Ethernet-based systems: contributions to the holistic analysis

A number of characteristics are boosting the eagerness of extending Ethernet to also cover factory-floor distributed real-time applications. Full-duplex links, non-blocking and priority-based switching, bandwidth availability, just to mention a few, are characteristics upon which that eagerness is building up. But, will Ethernet technologies really manage to replace traditional Fieldbus networks? To this question, Fieldbus fundamentalists often argue that the two technologies are not comparable. In fact, Ethernet technology, by itself, does not include features above the lower layers of the OSI communication model. Where are the higher layers that permit building real industrial applications? And, taking for free that they are available, what is the impact of those protocols, mechanisms and application models on the overall performance of Ethernetbased distributed factory-floor applications? In this paper we provide some contributions that may pave the way towards providing some reasonable answers to these issues.

From simulation to statistical analysis: timeliness assessment of ethernet/IP-based distributed systems

A number of characteristics are boosting the eagerness of extending Ethernet to also cover factory-floor distributed real-time applications. Full-duplex links, non-blocking and priority-based switching, bandwidth availability, just to mention a few, are characteristics upon which that eagerness is building up. But, will Ethernet technologies really manage to replace traditional Fieldbus networks? Ethernet technology, by itself, does not include features above the lower layers of the OSI communication model. In the past few years, it is particularly significant the considerable amount of work that has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies. It happens, however, that the majority of those works are restricted to the analysis of sub-sets of the overall computing and communication system, thus without addressing timeliness at a holistic level. To this end, we are addressing a few inter-linked research topics with the purpose of setting a framework for the development of tools suitable to extract temporal properties of Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Ethernet-based factory-floor distributed systems. This framework is being applied to a specific COTS technology, Ethernet/IP. In this paper, we reason about the modelling and simulation of Ethernet/IP-based systems, and on the use of statistical analysis techniques to provide usable results. Discrete event simulation models of a distributed system can be a powerful tool for the timeliness evaluation of the overall system, but particular care must be taken with the results provided by traditional statistical analysis techniques.

Industrial ethernet: building blocks for a holistic approach

For industrial environments it is true that Ethernet technologies are there to stay. In fact, a number of characteristics are boosting the eagerness of extending Ethernet to also cover factory-floor applications. Fullduplex links, non-blocking and priority-based switching, bandwidth availability, just to mention a few, are characteristics upon which that eagerness is building up. But, will Ethernet technologies really manage to replace traditional field bus networks? Fieldbus fundamentalists often argue that the two things are not comparable. In fact, Ethernet technology, by itself, does not include features above the lower layers of the OSI communication model. Where are the higher layers and the application enablers that permit building real industrial applications? And, taking for free that they are available, what is the impact of those protocols, mechanisms and application models on the overall performance of Ethernet-based distributed factory-floor applications?

Ethernet goes real-time: a survey on research and technological developments

Ethernet is the most popular LAN technology. Its low price and robustness, resulting from its wide acceptance and deployment, has created an eagerness to expand its responsibilities to the factory-floor, where real-time requirements are to be fulfilled. However, it is difficult to build a real-time control network using Ethernet, because its MAC protocol, the 1-persistent CSMA/CD protocol with the BEB collision resolution algorithm, has unpredictable delay characteristics. Many anticipate that the recent technological advances in Ethernet such as the emerging Fast/Gigabit Ethernet, micro-segmentation and full-duplex operation using switches will also enable it to support time-critical applications. This technical report provides a comprehensive look at the unpredictability inherent to Ethernet and at recent technological advances towards real-time operation.

INDEPTH: timeliness assessment of ethernet/IP-based systems

The continuous improvement of Ethernet technologies is boosting the eagerness of extending their use to cover factory-floor distributed real time applications. Indeed, it is remarkable the considerable amount of research work that has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies in the past few years. It happens, however, that the majority of those works are restricted to the analysis of sub-sets of the overall computing and communication system, thus without addressing timeliness in a holistic fashion. To this end, we address an approach, based on simulation, aiming at extracting temporal properties of commercial-off-the-shelf (COTS) Ethernet-based factory-floor distributed systems. This framework is applied to a specific COTS technology, Ethernet/IP. We reason about the modeling and simulation of Ethernet/IP-based systems, and on the use of statistical analysis techniques to provide useful results on timeliness. The approach is part of a wider framework related to the research project INDEPTH NDustrial-Ethernet ProTocols under Holistic analysis.

Power Over Ethernet – a solução de vanguarda nas comunicações baseadas em IP

Mal sabia o Italiano Antonio Santi Giuseppe Meucci na segunda metade do século XIX (1870-1876), que a sua invenção iria alcançar um êxito sem precedente e que mudaria por completo o estilo de vida das gerações vindouras: o “Telettrofono” (telégrafo falante). Porém, e por necessidade, acabou por vender o protótipo e seus respetivos direitos, a Alexander Graham Bell, o qual ficou historicamente conhecido como o inventor do telefone. Com efeito, o telefone quase que dispensa apresentação. É um dispositivo de telecomunicações que entrou paulatinamente nas vidas das pessoas, seja no lazer, no exercícios das suas profissões, em situações de emergência, em teatro de guerra, num infindável número de situações, e que foi simplesmente planeado para transmitir sons por meio de sinais elétricos em condutores próprios para o efeito (vias telefónicas). Por definição, é um aparelho eletroacústico que permite a transformação, no ponto emissor, de energia acústica em energia elétrica e, no ponto recetor, a transformação da energia elétrica em acústica, permitindo assim a troca de informações (falada e ouvida) entre dois ou mais assinantes. Ora, a ideia de Power over Ethernet (PoE) teve, forçosamente, seu marco nos finais do século XIX, quando Alexander Bell (“Bell Telephone Company”) teve de refletir/decidir se o telefone a instalar em cada residência, seria alimentado localmente por uma bateria (fonte de energia local), ou se deveria alimentar cada dispositivo telefónico remotamente através de fios condutores. Esta é a noção de Power over Ethernet na sua vanguarda de aplicação no início do século XXI, e objeto de uma breve apresentação, à qual o convido à leitura das restantes secções.

Schedulability analysis of generalized multiframe traffic on multihop-networks comprising software-implemented ethernet switches

Consider a multihop network comprising Ethernet switches. The traffic is described with flows and each flow is characterized by its source node, its destination node, its route and parameters in the generalized multiframe model. Output queues on Ethernet switches are scheduled by static-priority scheduling and tasks executing on the processor in an Ethernet switch are scheduled by stride scheduling. We present schedulability analysis for this setting.

Monitorização integrada para sistemas de alimentação distribuídos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Actuador linear para teste de teclas na indústria automóvel

As indústrias de componentes e acessórios automóveis são um elo fundamental no processo produtivo da indústria automóvel. Neste leque industrial encontra-se a Preh Portugal, Lda, como empresa fornecedora de componentes electrónicos, mais concretamente, painéis de controlo de climatização. Os painéis fornecidos pela Preh aos seus clientes encontram-se sujeitos a rigorosos testes de qualidade e funcionalidade. Neste sentido o teste funcional das teclas surge, relacionando o curso da tecla em função de uma força actuante. Esta relação está comprometida com uma curva característica padrão para o tipo de tecla. Para além destes compromissos, também é necessário que a tecla feche e abra o seu contacto eléctrico. Esta tese foca-se no desenvolvimento do teste de teclas, apresentando uma alteração ao sistema actual com a introdução de um sistema embebido, no intuito de flexibilizar o sistema de teste e reduzindo custos. O sistema embebido pretende dar capacidade de processamento ao teste e, desta forma, substituir o actual computador como elemento de processamento. A solução implementada consistiu numa mudança estrutural, através da inclusão do sistema embebido entre o computador e o sistema de deslocamento. Passando o foco central do processo de teste a residir no sistema embebido, este tem de estabelecer comunicações com os restantes elementos intervenientes no teste. Estabelece comunicações série RS-232 com o sistema de deslocamento (leitura do curso e força na tecla), Ethernet com o computador (comandos, parâmetros e resultados) e CAN com o painel de controlo de climatização (fecho/abertura do contacto eléctrico). A concretização deste projecto resultou numa nova estrutura e aplicação, a qual é facilmente integrada na linha de produção com as vantagens de ser menos onerosa e mais flexível, conforme o pretendido.

Levantamento, reparação e beneficiação do simulador TERCO PST 2200 do Laboratório de Sistemas de Energia do ISEP

Este trabalho é baseado no simulador de redes PST2200 do Laboratório de Sistemas de Energia (LSE) pois está avariado com vários problemas conhecidos, designadamente: - Defeito de isolamento (disparo de diferencial), - Desregulação da velocidade da máquina primária (motor DC), - Circuito de excitação da máquina síncrona inoperacional, - Inexistência de esquemas elétricos dos circuitos do simulador, - Medidas desreguladas e com canais de medida com circuito impresso queimado. O trabalho executado foi: - O levantamento e desenho de raiz (não existe qualquer manual) dos esquemas dos 10 módulos do simulador, designadamente naqueles com avaria ou com desempenho problemático a fim de que se possa ter uma visão mais pormenorizada dos circuitos e seus problemas, por forma a intervir para os minimizar e resolver, - Foi realizado o diagnóstico de avaria do simulador e foram propostas soluções para os mesmos, - Realizaram-se as intervenções propostas e aprovadas. Nas intervenções realizadas, os princípios orientadores foram: - Aumentar a robustez do equipamento por forma a garantir a sua integridade a utilizações menos apropriados e manobras 'exóticas' próprias de alunos, que pela sua condição, estão em fase de aprendizagem, - Atualizar o equipamento, colocando-o em sintonia com o 'estado da arte', - Como fator de valorização suplementar, foi concebida e aplicada a supervisão remota do funcionamento do simulador através da rede informática. Foram detetados inúmeros erros: - Má ligação do motor de corrente continua ao variador, resultando a falta de controlo da frequência da rede do sistema, - Ligações entre painéis trocadas resultando em avarias diversas das fontes de alimentação, - Cartas eletrónicas de medidas avariadas e que além de se reparar, foram também calibradas. Devido ao mecenato da empresa Schnitt + Sohn participando monetariamente, fez-se o projeto de alteração e respetiva execução de grande parte do simulador aumentando a fiabilidade do mesmo, diminuindo assim a frequência das avarias naturais mais as que acontecem involuntariamente devido a este ser um instrumento didático. Além do trabalho elétrico, foi feito muito trabalho de chaparia para alteração de estrutura e suporte do material com diferenças de posicionamento. Neste trabalho dá-se também alguns exemplos de cálculo e simulação das redes de transporte que se pode efetuar no simulador como estudo e simulação de avarias num sistema produtivo real. Realizou-se a monitorização de dois aparelhos indicadores de parâmetros de energia (Janitza UMG96S) através duma rede com dois protocolos ethernet e profibus utilizando o plc (Omron CJ2M) como valorização do trabalho.

CIDER - envisaging a COTS communication infrastructure for evolutionary dependable real-time systems

It is foreseen that future dependable real-time systems will also have to meet flexibility, adaptability and reconfigurability requirements. Considering the distributed nature of these computing systems, a communication infrastructure that permits to fulfil all those requirements is thus of major importance. Although Ethernet has been used primarily as an information network, there is a strong belief that some very recent technological advances will enable its use in dependable applications with real-time requirements. Indeed, several recently standardised mechanisms associated with Switched-Ethernet seem to be promising to enable communication infrastructures to support hard real-time, reliability and flexible distributed applications. This paper describes the motivation and the work being developed within the CIDER (Communication Infrastructure for Dependable Evolvable Real-Time Systems) project, which envisages the use of COTS Ethernet as an enabling technology for future dependable real-time systems. It is foreseen that the CIDER approach will constitute a relevant stream of research since it will bring together cutting edge research in the field of real-time and dependable distributed systems and the industrial eagerness to expand Ethernet responsabilities to support dependable real-time applications.

Timeliness in COTS factory-floor distributed systems: What role for simulation?

In the past few years, a significant amount of work has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies. However, none of these address the problem of timeliness evaluation at a holistic level. This paper describes a research framework embracing this objective. It is advocated that, simulation models can be a powerful tool, not only for timeliness evaluation, but also to enable the introduction of less pessimistic assumptions in an analytical response time approach, which, most often, are afflicted with simplifications leading to pessimistic assumptions and, therefore, delusive results. To this end, we address a few inter-linked research topics with the purpose of setting a framework for developing tools suitable to extract temporal properties of commercial-off-the-shelf (COTS) factory-floor communication systems.

Fibras ópticas. O paradigma

Com a obrigatoriedade de dotar todos os edifícios e urbanizações com instalações de fibra óptica devido ao Decreto-Lei 123/2009, todos os projectistas, retalhistas, instaladores e promotores deparam-se com a necessidade de implementar algo ainda estranho para muitos. Se, por um lado a legislação obriga ao uso das fibras monomodo, indo de encontro à compatibilização com as tecnologias que os operadores de telecomunicações já estavam a implementar ( ex: Gigabit Ethernet – Passive Optical Network (GE-PON) nas FTTH (Fiber To The Home), por outro temos as redes locais de Complexos Empresariais e Fabris ou mesmo edifícios comerciais, cuja distribuição interior inter-bastidores, continua a ser implementada em fibras multimodo de última geração, pois a nível de custos dos conversores electro-ópticos (ONT) ainda há uma diferença substancial de valor entre os monomodo e os multimodo. Tendo em vista a constante evolução, os fabricantes tendem a desenvolver produtos optimizados para as necessidades de agora e as que se perspectivam para um futuro próximo.

FPGA-based weblab infrastructures guidelines and a prototype implementation example

Recent trends show an increasing number of weblabs, implemented at universities and schools, supporting practical training in technical courses and providing the ability to remotely conduct experiments. However, their implementation is typically based on individual architectures, unable of being reconfigured with different instruments/modules usually required by every experiment. In this paper, we discuss practical guidelines for implementing reconfigurable weblabs that support both local and remote control interfaces. The underlying infrastructure is based on reconfigurable, low-cost, FPGA-based boards supporting several peripherals that are used for the local interface. The remote interface is powered by a module capable of communicating with an Ethernet based network and that can either correspond to an internal core of the FPGA or an external device. These two approaches are discussed in the paper, followed by a practical implementation example.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.