Uma metodologia para modelagem e avaliação da dependabilidade de redes industriais sem fio

Ensuring the dependability requirements is essential for the industrial applications since faults may cause failures whose consequences result in economic losses, environmental damage or hurting people. Therefore, faced from the relevance of topic, this thesis proposes a methodology for the dependability evaluation of industrial wireless networks (WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA) on early design phase. However, the proposal can be easily adapted to maintenance and expansion stages of network. The proposal uses graph theory and fault tree formalism to create automatically an analytical model from a given wireless industrial network topology, where the dependability can be evaluated. The evaluation metrics supported are the reliability, availability, MTTF (mean time to failure), importance measures of devices, redundancy aspects and common cause failures. It must be emphasized that the proposal is independent of any tool to evaluate quantitatively the target metrics. However, due to validation issues it was used a tool widely accepted on academy for this purpose (SHARPE). In addition, an algorithm to generate the minimal cut sets, originally applied on graph theory, was adapted to fault tree formalism to guarantee the scalability of methodology in wireless industrial network environments (< 100 devices). Finally, the proposed methodology was validate from typical scenarios found in industrial environments, as star, line, cluster and mesh topologies. It was also evaluated scenarios with common cause failures and best practices to guide the design of an industrial wireless network. For guarantee scalability requirements, it was analyzed the performance of methodology in different scenarios where the results shown the applicability of proposal for networks typically found in industrial environments

Ferramenta para avaliação e inferência de parâmetros de redes industriais sem fio

Wireless sensor networks (WSN) have gained ground in the industrial environment, due to the possibility of connecting points of information that were inaccessible to wired networks. However, there are several challenges in the implementation and acceptance of this technology in the industrial environment, one of them the guaranteed availability of information, which can be influenced by various parameters, such as path stability and power consumption of the field device. As such, in this work was developed a tool to evaluate and infer parameters of wireless industrial networks based on the WirelessHART and ISA 100.11a protocols. The tool allows quantitative evaluation, qualitative evaluation and evaluation by inference during a given time of the operating network. The quantitative and qualitative evaluation are based on own definitions of parameters, such as the parameter of stability, or based on descriptive statistics, such as mean, standard deviation and box plots. In the evaluation by inference uses the intelligent technique artificial neural networks to infer some network parameters such as battery life. Finally, it displays the results of use the tool in different scenarios networks, as topologies star and mesh, in order to attest to the importance of tool in evaluation of the behavior of these networks, but also support possible changes or maintenance of the system.

Ferramentas para análise de ativos em redes industriais weirelessHART

Nowadays wireless communication has emerged as a tendency in industry environments. In part this interest is due to the ease of deployment and maintenance, which dispenses sophisticated designs and wired infrastructure (which in industrial environment often prohibitively expensive) besides enabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. Despite its high degree of applicability, an industrial wireless sensor network faces some challenges. One of the most challenging problems are its reliability, energy consumption and the environment interference. In this dissertation will discuss the problem of asset analysis in wireless industrial networks for the WirelessHART standard by implementing a monitoring system. The system allows to carry out various activities of independent asset management manufacturers, such as prediction of battery life, maintenance, reliability data, topology, and the possibility of creating new metrics from open and standardized development libraries. Through the implementation of this tool is intended to contribute to integration of wireless technologies in industrial environments.

FTE-LEACH: um protocolo energeticamente eficiente e tolerante a falhas aplicado às redes industriais de sensores sem fio

A Wireless Sensor Network (WSN) consists of distributed devices in an area in order to monitor physical variables such as temperature, pressure, vibration, motion and environmental conditions in places where wired networks would be difficult or impractical to implement, for example, industrial applications of difficult access, monitoring and control of oil wells on-shore or off-shore, monitoring of large areas of agricultural and animal farming, among others. To be viable, a WSN should have important requirements such as low cost, low latency, and especially low power consumption. However, to ensure these requirements, these networks suffer from limited resources, and eventually being used in hostile environments, leading to high failure rates, such as segmented routing, mes sage loss, reducing efficiency, and compromising the entire network, inclusive. This work aims to present the FTE-LEACH, a fault tolerant and energy efficient routing protocol that maintains efficiency in communication and dissemination of data.This protocol was developed based on the IEEE 802.15.4 standard and suitable for industrial networks with limited energy resources

Especificação de um bloco funcional implementando rede neural para redes industriais foundations fieldbus

This work proposes the specification of a new function block according to Foundation Fieldbus standards. The new block implements an artificial neural network, which may be useful in process control applications. The specification includes the definition of a main algorithm, that implements a neural network, as well as the description of some accessory functions, which provide safety characteristics to the block operation. Besides, it also describes the block attributes emphasizing its parameters, which constitute the block interfaces. Some experimental results, obtained from an artificial neural network implementation using actual standard functional blocks on a laboratorial FF network, are also shown, in order to demonstrate the possibility and also the convenience of integrating a neural network to Fieldbus devices

Uma ferramenta de manipulação de pacotes para análise de protocolos de redes industriais baseados em TCP/IP

This work presents a packet manipulation tool developed to realize tests in industrial devices that implements TCP/IP-based communication protocols. The tool was developed in Python programming language, as a Scapy extension. This tool, named IndPM- Industrial Packet Manipulator, can realize vulnerability tests in devices of industrial networks, industrial protocol compliance tests, receive server replies and utilize the Python interpreter to build tests. The Modbus/TCP protocol was implemented as proof-of-concept. The DNP3 over TCP protocol was also implemented but tests could not be realized because of the lack of resources. The IndPM results with Modbus/TCP protocol show some implementation faults in a Programmable Logic Controller communication module frequently utilized in automation companies

Redes neurais artificiais no ambiente de redes industriais foundation fieldbus usando blocos funcionais padrões

Industrial automation networks is in focus and is gradually replacing older architectures of systems used in automation world. Among existing automation networks, most prominent standard is the Foundation Fieldbus (FF). This particular standard was chosen for the development of this work thanks to its complete application layer specification and its user interface, organized as function blocks and that allows interoperability among different vendors' devices. Nowadays, one of most seeked solutions on industrial automation are the indirect measurements, that consist in infering a value from measures of other sensors. This can be made through implementation of the so-called software sensors. One of the most used tools in this project and in sensor implementation are artificial neural networks. The absence of a standard solution to implement neural networks in FF environment makes impossible the development of a field-indirect-measurement project, besides other projects involving neural networks, unless a closed proprietary solution is used, which dos not guarantee interoperability among network devices, specially if those are from different vendors. In order to keep the interoperability, this work's goal is develop a solution that implements artificial neural networks in Foundation Fieldbus industrial network environment, based on standard function blocks. Along the work, some results of the solution's implementation are also presented

Estratégia de escalonamento de controladores PID baseado em regras Fuzzy para redes industriais foundation fieldbus usando blocos padrões

The main objective of work is to show procedures to implement intelligent control strategies. This strategies are based on fuzzy scheduling of PID controllers, by using only standard function blocks of this technology. Then, the standardization of Foundation Fieldbus is kept. It was developed an environment to do the necessary tests, it validates the propose. This environment is hybrid, it has a real module (the fieldbus) and a simulated module (the process), although the control signals and measurement are real. Then, it is possible to develop controllers projects. In this work, a fuzzy supervisor was developed to schedule a network of PID controller for a non-linear plant. Analyzing its performance results to the control and regulation problem

Análise de desempenho de estratégias de retransmissão para o mecanismo HCCA do padrão de redes sem fio IEEE 802.11e

This paper presents the performanee analysis of traffie retransmission algorithms pro¬posed to the HCCA medium aeeess meehanism of IEEE 802.11 e standard applied to industrial environmen1. Due to the nature of this kind of environment, whieh has eleetro¬magnetic interferenee, and the wireless medium of IEEE 802.11 standard, suseeptible to such interferenee, plus the lack of retransmission meehanisms, refers to an impraetieable situation to ensure quality of service for real-time traffic, to whieh the IEEE 802.11 e stan¬dard is proposed and this environment requires. Thus, to solve this problem, this paper proposes a new approach that involves the ereation and evaluation of retransmission al-gorithms in order to ensure a levei of robustness, reliability and quality of serviee to the wireless communication in such environments. Thus, according to this approaeh, if there is a transmission error, the traffie scheduler is able to manage retransmissions to reeo¬ver data 10s1. The evaluation of the proposed approaeh is performed through simulations, where the retransmission algorithms are applied to different seenarios, whieh are abstrae¬tions of an industrial environment, and the results are obtained by using an own-developed network simulator and compared with eaeh other to assess whieh of the algorithms has better performanee in a pre-defined applieation

Planejamento de redes de comunicação sem fio para ambiente indoor considerando os efeitos da polarização das antenas: abordagem baseada em medições

Uma das principais aplicações de ondas eletromagnéticas, na atualidade, na área de telecomunicações trata dos enlaces em sistemas móveis sem fio. Sejam estes terrestres (indoor/outdoor) ou via satélites, o projetista do sistema de telecomunicações tem que ser capaz de determinar os sistemas irradiantes, as potências envolvidas, a frequência de operação do sistema, a área de cobertura e os parâmetros de qualidade do serviço. O planejamento das novas redes de comunicações sem fio representa um grande desafio ao incluir serviços cada vez mais avançados com diferentes requisitos de qualidade, suporte a mobilidade, altas taxas de transmissão e capacidades elevadas de tráfego. Os diversos ambientes nos quais essas redes operam, os fenômenos associados produzem diversos efeitos no comportamento do sinal recebido e, consequentemente, uma variação no desempenho do enlace de comunicação entre os pontos de acesso, a rede e os usuários. Por conseguinte, esses efeitos devem ser avaliados corretamente, de tal forma que o dimensionamento da rede atenda aos requisitos de qualidade regulamentados. O presente trabalho objetiva estabelecer uma metodologia para o planejamento de redes de comunicação sem fio para ambientes indoor, considerando os parâmetros de qualidade de serviços e os efeitos da polarização das antenas. Foi proposto um modelo empírico para determinar a área de cobertura desse ambiente a partir de uma abordagem baseada em medições. Como resultado de campanhas de medições, foram identificados os principais parâmetros que interferem nas perdas no enlace de propagação, destacando-se os materiais envolvidos no ambiente bem como os efeitos da polarização das antenas transmissora, entre outros. Tais efeitos, avaliados corretamente, permitirão ao projetista da rede, de uma forma crítica e com base em dados obtidos em campo, definir a melhor configuração de parâmetros e critérios de projeto para a implantação de uma rede móvel de acesso sem fio. As medições para determinação dos parâmetros de cobertura e de qualidade de serviços foram realizadas no prédio do Laboratório de Engenharia Elétrica e de Computação e no prédio de aulas do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará. Nas campanhas de medição foram utilizadas algumas frequências, escolhidas devido à importância dos serviços disponibilizados: 2,4 GHz - redes locais sem fio (WLAN’s); 3,5 GHz - Wimax licenciado; 5,85 GHz - Wimax livre e 10 GHz (a faixa de 9,8 a 10 GHz não está ainda regulamentada, de 10 - 10,15 GHz-radioamador (Resolução Anatel, Nº 452/2006 - D.O.U. de 20.12.2006) ou serviços de comunicações multimídias (SCM) para sistemas em banda larga). Os principais resultados obtidos com o modelo proposto foram avaliados e comparados com os principais modelos da literatura e mostraram que a metodologia adotada para o planejamento de redes de comunicação sem fio em ambientes indoor teve um bom desempenho.

Predição de qualidade de experiência para internet do futuro em arquiteturas heterogêneas de redes sem fio móveis

As Redes da Próxima Geração consistem no desenvolvimento de arquiteturas que viabilizem a continuidade de serviços que proporcionem sempre a melhor conectividade (Always Best Connectivity - ABC) aos usuários móveis com suporte adequado à Qualidade de Experiência (QoE) para aplicações multimídia de alta definição, nesse novo contexto as arquiteturas têm perspectiva orientada a serviços e não a protocolos. Esta tese apresenta uma arquitetura para redes da próxima geração capaz de fornecer acesso heterogêneo sem fio e handover vertical transparente para as aplicações multimídia. A tese considera diferentes tecnologias sem fio e também adota o padrão IEEE 802.21 (Media Independent Handover – MIH) para auxiliar na integração e gerenciamento das redes heterogêneas sem fio. As tecnologias que a arquitetura possui são: IEEE 802.11 (popularmente denominada de WiFi), IEEE 802.16 (popularmente denominada de WiMAX) e LTE (popularmente denominada de redes 4G). O objetivo é que arquitetura tenha a capacidade de escolher entre as alternativas disponíveis a melhor conexão para o momento. A arquitetura proposta apresenta mecanismos de predição de Qualidade de Experiência (Quality of Experience - QoE) que será o parâmetro decisivo para a realização ou não do handover para uma nova rede. A predição para determinar se haverá ou não mudança de conectividade será feita com o uso da inteligência computacional de Redes Neurais Artificiais. Além disso a arquitetura também apresenta um mecanismo de descarte seletivo de pacotes especifico para aplicações multimídia. A proposta é avaliada via simulação utilizando-se o ns-2 (Network Simulator) e os resultados de desempenho são apresentados através das métricas de QoS, de QoE e também visualmente através da exibição de frames dos vídeos transmitidos na arquitetura.

Estratégia do planejamento e otimização de sistemas sem fio, considerando redes interferentes: abordagem baseada em cross-layer

Apesar do aumento significativo do uso de redes locais sem fio (WLAN) nos últimos anos, aspectos de projeto e planejamento de capacidade da rede são ainda sistematicamente negligenciados durante a implementação da rede. Tipicamente um projeto de rede local sem fio é feito e instalado por profissionais de rede. Esses profissionais são extremamente experientes com redes cabeadas, mas são ainda geralmente pouco experientes com redes sem fio. Deste modo, as instalações de redes locais sem fio são desvantajosas pela falta de um modelo de avaliação de desempenho e para determinar a localização do ponto de acesso (PA), além disso, fatores importantes do ambiente não são considerados no projeto. Esses fatores se tornam mais importante quando muitos pontos de acesso (PAs) são instalados para cobrir um único edifício, algumas vezes sem planejamento de freqüência. Falhas como essa podem causar interferência entre células geradas pelo mesmo PA. Por essa razão, a rede não obterá os padrões de qualidade de serviço (QoS) exigidos por cada serviço. O presente trabalho apresenta uma proposta para planejamento de redes sem fio levando em consideração a influência da interferência com o auxílio de inteligência computacional tais como a utilização de redes Bayesianas. Uma extensiva campanha de medição foi feita para avaliar o desempenho de dois pontos de acesso (PAs) sobre um cenário multiusuário, com e sem interferência. Os dados dessa campanha de medição foram usados como entrada das redes Bayesianas e confirmaram a influência da interferência nos parâmetros de QoS. Uma implementação de algoritmo genético foi utilizado permitindo uma abordagem híbrida para planejamento de redes sem fio. Como efeito de comparação para otimizar os parâmetros de QoS, de modo a encontrar a melhor distância do PA ao receptor garantindo as recomendações do International Telecomunication Union (ITU-T), a técnica de otimização por enxame de partículas foi aplicada.

Arquitetura de controladores fuzzy em redes foundation fieldbus

Foundation Fieldbus Industrial networks are the high standard technology which allows users to create complex control logic and totally decentralized. Although being so advanced, they still have some limitations imposed by their own technology. Attempting to solve one of these limitations, this paper describes how to design a Fuzzy controller in a Foundation Fieldbus network using their basic elements of programming, the functional blocks, so that the network remains fully independent of other devices other than the same instruments that constitute it. Moreover, in this work was developed a tool that aids this process of building the Fuzzy controller, setting the internal parameters of functional blocks and informing how many and which blocks should be used for a given structure. The biggest challenge in creating this controller is exactly the choice of blocks and how to arrange them in order to effectuate the same functions of a Fuzzy controller implemented in other kind of environment. The methodology adopted was to divide each one of the phases of a traditional Fuzzy controller and then create simple structures with the functional blocks to implement them. At the end of the work, the developed controller is compared with a Fuzzy controller implemented in a mathematical program that it has a proper tool for the development and implementation of Fuzzy controllers, obtaining comparatives graphics of performance between both

Análise de desempenho experimental de redes IEEE 802.3.

The Ethernet technology dominates the market of computer local networks. However, it was not been established as technology for industrial automation set, where the requirements demand determinism and real-time performance. Many solutions have been proposed to solve the problem of non-determinism, which are based mainly on TDMA (Time Division Multiple Access), Token Passing and Master-Slave. This work of research carries through measured of performance that allows to compare the behavior of the Ethernet nets when submitted with the transmissions of data on protocols UDP and RAW Ethernet, as well as, on three different types of Ethernet technologies. The objective is to identify to the alternative amongst the protocols and analyzed Ethernet technologies that offer to a more satisfactory support the nets of the industrial automation and distributed real-time application

Relacionamentos industriais como mecanismos de coordenação de competências : casos da indústria de moldes para plásticos.

Doutoramento em Ciências Empresariais.