO
Este capítulo introduz o conceito de indicadores de desempenho proposto
pela norma internacional IEC 61784-2. Destaca e diferencia-os uns dos outros,
apresentando também suas relações de interdependência. É apresentada também a
definição de jitter propriamente dita, bem como a sua relação com os indicadores.
4.1 – Os Indicadores de Desempenho
Sabe-se que os usuários dos protocolos RTE apresentam requisitos
distintos de desempenho para diferentes aplicações. Para satisfazer da melhor
maneira possível a distinção entre esses requisitos a norma IEC 61784-2 instituiu os
indicadores de desempenho [2].
Indicadores de desempenho são usados para detalhar o desempenho de
um dispositivo, da rede e também para representar os requisitos de uma
determinada aplicação [2].
São nove os indicadores de desempenho, a saber [2]:
Delivery Time: é o tempo para um dado ser enviado de um Device
e ser recebido por outro.
Number of RTE end-stations: mostra a quantidade máxima de
Devices que um protocolo RTE suporta.
Basic network topology: A topologia de redes suportada por um
protocolo RTE deve ser uma das ou a combinação das topologias:
estrela, anel ou barramento.
Number of switches between RTE end-stations: número de
switches entre quaisquer dois Devices com conexão lógica AR.
Throughput RTE: mostra o total de dados RTE (em bytes) em um
ponto da rede por segundos.
Non-RTE bandwidth: indica a porcentagem da banda que pode ser
usada por comunicação non-RTE em um ponto da rede.
Time synchronization accuracy: indica o máximo desvio entre
quaisquer dois clocks de dispositivos.
47
Non-time-based synchronization accuracy: quaisquer dois Devices
podem estabelecer uma sincronização, independentemente do
resto da rede.
Redundancy recovery time: indica o tempo máximo do período da
falha até tornar-se totalmente operacional.
Vale lembrar que os indicadores de desempenho não são independentes
entre si, apresentando interdependências. A Tabela 2 mostra essas relações [2]:
Tabela 2- Interdependência entre Indicadores de Desempenho
Indicador
Dependente
Indicador Influente
Delive
ry
Time
Number
of RTE
end-
stations
Basic
networ
k
topolog
y
Number
of
switches
between
RTE end-
stations
Throughpu
t RTE
Non-RTE
bandwidth
Delivery Time Não Não Sim Não Não
Number of RTE
end-stations
Não Sim Sim Não Não
Basic network
topology
Não Não Não Não Não
Number of
switches
between RTE
end-stations
Sim Sim Sim Não Não
Throughput RTE Sim Sim Sim Sim Sim
Non-RTE
bandwidth
Não Não Não Não Sim
Fonte: Adaptado de [2].
48
4.2 – O Jitter.
A norma IEC 61784-2 define jitter como “mudança temporal em um sinal
de clock ou mudança temporal em um evento que, em outras circunstâncias,
apresentaria intervalos de tempo regulares”
Quando se trabalha com sistemas de comunicação, espera-se que as
mensagens cheguem em intervalos de tempo determinados. Mas, na situação real
não é isso que acontece, as mensagens podem chegar atrasadas ou adiantadas.
Essas variações de tempo é o que foi denominado jitter. Neste trabalho, o
conceito de jitter é utilizado para quantificar a variação de tempo dos pacotes em
uma rede. O termo correto a se utilizar nesse caso seria Packet Delay Variation. A
figura 10 representa as três possíveis condições de jitter [10]:
Atrasado: quando o pacote de dados de referência inicia-se antes do pacote
real.
Avançado: quando o pacote de dados de referência inicia-se depois do pacote
real.
Situação ideal: quando o pacote de dados de referência inicia-se ao mesmo
tempo em que o pacote real.
Figura 10- Situações de Jitter
Fonte: adaptado de [10]
Diversos outros trabalhos na literatura científica internacional fazem
menção ao jitter em redes de comunicação industrial e/ou às suas consequências.
49
Tais trabalhos são destacados nos parágrafos a seguir.
O artigo [5] apresenta as perspectivas da tecnologia Real-Time Ethernet
e requisitos especificados para a sua parametrização. Dentre esses requisitos, são
apresentados 8 dos 9 indicadores de desempenho propostos pela IEC 61784-2,
Ainda, este artigo destaca as capacidades de PROFINET IRT ao sincronizar os
clocks dos dispositivos, levando a um jitter na casa de 1 µs.
O artigo [4] faz a avaliação experimental do Protocolo PROFINET. Foi
realizado um ambiente de teste para medições e mostrado que PROFINET RT
classe 1 tem um bom resultado em aplicação RT, com jitter inferior a 10% mesmo
em condições de rede altamente carregada. Também traz orientações para o uso
dos 3 diferentes canais PROFINET em função do jitter e do tempo de ciclo
desejados: non-RT para tempo de ciclo maior que 100 ms e e jitter acima de 100%
do tempo de ciclo; RT para tempo de ciclo ao redor de 10 ms e e jitter em torno de
15%; IRT para tempos de ciclo em torno de 250 µs e teoricamente nenhum jitter.
O artigo [4] adicionalmente faz a indicação de que os atrasos na
propagação dos pacotes dependem da topologia da rede, fato que será avaliado no
estudo de caso proposto neste trabalho.
O artigo [11] cria modelos de simulação para avaliar a o desempenho do
Protocolo PROFINET IO RT. Apresenta uma definição de jitter como sendo a
diferença entre o valor máximo e mínimo do tempo de reação a um evento. Lista
alguns dos parâmetros que exercem influência direta no desempenho de PROFINET
IO, como o tempo de ciclo da aplicação no IO-Controller e o tamanho dos pacotes
transmitidos.
O artigo [6] realça o papel crucial que a eliminação de etapas da pilha
UDP/IP para PROFINET RT exerce na diminuição dos tempos de ciclo e do jitter,
mesmo que PROFINET RT não tenha mecanismos que garantam um tamanho fixo
para o tempo de ciclo.
O artigo [9] faz comentários sobre as aplicações industriais da tecnologia
PROFINET. Ressalta a eficiência de PROFINET IRT em termos de pequenos
tempos de ciclo e baixo jitter, obtido graças ao sincronismo de clock. Destaca
50
também as dificuldades de se fazer o sincronismo de clock quando há muitos
switches entre o produtor e o consumidor dos dados, situação comum no ambiente
industrial.
O artigo [8] faz a análise de desempenho de redes PROFINET. Ressalta
as necessidades de baixo jitter no ambiente industrial. Mostra que para atingir
atrasos de transmissão previsíveis, sem jitter, é necessário sincronismo estrito entre
os dispositivos, o que não está disponível na versão RT de PROFINET, apenas em
IRT. Realça também que os erros de sincronização tendem a aumentar na situação
de switches em cascata.
Em [12], o autor faz uma análise geral da comunicação RTE via
PROFINET IO. Destaca a característica variável do jitter para PROFINET RT (sem
sincronismo) em contraste ao diminuto jitter constante de PROFINET IRT (com
sincronismo).
No artigo [13], o autor faz a avaliação de desempenho de duas redes RTE
(Ethernet Powerlink e EtherCAT) sob o ponto de vista dos indicadores de
desempenho especificado na norma IEC 61784-2. Destaca que os indicadores
propostos na norma são intensamente influenciados por características da rede em
específico, como também pela quantidade de dados transmitidos. Apresenta ainda
uma definição de jitter como sendo o módulo da diferença entre um dado tempo de
ciclo e o tempo de ciclo mínimo. Levanta como possíveis causas de jitter erros de
transmissão, atrasos e a característica imprevisível da transmissão não-
sincronizada.
Em [14], o autor detalha a trajetória da Ethernet desde sua origem no
ambiente de escritório até suas mudanças que levaram ao desempenho em RTE.
Apresenta uma definição de jitter como sendo o desvio padrão do atraso na
transmissão. Atenta-se para a questão de que, embora menor jitter seja alcançado
com a transmissão de pacotes pequenos, isso leva a uma utilização inferior da rede.
51
4.3 - Conclusões do capítulo 4
Neste capítulo foram consolidados os conhecimentos sobre os
indicadores de desempenho e o jitter, dando uma visão abrangente de como esses
parâmetros podem ser utilizados para o decorrer do trabalho e qual a razão e
importância de seus estudos.
Finalizado este capítulo, pode-se proceder para o estudo de caso
propriamente dito, com a sua metodologia, resultados e conclusões.
52
CAPÍTULO 5: METODOLOGIA
A metodologia desde trabalho consiste na comparação de duas redes
PROFINET distintas. Ambas as redes serão devidamente descritas sob os seguintes
aspectos:
Número total de componentes;
Número de IO Controllers;
Número de IO Devices;
Número de Switches;
Endereços IP e MAC dos dispositivos da rede, com o nome dos
dispositivos na rede e demais dados para identificação dos componentes;
Descrição da topologia, com imagens.
Em seguida, será feita a descrição do método de captura, tanto sob o
ponto de vista da conexão do hardware para captura, quanto do ponto de vista do
software utilizado. Serão mostradas vantagens e desvantagens entre o método de
captura utilizado e as demais opções existentes. Ainda, será também detalhado o
meio para transformar os dados capturados pelo software em um formato de dados
que possa ser devidamente trabalhado para a obtenção de resultados concretos.
Após o devido tratamento dos dados de captura, serão escolhidos
aqueles relevantes ao trabalho e justificada a sua escolha. A apresentação e análise
dos resultados serão feitos em capítulo posterior.
5.1 – Descrição das redes
Seguindo o método de descrição da rede proposto, pode-se descrever a
rede 1 da seguinte maneira:
REDE 1:
Número de componentes : 3 (três)
Número de IO Controllers: 1 (um)
53
Número de IO Devices: 1 (um)
Número de switches: 1 (um)
Descrição dos componentes:
Tabela 3- Equipamentos utilizados na rede 1
Quantidade Equipamento Função
1 CPU S7-1200 IO Controller
1 Remota ET 200-S IO-Device
1 Módulo 2DI x 24 DC ST Módulo de entrada digital
1 Switch Scalance X208 Switch
IO Controller: o IO Controller é um CLP (Controlador Lógico
Programável) da Siemens, série S7-1200. Apresenta interface
PROFINET integrada, que pode ser utilizada para programação e
para comunicação entre CLP e IHM (interface homem-máquina)
Pode ser também utilizada para comunicação com dispositivos de
outros fabricantes través de protocolos abertos em Ethernet. A
interface possui conexão RJ 45, funcionalidade de auto-crossover
e taxas de transmissão de 10/100 Mbits/s Um alto número de
conexões Ethernet está disponível pelos protocolos TCP/IP nativo,
ISO em TCP e comunicação S7. Além dos seus I/Os integrados,
pode receber expansões diretamente na CPU, sendo 4 (quatro)
digitais a 200 kHz ou 1 analógica. Suas aplicações são as mais
variadas, indo desde controle em malha PID com auto-tuning,
passando por leitura de tags e até controle de movimento
(velocidade e posição)
IO Device: o IO Device é uma remota da Siemens, série ET200,
modelo ET 200S. Tem grau de proteção IP20, o que significa que o
equipamento é protegido contra objetos sólidos maiores do que 12
mm (mais precisamente, dedos ou objetos de comprimento maior
do que 80 mm, cuja menor dimensão é maior do que 12 mm). Pode
ser usada em zonas perigosas com classificação 2 (área onde não
é provável, em condições normais de funcionamento, a formação
de uma atmosfera explosiva constituída por uma mistura com o ar
de substâncias inflamáveis, sob a forma de gás, vapor ou névoa,
ou onde essa formação, caso se verifique, seja de curta duração) e
54
22 (área onde não é provável, em condições normais de
funcionamento, a formação de uma atmosfera explosiva sob a
forma de uma nuvem de poeira combustível, ou onde essa
formação, caso se verifique, seja de curta duração). É indicada
para uso no campo, mas no interior de painéis.
Switch: o switch da rede é um Scalance X208, para aplicações de
Ethernet Industrial. Tem 8 conectores RJ 45 para conexão dos
segmentos da rede.
A Tabela 4 mostra os componentes da rede, seus endereços IP, MAC e
nome de identificação:
Tabela 4- Endereçamento dos componentes da rede 1
Componente Endereço IP Endereço MAC Nome
IO Controller 192.168.0.1 00-0E-8C-F7-53-B6 CPU
IO Device 192.168.0.2 00.0E.8C-F6-13-42 Remota
Switch 192.168.0.4 00.1B-1B-4E-E1-1B Switch1
A figura 11 mostra a conexão da topologia da rede 1.
Figura 11 - Topologia da rede 1
REDE 2
Número de componentes : 3 (três)
Número de IO Controllers: 1 (um)
55
Número de IO Devices: 12 (doze)
Número de switches: 6 (seis)
Descrição dos componentes:
Endereços IP, MAC, nome de identificação.
A Tabela 5 mostra os componentes da rede, seus endereços IP, MAC e
nome de identificação:
Tabela 5- Equipamentos da Rede 2
Quantidade Equipamento Função
1 CPU S7-1200 IO Controller
3 Remota ET 200-S IO-Device
4 Módulo 2DI x 24V DC ST Módulo de entrada digital
6 Módulo 4 DO DC24V/0.5A ST Módulo de saída digital
5 Módulo 2DI DC24V HF Módulo de entrada digital
5 Módulo 2 DO DC24V/0.5A ST Módulo de saída digital
4 Switch Scalance X208 Switch
2 Switch Scalance X204-2 Switch
5 Módulo 8DC/8DI/8DO Módulo de entradas e saídas
1 Proxy IE-PB Link
1 PAC 3200 Medidor
Tabela 6– Componentes da rede, endereços IP, MAC e nome de identificação na rede 2
Componente Endereço IP Endereço MAC Nome
IO Controller 192.168.0.1 00-0E-8C-F7-53-B6 CPU
IO Device(1/8) 192.168.0.2 00-0E-8C-F6-13-42 remota
IO Device(1/8) 192.168.0.3 00-1B-1B-53-64-A6 remota3
Switch (1/6) 192.168.0.4 00-1B-1B-4E-E1-1B switch1
Switch (2/6) 192.168.0.5 00-1B-1B-51-09-5D switch2
Switch (3/6) 192.168.0.6 00-1B-1B-73-F9-9B switch3
Switch (4/6) 192.168.0.7 00-1B-1B-73-F8-E7 switch4
Switch (5/6) 192.168.0.8 00-1B-1B-74-0E-4E switch5
Switch (6/6) 192.168.0.9 00-1B-1B-4E-E1-1B switch6
IO Device(1/8) 192.168.0.10 00-0E-8C-F6-96-96 remota2
IO Device(1/8) 192.168.0.11 00-24-59-00-68-B0 ci502_pnio
IO Device(1/8) 192.168.0.13 00-24-59-00-68-B8 ci502_pnio2
IO Device(1/8) 192.168.0.14 00-24-59-00-68-38 ci502_pnio3
IO Device(1/8) 192.168.0.15 00-24-59-00-68-34 ci502_pnio4
IO Device(1/8) 192.168.0.16 00-24-59-00-68-18 ci502_pnio1
Proxy 192.168.0.18 00-1B-1B-79-2A-53 ie/pb-link_1
Medidor Pac3200 192.168.0.21 00-0E-8C-E1-9C-9D pac3200
A figura 12 Figura mostra a conexão da topologia da rede 2.
56
Figura 12- Topologia da Rede 2
5.2 – Descrição do método de captura.
O método de captura escolhido é composto da combinação entre o uso
de uma porta espelhada no switch e a captura de dados via software wireshark.
Uma porta espelhada é uma duplicação ativa do pacote, isto é, o
dispositivo da rede tem que fisicamente fazer uma cópia dos pacotes na porta
espelho. Para tanto, isso significa que o dispositivo usado para espelhar a porta terá
de utilizar seus recursos computacionais (por exemplo, CPU) para copiar o tráfego
da porta desejada para a porta espelho. Tal situação causa um prejuízo para o
switch, já que o uso de recursos para o espelhamento reduz o seu desempenho
(explicitamente, a velocidade). Também pode ocasionar na perda de alguns pacotes,
caso a rede seja utilizada perto da sua capacidade máxima. Ainda assim, é uma
boa alternativa, dado seu baixo custo [14], [15].
Em contraste à técnica da porta espelhada, existe o TAP de rede. Trata-se
de um dispositivo completamente passivo, que copia para as suas portas os pacotes
desejados eletricamente ou ópticamente.. Ele atribui uma estampa de tempo com
resolução de 5 ns para os pacotes e transforma os dados em formato PCAP.
57
Contudo, trata-se de um custo adicional, o que inviabilizou sua utilização neste
trabalho.
Determinado o uso de porta espelhada, o software escolhido para a
captura dos dados foi o Wireshark. O Wireshark é um analisador de pacotes de
rede. Tem como função capturar os pacotes e exibir os seus dados da forma mais
detalhada possível. Algumas de suas aplicações possíveis são auxílio para solução
de problemas na rede, análise de problemas de segurança na rede e depurar
implementações de protocolo, além do propósito educacional – aprender os
mecanismos internos dos protocolos.
Define-se o seguinte esquema de captura de dados, tanto para a rede 1
quanto para a rede 2: o switch principal terá uma porta espelhada com conexão para
a Central de Captura (PC), no qual o Wireshark fará a captura de dados entre o IO
Controller e os IO Devices. O IO Supervisor é usado para descarregar as
configurações da rede no IO Controller
Definida e explícita a metodologia deste trabalho, segue-se a
apresentação dos resultados.
58
CAPÍTULO 6: RESULTADOS
Para a melhor compreensão dos resultados, faz-se necessário dividir este
capítulo em 2 seções. Na primeira, mostram-se quais os dados disponibilizados pelo
Wireshark que interessam para este trabalho, como será a sua filtragem, tratamento
e como serão usados para fornecer dados estatísticos interessantes e o jitter. A
segunda,apresenta os resultados relevantes na forma de gráficos, histogramas e
tabelas.
6.1 – Descrição do tratamento de dados.
O software Wireshark fornece vários dados a respeito dos pacotes da
rede, como se pode ver na figura 13.
Figura 13 - Vista da tela do Wireshark
No: número do quadro capturado
Time: instante da captura
Source: endereço IP da fonte de dados
Destination: endereço IP do destino dos dados
Protocol: protocolo correspondente ao quadro capturado
59
Length: tamanho do quadro, em bytes
Info: informação geral sobre o frame
Este trabalho explorará o tempo de ciclo. Define-se o tempo de ciclo como
a diferença entre o instante de tempo da transmissão atual e da transmissão
anterior, sendo fixos o IO Controller, o IO Device e o sentido da transmissão de
dados.
Para esta análise, o tempo de ciclo de interesse é a diferença entre os
instantes de tempo anterior e posterior para transmissão de dados do IO Controller
(será a fonte de dados) para a Remota (será o destino dos dados). Para o cálculo
desses tempos de ciclo, será usada a ferramenta de exportação de dados do
Wireshark, aliado ao Microsoft Office Excel.
Definido o tempo de ciclo, usar-se-ão as definições de desvio padrão
usual e de jitter encontrada em [17]. Deste modo, seguem-se expressões (1) e (2):
(1)
Em que s será o desvio padrão, xi é uma dada amostra de tempo de ciclo,
n é o número de amostras e será a média dos tempos de ciclo.
(2)
Sendo o jitter a diferença entre o maior e o menor tempo de ciclo xi.
Assim sendo, segue-se a apresentação dos resultados.
6.2 - Apresentação dos resultados
Seguem-se os resultados para as redes 1 e 2. Apresentam-se gráficos de
tempo de ciclo e histograma de dados.
60
Figura 14- Gráfico de tempo de ciclo por amostra rede 1
Para o tempo de ciclo da rede 1, nenhuma amostra excedeu os 2500 µs,
nem ficou abaixo dos 1500 µs. Ainda, pode-se dizer que a grande maioria dos
valores de tempo de ciclo está entre 1800 e 2200 µs.
Figura 15- Histograma de tempo de ciclo para a rede 1
O histograma da rede 1 mostra como a grande maioria dos tempos de
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1
87
8
17
55
26
32
35
09
43
86
52
63
61
40
70
17
78
94
87
71
96
48
10
52
5
11
40
2
12
27
9
13
15
6
14
03
3
14
91
0
15
78
7
16
66
4
17
54
1
18
41
8
19
29
5
Tempo de Ciclo Rede 1
Tempo de Ciclo (us)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
15
23
15
63
,63
82
98
16
04
,27
65
96
16
44
,91
48
94
16
85
,55
31
91
17
26
,19
14
89
17
66
,82
97
87
18
07
,46
80
85
18
48
,10
63
83
18
88
,74
46
81
19
29
,38
29
79
19
70
,02
12
77
20
10
,65
95
74
20
51
,29
78
72
20
91
,93
61
7
21
32
,57
44
68
21
73
,21
27
66
22
13
,85
10
64
22
54
,48
93
62
22
95
,12
76
6
23
35
,76
59
57
23
76
,40
42
55
24
17
,04
25
53
24
57
,68
08
51
Fre
qü
ên
cia
Bloco
Histograma Tempo de Ciclo Rede 1
Freqüência
61
ciclo está concentrada próxima aos 2000 µs nominais da rede, com poucos valores
distantes deste valor.
Figura 16- Gráfico de tempo de ciclo para cada amostragem da rede 2
O gráfico de tempo de ciclo para a rede 2 evidencia uma mudança grande
nos tempos de ciclo. Nota-se que há muitos valores perto dos 2500 µs, e uma menor
quantidade de valores próximos à média.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1
26
4
52
7
79
0
10
53
1
31
6
15
79
1
84
2
21
05
2
36
8
26
31
2
89
4
31
57
3
42
0
36
83
3
94
6
42
09
4
47
2
47
35
4
99
8
52
61
5
52
4
57
87
6
05
0
Tempo de Ciclo Rede 2
Tempo de Ciclo (us)
62
Figura 17- Histograma de tempo de ciclo para a rede 2
O histograma para a rede 2 mostra como há um maior espaçamento entre
os tempos de ciclo, e uma grande quantidade de valores longe da média, ao redor
dos 1500 µs.
Seguem na tabela 7 os valores de comparação entre tempo de ciclo
médio, desvio padrão e jitter.
Tabela 7- Comparação entre redes 1 e 2
Rede Tempo de Ciclo Médio (us) Desvio Padrão (us) Jitter (us)
Rede 1 2000,96 31,68 955
Rede 2 1999,86 369,17 1136
Tanto para a rede 1 quanto para a rede 2, o tempo de ciclo médio ficou
bem próximo dos 2000 µs, valor nominal estipulado para a transmissão de dados.
Para a rede 1, o desvio padrão foi de 31,67 µs, enquanto para a rede 2,
foi de 369,17 µs. Isso mostra que com o aumento do número de Devices (e
consequente aumento do tráfego da rede) a variação do tempo de ciclo se
intensifica.
Segundo a definição encontrada em [17], o jitter aumenta de 955 µs em 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600 1
49
5
15
52
,51
89
87
16
10
,03
79
75
16
67
,55
69
62
17
25
,07
59
49
17
82
,59
49
37
18
40
,11
39
24
18
97
,63
29
11
19
55
,15
18
99
20
12
,67
08
86
20
70
,18
98
73
21
27
,70
88
61
21
85
,22
78
48
22
42
,74
68
35
23
00
,26
58
23
23
57
,78
48
1
24
15
,30
37
97
24
72
,82
27
85
25
30
,34
17
72
25
87
,86
07
59
Fre
qü
ên
cia
Bloco
Histograma de Tempo de Ciclo da Rede 2
Freqüência
63
para 1136 µs em 2. Todavia, o valor de jitter para a rede 1 não reflete a maioria
absoluta dos tempos de ciclo, podendo ser considerado um valor atípico. Ainda
assim, mostra-se o aumento do jitter para o caso com maior carga na rede.
Nota-se que o Protocolo PROFINET IO aplicado a RT é bastante robusto
em termos de tempo de ciclo médio, porém apresenta variações significativas com o
aumento da carga da rede. Esta característica deve ser observada em aplicações
para redes de comunicação industrial com grande número de IO Devices e que
apresentem criticidade. Este resultado já era esperado, segundo a bibliografia
consultada e relatada previamente nesta monografia. Ainda assim, nota-se pelos
histogramas que a maioria dos tempos de ciclo está próxima do esperado,
mostrando a eficiência do protocolo em questão.
64
CAPÍTULO 7: CONCLUSÃO
Note que fica clara a diferença em termos de desvio padrão, jitter e
comportamento em geral do tempo de ciclo entre as redes 1 e 2. Nota-se um
aumento do desvio padrão e do jitter com o aumento da carga na rede (aumento da
quantidade de IO devices e demais componentes conectados a ela). Com essa
diferença inquestionavelmente realçada, o trabalho alcança o seu objetivo.
Assim, recomenda-se para projetistas que trabalhem com PROFINET IO
que observem o aumento considerável do jitter e do desvio padrão com o aumento
da carga da rede. Vale ressaltar que as tolerâncias para tais valores devem ser
estabelecidas caso a caso sob a responsabilidade do engenheiro designado para a
tarefa.
Propõem-se alguns sugestões no sentido de melhorar os resultados
encontrados por este trabalho. Por exemplo, a substituição do uso da porta
espelhada por um ProfiTap elimina a influência do tempo de resposta da porta
espelhada do switch. Ainda, poder-se-ia propor a substituição do uso do Wireshark
por algum mecanismo que leia diretamente a estampa de tempo do pacote
PROFINET, aumentando ainda mais a confiabilidade dos dados. Tais procedimentos
não foram avaliados neste trabalho devido à impossibilidade de uso do equipamento
apropriado.
Sob o ponto de vista acadêmico, este trabalho complementa o curso de
graduação em Engenharia Elétrica – ênfase em sistemas de energia e automação
por permitir um aprofundamento em redes de comunicação industrial, protocolos em
geral, PROFINET e nas disciplinas que compõem o núcleo do certificado de estudos
especiais em automação de modo geral. Logo, mostra-se plenamente satisfatório
para o enriquecimento intelectual e educacional do aluno autor.
65
REFERÊNCIAS
[1]Profibus International. PROFINET –networking the world with the leading Industrial Ethernet standard [online]. Disponível em: http://www.profibus.com/nc/download/brochures-white-paper/downloads/profinet/display/ [2] International Electrotechnical Comission. INDUSTRIAL COMMUNICATION NETWORKS –PROFILES – Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3. 2ª ed, 2010. [3] Phoenix Contact. CoNet Mobile Lab 3 (Profinet on Phoenix Contact Platform) – Profinet Basics. [livro eletrônico]. Disponível em: http://ipnet.agh.edu.pl/Materials1/Module3/CML3_profinet_basics_students_checked.pdf [4] P. Ferrari, A. Flammini, D. Marioli, A. Taroni. Experimental Evaluation of PROFINET performance. IEEE, 2004. [5] M. Felser. Real Time Ethernet – Industry Prospective. Proceedings of the IEEE, vol 93, pp. 1118-1129, Jun. 2005. [6] H. Kleines, S. Detert, M. Drochner, F. Suxdorf. Performance Aspects of PROFINET IO. IEEE transactions on Nuclear Science, vol 55, nº1, pp. 290-294. Fev. 2008. [7] Phoenix Contact. CoNet Mobile Lab 3 (Profinet on Phoenix Contact Platform) – Profinet Engineering. [livro eletrônico]. http://ipnet.agh.edu.pl/Materials1/Module3/CML3_profinet_engineering_students_checked.pdf [8] P.Ferrari, A. Flammini, S. Vitturi. Performance analysis of PROFINET Networks.Elsevier Computer Stantards & Interfaces 28, pp. 369-385. 2006. [9] J. Feld. PROFINET – Scalable Factory Communication for all Applications. IEEE, 2004. [10]G. Sestito. Uso de Ethernet em Automação Industrial. Universidade de São Paulo, 2011. [11] P. Ferrari, A. Flammini, D. Marioli, A. Taroni, F. Venturini. New Simulation Models to Evaluate Performance of PROFINET IO Class 1 Systems. IEEE, 2007. [12] P. Neumann, A. Pöschmann. Ethernet-based Real-time Communications with PROFINET IO. ACMOS'05 Proceedings of the 7th WSEAS international conference on Automatic control, modeling and simulation, pp.54-61.2005. [13] L. Seno, S. Vitturi. Real-Time Ethernet Networks Evaluation Using Performance Indicators. IEEE, 2009. [14] J.D. Decotignie. Ethernet-Based Real-Time and Industrial Communications. Proceedings of the IEEE, vol. 93, pp. 1102-1117. Jun. 2005. [15] NTop Company. Port Mirror vs Network Tap [online]. Disponível em: www.ntop.org/pf_ring/port-mirror-vs-network-tap [16] Network Instruments. Tap vs Span [online]. Disponível em: http://www.networkinstruments.com/includes/popups/taps/tap-vs-span.php [17]P. Ferrari, A. Flammini, F. Venturini. Large Profinet IO RT networks for factory automation: a case study. Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2011 IEEE 16th Conference on. Set. 2011
![Semiologia Cinematográfica: A Interface Mercadológica ... · através do embasamento teórico da semiologia cinematográfica, que visa “[...] estudar os códigos, as regras e](https://img.document.onl/doc/110x75/5c0fb12009d3f2976d8b9aae/semiologia-cinematografica-a-interface-mercadologica-atraves-do-embasamento.jpg)
