Avaliação do desempenho de redes PROFIBUS-DP suportada em técnicas de injecção de faltas - Carvalho, José Augusto (2010)
Limitações de natureza tecnológica condicionaram o desenvolvimento dos sistemas de controlo a uma abordagem que conduziu à centralização da sua estrutura. Com a evolução da tecnologia esta abordagem alterou-se e actualmente muitas das estruturas de controlo assentam sobre o paradigma da distribuição de tarefas. Neste contexto, as redes de comunicação desempenham um papel fundamental na estrutura e na operação do sistema de controlo. Nos níveis inferiores de controlo a comunicação é estabelecida através de redes de campo que fazem a interligação entre pequenos controladores sensores e actuadores, num processo tipicamente caracterizado pela troca de pequenas mensagens muitas das vezes de natureza cíclica, e usualmente com restrições temporais críticas. Dado o papel das redes de campo nos sistemas controlo, e fruto do aumento de complexidade, custos de desenvolvimento dos sistemas e sua exploração, e também do tipo de tarefas que desempenham, tornaram importante a consideração de aspectos relacionados com o efeito da operação da rede na disponibilidade do sistema, na segurança de pessoas, ou mesmo de impactos no ambiente em que se inserem. Assim, de uma forma genérica importa avaliar modos de operação das redes que potencialmente contribuam para uma diminuição da confiança no funcionamento dos sistemas que suportam. Neste contexto, a avaliação do funcionamento das redes de campo na presença de faltas, assume relevância na identificação das principais fontes de degradação de desempenho, que no limite possam levar o sistema a falhar a função para que foi especificado. No domínio da avaliação e da validação de sistemas os métodos experimentais são ferramentas poderosas, que podem ser utilizadas para alterar as normais condições de operação de um sistema e avaliar como desempenha nestas condições A técnica de injecção de faltas inclui-se nesta classe de métodos e permite introduzir de forma intencional e controlada erros no sistema. Assim, constitui uma solução eficaz na avaliação de sistemas complexos, para os quais a aplicação de outras técnicas é difícil, ou por vezes falha. Nesta dissertação pretende-se contribuir para a caracterização do funcionamento de uma das redes de campo mais difundidas em aplicações de automação industrial — o PROFIBUS-DP. A caracterização é centrada no seu funcionamento em modo degradado, designadamente quando a operação é perturbada por interferências de natureza electromagnética Este padrão de perturbação é susceptível de conduzir a rede para modos de operação que têm potenciais impactos na disponibilidade da rede e na sua capacidade de garantir o cumprimento de restrições temporais em aplicação de tempo-real. A área da avaliação do funcionamento na presença de faltas é uma área onde existe pouco trabalho publicado relativo ao comportamento do PROFIBUS~DP, e o que existe é manifestamente insuficiente para fornecer uma caracterização sólida do seu desempenho nestas condições de operação. Para suportar a avaliação da rede foi desenvolvido um ambiente de injecção constituído por uma infra-estrutura de injecção de faltas na qual se inclui uma rede PROFIBUSDP. A infra-estrutura de injecção implementa a técnica de injecção física de faltas, capaz de injectar faltas num ambiente distribuído de acordo com um processo estocástico. O hardware do módulo de injecção foi desenvolvido de forma a apresentar uma elevada controlabilidade do processo de injecção, assim como, de uma elevada resolução das faltas injectadas, permitindo injectar com precisão, faltas de um só bit e mais que um bit no barramento de comunicação. Os nós de comunicação foram desenvolvidos de acordo com a norma do PROFIBUS-DP. A estrutura do software e do hardware dos nós de comunicação permitem o acesso à camada de ligação de dados, e assim obter informação relevante relativa aos estados de operação do protocolo. A avaliação foi efectuada de forma a identificar eventos que afectem a organização das estações no anel lógico da rede PROFIBUSDP tendo sido identificados seis eventos com impactos importantes ao nível do desempenho da rede. Três destes relacionados com perdas de token, e os restantes associados a saídas não intencionais de estações do anel. A sua probabilidade foi inferida para diferentes cenários de faltas, assim como, foi avaliada a forma como os mecanismos de recuperação dos eventos identificados desempenham em condições de faltas. As experiências incidiram igualmente sobre a questão da resposta da rede nestas condições de operação. Neste contexto, quando a rede opera na configuração multi-mestre foram observados impactos significativos quer resposta temporal da rede, quer no tempo de recuperação dos mecanismos de tolerância a faltas. Este comportamento deixa antever uma má resposta da configuração multi-master em cenários de faltas.