Diante da necessidade da indústria em usar as novas tecnologias de comunicação sem fio em seus processos, este trabalho vem apresentar uma nova ferramenta para gerencia- mento e diagnóstico de redes industriais sem fio, o software BR-WirelessExpert. A ferra- menta suporta o monitoramento em tempo real como também em modo offline (baseado em variáveis armazenadas previamente) a partir de uma interface amigável. Adicional- mente, configurações dos dispositivos e rede podem ser realizadas para que os requisitos específicos de cada aplicação possam ser alcançados.
O sistema permite avaliar o comportamento de uma rede WirelessHART, com o ob- jetivo de validar a proposta foram utilizados os motes do SmartMesh WirelessHART Starter Kit e os dispositivos industriais da Emerson Process Management. A ferramenta comunica-se com a rede WirelessHART do kit através dos drivers Serial e XML-RPC e com os equipamentos industriais a partir do driver HART para troca de pacotes. As configurações dos dispositivos do kit são realizadas via driver Serial de acordo com o fluxo exibido na Figura 4.3, enquanto que as requisições para o gerente da rede podem ser enviadas através dos outros dois drivers, se a informação solicitada não estiver presente nele, a mesma é encaminhada para o dispositivo solicitado, conforme o fluxo exibido na Figura 4.2.
A fim de permitir a comunicação entre a aplicação e o servidor, que está presente no gerente da rede do SmartMesh WirelessHART Starter Kit, foram desenvolvidos os drivers Serial e XML-RPC, o que resultou na primeira versão do BR-WirelessExpert, que é uma aplicação para desktop. Uma visão geral da ideia é apresentada na Figura 4.8.
A ferramenta possibilita recuperar e configurar diversos parâmetros suportados pelo padrão WirelessHART para o kit, conforme descrito na Figura 4.1. A lista de informa- ções inclui dados sobre os dispositivos (propriedades da camada MAC, nível da bateria, roteamento, estatística sobre vizinhos, temperatura, etc), a rede (quantidade de disposi- tivos, concordância em relação ao nível do serviço, estado, confiabilidade, estatística de pacotes, alarmes, estabilidade, etc), os enlaces de comunicação (qualidade de serviço) e o sistema (usuários, redundância, sessões, etc).
4.2. FERRAMENTA 43
Figura 4.8: Arquitetura do BR-WirelessExpert.
Outra funcionalidade da ferramenta é a capacidade em formar a topologia real da rede analisada, como exibido na Figura 4.9. Para exemplificar tal funcionalidade, foi requisitado ao gerente da rede que informasse todos os dispositivos que faziam parte da topologia junto com suas conexões primárias via driver XML-RPC.
Figura 4.9: Topologia de rede WirelessHART.
Ao perceber que embora o gateway da Emerson Process Management possua a co- municação via XML-RPC, a porta para troca de comandos por esse protocolo encon- trasse fechada, então foi decidido que seria desenvolvido um novo driver de comunicação
44 CAPÍTULO 4. PROPOSTA usando o protocolo HART sobre IP. A utilização deste protocolo se justifica porque todos os gateways devem suportar esse protocolo de acordo com a norma que regulamenta o uso de equipamentos WirelessHART. Além disso, segundo a estratégia do Laboratório de Informática Industrial, foi decidido que o BR-WirelessExpert passaria a ser um sistema Web, a nova versão do sistema é mostrada no Capítulo 5. Uma visão geral da proposta é apresentada na Figura 4.10.
Capítulo 5
Resultados
Neste capítulo são apresentadas os resultados da dissertação que tem como principal contribuição o desenvolvimento de uma ferramenta para gerenciamento de redes e dispo- sitivos WirelessHART.
5.1
Controle em Rede WirelessHART
A fim de exemplificar a importância do uso do driver XML-RPC e também desmis- tificar o uso de protocolos de comunicação sem fio em malhas de controle na indústria, nesta seção são apresentados cenários de diagnóstico ativo os quais permitem avaliar o comportamento de uma rede WirelessHART. Para validar a proposta foram utilizados o kitde desenvolvimento SmartMesh WirelessHART Starter Kit [Dust-Network 2013], um Arduino Mega 2560, um sensor industrial de pressão da Emerson Process Management, um módulo didático de tanques acoplados da Quanser, um módulo de potência e uma bomba para bombear a água.
A aplicação de controle desenvolvida comunica-se com a rede WirelessHART a partir do driver de comunicação universal baseado em XML-RPC. Essa abordagem permite a leitura da pressão medida pelo sensor industrial (o sensor foi configurado para enviar a medida da pressão em tempos definidos para cada configuração de teste) a fim de repassar a informação ao controlador. A mesma estratégia é usada para possibilitar o envio da ação de controle gerada pelo controlador para o gateway. O Arduino pode ler a informação pré-processada dos pacotes que chegam ao dispositivo via comunicação serial e então agir como atuador acionando a bomba com a tensão especificada no pacote. Uma visão geral do cenário é exibida na Figura 5.1.
46 CAPÍTULO 5. RESULTADOS Ethernet Módulo de Potência T1 T2 Reservatório 3051S Bomba 0-5AV 0-5AV Tanques Sensor de Pressão 802.15.4 Mote Arduino Gateway Controlador e Coletor Serial 802.15.4
Serial (exclusiva para medição do atraso)
Figura 5.1: Cenário com os instrumentos. Sistema de Tanques e Bomba
Os testes de controle de nível foram realizado sobre uma planta didática que conta com dois tanques, uma bomba e um reservatório de água.
A bomba pode trabalhar com uma tensão nominal de 0-12 volts e uma corrente entre 3-5 ampéres necessitando de um módulo de potência para a sua ativação. A bomba capta a água do reservatório e leva até o tanque superior.
O sistema de tanques funciona através de gravidade, onde a água é recebida pelo tanque superior e por gravidade, passa para o tanque inferior através de um orifício no fundo. O tanque inferior, por sua vez, repassa a água de volta para o reservatório. No fundo de cada tanque existe um segundo orifício que é onde os sensores de pressão são conectados.
A medição do nível de água no tanque é realizada através da pressão que a água exerce no fundo do tanque. O instrumento industrial realiza a medição dessa pressão e a converte para o valor do nível em milímetros.
5.1. CONTROLE EM REDE WIRELESSHART 47 Malha de Controle
A malha de controle é baseada no sensor (o medidor de pressão 3051S da Emerson Process Management) que realiza a leitura do nível do tanque e envia essa informação para o gateway. Ressalta-se que o gateway apenas gerencia a rede sem fio, ele não possui funcionalidades para gerar ações de controle. Essa tarefa fica a cargo do sistema de con- trole que foi implementado, o qual se comunica com o gateway através de um coletor de dados via XML-RPC.
O coletor permite abrir uma conexão com o gateway via XML-RPC, que permite receber dados assincronamente do gateway. Devido ao gerenciamento do coletor ser um Web service, ou seja, utiliza um protocolo de comunicação universal, o acesso aos dados da rede a partir de aplicações clientes podem ser implementados em várias linguagens de programação.
A ação de controle propriamente dita é realizada por um software controlador, que roda no computador do cliente. Esse software recebe a informação de pressão oriunda do sensor de pressão e é repassada ao gateway, processa a informação e gera a ação de controle que é enviada para o gateway novamente. Essa ação de controle é endereçada ao instrumento final (o dispositivo que está ligado ao sistema de atuação na rede) e cabe ao gatewayapenas transmitir via rede WirelessHART o sinal de atuação.
O sinal de atuação é o valor de tensão a ser aplicado à bomba do sistema de tanques. Mas, como o instrumento final (dispositivo) não possui uma saída analógica para gerar a tensão necessária, a ação de controle é repassada para o elemento com tal capacidade, o Arduino.
O Arduino conecta-se diretamente ao dispositivo e recebe a informação pré-processada por este (a informação sem o encapsulamento da WirelessHART) através de uma cone- xão serial. Então o Arduino captura apenas a parte da informação referente à tensão a ser aplicada e gera em sua saída analógica a tensão desejada. Essa tensão é aplicada à bomba, através do módulo de potência, gerando o fluxo de água que irá encher ou secar o tanque e fechar a malha de controle.
Com o intuito de verificar o atraso no envio dos dados através da rede sem fio, o Ar- duino foi conectado ao computador onde a aplicação de controle está localizada. Assim, cada vez que a aplicação de controle envia um novo sinal de tensão ele começa a contar o tempo monitorando a porta de comunicação com o Arduino. Esse por sua vez, para cada nova tensão recebida, envia a tensão para o módulo de potência e também, repassa a informação pré-processada recebida para a aplicação de controle via porta USB.
48 CAPÍTULO 5. RESULTADOS que chegou o valor de tensão a ser aplicado na bomba. Essa diferença de tempo está rela- cionada aos atrasos ocorridos na rede sem fio, os atrasos de processamento de informação no gateway e atrasos de comunicação entre o gateway e o dispositivo.
O controlador PID desenvolvido permite configurar os ganhos e o setpoint através de uma interface homem-máquina. A Figura 5.2 exibe a interface gráfica do controlador.
Figura 5.2: Controlador. Resultados do Experimento
Como prova de conceito, foi montada uma rede WirelessHART com as ferramentas apresentadas na seção anterior. Configurou-se o gateway, e consequentemente o gerente da rede, o dispositivo e o sensor de pressão, de modo a formar o cenário exibido na Figura 5.1.
Em seguida foram realizados alguns testes, cada qual com uma taxa de atualização di- ferente ou configuração de rede diferente e com a mesma configuração para o controlador como ilustrado na Tabela 5.1.
Teste Parâmetros (Kp, Ki, Kd) 4 seg. (0.0100, 0.0010, 0.0000) 1 seg. (0.0100, 0.0010, 0.0000) 1 seg. (f. pipe) (0.0100, 0.0010, 0.0000) Tabela 5.1: Kp, Ki e Kd para cada rodada de testes.
5.1. CONTROLE EM REDE WIRELESSHART 49 A função fast pipe, permite criar uma conexão com grande largura de banda (pipe) entre o gerente da rede e um dispositivo, possibilitando a troca de grande quantidade de informações em um curto intervalo de tempo entre os dois equipamentos. Essa funcio- nalidade foi necessária para controlar o tanque com dados coletados a cada 1 segundo, pois o tempo entre o envio do pacote pelo gerente da rede e o recebimento de pacotes no dispositivo era aproximadamente 2 segundos pelo que foi analisado. O gateway não con- segue enviar pacotes em taxa inferior a 2 segundos, o que gerou atrasos na comunicação no teste de controle com dados coletados a cada 1 segundo.
Analisou-se vários cenários alterando a configuração de transmissão dos pacotes. Por exemplo, na Figura 5.3 é apresentado o comportamento do nível do tanque onde a leitura da pressão, o processamento da ação de controle e o envio da ação de controle para o atuador são feitos a cada 4 segundos sem a utilização do fast pipe. Percebe-se que o con- trole se estabilizou nos níveis de 250, 50 e 100 milímetros, ou seja, seu comportamento foi normal. O comportamento referente ao setpoint de 150 milímetros se deve ao com- portamento não linear do sistema de tanques. O controle foi efetuado com sucesso nestes casos e a média no atraso foi de aproximadamente 2 segundos.
Figura 5.3: Controlador com tempo de 4 segundos.
A Figura 5.4 apresenta o tempo de atraso para cada pacote enviado ao atuador no teste com 4 segundos sem a utilização do fast pipe. Ela mostra que o comportamento inesperado da planta (o nível do tanque não convergiu), quando o setpoint desejado era
50 CAPÍTULO 5. RESULTADOS de 200 milímetros, se deve aos atrasos superiores a 4 segundos que ocorreram no início da alteração do setpoint desejado de 50 milímetros para 200 milímetros.
Figura 5.4: Atraso do controlador com tempo de 4 segundos.
Na Figura 5.5 pode-se analisar o comportamento do nível do tanque para o teste de 1 segundo sem a utilização do fast pipe. E percebe-se que o controle estava muito ruim. Observa-se que controlar a planta com as configurações estabelecidas era inviável, pois o atraso estava aumentando linearmente com o aumento do envio de pacotes como pode ser observado na Figura 5.6.
Sendo assim, foi preciso ativar a função fast pipe, com a qual o gateway consegue transmitir pacotes em taxa inferior a 2 segundos, a fim de possibilitar um comportamento bem melhor do controle do nível do tanque como pode ser verificado na Figura 5.7. Esta configuração também mostra que foi a melhor configuração encontrada para controlar o módulo de tanques.
Ao analisar o atraso no teste de 1 segundo com fast pipe apresentando na Figura 5.8, observa-se que como a média do atraso era inferior a 296 milissegundos, o controlador até poderia controlar a planta numa taxa de 300 milissegundos, mas este caso não foi testado, pois o medidor de pressão 3051S da Emerson Process Management não consegue transmitir pacotes numa taxa inferior a 1 segundo.
5.1. CONTROLE EM REDE WIRELESSHART 51
Figura 5.5: Controlador com tempo de 1 segundo.
52 CAPÍTULO 5. RESULTADOS
Figura 5.7: Controlador com tempo de 1 segundo usando a função fast pipe.
5.2. BR-WIRELESSEXPERT 2.0 53