DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Mestrando: MARCO AURÉLIO CORRÊA Engenheiro Eletricista UM SISTEMA ESPECIALISTA PARA SELEÇÃO DE REDES INDUSTRIAIS

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  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DISSERTAđấO DE MESTRADO Mestrando: MARCO AURÉLIO CORRÊA Engenheiro Eletricista UM SISTEMA ESPECIALISTA PARA SELEđấO DE REDES INDUSTRIAIS

  Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em Automação Industrial da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT, orientada pelo Prof. Dr. Marcelo da Silva Hounsell.

  Joinville, Agosto de 2003

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT COORDENAđấO DE PốS-GRADUAđấO - CPG "UM SISTEMA ESPECIALISTA PARA SELEđấO DE REDES INDUSTRIAIS "

  por

  Marco Aurélio Corrêa Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

  MESTRE EM AUTOMAđấO INDUSTRIAL Especialidade em "Automação e Informática Industrial", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM AUTOMAđấO INDUSTRIAL

  DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA Dr. Marcelo da Silva Hounsell (presidente - UDESC)

  Banca Examinadora: Joinville, agosto de 2003 Dr. Claudio Cesar de Sá (UDESC) Dr. Marcelo Teixeira dos Santos

  (IST) Dr. Antônio Heronaldo de Souza (suplente - UDESC)

  

À minha família ...

  Agradecimentos

Agradeço a Deus pela magia da vida e por tudo o que ela nos proporciona.

  Agradeço profundamente a minha esposa Claudia e a minha filha Catarina, pelo apoio e compreensão nas muitas horas de ausência. Agradeço meus familiares pelo incentivo, principalmente a meus pais, sem os quais jamais teria alcançado tal objetivo. Em especial, agradeço o professor Marcelo da Silva Hounsell, pela orientação

deste trabalho, dedicação, prestatividade, apoio e amizade, nas diversas etapas de

construção desta dissertação.

  Agradeço ao Prof. Aldelir Fernando Luiz pela ajuda no início do desenvolvimento do Sistema Especialista. Agradeço aos colegas de curso e demais professores do Departamento de

Engenharia Elétrica, que, de uma forma ou de outra, contribuíram para a realização deste

trabalho.

  A todos estes, dedico esta obra.

  Sumário

  1.6 Organização ........................................................................................................... 7

  2.2.1 Inteligência Artificial .................................................................................... 38

  2.2 Sistemas Especialistas e a Inteligência Artificial .................................................. 38

  2.1.2 Redes Industriais ....................................................................................... 19

  2.1.1 O Modelo OSI – Open Systems Interconnection ............................................. 9

  2.1 Fundamentos de Redes ...........................................................................................9

  

2. Revisão Bibliográfica .................................................................................................. 9

  1.5 Metodologia ........................................................................................................... 6

  

1. Introdução ................................................................................................................... 3

  1.4.2 Objetivos Específicos ......................................................................................6

  1.4.1 Objetivo Geral ................................................................................................6

  1.4 Objetivos ................................................................................................................ 6

  1.3 Por que um Sistema de Seleção é Importante ? .......................................................5

  1.2.1 Vantagens da Utilização de Redes Industriais .............................................. 4

  1.2 Motivação ............................................................................................................ 4

  1.1 Identificação e Problema ......................................................................................3

  2.2.2 Sistemas Especialistas ................................................................................... 39

  2.2.3 Sistemas Especialistas Baseados em Regras .................................................. 43 Conclusão ................................................................................................................... 48

  

3. Situação Atual ........................................................................................................... 49

  3.1 Pesquisa de Campo .............................................................................................. 49

  3.1.1 Objetivo ........................................................................................................ 49

  3.1.2 Expectativa de Resposta em Cada Item ......................................................... 50

  3.1.3 Amostra da Pesquisa de Campo .................................................................... 52

  3.1.4 Resultado da Pesquisa ................................................................................... 53

  3.2 Estado da Arte ....................................................................................................... 60

  3.2.1 Sistemas Especialistas para Configuração de Redes Industriais ..................... 61

  3.2.2 Sistemas Especialistas para Seleções Complexas .......................................... 62 Conclusão ................................................................................................................... 65

  

4. Implementação .......................................................................................................... 67

  4.1 Introdução ............................................................................................................. 67

  4.2 Estratégia do Sistema Especialista para Seleção de Redes Industriais ................... 69

  4.3 Elicitação do Conhecimento .................................................................................. 70

  4.4 Implementação da Arquitetura do Sistema ............................................................. 73

  4.5 Funcionamento: Explorando o Espaço de Estados ................................................. 77

  4.6 Arquivos ............................................................................................................... 81

  4.7 Elicitação de Conhecimento: Regras ..................................................................... 82

  4.8 Como Construir as Perguntas e Regras do Sistema Especialista ............................. 86 Conclusão ................................................................................................................... 87

  

5. Considerações Finais ................................................................................................ 89

  5.1 Discussões ............................................................................................................ 89

  5.2 Conclusão ............................................................................................................ 91

  

5.3 Trabalhos Futuros ................................................................................................. 95

Referências Bibliográficas ............................................................................................. 97

A Questionário sobre Redes Industriais .................................................................... 100

  Lista de Figuras

Figura 1 - O Modelo OSI ................................................................................................. 10

Figura 2 - Fluxo de Dados e Relações Lógicas ................................................................. 11

Figura 3 - Repetidor ........................................................................................................ 14

Figura 4 - Splitter ........................................................................................................... 15

Figura 5 – Bridge ............................................................................................................. 15

Figura 6 - Roteador ......................................................................................................... 16

Figura 7 - Gateway .......................................................................................................... 16

Figura 8 - Topologia de anel ............................................................................................ 17

Figura 9 - Topologia de Estrela ........................................................................................ 18

Figura 10 - Topologia de Árvore ..................................................................................... 18

Figura 11 - Pirâmide CIM ................................................................................................20

Figura 12 - Níveis em uma rede industrial ........................................................................ 21

Figura 13 - Sistema Tempo Real e seu Ambiente ............................................................. 28

Figura 14 - Arquitetura distribuída de um sistema tempo real .......................................... 29

Figura 15 - A problemática da comunicação tempo real ................................................... 30

Figura 16 - Arquitetura para sistemas tempo real ............................................................. 31

Figura 17 - Meios de transmissão .................................................................................... 35

Figura 18 - Modelo do Sistema de Produção .................................................................... 44

Figura 19 - Arquitetura do Sistema Baseado em Regras ................................................... 45

  

Figura 20 - Estrutura do sistema de informação DryInf .................................................... 64

Figura 21 - Arquitetura do Sistema Especialista para Seleção de Instalações de Redes

Industriais ............................................................................................................... 74

Figura 22 - Janela FACTS (MAIN) ................................................................................. 74

  

Figura 23 - Janela do CLIPS 6.2 explanando o raciocínio do sistema ...............................75

Figura 24 - Janelas de Interface do Usuário ..................................................................... 76

Figura 25 - Janela de Interface de Desenvolvimento ........................................................ 77

Figura 26 - Seleção da Rede Industrial em Função das Características ............................. 78

Figura 27 - Determinação da Rede Industrial com apenas duas perguntas ........................ 78

Figura 28 - Determinação da Rede Industrial com diversas perguntas .............................. 80

  Lista de Tabelas

TABELA 1 Ố ABORDAGENS PARA COMUNICAđấO TEMPO REAL ..................... 32

TABELA 2 – TIPOS DE PROBLEMAS SOLUCIONADOS POR SISTEMAS

  ESPECIALISTAS .................................................................................................. 40

TABELA 3 Ố COMPARAđấO DE UM ESPECIALISTA HUMANO EM UM SISTEMA

ESPECIALISTA .................................................................................................... 42

TABELA 4 - EMPRESAS QUE POSSUEM REDES(S) DE COMPUTADORES .......... 53

  

TABELA 5 – EMPRESAS QUE POSSUEM REDES INDUSTRIAIS ............................ 53

TABELA 6 – QUAL OU QUAIS REDES INDUSTRIAIS AS EMPRESAS POSSUEM

  54 TABELA 7 - A REDE INDUSTRIAL ESTÁ EM TODO O CHÃO DE FÁBRICA ? ...... 54

  

TABELA 8 – QUAL A ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES

  INDUSTRIAIS? ..................................................................................................... 55

TABELA 9 – QUE TIPOS DE MÁQUINAS ESTÃO EM REDE ? ................................. 56

TABELA 10 - A REDE DE COMPUTADOR E A REDE INDUSTRIAL ESTÃO

  INTERLIGADAS ? ................................................................................................57

TABELA 11 Ố QUEM FEZ A ESPECIFICAđấO DA REDE ? ...................................... 58

TABELA 12 Ố QUANDO FOI FEITA A ESPECIFICAđấO E QUANTO TEMPO

LEVOU? ................................................................................................................ 58

TABELA 13 Ố QUEM FEZ A IMPLANTAđấO ? .......................................................... 59

TABELA 14 Ố QUANDO FOI FEITA A IMPLANTAđấO E QUANTO TEMPO LEVOU

  ? ............................................................................................................................. 59

TABELA 15 – GRUPO OU PESSOA ESPECIFICAMENTE RESPONSÁVEL PELA

MANUTENđấO DA REDE INDUSTRIAL .......................................................... 60

TABELA 16 – CARACTERÍSTICAS INSERIDAS NA BASE DE CONHECIMENTO

DO SISTEMA ESPECIALISTA ............................................................................ 73

  Lista de Quadros

QUADRO 1 - PROGRAMA Chamadas.clp ..................................................................... 81

QUADRO 2 – REGRA QUE DETERMINA SE A ÁREA DA REDE INDUSTRIAL É DE

  SEGURANÇA INTRÍNSECA ................................................................................ 82

QUADRO 3 – REGRA PARA TRATAR A RESPOSTA “Tanto Faz” ............................ 83

QUADRO 4 – REGRA DE ATALHO PARA UMA CONCLUSÃO ...............................84

QUADRO 5 – REGRA QUE DETERMINA SE A REDE INDUSTRIAL PRECISA SER

  DETERMINÍSTICA ...............................................................................................85

QUADRO 6 Ố REGRA CONCLUSIVA EM FUNđấO DA GERAđấO DE

DETERMINADOS FATOS ................................................................................... 86

QUADRO 7 – REDES INDUSTRIAIS UTILIZADAS NAS EMPRESAS PESQUISADAS

  ............................................................................................................................. 101

  

QUADRO 8 – ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES INDUSTRIAIS ...... 101

QUADRO 9 – TIPOS DE MÁQUINAS CONECTADAS A REDE INDUSTRIAL ....... 101

QUADRO 10 – QUANTIDADE DE MÁQUINAS LIGADAS EM REDE .................... 102

  Lista de Abreviações A/D – Analógico/Digital API – Aplication Protocol Interface APC – Automated Process Control ASCII – American Standard Code for Information Interchange ASIC – Application Specific Integrated Circuit ATM - Asynchronous Transfer Mode CAD – Computer Aided Design CAD - Control and Data Field CAM – Computer Aided Manufacturing CAN – Controler Area Network CCITT – Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique CIM – Computer Integrated Manufacturing CLIPS – C Language Integrated Production System CLP – Controlador Lógico Programável CNC – Controlador Numérico Computadorizado CPU – Central Porcess Unit CRC – Cyclical Redundance Check CRMA – Cyclic Reservation Multiple Access CSMA – Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/DCR – Carrier Sense Multiple Access with Deterministic Collision Resolution DCE – Data Communication Equipment DKE - Deutsche Elektrotechnische Kommission DPA - Demad Priority Access

  DTE – Data Terminal Equipment E/S – Entrada / Saída FDDI - Fiber Distributed Data Interface FES - Frame End Sequence FIFOs - First In First Out FIP – Factory Instrumentation Protocol FSD - Delimitador de início FSS - Frame Start Sequence HDLC – High-Level Data Link Control

  IA – Inteligência Artificial

  IEC – International Electrotechnical Comission

  IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

  ISA – Instrumentation Society of America

  ISO – International Organization for Standardization LAN – Local Area Network LLC – Controle Lógico de Enlace MAC – Medium Access Control MAN – Metropolitan Area Network MAP – Manufacturing Automation Protocol MAP/EPA – Manufacturing Automation Protocol / Enhaced Performance Architecture MPC - Message Passing Coprocessor NIM – Network Interface Module NDM – Modo de Desconexão NRM – Modo de resposta normal NRZ - Non Return to Zero NSI - Network Services Interfaces NUT – Network Update Internal ODVA - Open DeviceNet Vendor Association Inc. OSI – Open Systems Interconnection PID – Proporcional – Integrated – Derivativo PRE - Preambulo PROWAY – Process Data Highway QOS – Quality Of Service

  RAC – Remote Access Control RC – Rede de Computadores RDSI – Rede Digital de Serviços Integrados RI – Redes Industriais RTR - Remote Transmission Request RTU’s – Remote Terminal Units SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition SCD – Sistemas de Controle Distribuído SDCD - Sistema Distribuído de Controle Digital SDE – Secure Data Exchange SDS - Smart Distributed System SE – Sistema Especialista SMSC - Standard Microsystems Corporation SNMP - Simples Network Management Protocol SRR - Substitute Remote Request TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol TDMA – Time Division Multiple Access TOP – Technical and Office Protocol WAN – Wide Area Network WorldFIP - World Field Instrumentation Protocolo

  Resumo

  Diversos sistemas e técnicas tem sido desenvolvidos para controlar (as operações), supervisionar e gerenciar os sistemas de automação industrial. Desenvolvimento semelhante tem ocorrido com relação a transmissão de informações no chão de fábrica. Na parte física do processo de automação industrial ocorre o mesmo, através de novas tecnologias e métodos para transmissão em redes de dados (fieldbus).

  Atualmente existem diversas redes de dados (fieldbus), denominadas Redes Industriais (RI), contendo diversas características. Para este trabalho, foram consideradas as tecnologias de RI, especificamente dos diversos sistemas de fieldbus encontrados no mercado. Estas RI foram caracterizadas quanto a sua aplicação, tecnologia e aceitação das tecnologias existentes. Ao selecionar uma RI, um especialista deve analisar as características que envolvem a seleção de uma Rede Industrial, pois a seleção incorreta pode ter um alto custo à empresa. Com o conhecimento de RI, é possível avaliar e selecionar a RI que atende a todas as exigências impostas pela sua aplicação. São muitas as características de RI, onde um número maior de características avaliadas melhora o resultado obtido. O desenvolvimento de um Sistema Especialista (SE) agiliza e facilita o trabalho do especialista.

  Com esta pesquisa foi possível elaborar um Sistema Especialista para seleção de instalações de Redes Industriais, o qual utiliza o método de encadeamento direto, cuja estratégia de inferência começa com um conjunto de fatos conhecidos, derivando novos fatos através de regras, as quais combinam premissas aos novos fatos, continuando este processo até que o objetivo seja alcançado ou até que as regras não tenham mais premissas que combinem os fatos conhecidos ou derivados.

  Para desenvolvimento deste Sistema Especialista seguiram-se as etapas de avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação e manutenção. A etapa de projeto resultou na elaboração de um protótipo do sistema, o qual mais tarde possibilitou a implantação do sistema acabado.

  Ao final, para validar o desenvolvimento do programa e da dissertação, foram feitos vários testes com o programa, onde para estes, foram levantados dados para simular uma aplicação e, em seguida, foram inseridas diversas características desta aplicação, executado o programa, onde após encontrada a solução, foi feita a avaliação dos resultados.

  Abstract

  Many systems and techniques have been developed to control (operations), supervise and manage industrial automation system. Development like this occur with relation to information’s transmission at the factory floor. In the physical industrial automation process occur the same, using new technologies and methods to transmission in fieldbus.

  Nowadays there is a lot of fieldbus, called Industrial Network (IN), containing a diversity of features. In this work, were considered the IN technologies, specifically from the diverses fieldbus systems meted in the market. This IN were characterized as for application, technology and acceptance of the existent technologies. When selecting an IN, an expert have to analyze the features that involve the IN selection. With this knowledge, is possible to evaluate and select the IN that answer all the requirements imposed by the application. How there is a lot of features, and how much more features are evaluated better is the result obtained, the Expert System (ES) development make easier the expert work, making available more time to the professional, that will can deep in the IN evaluated and selection, or go in for at another activities.

  With this research was possible to make an Expert System to Industrial Network installations selection, that use the forward chaining method, whose inference strategy begin with a group of well know facts, firing new facts through rules, that prearrang premissas to the new facts continuing this process until that the goal have been gained on or until that the rules don’t have more premissas that prearrange the well know facts or derived.

  To the development of this Expert System followed the evaluation, acquisition, project, test, documentation and maintenance stages. The project stage result in the system prototype, that later enabled the finished system implantation.

  In the end, to validate the development program and the dissertation, many tests was made, where to this, dates were computed and, next, the program was executed where, after founded the solution, the results were evaluated.

  CAPÍTULO 1

1. Introdução

1.1 Identificação e Problema

  Uma Rede de Computador (RC) é formada por um conjunto de módulos processadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação. Este sistema vai se constituir de um arranjo topológico interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos) [SOARES, 1995].

  As Redes Industriais (RI) são usadas em aplicações distribuídas para monitorar e controlar um processo de manufatura, tal como uma industria automotiva, maquinário têxtil, fabricação de semicondutores, processamento químico, entre outros [THOMESSE, 1999]. Comparando as RC às RI, estas últimas apresentam algumas restrições mais rigorosas, tais como a velocidade ao transmitir informações, sua confiabilidade e sua imunidade a distúrbios (ruídos) industriais [LAÎNÉ, 1999].

  Os sistemas de automação e controle tem se apoiado cada vez mais em redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexidade dos processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais. Atualmente, implementam-se sistemas que incluem alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de RI, seja remota, implementadas em sistemas SCADA

  (Supervisory Control and Data Acquisition). Um sistema SCADA compreende um ou mais computadores que atuam como uma interface entre a comunicação na rede física, o operador e os dados adquiridos de RTUs (Remote Terminal Units), onde estes RTU’s são dispositivos remotos, responsáveis pela aquisição da informação de processo, normalmente feita com a utilização de dispositivos de campo.

  Embora essa disseminação de aplicações de comunicação seja recente, há muito tem sido desenvolvidos diferentes esquemas de comunicação de dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação.

  Atualmente existem diversas RI para os vários níveis de integração em uma empresa, onde a seleção de determinada RI deve ser fundamentada nas características quantitativas e qualitativas da rede, dos equipamentos e da filosofia da empresa, o que torna tal decisão complexa e difícil, em função da quantidade de informações e características a serem consideradas, em função também do grande número de opções de RI presentes no mercado, um exemplo disso são as 26 RI pesquisadas para esta dissertação.

1.2 Motivação

1.2.1 Vantagens da Utilização de Redes Industriais

  Pode-se citar algumas vantagens que se consegue com a utilização de Redes Industriais, vantagens estas que somente as RI podem fornecer [Introducción a Profibus, 2000 – Internet].

  • Visualização e supervisão de todo o processo produtivo;
  • Tomada de dados do processo mais rápida ou instantânea;
  • Melhora do rendimento geral de todo o processo;
  • Possibilidade de intercâmbio de dados entre setores do processo e entre departamentos;
  • Programação a distância, sem necessidade de estar no chão de fábrica.

  Pode-se afirmar, que não existe uma única alternativa que possa ser definida como sendo a "solução" para todas as necessidades apresentadas pelos mais diferentes segmentos e aplicações industriais.

  No contexto da solução, um especialista representa um valioso recurso para qualquer organização. Eles podem oferecer idéias criativas, solucionar problemas difíceis ou executar eficientemente regras rotineiras. Sua contribuição pode realçar a produtividade da organização, que pode aperfeiçoar sua posição competitiva dentro do mercado [DURKIN, 1994].

1.3 Por que um Sistema de Seleção é Importante ?

  O problema complexo de selecionar Rede Industrial (RI), como mostrado na seção 1.1, se beneficiaria muito de um sistema para auxílio a tomada de decisões, o qual poderia facilitar e agilizar a seleção de uma RI, seja ela feita por um especialista ou não, o que, por sua vez, facilitaria a disseminação deste recurso (RI) nos ambientes fabris, facilitando em muito o seu processo de automação industrial.

  Um grande fator motivacional, é a importância em determinar uma RI com precisão, ou seja, uma RI cujas características são adequadas ao tipo de ambiente, caso contrário, a RI pode não funcionar corretamente, e como conseqüência disso, o sistema também pode não funcionar de acordo com as expectativas, tornando a RI inadequada a aplicação, o que inviabilizaria todo o investimento. Como resultado de uma seleção inadequada, todas as placas de comunicação dos equipamentos, bem como os demais componentes do meio físico devem ser trocados para uma nova seleção de RI, o que, com certeza, acarreta em novos custos e um grande atraso no cronograma da instalação e start

  up do sistema.

  O sistema é viável pois este procurará estabelecer uma metodologia para seleção de RI, podendo assim auxiliar um especialista na função, permitindo a este maior rapidez no processo de seleção de RI.

  Considerando que uma das aplicações da IA é a seleção de problemas não triviais, passa a ser interessante avaliar uma técnica de IA, no sentido de aplicá-la na importante tarefa de selecionar, de forma sistemática e objetiva, opções de RI dentre as inúmeras alternativas e critérios disponíveis para esta tarefa.

  Uma ferramenta de seleção colaboraria com as empresas que desejassem instalar uma RI. A existência de um sistema para seleção de RI, proporciona às empresas, uma ferramenta de trabalho capaz de determinar, sem a influência dos fabricantes de equipamentos, uma RI que atenda suas reais necessidades de implantação, com segurança no investimento.

1.4 Objetivos

  1.4.1 Objetivo Geral

  Desenvolver um Sistema Especialista de simples operacionalidade e entendibilidade, para auxílio à seleção de Redes Industriais.

  1.4.2 Objetivos Específicos

  Identificar o grau de disseminaç ão de Redes Industriais (RI) na região de Joinville, bem como a forma como estas se encontram instaladas nas empresas;

  Experimentar uma área e técnica de Inteligência Artificial (IA), no caso Sistemas Especialistas (SE), no auxílio da seleção de instalações de RI;

  Estabelecer uma arquitetura de sistema para solucionar o problema de seleç ão, considerando uma ampla gama de opções de RI;

1.5 Metodologia

  Para obter dados sobre a difusão das RI em Joinville e região, foi feito um questionário, conforme anexo A, o qual foi enviado às empresas. Caso fosse constatado um consenso sobre a RI selecionada pelas empresas, verificar-se-ia os fatores que levaram a este consenso. Como foi constatado uma diversidade de escolhas, passou-se então a catalogar as RI pelas suas características técnicas. Com este levantamento, observou-se que além da variedade de opções de RI, elas ainda continham um grau de dificuldade, pois eram caracterizadas por diversos fatores técnicos.

  Posteriormente foi feita uma pesquisa bibliográfica objetivando identificar se existia alguma solução já consagrada para auxílio à seleção de RI. Uma vez identificado que não havia uma solução já estabelecida para o problema, buscou-se utilizar técnicas modernas, capazes de solucionar problemas complexos que normalmente requerem a intervenção de especialistas. Técnicas de IA foram então consideradas, em especial SE, por considerar-se inicialmente que havia um casamento entre as proposições desta técnica com o problema em questão.

  Para confirmar que um SE auxiliaria na tarefa de seleção, foi problematizado um sistema e implementado um protótipo utilizando um SE aberto e gratuito. Em seguida foram feitos diversos testes de funcionalidade e coerência de resposta, onde eram respondidas as perguntas feitas pelo SE, o qual ao final, apresentava uma ou mais respostas. Assim, baseado nestas perguntas e respostas, comparava-se a solução apresentada pelo SE àquela que atenderia a todas as características determinadas pelas perguntas.

1.6 Organização

  O restante desta dissertação está organizado da seguinte forma: No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica, onde são introduzidos conceitos utilizados nas Redes Industriais (RI), abordando o Modelo OSI (Open Systems

  Interconnection), o qual é um modelo de referência para o desenvolvimento de padrões de comunicação de dados. As Redes Industriais são abordadas ao determinar-se a motivação do seu uso, os parâmetros comparativos das diversas tecnologias, definindo a comunicação industrial e nesta consagrando as vantagens da utilização de RI para comunicação neste ambiente. Em seguida, estas redes são caracterizadas. Ainda neste capítulo, Sistema Especialista é abordado, já que é uma área de estudo de IA. O Sistema Especialista baseado em regras é introduzido, abordando ainda a arquitetura e vantagens deste sistema.

  A seguir, no capítulo 3, é apresentada a pesquisa de campo em Joinville e região, seguido das expectativas de cada resposta. Em seguida, são apresentadas as amostras da pesquisa e seus resultados. Este capítulo trata ainda do estado da arte, onde são abordados o estudo dos sistemas de auxílio à seleção de instalações de Redes Industriais e estudo de SE para seleção.

  O capítulo 4 trata da implementação do SE, onde é descrita a arquitetura da solução e implementação do protótipo do programa especialista para seleção de Redes Industriais. Em seguida, para validar o desenvolvimento do programa e da dissertação, são apresentados testes, onde para estes, são levantados dados da aplicação e, em seguida, executado o programa. Após encontrada a solução, é feita a avaliação destes resultados.

  No capítulo 5 os resultados são discutidos, conclusões são emitidas e trabalhos futuros são propostos.

  CAPÍTULO 2

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Fundamentos de Redes

2.1.1 O Modelo OSI – Open Systems Interconnection

  Dentro de uma rede, a comunicação entre controladores e estações é possível pela utilização de um protocolo, que são regras de comunicação. No intuito de uniformizar e universalizar os padrões e modelos adotados pelos protocolos de redes, foi desenvolvido o Modelo OSI. Um modelo é um padrão que organiza os conceitos gerais ou fornece diretrizes como uma descrição facilmente compreendida. No caso de redes, o modelo descreve os serviços necessários para mover os dados de um lugar para outro. O OSI, criado pela International Organization for Standardization (ISO) em 1977, é o modelo de referência para desenvolver padrões de comunicação de dados.

  O modelo de referência OSI é formado por sete camadas, conforme figura 1. O modelo de referência OSI é apenas um padrão. Entretanto, as implementações do protocolo (compostas de hardware e/ou software) executam funções associadas a uma camada do modelo de referência do OSI. As camadas se comunicam enviando parâmetros chamados

  

service primitives de uma para as outras através de endereços predefinidos chamados

  . Embora dois protocolos possam endereçar as mesmas

  pontos de acesso aos serviços

  camadas do Modelo de Referência OSI, eles não podem trabalhar juntos. A melhor utilização do modelo é categorizar tecnologias de rede e suas implementações de protocolo [LÓPEZ, 2000].

  Figura 1 - O Modelo OSI

  a) Regras das Camadas do Modelo OSI

  • O caminho de comunicação entre o usuário e o canal de transmissão passa através das sete camadas;
  • Cada camada realiza uma função limitada de comunicação;
  • As interfaces entre as camadas são específicas. A interface define quais operações e serviços existem;
  • Cada camada oferece serviços específicos para a próxima camada. As camadas mais altas enviam um pacote consistindo de dados e demandas para serviços;
  • Um serviço representa a operação que uma camada pode realizar para a camada superior. Os serviços são realizados de acordo com um protocolo. Para o usuário de um serviço o protocolo executado não é importante;
  • Um sistema de comunicação não é obrigado a implementar as sete camadas do modelo [LOPEZ, 2000].

  b) Forma de Transmissão

  Primeiramente as camadas implementam as funções que são importantes para assegurar a transmissão da informação, distribuição para os endereços, controle da comunicação e serviços gerenciados para o usuário. O processo de comunicação entre camadas iguais é realizado com um protocolo próprio. O protocolo especifica o formato e o significado dos dados e informação de controle, e os algoritmos de acordo com os serviços executados. Assim, há sete protocolos distintos para as sete camadas do Modelo OSI.

  Se o transmissor e o receptor estão localizados em sistemas de comunicação diferentes (por exemplo, Ethernet e Token Bus), então um bridge deve ser inserido. O bridge adapta protocolos diferentes, permitindo a interação e atuando sobre as duas camadas do Modelo OSI. Quando há diferenças entre os protocolos na camada de rede (por exemplo, Token bus e X.25), uma transformação deve ser realizada nesta camada através de um roteador ou gateway. A figura 2 ilustra a comunicação entre dois sistemas abertos baseados no Modelo OSI [LÓPEZ, 2000].

  Figura 2 - Fluxo de Dados e Relações Lógicas

c) As Sete Camadas do Modelo OSI

  Na figura 2 pode-se visualizar o fluxo de dados e as relações lógicas entre as camadas.

  • Camada Física: os tópicos específicos da camada física são: tipos de conexão, topologia física, sinalização digital, sinalização analógica, sincronização de bits, uso da banda passante e multiplexação. As implementações do protocolo da camada Física do OSI coordenam as regras para a transmissão de bits [LÓPEZ, 2000]. A camada define: as estruturas de rede físicas, as especificações mecânicas e elétricas para a utilização do meio
de transmissão, como nível de tensão e corrente, a codificação de transmissão de bits e regras de sincronização. Este é o nível em que se deve tomar algumas decisões básicas a respeito de questões mecânicas e elétricas, é onde se define qual será a interface entre o terminal e dispositivo de rede. Como hardwares de conectividade de rede pode-se citar: concentradores, hubs, repetidores, conectores do meio de transmissão e modems [LÓPEZ, 2000] e [Fieldbus, 2001 - Internet].

  • Camada de Link de Dados: os tópicos específicos desta camada são: topologia lógica, acesso ao meio de transmissão, endereçamento, sincronização de transmissões e serviços de conexão. As finalidades básicas das implementações do protocolo da camada de Link de Dados são: organizar os bits da camada física em grupos lógicos de informações chamados frames ( o frame é uma série contínua de bits agrupados como uma unidade de dados), detectar e corrigir erros, controlar o fluxo de dados, identificar os dispositivos da rede. Esta camada especifica quais unidades de mensagens serão enviadas (pacotes ou frame), seu formato, e como elas acessarão a rede. Cada pacote recebe um código de endereço e uma soma de verificação para detecção de erros. Geralmente, a tarefa dessa camada é assegurar que as transmissões ocorram sem erros. Como na maioria das outras camadas ela acrescenta suas próprias informações de controle à frente do pacote de dados. Estas podem incluir um endereço de origem e destino (hardware), informações sobre o tamanho do frame e uma indicação dos protocolos da camada superior envolvidos. As funções da camada de Link de Dados são normalmente divididas entre as seguintes subcamadas:
    • compartilham um único canal de transmissão.

  Media Access Control (MAC): controla o modo como os transmissores

  • frames de um dispositivo para outro.

  Logical Link Control (LLC): estabelece e mantém a ligação da transmissão dos

  • Camada de Rede: como tópicos específicos desta camada temos: endereçamento, comutação, descoberta de rota, seleção de rota, serviços de conexão e serviços de gateway. Esta camada define a rota e o processo pelo qual os dados se movem pela rede. Também é a camada em que a rede decide como realizará certas funções de gerenciamento, tais como enviar mensagens de status para os nós e regular o fluxo de pacotes. A função principal da camada é mover os dados para localizações específicas.

  O endereçamento da camada de Link de Dados envia dados para todos os dispositivos conectados a uma única rede e depende dos dispositivos receptores para determinar se os dados foram destinados aos mesmos. De forma inversa, a camada de Rede pode escolher uma rota específica em uma rede interligada e impedir que os dados sejam enviados às redes não envolvidas [LÓPEZ, 2000].

  • Camada de Transporte: esta camada inclui: endereçamento, desenvolvimento de segmentos, serviços de conexão e resolução de endereço/nome. Esta camada oculta a complexidade da estrutura da rede para o processo da camada superior. Ela organiza mensagens de nível mais alto em segmentos e entrega-os à camada de Sessão ou aos processos superiores da própria camada. Nesse nível, é configurada a distribuição dos endereços dos nós, bem como os métodos de detecção de erros e recuperação.

  A camada de Transporte normalmente compensa a falta de serviços de conexão confiáveis e orientados por conexão nas camadas inferiores. Caso um cabo parta, esta camada não garantirá que os dados sejam enviados, mas as implementações de protocolo podem normalmente confirmar ou negar o envio dos dados. Se os dados não forem enviados corretamente ao dispositivo receptor, a camada de Transporte pode iniciar a retransmissão ou informar as camadas superiores. Essas camadas podem, então, tomar as devidas providências para corrigir o problema ou oferecer opções para a correção [LÓPEZ, 2000].

  • Camada de Sessão: esta inclui tópicos de controle de diálogo e administração da sessão. A camada de Sessão define como as conexões são estabelecidas e desfeitas e como os dados são trocados na rede, facilitando a comunicação entre fornecedores e solicitantes de serviços. As sessões de comunicação são controladas através de mecanismos que estabelecem, mantêm, sincronizam e gerenciam o diálogo entre dispositivos de comunicação. Esta camada também ajuda as camadas superiores a identificar e se conectar aos serviços disponíveis na rede [LÓPEZ, 2000].
  • Camada de Apresentação: os tópicos específicos desta camada incluem: conversão e criptografia. Esta camada define a sintaxe, transformações e formatação dos dados. Quando a sintaxe e o formato de uma aplicação diferirem da sintaxe e formatação do pacote conforme ele trafega através da rede, esta camada define como as diferenças são traduzidas [LÓPEZ, 2000].
  • Camada de Aplicação: inclui tópicos relacionados com a divulgação de serviços e uso do serviço. A camada de Aplicação inclui todos os tópicos e funções específicas para cada serviço de rede. Logo, as seis camadas inferiores incluem tarefas e tecnologias que suportam os serviços de rede, enquanto a camada de Aplicação fornece os protocolos necessários para realizar as funções específicas dos serviços de rede. Este é o nível final que define como os aplicativos entram no Modelo OSI para a transmissão [LÓPEZ, 2000].

d) Elementos de Comunicação

  Em uma rede de comunicação de um certo tamanho, não é suficiente conectar nós com um cabo, mas torna-se necessário inserir circuitos para isolar porções da rede, para melhorar suas características. Em outros casos, o barramento precisa ser conectado a outros sistemas de comunicação, que requerem equipamentos adicionais.

  • Repetidor: ou amplificador, é o aparelho para realçar sinais elétricos, para permitir a eles viajarem distancias maiores entre os nós e conectar um número maior de nós à rede. Também possibilita adaptar diferentes meios físicos um ao outro – tal como um RS 485 a uma fibra ótica. De acordo com o modelo OSI, este aparelho codifica e decodifica sinais somente na camada física. Uma simples modificação de um repetidor transforma-o em um splitter. Este é um a aparelho de amplificação com vários conectores, que recebem o sinal em uma porta e transmite este para todos os outros. O repetidor e o splitter podem ser observados nas figuras 3 e 4 [Fieldbus, 2001 - Internet]. Figura 3 - Repetidor
Figura 4 - Splitter

  • Bridge: um bridge pertence a ambas as camadas 1 e 2 do modelo OSI. Isto permite a conexão entre duas diferentes sessões da rede que possuem diferentes características elétricas e de codificação. Em particular, um bridge pode unir duas redes diferentes, assim permitindo as aplicações distribuir através das redes e comunicar. Entretanto, a melhor performance da rede sofre, pois esta precisa emular a mais baixa performance. Um bridge não é “inteligente” e por isso, para uma mensagem vindo de um sistema, este retransmite uma versão equivalente na outra sem alguma interpretação a mais. Na figura 5 temos um bridge inserido em uma rede [Fieldbus, 2001 - Internet]. Figura 5 – Bridge
  • Roteador: um roteador desvia as estruturas de comunicação entre diferentes segmentos de rede, definindo o caminho. Para fazer isto, precisa interpretar sinais para cima da camada 3 do modelo OSI. Pode ser visto na figura 6 [Fieldbus, 2001 - Internet].
Figura 6 - Roteador

  • Gateway: conforme a figura 7, um gateway é algo como um bridge com inteligência suficiente para decodificar sinais até a camada de aplicação do modelo OSI. Este aparelho permite a conexão de barramentos de diferentes tipos e características, onde aplicações podem se comunicar através do gateway. Graças aos seus recursos e ao fato de poder ser facilmente configurado, é capaz de otimizar a comunicação em ambos os lados. Este tipo de aparelho, ao contrario da sua importância, é um tanto raro, talvez devido a sua complexidade e mercado limitado [Fieldbus, 2001 - Internet]. Figura 7 - Gateway

e) Topologia de Rede A estrutura física completa do meio de transmissão é chamada de topologia física.

  Quando um grande número de nós precisa ser conectado, a questão da topologia de rede deve ser observada. Topologia nada mais é que a forma da rede, baseada em elementos de comunicação e nós, bem como no tipo de conexão. A seguir estão as topologias físicas mais comuns.

  • Topologia de Anel: conforme a figura 8, cada dispositivo se conecta diretamente ao anel, através de interface e cabo trançado. Os sinais são passados de um dispositivo a outro em apenas uma direção, onde cada dispositivo incorpora um receptor no cabo de chegada e um transmissor no cabo de saída [LÓPEZ, 2000]. O nó cuidará de repetir o sinal recebido e adicionar a este sua própria informação quando necessário [Fieldbus, 2001 - Internet]. Figura 8 - Topologia de anel

  Esta estrutura tem duas vantagens principais: primeiro, a degradação do sinal é mínima, pois este é “refrescado” a cada nó, portanto grandes distâncias podem ser cobertas; segundo, o sentido unidirecional é ideal para fibras ópticas, onde cada segmento da rede se parece com uma conexão ponto-a-ponto em uma única direção. Isto garante uma segurança considerável em redes.

  Entretanto há duas desvantagens que não podem ser ignoradas: não é possível aumentar a rede enquanto estiver comunicando, porque isto quebraria a rede; similarmente, em caso de falha, quando se usa loop simples, todos os dispositivos são afetados, mas a localização é fácil. O loop duplo (redundante em caso de falha) tem dois anéis separados fisicamente e cada transmissão é feita em uma direção diferente.

  • Topologia de Estrela: como pode ser observado na figura 9, esta topologia é baseada em um nó com funções especiais – tal como um master – o qual funciona como ponto central para conexões bidirecionais para cada nó; cada dispositivo da rede é conectado através de uma ligação ponto-a-ponto ao dispositivo central. Esse tipo de topologia pode ser utilizado em outras estrelas para formar topologias de rede hierárquica
ou em forma de árvore [LÓPEZ, 2000]. Esta estrutura permite adicionar mais nós sem interromper o funcionamento da rede. A falha de um componente não põe em risco o funcionamento da rede e a localização da falha é fácil. Entretanto a centralização de conexões requer um grande número de cabos, não permitindo cobrir grandes distâncias [Introducción a Profibus, 2000 - Internet].

  Figura 9 - Topologia de Estrela

  • Topologia de Árvore: a estrutura de árvores possui vantagens e desvantagens situando-se entre as duas topologias anteriores. A princípio, uma árvore permite bifurcação, tornando-se parecida a uma estrutura estrela, mas ao mesmo tempo muitos nós podem ser conectados em série em um ramal. Por outro lado, a forma ideal de uma árvore é aquela de um único ramal, que se parece como um anel, entretanto os nós, diferente de um anel, estão em paralelo ao invés de em série, onde uma falha em um nó não põe os outros fora de serviço. Esta é a topologia mais popular para “fieldbus“, com tipicamente, conexões físicas tipo RS 485 [Fieldbus, 2001 – Internet]. Esta topologia pode ser vista na figura 10. Figura 10 - Topologia de Árvore
  • Topologia de Barramento: usa normalmente um cabo longo chamado backbone; os dispositivos são conectados ao backbone usando conectores em forma de T. O backbone é terminado nas extremidades. A maioria das topologias de barramento permitem que os sinais trafeguem nas duas direções e possuem restrição de distância e número de bifurcações para manter a integridade do sinal. Em caso de falha, todos os dispositivos são afetados e a localização é difícil.

  • Topologia de Malha: possui conexão ponto-a-ponto entre cada dispositivo da rede; cada dispositivo necessita de interface com todos os outros da rede. Em caso de falha, a rede total continua em operação e a localização é fácil.

2.1.2 Redes Industriais

a) Comunicação na Automação Industrial

  Em uma empresa coexistem uma série de equipamentos e dispositivos dedicados ao controle de máquinas ou uma parte fechada de um processo. Entre estes dispositivos estão os controladores lógicos programáveis (CLP), os programadores de gestão, sensores, atuadores, etc. O desenvolvimento das Redes Industriais estabeleceu uma forma de unir todos estes dispositivos, aumentando o rendimento e proporcionando novas possibilidades [Introducción a Profibus, 2000 - Internet].

  As redes de comunicação industriais tem como objetivo fundamental a comunicação de dados aplicados no âmbito industrial, bem como, a integração de informações entre os diversos elementos que compõe o sistema de automação. Utilizando como base a pirâmide de Automação e Integração da Manufatura "CIM" (Computer Integrated Manufacturing) de acordo com a figura 11, podemos identificar 5 níveis de dispositivos e equipamentos que compõem um sistema de automação completo.

  • Nível 0. Caracterizado pelos dispositivos que interagem diretamente com o processo, tais como sensores e atuadores, possui baixo volume de dados e elevada dinâmica;
  • Nível 1. Onde se localizam as unidades de controle com estruturas de dados completas e grande interação entre dispositivos;
Figura 11 - Pirâmide CIM

  • Nível 2. Composto por equipamentos de supervisão, predomina maior concentração de dados intercambiados em base eventual ou cíclica;
  • Nível 3. São os sistemas de gestão da produção com grandes quantidades de dados;
  • Nível 4. Caracterizado por sistemas corporativos com volumes maciços de dados, utilizando recursos de multimídia.

  Esta estrutura não é universal e, haverá casos em que conste um número maior ou menor de níveis, dependendo do tamanho do processo e da própria industria [Introducción a Profibus, 2000 - Internet].

  Em uma rede industrial coexistem equipamentos e dispositivos de todo tipo, os quais agrupam-se hierarquicamente para estabelecer conexões mais adequadas a cada área. Uma outra estrutura pode ser vista na figura 12.

  Desta forma pode-se definir quatro níveis dentro de uma Rede Industrial, onde utilizaremos novamente a pirâmide para identificá-los:

  • Nível de E/S - (Sensor Bus): é o nível mais próximo do processo. Aqui estão os sensores e atuadores, encarregados de manejar o processo produtivo e tomar as medidas necessárias para a correta automação e supervisão. Possui características determinística e
tempo de resposta extremamente curto. Ex. AS-i, Seriplex [Protocolos de Redes Industriais, 2000 – Internet]; Figura 12 - Níveis em uma rede industrial

  • Nível de campo e processo – (Device Bus): se encarrega da integração de pequenas automações (CLPs compactos, multiplexadores de E/S, controladores PID, etc) dentro de subredes ou “ilhas”. No nível mais alto destas redes pode-se encontrar CLPs modulares, atuando como mestres da rede ou mestres flutuantes. Neste nível se emprega Bus de campo [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Possui perfil determinístico e alta performance, orientada para a distribuição dos automatismos (dispositivos de controle) e seus periféricos, com íntima relação com unidades centrais de processamento. Ex. Device Net, Device, Word Fip, Interbus-S, Profibus-DP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Nível de controle – (Field Bus): se encarrega de enlaçar e dirigir as distintas zonas de trabalho. Neste nível é que se situam os CLPs com funções de controle e PCs com softwares supervisórios, controle de qualidade, programação, etc. Empregam uma rede do tipo LAN [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Dotada de estruturas de dados mais completas e alta performance aplicada na comunicação entre dispositivos inteligentes. Ex.
Fieldbus Foundation, Fieldbus Word Fip, ModBus, Profibus [Introducción a Profibus, 2000 - Internet];

  • Nível de gestão - (Data Bus): é o nível mais elevado e se encarrega de integrar os níveis seguintes em uma estrutura de fábrica, e incluso de múltiplas f ábricas. As máquinas aqui conectadas são estações de trabalho que servem de ponte entre o processo produtivo e a área de gestão, na qual se supervisiona as vendas, estoques, etc. Emprega-se uma rede do tipo LAN (Local Area Network) ou WAN (Wide Area Network) [Introducción a Profibus, 2000 - Internet]. Tem capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não crítico, destinado ao domínio da informática industrial. Ex. Ethernet, TCP/IP, MAP [Protocolos de Redes Industriais, 2000 – Internet].

  A maioria das redes de comunicação existentes no mercado procuraram atender a demanda existente na automação de escritórios. A grande maioria destas redes são baseadas no protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), com o qual se iniciaram os desenvolvimentos de redes locais (LANs, Local Area Networks) [STEMMER, 2001].

  A comunicação de dados em ambiente industrial apresenta, no entanto, características e necessidades que tornam a maioria das redes para automação de escritório inadequadas. Segundo STEMMER (2001), algumas destas características são:

  • Ambiente hostil para operação dos equipamentos (perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, etc.);
  • A troca de informações se dá, na maioria das vezes, entre equipamentos e não entre um operador humano e o equipamento;
  • Os tempos de resposta e a segurança dos dados são críticos em diversas situações; uma grande quantidade de equipamentos pode estar conectada na rede, o que torna a questão de custos muito importante [STEMMER, 2001].

  Em função das características de comunicação necessárias para interligar os níveis de dispositivos e equipamentos dentro do CIM, surgiram os quatro níveis de RI.

b) Parâmetros Comparativos das Diversas Tecnologias

  Um modelo “abrangente” para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial é o de três níveis diferentes de “requisitos”:

  • Nível de informação: caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática;
  • Nível de automação e controle: caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de naturezas diversas. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos;
  • Nível de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientado a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis superiores;

  Normalmente uma única rede de comunicação local não poderá atender todos os três níveis, havendo em geral, a implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede, é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de transmissão. Conclui-se que não adianta comunicar a altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes.

  A camada de enlace, discutida no item 2.1.1.c, responsável pelo mecanismo de entrega de pacotes, tem sido implementada tradicionalmente em redes industrias com a estrutura origem/destino. Essa implementação agrega a cada mensagem enviada o endereço da estação de destino.

  Observa-se que esta implementação, em determinadas circunstâncias, pode ser ineficiente: suponha que um mesmo dado deve ser transmitido a vários nós de uma mesma rede. O dispositivo que está transmitindo este dado deverá emitir uma mensagem com ambos endereços origem/destino para cada nó que deva receber tal mensagem. Portanto, aumentando o tráfego da rede e constituindo uma operação repetitiva em conter sempre o endereço do dispositivo a ser enviado tal mensagem. Além disso, caso haja necessidade de sincronizar vários dispositivos pertencentes a uma mesma rede, haverá alguma dificuldade em fazer tal sincronismo, uma vez que, ao ser necessário mandar mensagens consecutivas a todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse instante de sincronismo.

  Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar a camada de enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementação está baseada no conceito de que alguns dispositivos são produtores de informações e outros são consumidores dessas. Nessa implementação, quando um produtor disponibiliza sua informação, esta é colocada na rede e disponibilizada para todos os dispositivos que sejam seus consumidores ao mesmo tempo, reduzindo o número de mensagens a serem emitidas, bem como reduzindo o próprio comprimento da mensagem, uma vez que não será necessário incluir ambos endereços de remetente e destinatário, sendo necessário tão somente identificar a informação a ser transmitida. Logo, o modelo produtor/consumidor, empregado nas redes de mercado mais recentes como Foundation Fieldbus, WorldFIP, ControlNet e DeviceNet, apresentam um modelo de rede eficiente, quanto a maximização de troca de dados, além de se ter um aumento da flexibilidade da rede.

c) Características Básicas das Redes Industriais

  Serão listadas agora as características que identificam de forma única uma determinada RI:

  c.1 Confiabilidade

  O conceito de confiabilidade está baseado na capacidade da rede em garantir o transporte de dados em tempo compatível e a idoneidade das informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais fatores que influenciam na confiabilidade:

  • Concepção Determinística : Identifica a capacidade da rede em garantir a

  disponibilidade de informações entre seus integrantes em tempo determinado [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];

  • Tratamento de Erros: Caracteriza a capacidade da rede em identificar e tratar erros ocorridos no intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Imunidade Elétrica (EMI/RFI): Deve conferir a rede características de isolação e susceptibilidade eletromagnética compatíveis com o ambiente industrial [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.2 Performance

  A performance identifica a eficiência e a eficácia da rede como instrumento de intercâmbio de informações [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Principais fatores que caracterizam a performance:

  • Tempo de Resposta: Identifica o tempo consumido pela rede para transferir informações. Não é velocidade de comunicação. O tempo de resposta considera medidas como taxa de transferência de informações (troughtput) sem o envelope, e o tempo de ciclo (que identifica o tempo total para o intercâmbio de informações da rede) [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Método de Acesso: Define como é gerido o uso da rede por seus integrantes, como acesso livre, query response e filosofia compartilhada [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.3 Capacidade Operacional

  Os recursos disponíveis para a efetivação da comunicação de dados em uma aplicação, compõem a capacidade operacional da rede [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet]. Fatores que definem a capacidade operacional da Rede

  • Quantidade de integrantes: Determina o número de elementos que podem ser interligados na rede de comunicação de forma simultânea [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Área de cobertura: Especifica a abrangência física da rede em termos de distância

  máxima [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];

  • Topologia: Define a adaptação geográfica da rede aonde a mesma será implantada. Ex. Anel, Barramento, Estrela, Árvore [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.4 Protocolo de Comunicação

  Considerado o principal elemento tecnológico das redes de comunicação, ao qual se associam todas as características operacionais [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.5 Funcionalidade

  À funcionalidade estão relacionados fatores como a implementação e a utilização da rede de comunicação [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  • Instalação: A implantação da rede e todos seus constituintes de maneira simples, facilita sua colocação em operação e reduz a probabilidade de erros [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Programação: Devido a característica inteligente da rede e seus integrantes, se faz necessário o processo de parametrização para seu correto funcionamento [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];

  Expansão

  • : Exprime a capacidade de se expandir a rede, devido à evolução natural

  dos sistemas de forma a acompanhar as necessidades da industria [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.6 Fatores Econômicos

  A fim de conduzir a uma estratégia factível, é necessário considerar os fatores econômicos que envolvem a adoção de uma rede de comunicação industrial [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  c.7 Custos

  O custo de uma rede é dividido entre o custo de todo o desenvolvimento da instalação, os custos das interfaces para os mais diversos equipamentos, além da manutenção da RI [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

  • Custo de desenvolvimento: Apesar de não ser considerado na análise econômica, o custo pode influenciar significativamente no resultado final [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];
  • Custos de interfaces: Os componentes como, cabo, conectores, caixas de

  passagem, caixas de derivação, roteadores, repetidores, estações remotas e etc, devem ser considerados a fim de relevar o valor associado com a rede isoladamente [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet];

  • Custo de manutenção: A maneira com o qual a rede deve ser tratada para corrigir situações de falha, podem representar tempos de paradas excessivas, o que leva a perdas de produção ou danos irreversíveis ao processo [Protocolos de Redes Industriais, 2000 - Internet].

d) Aspectos Tecnológicos Básicos

  Os aspectos tecnológicos básicos discutidos nas seções que seguem diferenciam as redes locais para aplicações industriais das demais redes [STEMMER, 2001].

  d.1 Comportamento Temporal d.1.1 Introdução à Comunicação Tempo Real

  As redes de difusão, ou seja, aquelas que levam em conta as possibilidades de descentralização do controle da comunicação, apresentam aspectos interessantes que as tornam uma solução bastante adequada aos requisitos de comunicação industrial. Um problema importante na utilização das redes de difusão é o método de acesso ao meio (que é compartilhado) pois, uma vez que vários equipamentos deverão trocar informações num dado instante, a decisão de quem vai ter o direito de uso do meio para o envio de uma mensagem não é uma tarefa evidente. Os protocolos de acesso ao meio tem papel fundamental no tempo de entrega de uma mensagem via rede. Como veremos a seguir, este tempo é importante para aplicações com características de tempo real (TR) [STEMMER, 2001].

  Segundo THOMESSE (1999), a exigência de comunicação em aplicações que envolvem controladores de máquinas de produção, sistemas de transporte, controle entre outras, podem ser caracterizadas pelo tempo crítico e freqüência de transmissão dos dados. Nestas aplicações existem dados com uma validade temporal limitada. O tempo de resposta de todas as atividades envolvidas (produção, transmissão, consumo, computação, ...) no processamento, precisam ser pequenos, arranjados em ordem para eficientemente monitorar e controlar a correta operação do processo de manufatura e a qualidade dos produtos. Estes dados são chamados dados críticos e são referidos como dados em tempo real.

  Um Sistema Tempo-Real é um sistema computacional para o qual é requerida uma reação a estímulos (físicos ou lógicos) oriundos do ambiente dentro de intervalos de tempo impostos pelo próprio ambiente (figura 13). A correção não depende somente dos resultados lógicos obtidos, mas também do instante no qual são produzidos [STEMMER, 2001].

  Figura 13 - Sistema Tempo Real e seu Ambiente A arquitetura de sistemas computacionais utilizados para controle e supervisão de processos industriais em tempo real tem apresentado nos últimos anos uma clara tendência para a distribuição das funções de controle, como ilustrado na figura 14 [STEMMER, 2001].

  Figura 14 - Arquitetura distribuída de um sistema tempo real Em aplicações tempo real, é importante poder determinar o comportamento temporal do sistema de comunicação envolvido. As mensagens em sistemas TR podem ter restrições temporais associadas e podem ser classificadas em:

  Periódicas: tem que ser enviadas em intervalos conhecidos e fixos de tempo. Ex.: mensagens ligadas as malhas de controle. Esporádicas: mensagens sem período fixo, mas que tem intervalo de tempo mínimo entre duas emissões consecutivas. Ex.: pedidos de status, pedidos de emissão de relatórios.

  Aperiódicas: tem que ser enviadas a qualquer momento, sem período nem previsão. Ex.: alarmes em caso de falhas [STEMMER, 2001]. Do ponto de vista da programação distribuída, o meio de transmissão (o barramento) constitui um recurso compartilhado entre as estações a ele conectadas. Os métodos de definição de direito de acesso utilizados nas redes locais são os denominados protocolos de acesso ao meio. O problema de comunicação em tempo real tem forte ligação com o tipo de protocolo de acesso ao meio adotado. A figura 15 ilustra a problemática aqui discutida. Suponha que desejamos transmitir 5 mensagens diferentes originadas de 5 estações na rede. Cada mensagem tem um tempo limite de entrega associado a ela, aqui denominado deadline. Cada estação tem seu endereço na rede, também indicado na figura [STEMMER, 2001].

  Figura 15 - A problemática da comunicação tempo real As mensagens pendentes em cada estação devem ser entregues a seu destino antes de um prazo limite (deadline) associado. Assim, o problema de comunicação tempo real fica sendo o seguinte: como organizar as filas locais de mensagens pendentes, de forma que a mais prioritária seja colocada na cabeça da fila? como definir concessão do direito de acesso ao meio de forma a garantir que a mensagem mais prioritária do conjunto de estações seja enviada primeiro e todas as mensagens sejam entregues antes de seu deadline? [STEMMER, 2001].

  O protocolo MAC utilizado precisa garantir rápido acesso ao barramento para mensagens esporádicas de alta prioridade. Ele deve também atender mensagens periódicas com a maior eficiência possível, respeitando seus deadlines [STEMMER, 2001].

  Isto implica em que o sistema deve ter comportamento determinista (isto é, seu tempo de reação deve ser conhecido) e, idealmente, permitir escalonamento ótimo global de mensagens. Para tal, o LLC (Controle Lógico de Enlace) deve escalonar mensagens locais pendentes por deadline ou prioridade associada [STEMMER, 2001].

  Para garantir um melhor desempenho temporal do sistema, é usual utilizar-se em sistemas tempo real uma arquitetura de software com apenas três camadas, com a camada de enlace subdividida em Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Controle Lógico de Enlace (LLC), conforme mostrado na figura 16 [STEMMER, 2001]. Figura 16 - Arquitetura para sistemas tempo real

  d.1.2 Abordagens para Comunicação Tempo Real

  A definição de um protocolo determinístico de acesso ao meio ainda não resolve completamente a questão da comunicação em tempo real. A solução global do problema da comunicação em tempo real inclui a realização de um escalonamento das mensagens. A exemplo do que se faz em sistemas multitarefas, onde processos concorrentes são escalonados segundo vários critérios de forma a definir qual deles terá acesso ao processador em um dado momento, aqui deve ser realizado um escalonamento de mensagens de forma a definir qual delas terá acesso ao meio de comunicação em um dado momento [STEMMER, 2001].

  A tabela 1 apresenta de forma resumida algumas soluções apresentadas na literatura para a problemática da comunicação em tempo real. TABELA 1 Ố ABORDAGENS PARA COMUNICAđấO TEMPO REAL Abordagem Requisitos Ex. de Protocolos Atribuição de Prioridades MAC com resolução de Token-Ring c/ Pr. com teste de prioridades

  Dif. Atrasos escalonabilidade Off-line Comp. Preâmbulo

  (em tempo de projeto) Forcing Headers (CSMA/CA)

  Circuito Virtual TR com MAC com tempo de acesso TDMA escalonamento On-line de ao meio limitado Token-Passing mensagens Waiting Room CSMA/DCR

  Reserva com escalonamento Requer cópias locais de todas global as filas de mensagens, PODA difundidas em “slots times” de reserva

  Uma abordagem proposta é a atribuição de prioridades fixas às mensagens e a realização de um teste off-line de escalonabilidade sobre o conjunto. Neste caso, o protocolo MAC tem que ser capaz de distinguir prioridades e enviar primeiramente a mensagem mais prioritária entre todas as estações. Exemplos de protocolos adequados neste caso seriam CSMA/CA ou Comprimento de Preâmbulo [STEMMER, 2001].

  Outra proposta seria a realização de um escalonamento on-line das mensagens. O MAC utilizado deve apenas ter um tempo de transmissão limitado. Outra classe de soluções são os chamados protocolos de reserva, baseados em conhecimentos globais do sistema, isto é, cada estação sabe que mensagens estão pendentes nas demais estações. Para isto, é necessário que o estado das filas locais seja transmitido às demais estações em intervalos de tempo (time slots) reservados para este fim. [STEMMER, 2001].

  A camada de enlace de uma rede para tempo real deve prover ao usuário ou ao software da camada logo acima um conjunto mínimo de serviços, tais como:

  • Serviços sem conexão:

  SEND (identificação do receptor, mensagem, requisitos Tempo Real); Mensagem = RECEIVE (emissor);

  Os requisitos Tempo Real podem ser expressos sob a forma de uma prioridade ou

  • Serviços com conexão:

  Rtcid = CONNECT (receptor, requistos TR); SEND (rtcid, mensagem); Mensagem = RECEIVE (rtcid); DISCONNECT (rtcid)

  Aqui, “rtcid” significa “real time connection identifier”, isto é, um identificador para a conexão.

  d.2 Confiabilidade

  Em aplicações industriais onde são transmitidos muitos códigos de comando, leitura de medidores e comando de atuadores, um erro de um Bit qualquer poder ter conseqüências desastrosas. A transferência de programas para máquinas de Comando Numérico, por exemplo, exige um sistema altamente confiável, pois são transmitidos códigos de comando cuja mínima alteração pode produzir danos de elevado custo. Desta forma, redes industriais de comunicação tem que oferecer uma elevada confiabilidade [STEMMER, 2001].

  Para aumentar esta confiabilidade nas mensagens transmitidas, normalmente é usado um teste cíclico de redundância (CRC – Cyclical Redundance Check). Em sistemas que necessitem de uma operação contínua, pode ser utilizado um meio de transmissão e estações de controle redundantes. Além disso, os cabos utilizados em geral são blindados [STEMMER, 2001].

  d.3 Requisitos do Meio Ambiente

  Devido às características do ambiente industrial, a presença de perturbações eletromagnéticas, provocadas principalmente pelos acionamentos de motores elétricos de grande porte ou outras fontes chaveadas (estações de solda, conversores estáticos, etc.), não pode ser desprezada na escolha do meio de transmissão de uma rede de comunicação [STEMMER, 2001].

  Para a definição do meio físico de transmissão e do protocolo de comunicação, estas características devem ser consideradas. O meio de transmissão deve possuir uma boa resistência mecânica e deve estar eletricamente isolado.

  O meio físico a ser adotado não depende apenas de aspectos técnicos mas também (e muito especialmente no chão de fábrica) do aspecto de custo. Cabos coaxiais são menos afetados por perturbações eletromagnéticas do que o par trançado. No entanto, o custo do cabo coaxial é superior ao do par trançado. Além disso, barramentos construídos com cabo coaxial e conectores T requerem resistências terminais (“terminadores”) para a correta operação da rede. Isto é necessário para evitar ressonâncias ou ecos, onde o sinal propagado na rede retorna sobre si mesmo. Se o cabo for aberto em qualquer ponto da fábrica, a rede cai [STEMMER, 2001].

  Futuramente, a adoção de fibras óticas poderá vir a ser a melhor solução tanto do ponto de vista técnico quanto econômico. Atualmente ainda há dificuldades na realização de bifurcações com este meio físico, sendo necessárias as conexões em T usadas em redes com topologia em barramento, de modo que as fibras óticas são mais utilizados em sistemas com topologia em estrela ou anel. A realização de bifurcações tem alcançado melhores resultados adotando acopladores ativos (com eletrônica adicional para conversão do sinal ótico em elétrico e vice-versa nos pontos de derivação). Vem sendo realizados também trabalhos para a realização de bifurcações passivas, baseadas em prismas. Tanto as bifurcações ativas quanto as passivas encarecem a conexão, o que torna a solução antieconômica para o nível de chão de fábrica. Uma solução que vem ganhando terreno é o uso de Hubs, que emulam um barramento para as placas mas que efetivamente atuam como estações concentradoras. Transformando a topologia física em estrela, o que permite o uso de fibras óticas sem a necessidade de bifurcações. Com fibras óticas, além disso,

  9

  pode-se trabalhar com freqüências da ordem de vários GigaBaud (10 bits por segundo), o que permitiria uma melhoria de performance do sistema de comunicação (esta, no entanto, não é a vantagem chave da fibra ótica em redes locais industriais, pois o gargalo em termos de tempo de transmissão não está na camada física, como veremos a seguir) [STEMMER, 2001]. A figura 17 apresenta uma comparação sumária entre os três tipos de meio.

  Figura 17 - Meios de transmissão Atualmente, a melhor solução para o chão de fábrica ainda é o par trançado. A fibra

  ótica será certamente a melhor solução em futuro próximo, já existindo hoje diversas aplicações industriais bem sucedidas.

  d.4 Tipos de Mensagens e Volume de Informações

  Nos níveis hierárquicos superiores de automação (por exemplo, a nível de planejamento) são freqüentemente trocados pacotes de vários Kbytes, que requerem tempos de transmissão variando de alguns segundos até vários minutos. Nas aplicações mais próximas ao processo, normalmente são enviadas mensagens curtas, tais como:

  Comando para ligar ou desligar uma unidade (basta um bit); Comando para fazer a leitura de um sensor / medidor (bastam 8, 12 ou 16 bits, conforme a resolução do conversor A/D utilizado); Comando para alterar o estado de um atuador (idem acima); Comando para verificar o estado de uma chave ou relê (basta um bit).

  Estas operações podem ser feitas normalmente com um único quadro de comando acrescido dos respectivos dados, quando existirem. Para dispositivos programáveis encontrados no ambiente industrial (Controladores

  Lógicos Programáveis, Comandos Numéricos Computadorizados, Comandos de Robô, etc.), normalmente é necessário o envio de programas no início da produção de um lote, que caracterizam mensagens maiores do que as referidas anteriormente. No entanto, estes programas raramente ultrapassam 10 Kbytes em tamanho e dificilmente são utilizados mais de 3 programas por unidade de fabricação durante um turno de trabalho.

  Como conseqüência, uma taxa de transmissão de dados relativamente baixa a nível da camada física atende as necessidades de comunicação na maioria dos casos (1 Mbps é quase sempre suficiente). Por outro lado, tem-se uma elevada taxa de ocupação do barramento, com um grande número de mensagens sendo trocadas constantemente. Deve- se portanto evitar mensagens grandes, que podem monopolizar o meio de transmissão por um tempo muito longo [STEMMER, 2001].

e) Projetos de Padronização de Redes Industriais

  As exigências de comunicação entre unidades para a integração flexível dos sistemas de automação, descritas nos itens anteriores, evidenciam a necessidade de uma especificação de redes locais para aplicações industriais diferente daquela adotada em automação de escritório. Existem diversas redes proprietárias para ambiente fabril, desenvolvidas por grandes empresas e que normalmente utilizam um protocolo específico desenvolvido pelo próprio fabricante. Estas redes nem sempre permitem a interligação de equipamentos de outros fabricantes. Desta forma, o usuário fica na total dependência de um único fornecedor [STEMMER, 2001].

  A arquitetura das redes de comunicação industrial deve integrar sistemas heterogêneos de diferentes fabricantes, suportando tanto a operação de chão de fábrica quanto as funções de apoio à produção. A definição de padrões de protocolo de comunicação e a sua adoção por diferentes fabricantes permitiria a interconexão (interoperabilidade) e até mesmo a intercambiabilidade das várias unidades de processamento (neste caso, equipamentos produzidos por fabricantes diferentes podem ser facilmente incorporados a instalação, simplesmente conectando-os ao sistema de comunicação). Entre as diversas iniciativas de padronização para redes industriais, pode-se destacar: Projeto PROWAY, Projeto IEEE 802, Projeto MAP (incluindo MAP/EPA e MINI-MAP), Projeto TOP e Projeto FIELDBUS [STEMMER, 2001].

  A princípio, seria dada ênfase no estudo dos projetos de padronização das redes industriais, acreditando que as diversas redes industriais hoje existentes no mercado fariam parte de um dos vários projetos de padronização de redes industriais que surgiram. Entretanto, constatou-se que esta não é a realidade, pois cada projeto de padronização originou sua própria rede industrial e todas as demais redes não fazem parte destes projetos, onde estas redes em alguns casos, buscaram no máximo características destes projetos que melhor lhe convieram [STEMMER, 2001].

f) Sistemas de Fieldbus

  Também a partir dos vários projetos de padronização, surgiram diversos Sistemas de Fieldbus, compostos pelas redes industriais, como Profibus DP, PA e FMS, Foundation Fieldbus, entre outras.

  A proposta FIP (“Factory Instrumentation Protocol”) foi elaborada por um conjunto de empresas européias (Telemecanique, CEGELEC, CGEE Alsthom), órgãos do governo francês e centros de pesquisa conglomerados em torno do chamado “Club FIP”. A proposta procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por um grande número de aplicações a nível de chão de fábrica. Definiu-se um modelo de transmissão “produtor-consumidor, que difere das soluções mais usualmente encontradas em redes locais. Para este fieldbus existem “chips” integrados que implementam as funções das três camadas (FIPART, FULLFIP) [STEMMER, 2001].

  Da proposta FIP de padronização, surgiu a rede industrial WORLDFIP, a qual tem sido mais utilizada na área química. A proposta PROFIBUS (“Process Field Bus”) foi desenvolvida na Alemanha, inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller, em 1987. Em

  1988 tornou-se um “Trial Use Standard” no contexto da norma DIN (DIN 19245, parte 1), que define as camadas física e enlace. Posteriormente, um grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações nas camadas física e enlace e definiram a camada de aplicação (norma DIN 19245, parte 2). O PROFIBUS representa a proposta alemã para a padronização internacional do fieldbus. Esta proposta é atualmente apoiada por cerca de 110 empresas européias e internacionais (Siemens, ABB, AEG, Bosch, entre outras). Em 1996 tornou-se um padrão da comunidade européia, sob a designação EN50170 [STEMMER, 2001].

  Como as demais redes fieldbus para aplicações industriais, para atender aos requisitos de tempo de resposta, o PROFIBUS implementa o modelo de referência

  ISO/OSI reduzido a três camadas (1,2 e 7).

  Da proposta PROFIBUS surgiram as redes industriais profibus DP, profibus PA e profibus FMS. Para a proposta ISA SP-50, os projetos FIP e PROFIBUS contribuíram grandemente para o projeto SP-50 (“Standards & Practices 50”), em elaboração na ISA

  (“Instrumentation Society of America”), que deverá tornar-se a proposta definitiva para o fieldbus padronizado. Os trabalhos de padronização ainda estão em andamento [STEMMER, 2001].

  A ISA adotou a terminologia da CCITT, na qual um elemento de comunicação é composto de duas partes: DTE (Data Terminal Equipment), que inclui as funcionalidades das camadas de aplicação, de enlace e a parte da camada física independente do meio de transmissão adotado;

  DCE (Data Communication Equipment), que inclui as partes da camada física que dependem do meio. Com a proposta ISA SP-50 surgiram as redes industriais IEC/ISA SP-50 Fieldbus e Foundation Fieldbus H1. Atuando nos vários níveis do chão de fábrica, pode-se encontrar atualmente diversos Sistemas de Fieldbus, alguns com protocolo aberto e outros com protocolo fechado. No anexo pode-se encontrar detalhes técnicos de diversas redes industriais, tanto aquelas advindas dos projetos de padronização, como outras desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de automação e hoje disponíveis no mercado.

2.2 Sistemas Especialistas e a Inteligência Artificial

  De acordo com os níveis das RI, os quais interligam diversos equipamentos e dispositivos, a possibilidade de selecionar uma ou mais RI para a comunicação, com o auxílio de um SE capaz de agilizar e facilitar o trabalho, é objeto de estudo a seguir.

2.2.1 Inteligência Artificial

  Segundo PATTERSON (1990), Inteligência Artificial (IA) é uma área da ciência da computação interessada no estudo e criação de sistemas de computação que demonstram alguma forma de inteligência: sistemas que aprendem novos conceitos e tarefas, sistemas que podem raciocinar e tirar conclusões úteis sobre o mundo ao nosso redor, sistemas que podem entender uma linguagem natural ou perceber e compreender uma cena visual, e sistemas que executam outros tipos de feats que requerem inteligência humana.

  Um programa de computador comum só pode fornecer respostas aos problemas para os quais está especificamente programado. Se um programa comum precisar ser modificado para acomodar novas informações, todo o programa terá de ser analisado até que o espaço ideal seja encontrado para que a modificação possa ser inserida. Isto não apenas toma tempo como também outras partes do programa podem ser afetadas de maneira desfavorável durante o processo, podendo resultar em erros [LEVINE, 1988].

  As técnicas de IA permitem a construção de um programa no qual cada parte representa uma etapa altamente independente e identificável em direção a solução de um problema ou de um conjunto de problemas. Cada parte do programa é como uma informação na mente de uma pessoa. Se aquela informação é contestada, a mente pode automaticamente ajustar seu pensamento para acomodar um novo conjunto de fatos. Não é preciso se dar ao trabalho de reconsiderar cada informação que já se aprendeu, mas apenas as partes que são relevantes àquela determinada mudança [LEVINE, 1988].

  Um programa comum pode fazer tudo o que um programa de IA faz, mas não pode ser programado tão fácil ou rapidamente. Em ambos os tipos de programa, todas as partes são interdependentes na maneira como executam as funções que lhe são designadas. Mas um programa de IA possui uma característica notável, equivalente a uma característica vital da inteligência humana. Cada parte minúscula pode ser modificada sem afetar a estrutura do programa inteiro. Essa flexibilidade permite maior eficiência e compreensibilidade na programação – em uma palavra, inteligência [LEVINE, 1988].

2.2.2 Sistemas Especialistas

  Sistema Especialista (SE) é uma área da IA que faz extenso uso de conhecimento especializado para solucionar problemas no nível de um especialista humano [ GIARRATANO, 1994].

  Podemos enumerar diversas áreas onde os sistemas especialistas podem ser aplicados, como: agricultura, negócios, química, comunicações, educação, eletrônica, engenharia, geologia, processamento de imagem, gerenciamento de informações, manufatura, matemática, medicina, meteorologia, área militar, sistemas de potência, ciência, tecnologia espacial, transporte entre outros [DURKIN, 1994].

  Além de categorizar as aplicações dos sistemas especialistas por áreas de problemas, uma outra forma de classificar as aplicações dos sistemas especialistas, é através de paradigmas de solução de problemas. Especialistas apresentam um conjunto genérico de regras quando estão solucionando certos tipos de problemas, tal como diagnóstico ou planejamento. Independentemente da área de aplicação, dado o tipo de problema, o especialista reúne e raciocina com informações em caminhos similares. Os sistemas especialistas são designados para realizar regras genéricas baseados no tipo do problema como ilustrado na tabela 2 [DURKIN, 1994].

  TABELA 2 – TIPOS DE PROBLEMAS SOLUCIONADOS POR SISTEMAS ESPECIALISTAS

  Paradigma de Descrição Solução de

  Problemas Controle Governando sistema de comportamento para encontrar especificações Projeto Configurando objetos sob restrições Diagnóstico Inferindo mau funcionamento de sistema de observações Instrução Diagnosticando, debugando, e reparando comportamento de estudantes Interpretação Inferindo descrição de situação de dados Monitoração Comparando observações a expectativas Planejamento Planejando ações Predição Inferindo conseqüências prováveis de situações dadas Prescrição Recomendando solução para mau funcionamento do sistema Seleção Identificando a melhor escolha de uma lista de possibilidades Simulação Modelando a interação entre componentes de sistema

  Conforme tabela 2, o tipo de problema a ser resolvido pelo sistema especialista a ser desenvolvido nesta pesquisa é do tipo seleção, o qual deve identificar a melhor escolha ou a melhor rede industrial de uma lista de possibilidades, baseado nas características exigidas pela aplicação, confrontadas com as características de todas as RI armazenadas na base de conhecimento do SE.

  Os SE iniciam a especificação do problema definido pelo usuário e tentam encontrar a solução que mais combina com esta especificação. Estes sistemas usualmente empregam uma técnica de raciocínio inexato ou uma função de avaliação de confrontamento quando estão formando suas seleções [DURKIN, 1994].

a) Características de um Sistema Especialista

  Segundo PATTERSON (1990), os Sistemas Especialistas diferem de sistemas computacionais convencionais em vários aspectos importantes.

  SE usam conhecimento ao invés de dados para controlar o processo de solução. A maioria do conhecimento usado é naturalmente heurístico ao invés de algorítmico; O conhecimento é codificado e mantido como uma entidade separada do programa de controle, ou seja, não é compilado junto com o controle do programa. Isto permite a adição e modificação (refinamento) incremental do conhecimento base sem recompilação do controle do programa. É possível em alguns casos usar diferentes bases de conhecimento com o mesmo programa de controle para produzir diferentes tipos de ambientes de SE. Tais sistemas são conhecidos como ambientes de SE desde que possam ser carregados com diferentes bases de conhecimento;

  Os SE são capazes de explicar como uma conclusão particular foi alcançada, e por que a informação requisitada é necessária durante a consulta. Isto é importante pois possibilita ao usuário uma chance para acessar e entender a habilidade de raciocínio do sistema;

  SE usam representaç ões simbólicas para o conhecimento (regras, redes, ou “frames”) e representam sua inferência através de computações simbólicas que assemelham-se a manipulações da linguagem natural. (Uma exceção a isto é o SE baseado em arquiteturas de redes neurais);

  SE freqüentemente raciocinam com metaconhecimento, isto é, raciocinam com conhecimento a cerca deles mesmo, seus próprios limites e capacidades. Para construir um Sistema Especialista é preciso direcionar um domínio de conhecimento e habilidade em uma área de aplicação; este conhecimento é com freqüência vago ou parcialmente articulado. O engenheiro conhecedor deve traduzir o conhecimento de um especialista em uma linguagem formal.

  Um especialista é um indivíduo que possui uma especialidade em uma certa área, isto é, o especialista tem conhecimento ou habilidades especiais que não são conhecidas ou disponíveis para a maioria das pessoas [GIARRATANO, 1994].

  Há duas grandes características de um especialista que tenta-se modelar no sistema: o conhecimento do especialista e o raciocínio. Para realizar isto, o sistema precisa ter dois módulos principais: uma base de conhecimento e um motor de inferência [DURKIN, 1994].

  A base de dados contém conhecimento altamente especializado na área do problema, fornecido pelo especialista. Isto inclui fatos problema, regras, conceitos e relações. Para codificar o conhecimento em uma base de conhecimento, são utilizadas técnicas de representação do conhecimento.

  O motor de inferência aceita perguntas e respostas a questões através de I/O interfaces e usa estas informações dinâmicas, juntamente com o conhecimento estático (as regras e fatos) armazenados na base de conhecimento. O conhecimento na base de dados é usado para extrair conclusões acerca do caso ou situação corrente, como apresentado pela entrada do usuário [PATTERSON, 1990].

  O valor da captura deste talento em um sistema especialista pode ser respondido pela comparação da tabela 3 abaixo, entre sistema especialista em software e um especialista humano [DURKIN, 1994].

  TABELA 3 Ố COMPARAđấO DE UM ESPECIALISTA HUMANO EM UM SISTEMA ESPECIALISTA

  Fator Especialista Humano Sistema Especialista Disponibilidade de tempo Dia de trabalho Sempre Geografia Local Disponível em qualquer local Segurança Insubstituível Substituível Perecível Sim Não Performance Variável Consistente Velocidade Variável Consistente (usualmente veloz) Custo Alto Permitido

  Da comparação da tabela acima aparecem duas razões gerais para se construir um sistema especialista: substituir um especialista ou ajudar um especialista. Segundo DURKIN (1994), algumas das principais razões do desenvolvimento de um SE para substituir um especialista são:

  • Tornar o especialista disponível após seu horário de trabalho ou na sua ausência;
  • Automatizar uma regra rotineira que requer um especialista;
  • O especialista está se aposentando ou deixando a empresa;
  • O especialista é caro [DURKIN, 1994].

  Segundo DURKIN (1994), algumas das principais razões para o desenvolvimento de um sistema especialista para ajudar um especialista são:

  • Auxiliar o especialista em alguma regra rotineira para aumentar a produtividade;
  • Auxiliar o especialista em alguma regra difícil para efetivamente gerenciar as complexidades;
  • Tornar disponível ao especialista, informações que são difíceis de lembrar.

  De acordo com Joe Carter, sócio da Andersen Consuting Inc., 70 % dos custos de desenvolvimento em manufatura e 90% dos custos de serviços em atividades como aconselhamento financeiro são atribuídos ao homem tomando decisões [DURKIN, 1994].

2.2.3 Sistemas Especialistas Baseados em Regras

  A programação do SE para Seleção de Redes Industriais foi feita em CLIPS, o qual é implementado baseado em regras. A construção de Sistemas Especialistas baseados em regras é a escolha mais popular dos engenheiros de conhecimento. Esta popularidade tem crescido em função do grande número de sucessos na construção de sistemas baseados em regras e da abundância de desenvolvimento de programas de SE baseados em regras disponíveis atualmente [DURKIN, 1994].

  A seguir é apresentado um estudo da fundamentação dos SE baseados em regras.

a) Sistemas de Produção Um sistema de produção é a base dos sistemas baseados em regra de hoje.

  Produção é o termo usado em psicologia cognitiva para descrever a relação entre situações e ações, é mais comumente referida hoje como regra [DURKIN, 1994].

  A estrutura básica de uma produção consiste de um antecedente, ou a parte IF, descrevendo a situação e uma conseqüência, ou a parte THEN, descrevendo alguma ação a ser tomada no evento na qual a situação existe.

  Segundo NEWELL e SIMON (1972), ao solucionar algum problema, os homens usam um conjunto de regras de produções, de sua memória de longa duração, que é aplicada a uma situação dada, armazenada na sua memória de curta duração. A situação causa a produção de alguns disparos, resultando em uma ação a ser adicionada a sua memória de curta duração. Este processo é similar ao raciocínio humano: inferindo novas informações de informações conhecidas. Com estas informações adicionais acrescentadas a memória de curta duração, a situação muda, o que poderia causar outras produções de disparo. Este modelo humano de solução de problema, evocando produções da memória de longa duração e trocando o conteúdo da memória de curta duração, tornou-se conhecido como sistema de produção e é ilustrado na figura 18 [DURKIN, 1994].

  Figura 18 - Modelo do Sistema de Produção

b) Sistemas Baseados em Regras

  A idéia do sistema de produção é natural mas efetiva. O sistema de produção tornou-se a fundação dos sistemas especialistas baseados em regras de hoje [DURKIN, 1994].

  Sistema especialista baseado em regras é um programa de computador que processa informações específicas de um problema, contidas em uma memória de trabalho, com um conjunto de regras contidas na base de conhecimento, usando um motor de inferência para inferir novas informações.

  Um sistema especialista baseado em regras modela um sistema de produção usando os seguintes módulos:

  • Base de conhecimento: modela a memória de longa duração do ser humano como um conjunto de regras;
  • Memória de trabalho: modela a memória de curta duração do ser humano e contém “fatos problema”, ambos inseridos e inferidos pelo disparo das regras;
  • Motor de inferência: modela o raciocínio humano combinando “fatos problema” contidos na memória de trabalho com regras contidas na base de conhecimento para inferir novas informações. No sistema baseado em regras, as regras contidas na base de conhecimento representam as produções contidas na memória de longa duração e os fatos contidos na memória de trabalho representam as situações na memória de curta duração. O motor de inferência age como o módulo de raciocínio do modelo de sistema de produção e compara os fatos com os antecedentes ou premissas das regras para ver quais podem ser executadas. Estas regras que podem ser executadas, podem produzir novas informações que serão adicionadas à memória de trabalho e o processo continua até que nenhuma outra regra tenha antecedentes que combine os fatos contidos na memória de trabalho [DURKIN, 1994].

c) Arquitetura do Sistema Especialista Baseado em Regras

  Segundo DURKIN (1994), os módulos base de conhecimento, memória de trabalho e motor de inferência correspondem ao núcleo do sistema, mas há outros subsistemas em um sistema real. Uma arquitetura mais completa é vista na figura 19.

  Figura 19 - Arquitetura do Sistema Baseado em Regras Segundo DURKIN (1994), os subsistemas adicionais são:

  • Interface do usuário: o veículo através do qual o usuário visualiza e interage com o sistema;
  • Interface de desenvolvimento: veículo através do qual o engenheiro de conhecimento desenvolve o sistema;
  • Facilidade de explanação: o subsistema responsável por proporcionar explanações do raciocínio do sistema;
  • Programas externos: programas tal como base de dados, relatórios, algoritmos, etc, que trabalham como suporte ao sistema.

  Interface usuário/desenvolvedor – todos os programas de desenvolvimento, incluindo os shells e linguagens base, oferecem diferentes faces de trabalho ao usuário e ao desenvolvedor do sistema. O usuário pode ser exposto a simples displays textuais ou gráficos interativos. O desenvolvedor precisa desenvolver o sistema usando um acesso ao código fonte ou ser conduzido através de um editor durante o desenvolvimento do sistema.

  Facilidade de Explanação – a natureza da facilidade de explanação dependerá da escolha do software de desenvolvimento. Muitos shells proporcionam uma capacidade limitada de proporcionar explanações de porque alguma questão que está sendo perguntada e como alguma conclusão é alcançada.

  Programas externos – a maioria dos shells no mercado oferecem uma arquitetura aberta que permite a interface do sistema especialista com uma variedade de programas externos. Esta capacidade adiciona à capacidade do sistema, pois estas informações armazenadas nas fontes externas podem ser facilmente acessadas e usadas pelo SE.

d) Vantagens do Sistema Baseado em Regras

  Segundo DURKIN (1994), o Sistema Especialista baseado em regras apresenta diversas vantagens, são elas:

  • Expressão Natural: para muitos problemas, os seres humanos naturalmente os solucionam utilizando seu conhecimento através de declarações do tipo IF ... THEN. A facilidade de captura deste conhecimento em uma regra, torna a abordagem baseada em regra uma escolha atrativa para o projeto do SE;
  • Separação do Controle do Conhecimento: o sistema baseado em regras separa o conhecimento contido na base de conhecimento de seu controle executado pelo motor de
todos os sistemas especialistas, e permite a troca do conhecimento do sistema ou controle separadamente;

  • Modularidade de Conhecimento: uma regra é um pedaço de conhecimento. Este logicamente deriva fatos que podem ser concluídos sobre o problema contido em seu parte THEN, de fatos que são estabelecidos em sua parte IF. Desde que esse é um pedaço independente de conhecimento, pode-se facilmente revê-lo e verificar sua correção;
  • Facilidade de Expansão: a separação do conhecimento do sistema de seu controle permite facilmente adicionar regras adicionais permitindo uma grande expansão do conhecimento do sistema;
  • Crescimento Proporcional de Inteligência: mesmo uma regra pode ser um pedaço valioso de conhecimento. Esta é capaz de informar ao sistema algo novo sobre o problema, de evidências estabelecidas. Com o número de regras aumentadas, o nível de inteligência do sistema a respeito do problema também aumenta;
  • Uso de Conhecimento Relevante: o sistema usa somente as regras que são relevantes ao problema. Um sistema provavelmente tem muitas regras que podem ser endereçadas a um número distribuído de problemas. Entretanto o sistema pode decidir baseado nas informações descobertas qual deve ser ocupado em ordem para solucionar o problema corrente;
  • Verificação da Consistência: a estrutura rígida da regra permite a checagem da consistência do sistema para assegurar que as mesmas situações não conduzam a diferentes situações;
  • Utilização do Conhecimento Heurístico: uma característica típica de especialistas humanos é que eles são particularmente adeptos ao uso de regras básicas ou heurísticas para ajudá-los a solucionar um problema eficientemente. Estes especialistas aprendem com suas experiências, e são freqüentemente mais valiosos a eles que os princípios fundamentais que podem ser aprendidos em uma sala de aula. Sistemas baseados em regras são bem adequados para trabalhar com estas heurísticas. Pode-se escrever regras heurísticas que trabalham em senso comum para tirar conclusões ou para eficientemente controlar a pesquisa da base de conhecimento;
  • Utilização de Conhecimento Incerto: as regras podem ser escritas de forma a capturar uma relação incerta, através de um número chamado Fator de Certeza (FC). Pode- se estabelecer um nível de crença a regra de conclusão;
  • Capacidade de Incorporar Variáveis: variáveis podem ser usadas nas regras que realçam a eficiência do sistema. As variáveis podem ser amarradas a números de exemplos na memória de trabalho e testados pela regra.

  As inúmeras características de um SE induzem a que esta técnica seja considerada uma boa alternativa para ser usada na implantação de um sistema de seleção de RI. Dentre as características e vantagens mais importantes destacam-se:

  • Um conhecimento amplo e diversificado;
  • Um conhecimento específico considerando a planta industrial;
  • Flexível e de boa modularidade;
  • A modelagem do conhecimento expresso no formato “if-then”;
  • Fácil manutenção;
  • Auto-explicativo e heurístico.

  Conclusão

  Este capítulo apresentou o Modelo OSI, que objetiva padronizar os protocolos de redes, os quais são regras de comunicação. Este é formado por sete camadas, onde cada uma realiza uma função, sendo estas o caminho de comunicação entre o usuário e o canal de transmissão. Conforme apresentado no item 2.1, as Redes Industriais fazem uso de apenas algumas destas camadas.

  Equipamentos adicionais são também utilizados em redes para exercerem determinadas funções, como isolar partes da rede ou conectá-la a outros sistemas de comunicação. O meio físico para comunicação pode ser estruturado em diversas topologias, cada qual com suas vantagens e desvantagens.

  As RI são utilizadas para comunicação no ambiente industrial, onde este é dividido em diversos níveis de dispositivos e equipamentos. Cada nível possui diferentes características. Uma mesma RI geralmente tem capacidade para atender um só nível da pirâmide CIM, em função de suas características diferenciadas. Estas características básicas são essenciais no processo de seleção de uma RI para um determinado nível.

  Também foi apresentado neste capítulo conceitos de Inteligência Artificial (IA), o qual imita o processo básico do aprendizado humano, por meio do qual novas informações são absorvidas, tornando-se disponíveis. A IA possui diversos campos de estudo, dentre eles os Sistemas Especialistas (SE), ao quais fazem uso do conhecimento especializado para solucionar problemas. Os SE podem solucionar diversos tipos de problemas, dentre eles, problemas de seleção. Um SE possui características que o diferem de sistemas computacionais convencionais, como uso de conhecimento ao invés de dados, onde este conhecimento é mantido separado do programa de controle, o que facilita em muito o desenvolvimento e até o entendimento do processo de raciocínio e tomada de decisão.

  CAPÍTULO 3

3. Situação Atual

3.1 Pesquisa de Campo

3.1.1 Objetivo

  A região norte do estado de Santa Catarina e o sul do Paraná são regiões densamente povoadas por industrias com alto nível de automação. Entretanto, seria difícil entrar em contato com todas estas para averiguar como as Redes Industriais (RI) estão sendo usadas, tanto pela dificuldade de deslocamento em uma área geográfica extensa, quanto pelo custo associado a necessidade de agendamento prévio. Sendo assim, foi elaborado um questionário (ver Anexo A), o qual foi enviado por e-mail e, quando possível, aplicado pessoalmente. Antes do envio do questionário, via contato telefônico, foi contatada a pessoa da empresa que domina o assunto, evitando assim, o envio do e-mail para uma pessoa despreparada.

  O objetivo do formulário na pesquisa de campo era: Descobrir o nível tecnológico das empresas, ao determinar quais utilizam esta tecnologia, verificando se a RI está se comunicando com a Rede de Computadores, aproveitando assim diversas informações das máquinas e do processo, disponíveis na rede industrial, ou que poderiam ser acrescentadas a esta rede e que podem fornecer para áreas de supervisão, gerenciamento, compras, entre outros, preciosos elementos de informação;

  Determinar quais RI est ão sendo utilizadas, identificando aquelas realmente difundidas; Verificar em que área est ão instaladas estas redes, que tipos de máquinas estão conectadas nesta rede e se estas redes estão interligadas a Rede de Computadores da empresa. Espera-se identificar algum tipo de consenso na seleção das Redes Industriais, procurando identificar se há uma metodologia para seleção;

  A pesquisa ainda objetiva determinar se alguém na empresa domina a tecnologia quando da especificação da rede, ou se esta é feita por um consultor ou alguma outra pessoa, pois isso pode ser uma indicação da complexidade da tarefa de selecionar e gerir tais redes. Além disso, será possível determinar quando foi feita a instalação desta rede, para determinar se a empresa já possui algum conhecimento no uso desta tecnologia e também em quanto tempo foram efetivados os trabalhos de instalação;

  Por fim, objetiva-se determinar se após a implantaç ão da RI, alguma área ou pessoa na empresa foi treinada para fazer a manutenção desta rede ou se este trabalho ainda é realizado por alguém ou alguma empresa externa, o que caracterizaria a total dependência das empresas na área.

3.1.2 Expectativa de Resposta em Cada Item

  Antes mesmo da aplicação do questionário, tinham-se algumas expectativas quanto a realidade do setor industrial pesquisado. Estas expectativas são listadas a seguir: Com relação a pergunta “possuem na empresa Rede(s) de Computadores”, era quase garantida uma resposta afirmativa, já que é comum nas empresas;

  A questão “possuem na empresa Rede(s) Industriais”, era crucial, já que determina o preenchimento ou não do restante da pesquisa. Esperava-se encontrar um índice afirmativo de 50 % das respostas; Em seguida, para aquelas empresas que possuem Redes Industriais, perguntou-se “qual Rede Industrial”, onde esperava-se encontrar as mais variadas, já que existem diversos tipos;

  Na pergunta “a Rede Industrial está em todo o chão de fábrica”, não esperava-se encontrá-la a este nível de implementação em todas as empresas, já que são conhecidas aquelas que por tradição investem em tecnologia e que provavelmente teriam instaladas em todo o chão de fábrica a Rede Industrial;

  A pergunta “que tipos de máquinas est ão em rede”, acreditava-se que as áreas que mais estariam se beneficiando desta tecnologia seriam áreas principalmente de montagem e usinagem. As máquinas seriam aquelas que utilizam CLPs, sendo estas específicas para o trabalho que devem executar e ainda, máquinas CNCs, robôs e computadores pessoais (PC);

  A pergunta que determina aproximadamente quantas máquinas est ão em rede, esperava-se que esta quantidade variasse em função do tamanho da empresa pesquisada, ou seja, do tamanho do processo fabril e também do nível de investimento da empresa em máquinas com esta tecnologia. Para aquelas que utilizam Redes Industriais, esperava-se encontrar um percentual acima de 75% das máquinas ligadas em rede;

  Ao perguntar se a Rede Industrial e a Rede de Computadores estão interligadas, a expectativa era de muitas respostas positivas, mas havia dúvidas quanto a isso, pois no Brasil, o nível de automação não é alto em todas as empresas;

  Nas perguntas “quem fez a especificaç ão da rede” e “quem fez a implantação”, era esperado que tanto o trabalho de especificação quanto de implantação tivessem sido feitos por alguma empresa especializada, já que o assunto em si não é de domínio geral;

  Quanto as datas de especificação e implantação da RI, esperava-se respostas com no máximo cinco anos, já que no Brasil, a chegada de novas tecnologias é um pouco tardia, apesar desta não ser tão nova. Empresas de alta tecnologia, bem como as mais recentes, provavelmente já possuem em seus processos esta tecnologia de comunicação;

  Na pergunta que procurava identificar se havia um grupo ou pessoa especificamente responsável pela manutenção da RI, procurava-se determinar se as empresas procuram fazer com que seus funcionários adquiram o conhecimento destas tecnologias ou se este ainda é restrito a outros.

3.1.3 Amostra da Pesquisa de Campo

  A pesquisa de campo foi realizada em dezessete empresas, as quais estão situadas nas cidades de Joinville, Jaraguá do Sul e São José dos Pinhais. As dezessete empresas envolvidas na pesquisa são:

  Amanco Brasil SA (fabricação de tubos e conexões plásticas) DOCOL Metais Sanitários Ltda (fabricação de metais sanitários)

  Douat Cia T êxtil (têxtil) Dohler SA (t êxtil) Embraco (fabricação de compressores para geladeiras e freezers) Herten (modelação) Kohlbach Motores Ltda (fabricação de motores elétricos) Marisol SA (têxtil) Moliporex (usinagem) Multibras Eletrodomésticos (fabricação de eletrodomésticos) Renault do Brasil (fabricação de automóveis) Schulz SA ( fabricação de compressores) Tritec Motores Ltda (fabricaç ão de motores para automóveis BMW) Tubos e Conex ões Tigre (fabricação de tubos e conexões) Tupy Fundições Ltda (fundição)

  VAMA Industrial Ltda (usinagem) WEG Indústrias SA (fabricação de motores elétricos)

  As empresas acima foram escolhidas ou porque são as maiores da região, ou pela atividade que exercem. Acreditava-se que dispunham alto grau de automatização no seu parque fabril, tanto em máquinas como equipamentos, logo, a probabilidade de possuirem Redes Industriais no seu processo era maior. Algumas foram escolhidas porque sabia-se de antemão que já possuiam Rede Industrial, como no caso da Tritec Motores Ldta.

  Das dezessete empresas cujo questionário foi enviado, a Tubos e Conexões Tigre não foi autorizada a responder e a Moliporex não respondeu, por razões que não foram explicitadas.

3.1.4 Resultado da Pesquisa

  No Anexo A são apresentadas as respostas tabuladas em valores absolutos e neste texto serão comentados os valores percentuais daqueles. Para a avaliação da pesquisa, cada pergunta do questionário é avaliada separadamente e seu resultado é mostrado a seguir:

  Empresas que possuem Rede(s) de Computadores Na tabela 4, pode-se observar que todas as empresas possuem Rede de

  Computadores, já que isto facilita a troca de informações, não exige grandes investimentos e a tecnologia deste tipo de rede está bem amadurecida. Estas respostas comprovam as expectativas iniciais. TABELA 4 - EMPRESAS QUE POSSUEM REDES(S) DE COMPUTADORES

  Percentual de Empresas (%) Número de Empresas

  Possuem Redes de Computadores 100

  15 Não possuem Redes de Computadores Total

  100

  15 Empresas que possuem Redes Industriais Para esta resposta, conforme tabela 5, mais da metade das empresas possuem Redes

  Industriais, alcançando assim as expectativas iniciais, de que pelo menos metade das empresas possuiriam este tipo de rede. TABELA 5 – EMPRESAS QUE POSSUEM REDES INDUSTRIAIS

  Percentual de Empresas (%) Número de Empresas

  Possuem Redes Industriais 53,33

  8 Não possuem Industriais 41,17

  7 Total 100

  15 A partir de agora, os percentuais nas tabelas a seguir se referirão ao universo de oito empresas, pois somente oito delas possuem RI instaladas. Além disso, pode-se ter respostas múltiplas. Tipos de Redes Industriais que as empresas possuem Observa-se na tabela 6, que são empregados os mais variados tipos de redes, provavelmente, como se esperava, em função da marca dos equipamentos utilizados nas máquinas, onde cada fabricante de equipamento sempre procura vender a sua rede proprietária, apesar de muitos possuírem placas de comunicação para outras redes. Pode-se observar, por exemplo, que 62,5 % das oito empresas que possuem RI, utilizam o Profibus.

  TABELA 6 – QUAL OU QUAIS REDES INDUSTRIAIS AS EMPRESAS POSSUEM Percentual de Empresas com Número de Empresas com

  Determinado Tipo de RI Determinado Tipo de RI ( % )

  MPI 12,5

  1 Sinec L2 12,5

  1 ASI 12,5

  1 Modbus 12,5

  1 FIPWAY 12,5

  1 DH +

  25

  2 Ethernet 37,5

  3 Profibus 62,5

  5 Total Empresas 100

  8 Verificar se a Rede Industrial está em todo o chão de fábrica Na tabela 7, como era esperado, observa-se que apenas três das empresas, ou seja,

  37,5% tem a Rede Industrial em todo o chão de fábrica. Sabe-se que duas destas empresas são fábricas novas, construídas a poucos anos e que utilizam um Sistema Flexível de Manufatura, sendo para isso, importante a comunicação entre os equipamentos e por esta razão, foram levadas a implantar as RI em toda a fábrica. Além do que, são multinacionais e já incorporaram as redes em suas empresas matriz. TABELA 7 - A REDE INDUSTRIAL ESTÁ EM TODO O CHÃO DE FÁBRICA ?

  Percentual Empresas (%) Número de Empresas Está em Todo o Chão de Fábrica 37,5

  3 Não está em Todo o Chão de Fábrica 62,5

  5 Total 100

  8 Determinar a área onde estão instaladas as Redes Industriais Conforme o resultado da tabela 8, pode-se observar quantas industrias possuem uma RI em determinada área. De acordo com as expectativas, esperava-se a área de usinagem e montagem dominando disparadamente a pesquisa. Uma empresa não especificou as áreas, informando apenas que estava em todo o processo, o qual provavelmente envolve a usinagem, sendo assim, não foi considerada a área de usinagem, apenas marcado todo o processo. Ocorre também que as empresas pesquisadas são das mais diversas áreas, algumas sequer possuem um centro de usinagem, ou se a tem, é apenas para pequenos serviços ou reparos, o que influenciou nos resultados. O mesmo ocorre com a montagem. Mesmo assim a usinagem e a montagem receberam um considerável percentual de RI. TABELA 8 – QUAL A ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES

  INDUSTRIAIS? Percentual de Empresas ( % ) Número de Empresas

  Beneficiamento 12,5

  1 Preparação Matéria-Prima 12,5

  1 Máquinas para Preparação de Fios 12,5

  1 Estamparia 12,5

  1 Injeção de Alumínio 12,5

  1 Sistema de Esgoto 12,5

  1 Teste 12,5

  1 Processo de PU 12,5

  1 Usinagem

  25

  2 Montagem

  25

  2 Todo o Processo 37,5

  3 Total de Empresas 100

  8 Determinar que tipos de máquinas estão em rede A maioria das máquinas ligadas em rede são equipamentos de montagem, como pode ser visto na tabela 9, como era de se esperar, previa-se que a maioria das máquinas que incorporam um ou mais CLP’s utilizariam uma Rede Industrial e, os equipamentos de montagem quase que certamente possuem CLP. Em segundo lugar encontram-se os robôs, já que estes provavelmente trabalham em conjunto com os equipamentos de montagem, tanto realizando a montagem como manipulando peças, para ou de outras máquinas. Já as máquinas CNC ficaram aquém das expectativas, pois esperava-se encontrar um número maior de máquinas CNC ligadas em RI, já que estas empregam grande tecnologia, o que permitiria através da RI, descarregar programas, acompanhar diversos fatores da máquina CNC, como tempo de máquina parada, produção da máquina, etc.

  TABELA 9 – QUE TIPOS DE MÁQUINAS ESTÃO EM REDE ? Percentual de Empresas ( % ) Número de Empresas

  PC 12,5

  1 Dosadores 12,5

  1 Silos 12,5

  1 Máquina Têxtil 12,5

  1 Bobinadoras 12,5

  1 Prensas 12,5

  1 Lavadoras 12,5

  1 Painéis de Teste 12,5

  1 Elevatório 12,5

  1 Balanceadoras 12,5

  1 Engomadeiras 12,5

  1 Extrusoras 12,5

  1 Urdideiras 12,5

  1 Sistema de Transporte

  25

  2 CNC

  25

  2 Injetoras

  25

  2 Robôs 37,5

  3 Equipamento de Montagem

  50

  4 Total de Empresas 100

  8 Averiguar quantas destas máquinas estão em rede: Para este ítem não foi possível precisar o número de máquinas em rede, pois no questionário, as empresas respondiam o número total de máquinas e não a quantidade de cada tipo de máquina em rede. Assim, são citadas abaixo, aproximadamente as quantidades de máquinas por empresas.

  • transporte

  Empresa A: toda a planta de compostagem, envolvendo dosadores, silos e sistema de

  • urdideiras

  Empresa B: 10 a 20 máquinas, sendo estas: engomadeiras, extrusoras polipropileno e

  • Empresa C: aproximadamente 5 microcomputadores. Empresa D: não precisou o número de máquinas, as quais envolviam equipamentos
  • de montagem (robôs, etc), elevatório (sistema de esgoto) e painéis de teste.
  • montagem e máquinas do processo de PU.

  Empresa E: aproximadamente 15 máquinas, entre elas CLP’s de equipamentos de

  • logística.

  Empresa F: mais de 200 máquinas, envolvendo todo o processo, transporte e

  • Empresa G: aproximadamente 80 máquinas, como máquinas de usinagem, montagem, lavadoras, robôs, balanceadoras entre outras.
  • bobinagem, prensas rápidas, injetoras, etc.

  Empresa H: cerca de 100 máquinas, entre elas centros de usinagem CNC, linha de

  As empresas que possuem maior número de máquinas ligadas em rede são obviamente aquelas onde todo o chão de fábrica está ligado em uma ou mais Redes Industriais.

  Determinar se a Rede de Computadores e a Rede Industrial estão interligadas Em relação ao número de empresas que possuem Redes Industriais, encontrar esta(s) rede(s) ligadas a Rede de Computadores foi uma surpresa. Pode ser visto na tabela

  10, um percentual considerável destas, ou seja, das oito empresas que possuem RI, cinco interligaram as redes, possibilitando assim uma grande troca de informações disponíveis. TABELA 10 - A REDE DE COMPUTADOR E A REDE INDUSTRIAL ESTÃO

  INTERLIGADAS ? Percentual de Empresas (%) Número de Empresas

  Sim 62,5

  5 Não 37,5

  3 Total de Empresas 100

  8 Conhecer quem fez a especificação da rede Conforme a expectativa inicial, onde acreditava-se que este trabalho seria realizado por uma empresa especializada, a tabela 11 informa que a maioria realizou um trabalho conjunto entre funcionários internos e externos, dividindo seus conhecimentos e dúvidas conseguindo com isso, uma melhor especificação da rede a ser empregada.

  TABELA 11 Ố QUEM FEZ A ESPECIFICAđấO DA REDE ? Percentual de Empresas (%) Número de Empresas

  Interno 62,5

  5 Consultor 12,5

  1 Fornecedor da Máquina ou Sistema

  50

  4 Total de Empresas 100

  8 Determinar quando foi feita a especificação e quanto tempo levou Muitos dos entrevistados não sabiam definir quando foi feita a especificação, nem quanto tempo levou para ser feita, como pode ser visto na tabela 12, assim sendo, serão comentadas apenas as empresas que souberam responder a estas perguntas. Em função das respostas, as expectativas permanecem. TABELA 12 Ố QUANDO FOI FEITA A ESPECIFICAđấO E QUANTO TEMPO LEVOU?

  Quando Quanto tempo levou Empresa A 1997 Empresa C

  30 dias Empresa D Instalação 15 dias Empresa K Etapa de Projeto 365 dias

  Determinar quem fez a implantação Para a implantação também ocorreram casos do trabalho ter sido realizado em conjunto entre pessoal interno da empresa e consultores, fornecedores ou integradores, como pode ser visto na tabela 13.

  Assim como no caso da especificação, sobressaiu o trabalho em grupo entre pessoas internas à empresa, com grande atuação destas, e pessoas externas à empresa.

  TABELA 13 Ố QUEM FEZ A IMPLANTAđấO ? Percentual de Empresas (%) Número de Empresas

  Interno

  50

  4 Consultor

  25

  2 Fornecedor da Máquina ou Sistema

  25

  2 Trabalho Conjunto com

  25

  2 Integradores Total de Empresas 100

  8 Determinar quando foi feita a instalação e quanto tempo durou: Como no caso da especificação, conforme a tabela 14, muitos dos entrevistados não sabiam definir quando foi feita a implantação e quanto tempo levou para ser feita, assim sendo, serão apresentadas apenas as empresas que souberam responder estas perguntas. TABELA 14 Ố QUANDO FOI FEITA A IMPLANTAđấO E QUANTO TEMPO LEVOU ?

  Quando Quanto tempo durou Empresa A 1997 Imediata Empresa C 2001 (última) 120 dias Empresa D

  7 dias Empresa M 1999 60 dias As instalações são algo recente, como era esperado. Quanto ao período de instalação, depende do nível de complexidade das máquinas, das redes, do fato das máquinas serem novas ou se está apenas implantando a rede nas antigas máquinas.

  Grupo ou pessoa especificamente responsável pela manutenção da Rede Industrial

  Tinha-se como expectativa que as empresas treinariam uma pessoa ou um grupo para a manutenção das Redes Industriais, já que o pronto atendimento para o serviço nem sempre pode ser executado por uma empresa externa e sim por alguém interno. O fato é que, dependendo da manutenção a ser realizada, o sistema não pode permanecer muito tempo sem comunicação, comprometendo assim as máquinas e o processo, já que este, dependendo do caso, permanecerá parado. Como pode-se notar na tabela 15, apenas metade das empresas que utilizam Rede Industrial treinaram ou especificaram uma ou mais pessoas para a manutenção de suas Redes Industriais.

  TABELA 15 – GRUPO OU PESSOA ESPECIFICAMENTE RESPONSÁVEL PELA MANUTENđấO DA REDE INDUSTRIAL

  Percentual de Número de Empresas Empresas (%)

  Sim

  50

  4 Não

  50

  4 Total de Empresas 100

  8

3.2 Estado da Arte

  Para a seleção de Redes Industriais (RI) é necessário avaliar diversos fatores, tanto físicos de instalação, quanto aqueles relacionados ao tráfego da informação. Atualmente a especificação de uma RI é feita pelos fabricantes dos equipamentos a serem instalados na empresa, os quais estão condicionados a selecionar a rede desenvolvida pela sua empresa. Estes equipamentos geralmente possuem placas de comunicação de alguma outra RI, porém são poucos os tipos de RI, o que acaba engessando a seleção. Apesar do fabricante do equipamento geralmente possuir placas de comunicação para outras RI, segue-se a tendência de utilizar aquela desenvolvida pela empresa. A especificação parte principalmente do fornecedor do equipamento que será o mestre da RI, como por exemplo o fabricante do Controlador Lógico Programável (CLP). Caso alguma característica não seja atendida pela sua RI, geralmente existem meios de contornar o problema, como no caso do comprimento máximo da rede não atender a instalação. Neste caso o fabricante do CLP pode dividir sua RI em duas, utilizando agora dois CLP’s e interligando-os através de uma outra RI.

  Na pesquisa de campo realizada, a seleção da RI foi também feita internamente, mas observa-se um trabalho conjunto com o fabricante dos equipamentos, ou seja, não há a participação de uma consultoria independe de qualquer tendência na especificação das RI.

3.2.1 Sistemas Especialistas para Configuração de Redes Industriais

  Stefano e Mirabella (1996) implementaram uma ferramenta baseada em um Sistema Especialista (SE) para projeto de Fieldbus baseado no padrão FIP (Factory Instrumentation Protocol). Este SE, durante a fase de planejamento do projeto de um Fieldbus, pode oferecer ao usuário informações sobre a performance oferecida pelo FIP e sugerir um tamanho adequado de rede a exigência da aplicação. O SE implementado é interativo e o usuário não somente inicia o motor de inferência e não só supre as hipóteses a serem calculadas, mas também toma uma parte ativa no projeto do Fieldbus por meio de janelas de diálogo, através das quais ele supre elementos de cálculo e respostas que guiam o motor de inferência ao longo de vários caminhos possíveis [STEFANO, 1996].

  Este SE é composto de blocos de regras, onde cada qual soluciona um subproblema particular. Por ser o dimensionamento da rede muito complexo, este foi dividido em subproblemas, correspondendo aos vários aspectos a serem considerados. Esta divisão é feita inicialmente ao separar o problema nos três níveis da arquitetura: a Camada de Aplicação, o Link de Dados e a Camada Física [STEFANO, 1996].

  Como vantagens deste SE pode-se citar [STEFANO, 1996]:

  • A incorporação no sistema de regras de todos os detalhes específicos da Rede Industrial, não exigindo do projetista conhecimento muito detalhado;
  • O grande número de parâmetros a serem analisados, faz com que o projeto de uma Rede Industrial, cujo tempo de resposta pode ser crítico, torne a operação complexa e acabe requerendo uma considerável soma de tempo; o qual pode ser amplamente reduzido com o auxílio de um SE;
  • A necessidade de encontrar uma boa escolha de parâmetros inter-relacionados, pode não resultar em uma escolha satisfatória, sendo necessário revisar parte do projeto como conseqüência de uma escolha feita em um nível intermediário. O uso de uma ferramenta automática torna-se importante para reduzir a probabilidade de erros.

  Como limitação, este SE está voltado somente ao padrão FIP, determinando a versão de FIP adequada, que atenda a todas as características desejadas. Quanto a validade do desenvolvimento deste SE, segundo Stefano e Mirabella

  (1996), um projetista precisa ter o conhecimento detalhado dos vários padrões de Redes Industriais e, dentre eles, escolher o mais adequado às características da aplicação a ser suportada, o que pode ser relativamente simples, a nível macroscópico dos aspectos de projeto à que dizem respeito, entretanto pode tornar-se extremamente complicado ao detalhar e ao especificar as várias exigências que tem impacto na performance.

  Observa-se que este sistema é limitado por abranger somente o padrão FIP. Este sistema é capaz de gerar informações quanto a performance, tamanho adequado da rede à exigência, entre outras informações importantes.

  Stefano e Mirabella (1996), comentam que “uma evolução da aproximação feita por eles, deve consistir no desenvolvimento de um Sistema Especialista que incorpore regras relacionadas a diferentes padrões de Redes Industriais. Este ofereceria, em uma simples ferramenta, a oportunidade para guiar a escolha de projetos levando em consideração diferentes funções supridas pelas várias Redes Industriais.

3.2.2 Sistemas Especialistas para Seleções Complexas

a) Seleção de Robôs

  Nour et al (1994) descreve o desenvolvimento do protótipo de um Sistema Especialista (SE) para seleção inteligente de robôs para operações de manufatura. Segundo os autores a decisão de adquirir um robô não é trivial, não somente por envolver uma grande despesa de capital, que deve ser justificada, mas também por ser muito complicado, em função da variedade de modelos de robôs de numerosos fabricantes. Uma seleção de robôs não assistida por computador (manual) acarretaria um certo número de riscos, um destes é que a seleção do robô pode não atender as regras exigidas; e mesmo que atenda, este pode não ser a melhor e mais econômica escolha. A razão para isso é que o processo de seleção de robô é mau estruturado e complexo, envolvendo não somente produção e análise de engenharia, mas também análise de custo/benefício e análise de fabricantes. O autor comenta que, a aproximação não tradicional, utilizando Sistemas Especialistas (SE) ou Redes Neurais Artificiais (RNA), parecem ser ferramentas intuitivamente atraentes nesta circunstância.

  Na solução apresentada, primeiramente é modelado um processo de três estágios para o problema de seleção de robô. Estes estágios compreendem primeiramente uma decisão técnica, a qual é a decisão mais crítica a ser feita, a qual é uma seleção formal de um ou mais robôs candidatos que satisfazem as exigências mínimas e características das regras a serem representadas. O segundo estágio envolve o mérito econômico do robô. Esta é uma decisão acerca da melhor alternativa de custo considerando o custo inicial de compra e custos de operação. O terceiro estágio envolve uma decisão de aquisição, onde é decidido de qual fabricante será adquirido o robô. Esta escolha é baseada não somente no preço, mas também no serviço de assistência técnica e qualidade.

b) Seleção de Secadores

  Kudra et al (1999), apresentou um trabalho sobre um sistema denominado DryInf, para seleção de secadores de matéria-prima. A secagem é considerada como uma das unidades de operação de intensa energia. A secagem geralmente determina a qualidade final do produto e altera para cima ou para baixo a fluidez do processo. Por isso, a seleção cuidadosa da tecnologia de secagem seguida de equipamento adequado e projeto de processo pode resultar em uma qualidade de produto realçado, menor tempo de secagem, melhor gerenciamento de energia, redução da emissão de CO , etc. Mesmo que o projeto 2. do equipamento e do processo tenham sofrido um progresso notável, a seleção do secador mais apropriado é ainda uma tarefa desafiadora, principalmente em função das várias opções que podem ser realizadas em um processo de secagem, o grande número de tipos de secadores disponíveis no mercado e também um grande número de modificações no projeto.

  A estrutura geral do DryInf é apresentado na figura 20, onde o sistema consiste de três módulos principais: Pré-seleção do secador baseado em Sistema Especialista.

  Gerenciamento de informação compreendendo a representação gráfica do equipamento de secagem, acumulação de dados, pesquisa por informações sobre as propriedades dos materiais, características de secagem, projeto típico em uso e outros assuntos relatados.

  Base de dados sobre especialistas em tecnologia de secagem Figura 20 - Estrutura do sistema de informação DryInf

  O módulo de pré-seleção do tipo de secador compreende um complexo bloco de análise das propriedades dos materiais úmidos e uma base de dados de conhecimento em secadores. A base de dados de conhecimento provê todas as características técnicas dos tipos básicos de secadores. As informações são extraídas de dados publicados, reportagens e livros, bem como informações técnicas dos fabricantes de secadores.

  Uma característica deste sistema é que este possui dois modos de operação, o modo especialista e o modo manual. No módulo especialista o projetista pode escolher o maquinário automaticamente, colocando 15 propriedades, tal como classe do produto, diâmetro máximo e mínimo da partícula, temperatura máxima do material, toxidade, tempo de secagem, etc, para uma dada substância. Um pós-projeto manual do maquinário está incluído. No modo manual, o especialista pode adicionar um equipamento novo ao sistema, neste caso, o especialista deve inserir todos os parâmetros e estimações especialistas para uma nova planta. Todos os módulos neste modo são manuais e especialistas devem prestar atenção especial enquanto projetam um novo tipo de equipamento.

  O gerenciamento de informações (Módulo II) possibilita adicionar e modificar regras para seleção de um equipamento, em um bloco base de conhecimento, observando as características e desenhos de vários secadores, os quais contém os principais tamanhos de construção.

  A base de dados de fabricantes (Módulo III) permite ao usuário encontrar informações dos tipos de secadores e seus fabricantes, bem como seu endereço.

  Conclusão

  Após a pesquisa de campo, observa-se que a seleção de Redes Industriais (RI) é um problema complexo, haja visto a diversidade de tipos de RI instaladas nas mais diversas áreas e máquinas. Constatou-se, a priori, que não existe uma metodologia e tão pouco um especialista interno a empresa para realizar a seleção da RI.

  Foram encontrados poucos trabalhos que relacionassem RI’s com SE, dentre os encontrados, o de Stefano e Mirabella (1996) era um SE baseado em regras e dividido em subproblemas para projeto de fieldbus baseado no padrão FIP, onde este pode oferecer informações da performance e tamanho da rede. Entretanto, este trabalho está voltado somente ao padrão FIP. Os próprios autores apresentam como possível evolução do seu sistema o desenvolvimento de um SE que considere a seleção com base na taxonomia de RI´s, o que é justamente a proposta desta dissertação..

  Nour et al (1994) desenvolveu um sistema de seleção inteligente de robôs em operações de manufatura, em função do grande número de fabricantes, do risco de uma seleção errônea ou por não ser a melhor e mais econômica opção, após um grande investimento de capital. Este SE é modelado em três estágios, o da decisão técnica atendendo as características, o estágio envolvendo o mérito econômico e a decisão do fabricante fornecedor em função do preço, assistência técnica e qualidade.

  Kudra et al (1999) desenvolveram um sistema para seleção de secadores industriais, pois uma boa escolha melhora a qualidade do produto, diminui o tempo de secagem, melhora o gerenciamento da energia, reduz a emissão de CO , etc. O sistema

  2

  implementado foi dividido em três módulos, o de pré-seleção, baseado em um SE, o de gerenciamento de informações e uma base de dados sobre especialistas em secagem.

  Pode-se observar que o emprego de um Sistema Especialista (SE) é comprovadamente uma solução, a qual tem sido usada para seleção de vários problemas complexos, das mais diversas áreas. Um SE não exige do usuário conhecimento detalhado, formaliza o processo de seleção e diminui a probabilidade de erros. Ainda pôde-se notar neste capítulo que selecionar RI’s dentre as inúmeras alternativas é também um trabalho valorizado e importante segundo a literatura, principalmente porque o estudo de campo indicou uma falta significativa de metodologia neste processo.

  CAPÍTULO 4

4. Implementação

4.1 Introdução

  A proposta da dissertação é desenvolver um Sistema Especialista capaz de selecionar Redes Industriais, que incluirá todos os tipos de Redes Industriais hoje existentes no mercado, inclusive o FIP. Este sistema pretende ser mais abrangente e pretende abrir o leque de sugestões, não limitando as oportunidades de escolha do usuário, conseguindo com isso uma melhor performance de comunicação, sem amarrar o usuário a um determinado padrão imposto ou defendido por alguns.

  Para desenvolver o Sistema Especialista (SE), utilizou-se o método de raciocínio progressivo, seguindo as etapas que envolviam avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação e manutenção. Foi necessário avaliar quais tipos de informações seriam necessárias à elaboração do SE. Com a base teórica de funcionamento de um SE, iniciou-se a fase de projeto, onde foi traçada a estratégia que seria utilizada na elaboração do sistema. Após diversos estudos e questionamentos com profissionais que atuam na área de automação e especificamente trabalham com Redes Industriais (RI), foi criada uma estratégia para compor as perguntas que nortearam a seqüência de raciocínio implementada, cuja seqüência de perguntas apresenta as seguintes características:

  Estes são capazes de eliminar o maior número possível de alternativas, o mais rápido possível ? Estes seguem uma lógica e uma seqüência coerente e inter-relacionadas ? as perguntas iniciais, são aquelas cujas informações são as mais disponíveis e menos específicas ?

  Estabelecida esta estratégia básica, foi iniciado o desenvolvimento do protótipo do SE. Após a execução de diversos testes de funcionalidade e coerência de resposta, pretendia-se fazer um estudo de caso para determinar se a resposta do SE condizia com a realidade e, se este resultava na mesma conclusão ou conclusões de um especialista em Redes Industriais, quanto a rede instalada. Após vários contatos com especialistas em RI, e após a explicação do objetivo e importância do SE desenvolvido, não houve disponibilidade de nenhum especialista nesta área para realizar o estudo de caso. É importante frisar que estes especialistas trabalham em empresas que vendem como solução às indústrias, determinadas RI. O fato do SE desenvolvido comparar as mais diversas RI presentes no mercado, pode ter sido fato gerador da indisponibilidade em avaliar este SE.

  A etapa de documentação é feita nesta dissertação e a manutenção do SE é contínua, sempre que há novas informações a serem inseridas ou modificadas.

4.2 Estratégia do Sistema Especialista para Seleção de Redes Industriais

  Para o desenvolvimento do Sistema Especialista (SE) foi utilizada uma ferramenta denominada CLIPS (“Computer Language Integrated Production System”), versão 6.2. CLIPS foi projetada pela NASA/Johnson Space Center em 1985, com o propósito específico de prover alta portabilidade, baixo custo e fácil integração com sistemas externos. CLIPS foi escrito usando a linguagem de programação C para facilitar estes objetivos. Originalmente CLIPS provia suporte somente para programação baseada em regras. A versão 5.0 do CLIPS introduziu o suporte a programação procedural e orientada a objeto [GIARRATANO,1994].

  CLIPS é uma linguagem de programação multi-paradigma que provê suporte para programação baseada em regras, orientada a objeto e procedural. As capacidades de inferência e representação providas pela linguagem de programação baseada em regras do CLIPS são similares, mas mais poderosas, que o OPS 5, linguagem clássica de SE. Sintaticamente, as regras do CLIPS se parecem com linguagens tal como ART, ART-IM, Eclipse e Cognate. O CLIPS 6.2 suporta somente regras de encadeamento direto. Encadeamento reverso não é suportado pelo CLIPS [GIARRATANO, 1994].

  Segundo Giarratano (1994), sendo o CLIPS um SE baseado em regras, este é formado por três componentes básicos: Lista de fatos: contém os dados nos quais as inferências são derivadas;

  Base de conhecimento: contém todas as regras; Motor de inferência: controla todas as execuções. Em função da sua portabilidade, CLIPS tem sido instalado em uma ampla variedade de computadores, de PCs a supercomputadores CRAY e, tem sido testado em sistemas operacionais que incluem Windows 95/98/NT, MacOS X e Unix. A versão do CLIPS 6.2, utilizada para o desenvolvimento do presente SE, utilizou o sistema operacional Windows 2000.

  O CLIPS foi a ferramenta escolhida para o desenvolvimento do SE por ser gratuita, já que é mantido como software de domínio público, “freeware open source”, estando disponível na WEB para download, além de ser uma ferramenta eficiente, oriunda da NASA, uma instituição de renome.

4.3 Elicitação do Conhecimento

  Para contemplar a necessidade dos fatos, foram determinadas quais as características necessárias à seleção de Redes Industriais, as quais estão resumidas na tabela 16. Estes fatos juntamente com as regras representam a base de conhecimento que modela a memória de longa duração.

  Para considerar que uma determinada característica não faz parte de uma RI, é preciso que esta informação esteja clara em algum texto pesquisado, e não somente considerar sua ausência. Algumas RI não possuem determinada característica e, por não possuírem, os textos simplesmente não a mencionam, dificultando o trabalho de pesquisa. Pode-se observar que algumas lacunas da tabela 16 não foram preenchidas, pois para certas RI não se encontrou a característica.

  A tabela 16 apresenta a consolidação do conhecimento relativo aos detalhes que identificam cada uma das diversas opções de RI hoje disponíveis. Os itens de caracterização remetem-se tanto a especificação do nível da rede (detalhado no item 2.1.2.a) quanto a opções de configurações topológicas (detalhadas no item 2.1.1.e) bem como de seus parâmetros de operacionalização (detalhados no item 2.1.2). Este conjunto de informações, apesar de não representar fato novo, foi aqui aglomerado e organizado de forma objetiva e pode servir para outros estudos comparativos de RI. Alguns itens da tabela 16 aparentemente duplicados (Arcnet, Sercos, Controlnet, etc) representam RI com a opção de funcionarem com configurações bastante díspares (Arcnet, por exemplo, funciona tanto em cobre quanto em fibra mas com características de velocidade bastante distintas).

  Uma grande contribuição desta dissertação é a construção da tabela 16, onde se conseguiu delimitar as características entre RI. Um conhecimento “solto” que foi estruturado em uma tabela e que, ao se fazer uso em uma consulta, permite precisar o que se necessita.

  TABELA 16 – CARACTERÍSTICAS INSERIDAS NA BASE DE CONHECIMENTO DO SISTEMA ESPECIALISTA

4.4 Implementação da Arquitetura do Sistema

  Ao modelar-se o SE desenvolvido de acordo com a arquitetura da figura 19, obtém- se o resultado apresentado na figura 21.

  Figura 21 - Arquitetura do Sistema Especialista para Seleção de Instalações de Redes Industriais

  Os fatos problema inferidos pelo disparo das regras e que compõem a memória de trabalho podem ser visualizados na janela “FACTS Window”, conforme figura 22.

  Figura 22 - Janela FACTS (MAIN)

  A facilidade de explanação que seria dada por um subsistema, responsável por explicar o raciocínio do sistema, é apresentada pelo próprio CLIPS através da janela Dialog Window, e pode ser visualizada abaixo na figura 23.

  Figura 23 - Janela do CLIPS 6.2 explanando o raciocínio do sistema A interface com o usuário, através do qual o usuário visualiza e interage com o sistema é feito através de várias janelas, as quais podem ser vistas na figura 24.

  Figura 24 - Janelas de Interface do Usuário O sistema é desenvolvido através da Interface de Desenvolvimento, onde no CLIPS

  6.2 esta tarefa é realizada na janela “Dialog Window”, quando o engenheiro de conhecimento abre o arquivo no qual pretende trabalhar. Esta janela pode ser vista na figura 25.

  Figura 25 - Janela de Interface de Desenvolvimento

4.5 Funcionamento: Explorando o Espaço de Estados

  A seguir será mostrado como o sistema funciona indicando a relação entre fatos (detalhados anteriormente) e regras (detalhadas no item 4.7) através de um exemplo. A medida que são inseridos fatos (características) a partir das perguntas feitas ao usuário, na memória de curta duração do SE, muitas das Redes Industriais que não possuem a característica obtida pela pergunta são eliminadas, o que acarreta na diminuição das opções de escolha. Este processo está representado pela figura 26, que nos fornece a estrutura geral de funcionamento do sistema, exemplificado nas figuras 27 e 28. Ao final pode-se obter uma única RI, respostas múltiplas ou nenhuma RI para a aplicação.

  Figura 26 - Seleção da Rede Industrial em Função das Características O importante é lembrar que uma característica pode ser atendida por várias ou até por todos os tipos de Redes Industriais. Se uma determinada característica é atendida por todas as RI, então este fato não diminui as possibilidades de escolha.

  Figura 27 - Determinação da Rede Industrial com apenas duas perguntas Na figura 27, após a definição do nível da RI, apesar de não serem apresentadas respostas intermediárias, somente as redes Profibus PA, Profibus FMS, Worldfip,

  Controlnet, Ethernet e Modbus Plus atendem a exigência deste nível solicitado. Se o usuário necessita uma RI para área de segurança intrínseca, há somente uma possibilidade de instalação, que seria a rede Profibus PA. Todas as opções anteriores com exceção do Profibus PA são descartadas. A conclusão na determinação da rede Profibus PA não é fornecida logo após as duas respostas (nível da RI e necessidade de segurança intrínseca), mas sim, após a conclusão de todas as perguntas relacionadas a este tipo de configuração, pois outras características obtidas através das perguntas seguintes, podem excluir esta única opção. Este procedimento garante que a Rede Industrial Profibus PA atenderá a todas as exigências da instalação. Se a resposta fosse fornecida após as duas perguntas e, o usuário viesse a utilizar esta RI sem analisar outras características, esta poderia não atender a necessidade.

  Na figura 28 estão representadas todas as perguntas necessárias a seleção de uma RI, sendo que estas foram determinadas em função das características exigidas pelo sistema, pelo ambiente e pela instalação.

  Na figura 28, após a primeira resposta a uma pergunta, a qual define o nível onde será instalada a RI, assim como na figura 27, as Redes Industriais Profibus PA, Profibus FMS, Worldfip, Controlnet, Ethernet e Modbus Plus são utilizadas a nível Field Bus. Em seguida, o sistema pergunta se a rede será para uma área que exige segurança intrínseca, sujeita a explosão. Ao responder que a rede não trabalhará em uma área de segurança intrínseca, a Profibus PA deixa de ser uma opção, já que esta só é empregada em áreas de segurança intrínseca. Ao perguntar se a RI deverá ser aberta ou proprietária, e o usuário optar por uma rede aberta, Modbus Plus é excluída. Necessitando de uma rede determinística, todas as opções restantes se mantém. O mesmo serve ao optar por uma topologia Bus. Em seguida é perguntado ao usuário se este sabe o número de nós. Respondendo “sim” e especificando a necessidade de 120 nós na rede, restam como opções o Profibus FMS, a Woldfip e a Rede Industrial Ethernet. Quando o SE pergunta o comprimento necessário para a instalação da Rede Industrial, e o usuário especifica 3000 m, elimina-se a hipótese da utilização da Worldfip na instalação. Como última pergunta, defini-se o meio físico utilizado para a comunicação industrial, sendo este o cobre, o sistema especialista informa que as Redes Industriais Profibus FMS e Industrial Ethernet são aquelas selecionadas e que atendem a todas as exigências da aplicação. Figura 28 - Determinação da Rede Industrial com diversas perguntas A figura 28 é uma árvore de todo o conhecimento relativo a tabela 1 e, apresenta ainda, o Espaço de Estados do SE.

4.6 Arquivos

  O SE está dividido em vários arquivos, onde o primeiro a ser executado é o

  

“Chamadas.clp”, o qual primeiramente faz a limpeza da tela, carrega os demais arquivos

  necessários ao funcionamento do SE, sendo este processo executado através do comando

  

“load “. O arquivo “Chamadas.clp” carrega os arquivos que contém as regras quanto as

  perguntas feitas ao usuário do SE (Perguntas.clp), onde através destas perguntas são também determinadas algumas características que deverão ser atendidas pela RI, sendo estas perguntas feitas em função das respostas do usuário. Outras regras para determinar quais RI atendem o número de nós necessários, estão no arquivo (Numero Nos.clp), assim como as regras quanto a velocidade em função do comprimento e/ou número de nós, e meio físico estão inseridas em (Velocidade.clp) e as regras quanto a conclusão que o SE chegará (Conclusão.clp). Os arquivos carregados podem ser visualizados no quadro1.

  ;** Carrega a interface com o usuário** (load* Perguntas.clp) ;** Carrega as regras para determinar a velocidade de comunicação** (load* Velocidade.clp)

;**Carrega regras para determinar as RI que atendem o número de nós da aplicação**

(load* Numero Nos.clp) ;** Carrega as regras de conclusão do Sistema Especialista** (load* Conclusao.clp)

  QUADRO 1 - PROGRAMA Chamadas.clp A função principal do arquivo “Perguntas.clp”, é realizar as perguntas necessárias

  à seleção de Redes Industriais, feitas ao iniciar o programa. Quanto mais precisas as respostas, mais rapidamente e com maior grau de precisão será selecionada a RI ideal. A falta ou o desconhecimento de algumas das respostas pode acarretar na seleção de RI não adequadas a instalação, ou mesmo, ocasionando a impossibilidade no prosseguimento das perguntas, se esta informação for essencial na determinação da RI. Um exemplo disto pode ser visto no trecho do programa do quadro 2.

  As regras que tratam as dúvidas do usuário, e que podem comprometer a solução apresentada pelo sistema, bem como demais regras relativas ao raciocínio do sistema são apresentadas no item 4.7.

  

(defrule pergunta_seguranca_intrinseca "Para determinar se a RI irá trabalhar em uma

área de segurança intrínseca " (p_seguranca_intrinseca) =>

(printout t crlf "Uma rede industrial que precisa trabalhar em área de segurança

intrínseca deve possibilitar a comunicação de dados e")

(printout t crlf "transporte de energia sobre o mesmo bus utilizando tecnologia de dois

cabos, de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.") (printout t crlf "")

(printout t crlf "A sua rede industrial deve trabalhar em uma área de segurança

intrínseca ? (SSI)Sim - Segurança Intrínseca / ") (printout t crlf "(NSI)Não - Segurança Intrínseca / (TFSI)Tanto faz /(NSSI) Não sabe") (printout t crlf "") (bind ?seg_int (read)) (switch ?seg_int (case SSI then (assert (atende_seg_intrinseca))) (case NSI then (assert (atende_nao_seg_intrinseca))) (case TFSI then (assert (tanto_faz_seg_intrinseca))) (case NSSI then (assert (nao_sabe_seg_intrinseca)))))

  QUADRO 2 – REGRA QUE DETERMINA SE A ÁREA DA REDE INDUSTRIAL É DE SEGURANÇA INTRÍNSECA

4.7 Elicitação de Conhecimento: Regras

  A seguir são apresentadas as regras que conduzem o raciocínio empregado pelo Sistema Especialista, tanto para o tratamento das dúvidas do usuário quanto para fornecer uma solução conclusiva da RI para a configuração requerida.

  Quando o especialista ou usuário responde com “Tanto Faz” ou “Não sabe”, diferentes estratégias são tomadas, dependendo da pergunta. Cada caso foi avaliado, já que respostas deste tipo não devem comprometer o funcionamento do sistema e, se possível, evitar que o sistema pare, o que prejudicaria o andamento do trabalho de seleção. Sempre que o usuário responde “Não sabe” a pergunta que lhe é feita, o SE deve desconsiderar esta resposta e seguir o procedimento de seleção, baseado nas outras respostas do usuário. Com uma resposta do tipo “Não sabe”, deixa de ser gerado um fato que poderia excluir determinadas RI que não atendem a resposta fornecida. Obviamente que uma resposta aumenta a imprecisão de seleção feita pelo SE. Respostas do tipo “Tanto

  “Não sabe”

Faz” , na verdade podem fazer o SE considerar todas as RI como prováveis respostas ou

  chegar a uma conclusão de que não é possível determinar uma solução com este tipo de resposta. Cada caso deve ser analisado e para cada caso, uma ou mais regras foram criadas.

  Ao perguntar se a RI irá operar em uma área de segurança intrínseca, caso o usuário responde que “Tanto faz” , a regra ativada é apresentada no quadro 3.

  (defrule tanto_faz_seg_intrinseca "" (tanto_faz_seg_intrinseca) => (assert (nao_e_possivel_continuar)))

  QUADRO 3 – REGRA PARA TRATAR A RESPOSTA “Tanto Faz” Ativando a regra acima, na seqüência, a regra do quadro 4 também é ativada, gerando uma conclusão e encerrando o programa.

  (defrule deterministica_e_data_bus "Para RI determinística e de nível Data Bus" (nao_e_possivel_continuar) =>

(printout t crlf "Conclusão: Não é possível determinar a RI que você necessita, pois

você não soube responder a pergunta acima que era essencial.")

(printout t crlf "Não posso determinar uma RI inadequada para trabalhar em uma área

de segurança intrínseca, colocando em risco a vida de pessoas. ") (halt) )

  QUADRO 4 – REGRA DE ATALHO PARA UMA CONCLUSÃO A instalação de uma RI inadequada, em uma área de segurança intrínseca, seguramente traz graves conseqüências e, em função disso, esta pergunta deve ser respondida, caso contrário o sistema é encerrado.

  O sistema é sempre iniciado visando selecionar o nível no qual será instalada a RI, onde a determinação do nível gera uma série de perguntas válidas ao nível selecionado, ver figura 23.

  As respostas às perguntas, geram um ou mais “assert’s”. Os asserts são a forma de se criar fatos na memória de trabalho do CLIPS. Estes fatos são utilizados nos próximos questionamentos, ou podem ser um dos fatos geradores da resposta conclusiva, como pode ser visto no quadro 5. Por exemplo, para a regra do quadro 5, se a RI precisa ser determinística, esta gera o fato “atende_deterministica”, o qual é utilizado no arquivo “Conclusao.clp”, para encontrar todas as RI determinísticas.

  (defrule pergunta_deterministica "Para determinar se a RI será determinística ou não determinística" (p_deterministica) => (printout t crlf "Uma rede industrial determinística é caracterizada pela capacidade da rede em garantir a disponibilidade de informações entre seus") (printout t crlf "integrantes em tempo determinado.") (printout t crlf "A sua rede industrial precisa ser determinística ? (SD)Sim

  Determinística / (ND)Não Determinística / (TFD)Tanto faz /") (printout t crlf "(NSD)Não sabe ->") (printout t crlf "") (bind ?det (read)) (switch ?det (case SD then (assert (atende_deterministica))) (case ND then (assert (atende_nao_deterministica))) (case TFD then (assert (tanto_faz_deterministica))) (case NSD then (assert (nao_sabe_deterministica)))))

  QUADRO 5 – REGRA QUE DETERMINA SE A REDE INDUSTRIAL PRECISA SER DETERMINÍSTICA

  No quadro 6 encontra-se uma regra conclusiva, a qual somente será executada se todas as características (fatos) foram geradas, a partir das diversas perguntas executadas pelo arquivo “Perguntas.clp“, e necessários a determinação da rede Interbus S como adequada a instalação. Observa-se inclusive que esta é determinística.

  (defrule rede_interbus_s "Chegou-se a conclusão que a RI Interbus S adequa-se ao usuário" (atende_deterministica) (atende_device_bus) (atende_nao_seg_intrinseca) (atende_aberta) (atende_anel) (interbus_s_nos) => (printout t crlf "A Rede Industrial Interbus S atende sua necessidade")

   )

  QUADRO 6 Ố REGRA CONCLUSIVA EM FUNđấO DA GERAđấO DE DETERMINADOS FATOS

  

4.8 Como Construir as Perguntas e Regras do Sistema

Especialista

  A estratégia da utilização de diversos arquivos na implementação do SE, torna-o mais didático e de fácil manutenção, já que é um dos objetivos do desenvolvimento deste SE. O arquivo “Perguntas.clp”, sendo responsável pela determinação das diversas características que devem ser atendidas pela RI, é também aquele que poderá sofrer modificações, quando houver a necessidade de inserir novas perguntas ou modificar as já existentes. A partir dos estudos e questionamentos com profissionais que atuam na área de automação e especificamente trabalham com RI, ficou claro que o arquivo “Perguntas.clp” deveria ser estruturado iniciando pelas perguntas mais importantes e menos específicas, as quais direcionam para perguntas mais específicas, o que também facilita no momento de uma alteração.

  As alterações das características, como velocidade e número de nós, são tratadas nos arquivos correspondentes, “Velocidade.clp” e “Numero Nos.clp”, facilitando assim a reprogramação. Sempre que a característica de uma RI envolver algum tipo de cálculo, este é feito em um arquivo específico para este, facilitando também o trabalho do programador.

  Tal estratégia de construção deste SE possui então três justificativas principais:

  • Facilitar o entendimento da programação a nível didático, bem como o entendimento do raciocínio utilizado pelo sistema na busca de uma resposta;
  • Facilitar alterações de alguma característica sofrida pelas Redes Industriais já inseridas neste SE;
  • Facilitar a inserção de uma nova RI utilizada no mercado.

  Conclusão

  O desenvolvimento do Sistema Especialista (SE) foi feito utilizando o método de encadeamento progressivo, de acordo com as etapas de avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação e manutenção.

  O SE foi desenvolvido utilizando a ferramenta CLIPS, versão 6.2, trabalhando sobre o sistema operacional windows 2000. O CLIPS é uma ferramenta que provê um ambiente completo para construção de SE baseados em regras e/ou objetos, suportando somente o método de encadeamento progressivo. Dispõe de várias janelas, através das quais é possível visualizar os fatos inferidos, facilitar a explanação, interagir com o SE e permitir o desenvolvimento do SE. É ainda formado por três componentes básicos, sendo estes, lista de fatos, base de conhecimento e motor de inferência. O CLIPS é uma ferramenta de domínio público disponível para donwload gratuito na WEB. Além de eficiente, o CLIPS é proveniente de uma instituição de renome (NASA).

  Toda a base de conhecimento do SE formado por diversas características, foram colocadas em uma tabela.. O SE está dividido em vários arquivos. O arquivo “Chamadas.clp” carrega os demais arquivos, o qual engloba o arquivo “Perguntas.clp” que contém as regras relacionadas as perguntas feitas ao usuário, o arquivo “Numero Nos.clp” para verificar quais RI atendem o número de nós necessários a aplicação, o arquivo “Velocidade.clp” com as regras referentes as características que determinam a velocidade de comunicação da RI e o arquivo “Conclusão.clp” com as regras conclusivas na seleção da RI que atende todas as características.

  O arquivo “Perguntas.clp” gera determinados “assert´s”, os quais são utilizados pelos outros arquivos na determinação da RI que atenda o número de nós e velocidade necessários a aplicação. Os “assert´s” gerados em todos os arquivos são utilizados pelo arquivo “Conclusão.clp” na determinação da RI.

  CAPÍTULO 5

5. Considerações Finais

5.1 Discussões

  Atualmente, para controlar e monitorar um processo de manufatura, são utilizadas as Redes Industriais nos vários níveis de integração em uma empresa. Sistemas de automação e controle necessitam RI cujas características são adequadas ao ambiente, caso contrário, sua utilização compromete a troca de informações, afetando o desempenho do processo fabril. Existem hoje diversas RI, onde a seleção destas deve ser fundamentada nas características quantitativas e qualitativas da rede e dos equipamentos, o que dificulta a seleção pela quantidade de informações e características a serem avaliadas, bem como o grande número de RI atualmente no mercado.

  Assim sendo, o objetivo é desenvolver um Sistema Especialista de simples operacionalidade e entendibilidade, para auxílio à seleção de RI. Para atingir este objetivo, foi identificado o grau de disseminação de RI na região de Joinville, bem como a forma como estas se encontram instaladas nas empresas; foi experimentada uma área e técnica de Inteligência Artificial (IA), no caso Sistemas Especialistas (SE), no auxílio à seleção de RI; além do estabelecimento de uma arquitetura de sistema para solucionar o problema de seleção, considerando uma ampla gama de opções de RI.

  O desenvolvimento deste trabalho permitiu identificar o quão importante é uma boa seleção de Rede Industrial (RI) e também o quão extensa e complexa é esta análise. Outra constatação, de certa forma lamentável, e igualmente importante, é o fato de que há dificuldade em encontrar profissionais da área que usam um procedimento sistematizado, metodológico, isento de pré-conceitos e entusiasmos ou tendências no sentido de selecionar criteriosamente uma solução de rede. Neste processo, ainda percebeu-se uma forte influência de forças extras (estratégias da empresas, decisões / interferências do dono) que acabam tendo muitas vezes influência maior que critérios técnicos.

  Durante e, principalmente, após a execução do Sistema Especialista (SE), foram realizados testes para verificar se o sistema apresentava resposta coerente com uma avaliação feita por um especialista, caso contrário as respostas não trariam segurança ao usuário. Cada regra foi testada durante a inserção do conhecimento no sistema. Quando da execução dos testes, o CLIPS permitiu a abertura de uma janela de nome “Facts”, onde nesta foi possível acompanhar quais regras foram executadas e quais foram eliminadas após sua execução.

  Os testes feitos com o sistema foram testes funcionais, que buscaram avaliar se todo o espaço de estados de soluções estava sendo considerado e se as respostas conferiam com a bibliografia estudada. Foi constatado que as conclusões do SE estavam corretas, ou seja, o sistema está selecionando todas as características relativas as escolhas feitas pelo usuário, para determinar com grande precisão qual ou quais Redes Industriais (RI) são adequadas a aplicação, baseado sempre no processo de seleção.

  No início do programa, quando o usuário seleciona o nível industrial onde esta rede será instalada, somente aquelas com capacidade para operarem neste nível são consideradas como prováveis soluções. Nas demais regras, pelo mesmo princípio, somente as RI que satisfazem a exigência da regra continuam como prováveis soluções, onde cada resposta do usuário do sistema atua como um novo fato inserido na memória de trabalho, o qual é usado posteriormente para excluir as RI que não estão de acordo com este novo fato.

  A maior dificuldade foi quanto ao paradigma de programação diferente do convencional, pois linguagens de programação convencionais, tal como FORTRAN, Pascal e C, são projetadas e otimizadas para a manipulação procedural de dados. Por outro lado, CLIPS é uma linguagem declarativa e portanto, um paradigma de programação que não é usualmente explorado em cursos de graduação na área das engenharias.

  A extensão (tamanho) dos dados das RI e a quantidade de RI disponíveis hoje no mercado, exigiram um grande esforço de pesquisa, haja vista a dificuldade em encontrar bibliografia que trata exclusivamente das características destas RI, ou ainda, quando a literatura é proveniente dos fabricantes de equipamentos que utilizam determinada RI, não são expostas as características que não venham a favorecer a RI.

  Outra dificuldade encontrada no desenvolvimento desta pesquisa, talvez a mais significativa, foi a falta de um especialista que pudesse ficar a disposição para fornecer as heurísticas e os conhecimentos sobre RI. Como constatado na pesquisa de campo (detalhada no item 3.1.4), este profissional é usualmente escasso ou externo às empresas, o que torna seu tempo valioso e também difícil de encontrá-lo. Como o próprio mestrando estava envolvido com esta tecnologia no seu local de trabalho e, como a pesquisa exigiu um estudo abrangente e aprofundado sobre o assunto, passou-se a considerar o próprio mestrando como se fosse o especialista humano. Acredita-se que este fato não tenha comprometido a solução encontrada e implementada e, ainda, tenha possibilitado a isenção do raciocínio do especialista em relação as pressões mercadológicas, atendo-se única e exclusivamente a critérios objetivos e operacionais para a seleção.

5.2 Conclusão

  As Redes Industriais são utilizadas para comunicação no escopo industrial, sendo estas divididas em diversos níveis de dispositivos e equipamentos, cada nível com suas características. Cada nível pode necessitar uma RI diferente, onde este apresenta certas características básicas, as quais são essenciais no processo de seleção.

  A Inteligência Artificial (IA) visa imitar o processo básico do aprendizado humano, por meio do qual novas informações são absorvidas, tornando-se disponíveis. A IA possui diversas áreas de estudo, dentre eles os Sistemas Especialistas (SE), os quais fazem uso do conhecimento especializado para solucionar problemas. Os SE podem solucionar diversos tipos de problemas, dentre eles problemas de seleção. Um SE possui características que o diferem de sistemas computacionais convencionais, como uso de conhecimento ao invés de dados, onde este conhecimento é mantido separado do programa de controle e se apresenta na forma de fatos e regras, sendo capaz de explicar como chegou a determinada conclusão, entre outras características.

  Como software de SE, o CLIPS é baseado em regras para solução de problemas, o qual apresenta inúmeras vantagens, como a facilidade de expansão, separação do controle do conhecimento, conhecimento modular entre outras vistas anteriormente.

  Na pesquisa de campo sobre Redes Industriais (RI) na região de Joinville, conclui- se que mesmo tendo realizado a pesquisa dentre as maiores empresas da região, ou em função da atividade que exercem, onde acreditava-se que estas possuiriam um alto grau de automatização, constatou-se que apenas um pouco mais da metade das empresas possuem Redes Industriais. Procurava-se determinar as RI que se encontram instaladas nas empresas, ou seja, quais RI estão sendo utilizadas, identificando aquelas realmente difundidas. Conclui-se que as RI estão pouco difundidas nas empresas de médio e grande porte em Joinville e se apresentam em grande diversidade, as quais dependem sempre do tipo de equipamento utilizado na automação, pois estes equipamentos possuem sempre placas para comunicação com apenas alguns tipos de RI, ou ainda, o emprego de uma RI foi feita por uma tendência do especialista e demais envolvidos, no momento da seleção da RI. Ainda, pelos contatos pessoais mantidos com as pessoas envolvidas na área de utilização ou mesmo no processo de seleção, percebeu-se que o processo de escolha das RI foi severamente influenciado pelo fabricante dos equipamentos que seriam interligados e/ou por pressões mercadológicas sofridas por fornecedores tendenciosos. Ou seja, o processo de escolha não seguiu uma metodologia e nem considerou critérios técnicos objetivos e isentos.

  Com a pesquisa de campo, verificou-se as áreas onde estão instaladas estas redes, que tipos de máquinas estão conectadas nesta rede (equipamentos de montagem, robôs, CNC’s, etc) e se estas redes estão interligadas a Rede de Computadores da empresa (em 50 % dos casos). Não foi observado consenso na seleção das Redes Industriais, procurando identificar se havia uma metodologia para seleção. Após a pesquisa de campo, percebeu-se que a seleção de Redes Industriais (RI) é um problema complexo, haja vista a diversidade de tipos de RI instaladas nas mais diversas áreas e máquinas. Constatou-se a priori que não existe uma metodologia e, na grande maioria dos casos, tão pouco um especialista “in house” para realizar a seleção da RI.

  A pesquisa bibliográfica, por outro lado, revelou que existem poucos trabalhos no sentido de formalizar o processo de seleção de RI, pois poucos trabalhos nesta direção puderam ser encontrados. Basicamente, o trabalho de Stefano e Mirabella (1996) que desenvolveram um SE baseado em regras e dividido em subproblemas para projeto de fieldbus baseado no padrão FIP, onde este pode oferecer informações da performance e tamanho da rede. Quanto a sua validade, este está voltado somente ao padrão FIP. Como sugestão futura está o desenvolvimento de um SE que considere os demais padrões.

  Pôde-se observar entretanto, que o emprego de um Sistema Especialista (SE) é comprovadamente uma solução, a qual tem sido usada para seleção de vários problemas complexos, das mais diversas áreas. A IA e SE como alternativa para seleção de RI’s parece ser uma solução interessante. Um SE no processo de seleção possui diversas vantagens como estar disponível em qualquer local, sendo substituível, não perecível, com performance e velocidade consistente e com um custo viável.

  Sendo o principal objetivo desta dissertação desenvolver um sistema inteligente para apoio a decisão na seleção de Redes Industriais, com um SE capaz de auxiliar um especialista, conclui-se que o objetivo principal foi atingido, pois este SE pode auxiliar um especialista. Acredita-se não ser capaz de substituir um especialista, pois para tal, seria necessário alimentar a base de conhecimento do sistema com outras características, podendo-se assim chegar a conclusão de que o SE está decididamente pronto para substituir um especialista. Também seria necessário avaliar com um estudo de caso, se o SE encontraria a mesma solução dada por um especialista em uma determinada aplicação, o que comprovaria a capacidade do SE de substituir um especialista. Este estudo não foi possível, haja vista a dificuldade em encontrar um especialista na área com disponibilidade para tal estudo, que não siga certos entusiasmos ou tendências no processo de seleção, já que diversas RI estariam sendo analisadas e, mais ainda, que adote metodologias claras no processo. Estas restrições tornam difícil encontrar este profissional.

  No estudo de caso poderia ainda haver discrepâncias quando comparássemos os resultados obtidos pelo SE com implementações já ocorridas, pois os fatores não técnicos (estratégicos e econômicos) não foram considerados nesta implementação e, nem se tem a garantia de independência, idoneidade e imparcialidade da análise feita quando o sistema foi especificado pela primeira vez. Para poder validar efetivamente o presente SE, seria necessário considerar uma instalação industrial que estivesse sendo interligada e então comparar as soluções fornecidas pelo especialista humano e pelo sistema implementado, mantendo-se os dois restritos a critérios técnicos para a seleção.

  A arquitetura de sistema para solucionar o problema de seleção, considerando uma ampla gama de opções de RI foi definida e efetivamente experimentada. Para tal desenvolveu-se o Sistema Especialista (SE) utilizando o método de encadeamento progressivo, de acordo com as etapas de avaliação, aquisição, projeto, teste, documentação e manutenção. Toda a base de conhecimento do SE é formado por diversas características, as quais foram expostas na tabela 16. A arquitetura foi implementada e pode ser visualizada na figura 21. O SE está dividido em vários arquivos, onde o arquivo

  

Chamadas.clpcarrega os demais arquivos, o qual engloba o arquivo “Perguntas.clp” que

  contém as regras relacionadas as perguntas feitas ao usuário, o arquivo “Numero Nos.clp” para verificar quais RI atendem o número de nós necessários a aplicação, o arquivo “Velocidade.clp” com as regras referentes as características que determinam a velocidade de comunicação da RI e o arquivo “Conclusão.clp” com as regras conclusivas na seleção da RI que atende todas as características. Na fase de aquisição, ou elicitação de conhecimento, explicitou-se todos os fatos representativos das características das RI (ver item 4.3) bem como as regras de raciocínio e funcionamento do sistema que, inclusive, tratam as dúvidas dos usuários (ver item 4.7).

  Apesar da quase totalidade dos equipamentos hoje vendidos no mercado possibilitarem uma comunicação com algum tipo de Rede Industrial, ainda assim pouco se está aproveitando e investindo nesta tecnologia. Sabe-se que a implantação geralmente começa em uma pequena área da empresa, até que seja comprovada sua eficácia e utilidade, para depois ser expandida nas demais áreas. Geralmente, os funcionários da área técnica precisam provar aos gerentes e responsáveis o quão valiosa pode ser uma Rede Industrial, para que então estes responsáveis aprovem no orçamento o investimento.

  Vale salientar novamente, que as empresas que trabalham com um Sistema Fle xível de Manufatura, sem dúvida utilizam as capacidades da Rede Industrial para implementar seu processo.

  Através do estudo acima, foi possível concluir que se uma tarefa requer do especialista quase sempre horas para ser solucionada, então esta tarefa está além da capacidade de um SE, ou seja, não é correto querer abranger através do SE uma gama enorme de informações para executar um trabalho que levaria horas para ser feito por um especialista. Um problema que requer de um especialista cerca de quinze minutos para ser solucionado, é um razoável problema para um SE. Se o problema é mais complexo, deve- se tentar quebrar este em sub-partes, onde cada qual pode ser solucionada com um simples SE. O problema não precisa ser tão complexo que resulte em uma situação incontrolável com uma aproximação por SE.

  Importante também do SE para seleção de RI é que este pode sofrer uma constante manutenção, corrigindo e acrescentando informações na base de conhecimento da memória de longa duração. Para este caso, aumentando o conhecimento implícito do SE, melhora-se a avaliação da RI e conseqüentemente, mais precisa se torna a resposta e, com certeza, menores são os problemas encontrados durante a instalação e start up.

5.3 Trabalhos Futuros

  Pode-se sugerir outros temas complementares aos resultados obtidos nesta dissertação.

  Sugere-se detalhar a pesquisa de campo, pois decorrido o tempo desde a última pesquisa, pode-se comparar a evolução das RI nas empresas; Para que o Sistema Especialista (SE) possa se tornar mais útil, é necessário o acréscimo de características na base de conhecimento, com a criação de novas regras, mesmo com a dificuldade em conseguir as informações necessárias a formação da base de conhecimento do Sistema Especialista, pois as informações sobre RI estão muito dispersas na literatura. O SE poderia ser feito selecionando as RI de acordo com os níveis nos quais estas podem operar, assim teria-se não mais de cinco Sistemas Especialistas, cada qual para um nível de dispositivos e equipamentos;

  Os SE então implementados, podem fazer uso de uma base de conhecimento composta pelos mais diversos equipamentos utilizados e disponíveis para este uso, pois a escolha de uma RI deve também considerar a disponibilidade de todos os equipamentos necessários ao funcionamento do processo de automatização, sendo que estes devem poder comunicar-se com a RI selecionada, pois de nada adianta selecionar a melhor RI para aplicação, se não houver no mercado, equipamentos disponíveis para a RI selecionada;

  O sistema poderá ainda compreender três estágios, sendo o primeiro formado por uma análise técnica, a qual é primordial e antecede obrigatoriamente as demais análises, pois a RI deve obrigatoriamente atender a todas as exigências da instalação e troca de informações, para então prosseguir aos demais estágios, onde o segundo estágio poderá envolver o mérito econômico da melhor alternativa de custo considerando os custos de compra e operação. O último poderá envolver uma decisão de aquisição, onde será decidido qual fabricante fornecerá a RI. Esta escolha é baseada não somente no preço, mas também no serviço de assistência técnica e qualidade no atendimento; Modelar o processo decisório considerando outros aspectos, como aspectos políticos da empresa, econômicos, estratégicos, entre outros, reunindo assim outros especialistas e permitindo a sua interação;

  Como a utilização de um SE para seleção de RI não permitiu fazer uso de uma característica dos Sistemas Especialistas, que é o uso das regras de atalho para se chegar a uma rápida solução, o que de certa forma também não compromete a sua utilização, sugere-se então o estudo de outras técnicas de auxílio a tomada de decisão para problemas complexos;

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  THOMESSE, jean-Pierre e CHAVEZ, Miguel Leon. Main Paradigms as a Basis for

Current Fieldbus Concepts. In: Fieldbus Conference Fet’99, 1999, Alemanha.

  

Proceeding … Magdeburg, Alemanha: Springer Verlag, Setembro 1999. p. 02 – 15.

  Também disponível em: DIETRICH, Dietmar; NEUMANN, Peter; SCHWEINZER,

  Herber (Editores). Fieldbus Technology, Systems Integration, Networking and Engineering. Alemanha, 1999. 452 p. ISBN 3-211-83394-3.

  ZELTWANGER, Holger. Communication Profile for Embedded Networks. In: Fieldbus Conference Fet’99, 1999, Alemanha. Proceeding … Magdeburg, Alemanha: Springer Verlag, Setembro 1999. p. 16 – 21. Também disponível em: DIETRICH, Dietmar; NEUMANN, Peter; SCHWEINZER, Herber (Editores). Fieldbus Technology,

  

Systems Integration, Networking and Engineering. Alemanha, 1999. 452 p. ISBN 3-

211-83394-3.

  

Automation and Control. Disponível em: <http:// www.siemens.asi.com.br ,>. Acesso em

15 jun. 2002.

  Introducción a PROFIBUS. Disponível em: <http://eya.swin.net/redes/redes_in.htm>.

  Acesso em; 01 ago 2000.

  Protocolos de Redes Industriais. Disponível em:<http:// members.tripod.com.br/Eletronics/art3.htm >. Acesso em; 18 de abr 2000. www.terravista.pt/Bilene/3841/net.html >. Acesso

  Open Network. Disponível em: <http:// em: 18 out 2000. www.profibus.com >.Acesso

  PROFIBUS, Technical Description. Disponível em: <http:// em: 07 mai 2001.

  

Fieldbus. Disponível em: <vigna.cimsi.cim.ch/tai/BCD/in/BDC1_2.html>. Acesso em: 07

mai 2001.

  ANEXO A A Questionário sobre Redes Industriais

  Para enviar por e-mail o questionário abaixo, primeiramente através de contato telefônico ou pessoalmente, procurou-se identificar a(s) pessoa(s) que conheciam RI e tivessem conhecimento necessário para responder este questionário.

  Ficou estabelecido que qualquer dúvida referente ao questionário deveria ser sanado, para que o questionário tivesse credibilidade de pesquisa. Segue abaixo a tabulação das respostas ao questionário enviado para empresas de Joinville e região, na pesquisa de campo efetuada entre março de 2001 a maio de 2001.

  1 – Empresa : Amanco Brasil SA, DOCOL Metais Sanitários Ltda, Dohler SA, Marisol SA, Douat Cia Têxtil, Embraco, Herten, Moliporex, Kohlbach Motores Ltda, Multibras Eletrodomésticos, Renault do Brasil, Schulz SA, Tritec Motores Ltda, Tubos e Conexões Tigre, Tupy Fundições Ltda, VAMA Industrial Ltda e WEG Indústrias SA.

  2 – Nome: Cargo: Setor : e-mail: Fone : 3 – Possuem na empresa Rede(s) de Computadores: ( 15 ) Sim

  ( 0 ) Não 4 - Possuem na empresa Rede(s) Industriais: ( 8 ) Sim ( 7 ) Não 4 – Qual ou quais Rede(s) Industrial :

  QUADRO 7 – REDES INDUSTRIAIS UTILIZADAS NAS EMPRESAS PESQUISADAS Rede Profibus Ethernet DH + Sinec L2 ASI Modbus FIPWAY

  Industrial Quantidade

  5

  3

  2

  1

  1

  1

  1 6 – A Rede Industrial está em todo o chão de fábrica: ( 3 ) Sim ( 5 ) Não Qual área: QUADRO 8 – ÁREA ONDE ESTÃO INSTALADAS AS REDES INDUSTRIAIS Área Todo o Usinagem Montagem Beneficiamento Preparação Matéria- processo

  Prima Quantidade

  3

  2

  2

  1

  1 Máq. Preparação Estamparia Injeção de Sistema de Teste Processo de Fios Alumínio Esgoto PU Quantidade

  1

  1

  1

  1

  1 7 - Que tipos de máquinas estão em rede: QUADRO 9 – TIPOS DE MÁQUINAS CONECTADAS A REDE INDUSTRIAL Máquina Equipamento Robôs Sistema de CNC Injetoras

  IBM - PC de Transporte Montagem

  Quantidade

  4

  3

  2

  2

  2

  1 Máquina Dosadores Silos Máquina Bobinadoras Prensas Lavadoras Têxtil

  Quantidade

  1

  1

  1

  1

  1

  1 Máquina Painéis Elevatórios Balanceadoras Engomadeiras Extrusoras Urdideiras de Teste Quantidade

  1

  1

  1

  1

  1

  1 8 – Aproximadamente quantas destas máquinas estão em rede: número não preciso.

  QUADRO 10 – QUANTIDADE DE MÁQUINAS LIGADAS EM REDE Empresa A C D

  I K M Q nº Máquinas Toda a planta 10 a 20 ± 5 ± 15 Mais de 200 ± 80 ± 100 9 – A Rede de Computadores e a Rede Industrial estão interligadas: ( 5 ) Sim ( 3 ) Não 10 – Quem fez a especificação da Rede Industrial: ( 5 ) Interno

  ( 1 ) Consultor ( 4 ) Fornecedor do Sistema 11 – Quando : número não preciso. Quanto tempo levou: número não preciso

  12 – Quem fez a implantação da Rede Industrial : ( 4 ) Interno ( 2 ) Consultor

  ( 2 ) Fornecedor da máquina ou sistema ( 2 ) Trabalho conjunto com integradores 13 - Quando : Quanto tempo levou:

  14 – Há um grupo ou pessoa especificamente responsável pela manutenção da Rede Industrial: ( 5 ) Sim . Contato : ( 6 ) Não

  15 – Teria disponibilidade para me receber para uma entrevista mais longa: ( 9 ) Sim ( 1 ) Não

  Observações: Também possuímos dois sistemas que compõem facilidades de MES (Manufacturing Execution System) que estão interligados em rede inclusive com a rede corporativa.

  O parque fabril ainda não está interligado por redes industriais e o processo ainda é pouco automatizado.

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