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DESENVOLVIMENTO DE UM ALGORITMO DE ESCALONAMENTO PARA REDE FOUNDATION

FIELDBUS

Daniele Aparecida Cicillini

So Carlos 2007

Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

ORIENTADOR: Prof. Tit. Mrio Pinotti Junior

A Deus fora suprema

E Senhor de todo meu existir.

AGRADECIMENTOS

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente ao professor Dr. Mario Pinotti Junior, pela confiana,

amizade e por toda orientao ao longo deste trabalho.

Agradeo tambm de uma maneira especial ao professor Dr. Dennis Brando, pelo

imenso carinho, amizade, colaborao, orientao e por todo ensinar, voc faz parte dessa

histria.

A Smar Equipamentos Industriais pelo incentivo ps-graduao.

A todos os amigos da Diviso de Desenvolvimento Eletrnico, em especial aos

colegas do grupo Equipamentos de Campo, destaco aqui a amiga e companheira de estudo

Valria Venturini, pela amizade, cooperao e incentivo.

A todos os meus amigos, os presentes e ausentes, que de alguma maneira me ajudaram

para a realizao deste trabalho, destaco a amiga Vanessa e o meu namorado Ary, obrigada a

cada um de vocs por emprestar o ombro amigo, todo auxlio, companheirismo e por todas as

palavras de motivaes.

Aos meus familiares, tios, primos e meus avs Dirce e Sebastio obrigada pelas

oraes e amor.

Aos meus pais Ernesto e Maria Aparecida, por proporcionarem a mim todo incentivo

em ir alm das fronteiras, em me ensinar a ser perseverante, lutar sempre com dignidade e

honestidade, tudo o que eu disser aqui pouco para agradec-los. Eu os amo.

As minhas doces e amadas irms Fernanda e Natalia, amigas para todas as horas, meu

porto seguro, o que posso dizer a no ser: eu amo vocs.

Enfim eu louvo o criador, o meu Deus pra quem eu dedico todo esse trabalho, que com

esse presente fez um marco na minha vida.

SUMRIO

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS......................................................................................................XI

LISTA DE TABELAS ................................................................................................... XV

LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... XVII

RESUMO.......................................................................................................................XXI

ABSTRACT................................................................................................................XXIII

1 INTRODUO............................................................................................................. 25

1.1 OBJETIVOS....................................................................................................... 35

1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO ................................................................. 36

2 FOUNDATION FIELDBUS ........................................................................................ 37

2.1 INTRODUO.................................................................................................. 37

2.2 PROTOCOLO FOUNDATION FIELDBUS..................................................... 39

2.2.1 BLOCO FUNCIONAL................................................................................... 41

2.2.2 TRFEGO DE COMUNICAO ................................................................ 45

2.2.3 CAMADAS, GERENCIAMENTO E SERVIOS DE REDE....................... 49

2.2.4 A CAMADA DE APLICAO DO USURIO ........................................... 59

3 REVISO BIBLIOGRFICA..................................................................................... 63 3.1 ESCALONAMENTO......................................................................................... 66

4 DESENVOLVIMENTO ............................................................................................... 83

4.1 CONFIGURADOR SYSCON............................................................................ 83

4.2 TECNOLOGIA XML ........................................................................................ 90

SUMRIO

4.2.1 CARACTERSTICAS DO XML ................................................................... 90

4.2.2 TAG ................................................................................................................ 91

4.3 ALGORITMO FFSMART................................................................................. 93

5 RESULTADOS.............................................................................................................. 99

5.1 EXPERIMENTO 1 CONTROLE DA TEMPERATURA DE SADA DO

PRODUTO USANDO VAPOR PARA AQUEC-LO.................................... 100

5.2 EXPERIMENTO 2 DUPLO LIMITE CRUZADO....................................... 105

5.3 EXPERIMENTO 3 APLICAO DE CONTROLE DE UMA EMPRESA DE

FUNDIO DE FERRO ................................................................................. 112

6 CONCLUSO ............................................................................................................. 121

6.1 TRABALHOS FUTUROS............................................................................... 123

REFERNCIA BIBLIOGRFICA ............................................................................. 125

LISTA DE FIGURAS xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Representao da estrutura em camadas do protocolo FOUNDATION FIELDBUS

.............................................................................................................................32

Figura 2 Exemplo de malha de controle distribuda............................................................33

Figura 3 Comunicao em macrociclos...............................................................................34

Figura 4 Arquitetura de controle (Regh, Swain e Yangula, 1999) ......................................38

Figura 5 Estrutura em camadas do protocolo FOUNDATION FIELDBUS.......................40

Figura 6 Tipos de blocos da camada de aplicao do usurio (FOUNDATION FIELDBUS,

2003) ....................................................................................................................41

Figura 7 Tipos de blocos funcionais (FOUNDATION FIELDBUS, 2003).........................43

Figura 8 Comunicao de troca de dados no protocolo FOUNDATION FIELDBUS .......47

Figura 9 Macrociclos e o escalonamento no barramento (FOUNDATION FIELDBUS,

2003) ....................................................................................................................48

Figura 10 Camada do modelo OSI no FOUNDATION FIELDBUS (FOUNDATION

FIELDBUS, 2003)...............................................................................................49

Figura 11 Diviso da camada de aplicao e funcionalidades das subcamadas FAS e FMS

.............................................................................................................................51

Figura 12 Comunicao do LAS com o dispositivo ou equipamento atravs do compel data

(FOUNDATION FIELDBUS, 2003) ..................................................................54

Figura 13 LAS e o servio do pass token (FOUNDATION FIELDBUS, 2003) ................56

Figura 14 Fluxograma do algoritmo do LAS Link Active Schedule (IEC, 2005).............57

LISTA DE FIGURAS xii

Figura 15 Servios do LAS no barramento H1 (FOUNDATION FIELDBUS, 2003) .......58

Figura 16 (a) Topologia Single Link e (b) Topologia Bridged Network .............................59

Figura 17 Malhas de controle na camada de aplicao do usurio (FOUNDATION

FIELDBUS, 2003)...............................................................................................60

Figura 18 Exemplo do escalonamento pr-run-time de Almeida (1990) ............................71

Figura 19 Algoritmo de escalonamento pr-run-time, segundo Henriques (2005).............78

Figura 20 Descrio do algoritmo de escalonamento run-time de Henriques (2005) .........79

Figura 21 Estratgia de controle simples e composta (Henriques, 2000) ...........................81

Figura 22 Criar um projeto no Configurador SYSCON......................................................85

Figura 23 Criao de um novo processo .............................................................................85

Figura 24 Processo criado ...................................................................................................85

Figura 25 Expandir a tela do processo.................................................................................86

Figura 26 Criao no novo mdulo para, a seguir, acessar o ambiente da estratgia .........86

Figura 27 Incio do ambiente de configurao de estratgia para os diagramas de bloco ..86

Figura 28 Insero do equipamento de campo juntamente com o bloco.............................87

Figura 29 - Diagrama da lgica do bloco de controle PID (Proporcional Integral Derivativo)

e suas entradas e sadas........................................................................................88

Figura 30 Estratgia de controle..........................................................................................89

Figura 31 Gerao do arquivo XML ...................................................................................89

Figura 32 Exemplo de um cdigo em HTML com a utilizao de tags..............................91

Figura 33 Exemplo de um cdigo em XML com utilizao de tags...................................92

Figura 34 Exemplo do cdigo do arquivo XML gerado no SYSCON................................92

Figura 35 Informaes do arquivo XML armazenadas na tabela de escalonamento ..........95

Figura 36 Fluxograma do algoritmo FFSMART.................................................................97

Figura 37 Tabela de resultados do escalonamento das mensagens .....................................98

LISTA DE FIGURAS xiii

Figura 38 Estratgia do controle de temperatura...............................................................100

Figura 39 Estratgia de blocos configurada no SYSCON para o experimento 1..............101

Figura 40 Tabela de informaes da configurao do experimento 1...............................102

Figura 41 Tabela de resultados do escalonamento do experimento 1 ...............................102

Figura 42 Grfico do escalonamento para o experimento 1..............................................102

Figura 43 Anlise e otimizao do resultado do algoritmo FFSMART para o experimento 1

...........................................................................................................................105

Figura 44 Duplo Limite Cruzado para controlar a temperatura de um forno industrial 106

Figura 45 Estratgia de blocos configurada no SYSCON do experimento 2....................108



Figura 48 Grfico do Escalonamento para o experimento 2 .............................................110


...........................................................................................................................112

Figura 50 Estratgia de blocos configurada no SYSCON para o experimento 3..............114



Figura 53 Grfico do escalonamento para o experimento 3..............................................116


...........................................................................................................................119

LISTA DE TABELAS xv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Evoluo das tecnologias no mercado de instrumentao (Scott e Buchanan, 2000)

.............................................................................................................................37

Tabela 2 Dispositivos e Blocos Funcionais da SMAR utilizados no experimento 1 ........101



LISTA DE SIGLAS

xvii

LISTA DE SIGLAS

AI Analog Input

AO Analog Output

APD Application Process Directory

CD Compel Data

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

DCS Distributed Control Systems

DD Device Descriptions

DDC Direct Digital Control

DDS Deadline Driven Scheduler

DLL Data Link Layer

DM Deadline Monotonic

DT Data Transfer

DTD Document Type Definition

EDF Earliest Deadline First

EDFM Earliest Deadline First Multicycle

EDS Earliest Deadline Scheduler

ERF Earliest Release First

FAS Fieldbus Access Sublayer Subcamada e Acesso Fieldbus

FB Function Block / Bloco Funcional

FBAP Function Block Application Process

LISTA DE SIGLAS

xviii

FCS Field Control Systems

FMS Fieldbus Message Specification Subcamada de Especificao de

Mensagem Fieldbus

HSE High Speed Ethernet

HTML Hypertext Markup Language

I/O Input / Output

ISO/OSI International Organization for Standardization / Open System

Interconection

LAS Link Active Scheduler

LLC Logical Link Control

LLF Least Laxity First

LST Least Slack Time

MA Macrociclo

MAC Medium Access Control

MoPS Monocycle Polling Scheduling

ms Milisegundos

MuPS Multicycle Polling Scheduling

OD Object Dictionary - Dicionrio de Objeto

OSI Open System Interconection

PID Proporcional Integral Derivativo Controlador de ao Proporcional

Integral Derivativa

PLC Programmable Logical Controller

PN Probe Node

PT Pass Token

RM Rate Monotonic

LISTA DE SIGLAS

xix

RMM Rate Monotonic Multicycle

s Segundos

SISO Single Input, Single Output

TD Time Distribution

VB Visual Basic

VCR Virtual Communication Relationship

VFD Virtual Field Device

XML EXtensible Markup Language

RESUMO xxi

RESUMO

CICILLINI, D. A. (2007). Desenvolvimento de um Algoritmo de Escalonamento para Rede

FOUNDATION FIELDBUS. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos,

Universidade de So Paulo, So Carlos, 2007.

Este trabalho apresenta e implementa um algoritmo de escalonamento para a tecnologia

FOUNDATION FIELDBUS. O algoritmo denominado FFSMART escalona as mensagens de

comunicao cclica ou peridica entre os dispositivos de campo que esto no barramento

fieldbus. Trate-se de um algoritmo de escalonamento pr-run-time, que permite atender s

restries de precedncia dos blocos funcionais, personalizando e otimizando o uso dos

recursos do sistema.

O algoritmo foi implementado na linguagem de programao Visual Basic e sua validao

ocorreu em um ambiente real de aplicao atravs de estratgias de configurao, cujos

resultados foram satisfatrios.

Palavras-chave: automao industrial, rede fieldbus, protocolo FOUNDATION FIELDBUS,

algoritmo de escalonamento.

ABSTRACT xxiii

ABSTRACT

CICILLINI, D. A. (2007). Desenvolvimento de um Algoritmo de Escalonamento para Rede

FOUNDATION FIELDBUS. Dissertation (Masters Degree) So Carlos School of

Engineering, University of So Paulo, So Carlos, 2007.

This dissertation presents and implements a scheduling algorithm for the FOUNDATION

FIELDBUS technology. The algorithm named FFSMART schedules cyclic or periodic

communication messages among field devices connected to a fieldbus. The FFSMART is a

pre-runtime scheduling algorithm, which allows meeting the restrictions of precedence from

function blocks, customizing and optimizing the use of the system resources.

The algorithm was implemented using the Visual Basic programming language and validated

in a real application environment using configuration strategies, and the results were

satisfactory.

Keywords: industrial automation, fieldbus networks, FOUNDATION FIELDBUS protocol,

scheduling algorithm.

INTRODUO 25

1 INTRODUO

O avano tecnolgico no setor industrial trouxe novas tcnicas de controle para os

sistemas distribudos, tcnicas essas que alcanaram um nvel considervel de

desenvolvimento na tecnologia de cho de fbrica, cuja comunicao analgica, substituda

pelo protocolo de comunicao digital, conhecida como fieldbus.

O sistema fieldbus pode ser definido como:

[...] um sistema distribudo composto por dispositivos de campo e equipamentos de controle e de monitoramento integrados em um ambiente fsico de uma planta ou uma fbrica. Os dispositivos do fieldbus trabalham em conjunto para realizar I/O e controle em operaes e processos automticos. (FIELDBUS FOUNDATION, 1999a, p.1).

Segundo Thomesse (1998), o fieldbus uma rede para conexo de dispositivos de

campo, tais como, sensores, atuadores, controladores de campo como PLCs (Programable

Logical Controller), reguladores, controladores de percursos e etc.... J para Tanembaum

(1997), um sistema de comunicao em tempo real, que se baseia na estrutura de camadas

do modelo OSI (Open System Interconection).

Com estrutura semelhante s camadas de redes do modelo ISO/OSI (International

Organization for Standardization/ Open System Interconection), o protocolo fieldbus utiliza

apenas trs camadas: a fsica, de enlace e de aplicao, e ao contemplar a norma IEC 61158,

eliminou servios como: os de correio eletrnico, mapeamento de servidores, roteamento de

INTRODUO 26

mensagens e outros, por no lhe serem teis; essa eliminao agiliza o processo de

comunicao, deixando-o mais rpido.

De forma amplamente difundida na literatura, a introduo da comunicao digital,

encontrada na grande maioria dos sistemas fieldbus, bem como suas conseqncias diretas

apresentam vantagens descritas de modo resumido nos pargrafos que se seguem.

De acordo com Henriques (2005), com a transmisso digital pode-se ter entre os

dispositivos uma quantidade de informao trafegando no meio de comunicao, devido a

uma multiplexao no tempo de transmisses entre os dispositivos, valida os dados que esto

sendo transmitidos e ainda minimiza as distores e possveis variaes indesejveis do sinal.

Em relao aos custos de instalao de um sistema de controle distribudo, observou-

se reduo dos mesmos, como tambm da complexidade relacionada fiao e hardware

frente tecnologia convencional, como exemplo, o uso de PLC em determinadas aplicaes

(Cavalieri, 1998).

As funes de controle, aquisio (entrada) e atuao (sada) em processos ou plantas

industriais so distribudas nos dispositivos, permitindo reduo da carga de processamento

da sala de controle. Devido distribuio de processamento, a sala de controle pode ficar

integralmente responsvel pelas atividades de superviso, manuteno, gerenciamento e

operao do sistema (Henriques, 2005), o que possibilita alto grau de compartilhamento de

recursos no s para melhorar o aproveitamento dos recursos instalados, como tambm para

simplificar as execues de manuteno e documentao do sistema (Cavalieri, 1998).

A arquitetura fieldbus, no entanto, no apresenta somente vantagens, mas tambm

dificuldades ou desvantagens, que merecem citao:

INTRODUO 27

Maior preocupao com o gerenciamento do trfego produzido pelos dispositivos,

devido necessidade da serializao do trfego de informaes produzida pelos

dispositivos no barramento de comunicao (Cavalieri, 1998);

A distribuio de recursos no fieldbus pode levar perda do sincronismo existente

entre os dispositivos, gerando, assim, a necessidade da existncia de uma

coordenao entre os mesmos para garantir a coerncia de tempo (Senz e

Thomesse, 1995);

A complexidade para a garantia das restries temporais do sistema (Henriques,

2005);

Exigncia de maior complexidade no software de configurao de aplicaes, pois

este deve possibilitar que os dispositivos trabalhem de forma cooperada e

autnoma em uma arquitetura distribuda (Henriques, 2005).

Em oposio aos claros benefcios e avanos alcanados com o desenvolvimento de

sistemas fieldbus eficazes, talvez a maior desvantagem deste tipo de sistema seja sua prpria

concepo baseada em barramentos de dados fato, que caracteriza todo fieldbus como um

gargalo de comunicao, uma vez que um nico canal de comunicao compartilhado por

todos os dispositivos e deve ser utilizado tanto para a transmisso de variveis crticas de

processo, informao de baixa prioridade e como tambm de monitoramento. Este

compartilhamento do canal de comunicao, teoricamente, pode ocasionar um

congestionamento na transmisso das mensagens e tarefas, causando atrasos na comunicao

(Brando, 2005).

Para sanar esta desvantagem, utilizam-se tcnicas de escalonamento que atuam na rede

como um agendamento das mensagens e tarefas a serem enviadas, de maneira a melhorar a

INTRODUO 28

transmisso e diminuir o congestionamento, mas respeitando sempre as prioridades de envio

das mensagens.

Em sistemas distribudos, o escalonamento aplicado tanto na atribuio como na

distribuio fsica e temporal de tarefas em recursos. Escalonar tarefas em um dispositivo ou

equipamento significa organizar em seqncia seus processamentos; da mesma forma, pode-

se entender o escalonamento de mensagens como o seu seqenciamento no barramento.

Zweben e Fox (1994) assim definem o escalonamento:

A seleo entre planos alternativos alocando recursos e atividades em cada instante de tempo, tal que esta designao obedea s restries temporais das atividades e as limitaes de capacidade de um conjunto de recursos compartilhados.

De acordo com Pinedo (1995), a atividade de escalonamento objetiva alocar uma

quantidade de recursos limitada para execuo de uma tarefa no decorrer do tempo, de tal

forma que um ou mais objetivos possam ser alcanados.

Pesquisas sobre o tema tm uma viso algortmica e tambm apresentam frmulas

com estimativas para a soluo do problema, como as de Xu & Parnas (1990); Xu & Lau

(1997); Franco (1998), Henriques (2005) e SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS

(2007e).

Em um sistema de controle distribudo em tempo real, as tcnicas de escalonamento

voltam-se para o atendimento dos requisitos temporais, restries e ainda para alcanar os

objetivos propostos, como ocorre nos mtodos de escalonamento, mas no se envolvem

diretamente com uma base de tempo.

Zweben e Fox (1994) definem escalonamento de produo como: a seleo de

seqenciamento de atividades tais, que elas possam alcanar um ou mais objetivos e satisfazer

um conjunto dominante de restries.

INTRODUO 29

A localizao de cada tarefa, na maioria dos sistemas fieldbus, definida pelo usurio

no momento do projeto ou da configurao do sistema de controle. Em grande parte dos casos

esta definio baseia-se no tipo de malha de controle utilizado nos dispositivos livres e nas

recomendaes de segurana do sistema, isto , nas condies seguras de funcionamento em

caso de falha (Verhappen e Pereira, 2002).

Os algoritmos de escalonamento, em geral, so empregados na resoluo das questes

relativas execuo de cada tarefa ou mensagem, e se baseiam na configurao fsica e em

restries lgicas e temporais dos dispositivos e dos elementos de controle.

Os itens adiante so de extrema importncia para a compreenso da funcionalidade de

algoritmos no escalonamento de mensagens, bem como de suas tarefas (Cardeira e Mammeri,

1995).

A. Aspectos temporais

Os aspectos temporais caracterizam-se pelo instante de disparo, tempo de execuo e

tempo mximo de execuo, como descritos a seguir:

Instante de disparo: antes dele impossvel comear uma tarefa ou mensagem.

Tempo de execuo: prazo necessrio para que uma tarefa ou mensagem seja

executada sem interrupes.

Tempo mximo de execuo: intervalo mximo de tempo entre o incio e o final da

execuo de uma tarefa ou mensagem.

B. Prioridades

Para iniciar o escalonamento das tarefas e mensagens, deve-se sempre levar em

considerao a prioridade das mesmas, que se divide em dois conjuntos: prioridade de tarefas

e de mensagens.

INTRODUO 30

Na primeira, as tarefas podem ser associadas de forma dinmica ou esttica, pelo

prprio escalonador; j no caso das mensagens, a prioridade definida pela aplicao.

C. Preempo

Preempo o ato de interromper uma tarefa que est sendo executada para execuo

de uma segunda; somente aps o trmino da execuo da segunda, que se retorna a execuo

da primeira. Escalonadores de tarefas preemptivos tm melhor desempenho que os no-

preemptivos, apesar destes ltimos serem usados na grande maioria dos casos, em razo de

serem mais simples.

D. Variao do tempo de execuo das tarefas

Para um nmero grande de escalonadores de tarefas, estas tm um tempo de execuo

finito, enquanto para os escalonadores de mensagens a condio de finitude sempre

verdadeira, pois toda mensagem tem um nmero finito de bytes.

E. Restries de precedncia

No caso de duas tarefas, h restrio de precedncia, isto , a execuo de uma est

condicionada ao trmino da execuo de outra; tambm com as mensagens pode haver

restries de precedncia.

F. Restries de recurso

Uma tarefa pode necessitar de mltiplos recursos para ser executada, tais como:

processador, memria, portas de I/O, porm a indisponibilidade de um deles impede a sua

execuo. Do mesmo modo, a transmisso de mensagens pode utilizar mais de um barramento

INTRODUO 31

(recurso) de comunicao, e caso isso ocorra, a transmisso de outras mensagens,

ocasionalmente, em outros barramentos sofre bloqueio.

G. Escalonamento on-line e off-line

O escalonamento on-line processado sempre que se requisitar a execuo de uma

tarefa; mais adequado no caso de tarefas ou mensagens aperidicas. J o off-line define a

tabela de escalonamento das tarefas no sistema antes do incio da operao, sendo mais

utilizado quando tarefas ou mensagens so peridicas.

H. Critrios de otimizao

A qualidade do resultado de um algoritmo de escalonamento importante para

garantir o atendimento de requisitos temporais de um sistema. Alguns algoritmos podem ser

otimizados em funo de certos critrios, como descrito a seguir:

Minimizar o comprimento da tabela de escalonamento, isto , o perodo de tempo

compreendido entre o incio da execuo da primeira tarefa ou mensagem e o

trmino da execuo da ltima.

Equilbrio de carga: em redes com mltiplos barramentos, significa distribuir

equilibradamente o trfego de mensagens dentre os diversos barramentos.

Minimizar o nmero de tarefas que no atendem a seus prprios requisitos

temporais.

I. Escalonamento de malhas de controle distribudas em sistemas

FOUNDATION FIELDBUS

No protocolo FOUNDATION FIELDBUS, o escalonamento adotado o do tipo off-

line, realizado pelo software configurador de redes de campo, no qual os elementos (tarefas)

INTRODUO 32

so alocados, escalonados e representados numa tabela de execuo temporal (schedule table)

assim que o usurio configura a malha de controle. Os elementos manipulados nesse tipo de

escalonamento localizam-se no nvel mais alto das camadas do protocolo FOUNDATION

FIELDBUS, tambm chamado de camada do usurio (user layer) (Figura 1).

Figura 1 Representao da estrutura em camadas do protocolo FOUNDATION FIELDBUS

As malhas de controle distribudas em sistema FOUNDATION FIELDBUS

configuram-se por meio de elementos denominados blocos funcionais, que nada mais so que

softwares residentes nos dispositivos da rede. Estes blocos funcionais encapsulam funes e

algoritmos bsicos de automao e controle de processos, cujo tempo de execuo finito e

previamente determinado. Distribudos entre os transmissores, os blocos funcionais tm suas

variveis de entrada e sada conectadas a outros blocos, de forma a estabelecerem malhas de

controle. Quando se conectam blocos funcionais de dispositivos distintos, estabelece-se e

mapeia-se remotamente a uma mensagem peridica do sistema.

Camada Fsica

Camada de Enlace

Subcamada de Acesso

Subcamada de Mensagem

Camada do Usurio

INTRODUO 33

OUT

OUT

CAS_IN

BKCAL_IN

BKCAL_OUT

Conexo Remota

IN

Uma malha de controle SISO (Single Input, Single Output) com algoritmo PID

(Proporcional Integral Derivativa), como ilustra a Figura 2, pode ser conectada a trs blocos

funcionais: Entrada Analgica (AI); Controlador PID; Sada Analgica (AO), conexo remota

que estabelecida entre os parmetros OUT do bloco TT1-AI-1 (Transmissor de

Temperatura) e o parmetro IN do bloco FI1-PID-1 (Posicionador de Vlvula), ambos

situados em transmissores distintos.

Figura 2 Exemplo de malha de controle distribuda

Considerando que todas as mensagens peridicas devem ser enviadas em instantes

predeterminados, j que carregam dados gerados por blocos funcionais, recomenda-se que a

seqncia temporal de execuo dos blocos funcionais e das suas conexes remotas sejam

relacionadas ao instante de envio das mensagens peridicas. Tal seqncia de execuo

TT1-

AI-1

Transmissor

De

Temperatura

FI1-

PID-1

FI1-

AO-1

Posicionador de Vlvula

INTRODUO 34

definida por um algoritmo escalonador off-line, no-preemptivo, cujas restries de recurso

devem ser observadas. O algoritmo pode ou no levar em conta as restries de precedncia

entre blocos funcionais e suas conexes remotas; como resultado dessa operao obtm-se

uma tabela de escalonamento com instantes de disparo de cada bloco funcional e suas

conexes remotas.

O acesso ao meio fsico no protocolo FOUNDATION FIELDBUS realizado por

meio de algoritmos da camada de enlace e dividido em duas formas distintas, sendo que cada

uma delas caracteriza uma banda ou fase de comunicao (Berge, 2002).

As duas bandas de comunicao so complementares e compartilham um nico

barramento: a primeira banda, destina-se transmisso de mensagens peridicas ou cclicas

referentes as conexes remotas entre blocos funcionais; a segunda, fica reservada

transmisso de mensagens aperidicas ou acclicas, na qual incluem-se as mensagens de

manuteno e gerncia das estruturas do protocolo. Estas bandas alternam-se no barramento

de dados de forma contnua e repetitiva, originando ciclos de perodos constantes,

denominados macrociclos ou ciclos de comunicao (Figura 3).

Figura 3 Comunicao em macrociclos

O perodo do macrociclo em aplicaes industriais tpicas est entre alguns

milisegundos (ms) e segundos (s), como tambm em outros sistemas fieldbus utilizados no

1- Macrociclo

Fase Sncrona Fase Assncrona

INTRODUO 35

controle de processos em tempo real; tambm determina a taxa de controle das malhas

distribudas em operao na rede.

Para a resoluo do congestionamento e conseqentemente do atraso em rede fieldbus,

os algoritmos de escalonamento levam em considerao a integrao entre os blocos

funcionais, as restries e as precedncias das mensagens a serem transmitidas.

Como a linha de pesquisa sobre o assunto vasta e as opinies diversas, surgiu, ento,

a motivao do estudo deste tema aqui apresentado, acreditando que o seu desenvolvimento

muito contribuir para a cincia e para rea de automao industrial.

1.1 OBJETIVOS

Os objetivos deste trabalho so:

1. Projetar e implementar um algoritmo de escalonamento para o protocolo

FOUNDATION FIELDBUS, com base na estratgia de aplicao configurada pelo software

SYSCON, pertencente indstria SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, visando

a otimizao do perodo do macrociclo para as mensagens cclicas e o tempo de execuo do

processo.

2. Coletar os dados configurados na planta de processo industrial e gerar uma

tabela com base nos elementos desta planta, destacando as prioridades dos blocos funcionais e

das mensagens a serem transmitidas, com o fim de realizar o seu escalonamento.

3. Analisar os dados validao e aos resultados do algoritmo comparando-os e

observar o macrociclo do processo e o tempo de execuo de cada bloco, assim como as

respectivas mensagens a partir do algoritmo de escalonamento denominado FFSMART.

INTRODUO 36

1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO

O presente trabalho est dividido em captulos. No primeiro est o desenvolvimento da

introduo; seguindo o Captulo 2 destaca o protocolo FOUNDATION FIELDBUS e suas

funcionalidades; o Captulo 3 apresenta a Reviso Bibliogrfica, com a teoria sobre

Escalonamento e a fonte motivadora para o estudo deste tema. O Captulo 4 contempla o

desenvolvimento do trabalho, a implementao e as funcionalidades do algoritmo de

escalonamento proposto; o Captulo 5 traz os ensaios de campos e seus respectivos resultados,

e, por fim, o Captulo 6 apresenta as discusses e as concluses.

FOUNDATION FIELDBUS 37

2 FOUNDATION FIELDBUS

2.1 INTRODUO

A evoluo das interfaces de instrumentao iniciou-se a partir dos transmissores de 3-

15 psi, passando pelas interfaces analgicas de 4-20 mA at chegar a tecnologia fieldbus

(Scott e Buchanan, 2000). A Tabela 1 evidencia a evoluo das tecnologias no mercado de

instrumentao, no decorrer dos anos.

Tabela 1 Evoluo das tecnologias no mercado de instrumentao (Scott e Buchanan, 2000) ANO TECNOLOGIA

1960 3-15 Psi 1970 4-20 mA analgico 1980 Serial Links 1990 Fieldbus

Para Regh, Swain e Yangula (1999), a arquitetura de controle dos processos industriais

evoluiu a partir do Direct Digital Control (DDC) em 1962, passou pelos controladores lgico-

programveis (Programmable Logic Controllers PLC) cuja origem data de 1970; estes

foram seguidos pelo Sistema de Controle Distribudo SCD (Distributed Control Systems

DCS), em 1976, e deram origem ao Sistema de Controle Fieldbus SCF (Field Control


Systems FCS), no ano de 1994. A Figura 4 representa o deslocamento das atividades de

controle para os dispositivos em cho de fbrica.

O protocolo fieldbus surgiu na dcada de 90, dada a necessidade do mercado ter acesso

a um protocolo que funcionasse de maneira totalmente digital, uma vez que os transmissores

inteligentes j faziam uso desta nova tcnica, a tecnologia digital. Assim, o Fieldbus de posse

desta caracterstica digital, pde transmitir dados serialmente atravs do meio de comunicao

ou barramento e ainda possibilitar uma comunicao bidirecional (IEC, 2005).

Figura 4 Arquitetura de controle (Regh, Swain e Yangula, 1999)

De acordo com a norma IEC (2005), a comunicao no fieldbus digital e os servios

prestados pelo protocolo de comunicao deste sistema, quando bem elaborados, permitem

melhor explorao do meio de comunicao, favorecendo que quantidade maior de


informaes trafeguem no barramento atravs do compartilhamento das informaes

transmitidas em ambas as direes, pelos dispositivos de campo.

Fieldbus essencialmente uma arquitetura de comunicao de dados, plenamente

adequada para instalao em ambientes agressivos, uma vez que propicia medies e controle

em ambientes de cho de fbrica (IEC, 2005). uma rede local utilizada tanto na indstria de

automao de processos como de manufatura; favorece a distribuio da aplicao de controle

nos dispositivos desta mesma rede, e ainda que as atividades de medio e controle de

processos sejam efetuadas automaticamente pelos dispositivos sem qualquer interveno

humana, monitoradas e, se necessrio, controladas remotamente (Thomesse, 1998).

O Fieldbus um sistema de comunicao em tempo real, cuja configurao de

protocolo de rede baseia-se no modelo ISO/OSI.

Neste trabalho, buscou-se evidenciar a camada de aplicao do usurio, responsvel

pelo trfego de comunicao, e o escalonamento das mensagens no barramento

FOUNDATION FIELDBUS.

2.2 PROTOCOLO FOUNDATION FIELDBUS

O FOUNDATION FIELDBUS um dos protocolos que adotou a tecnologia digital,

como tambm todos os padres do fieldbus, descritos na introduo deste captulo. O

protocolo FOUNDATION FIELDBUS, alm das camadas existentes, apresenta a camada do

usurio, baseada em processos de aplicao de blocos funcionais; est situada

hierarquicamente acima das camadas de rede, que compem o chamado stack (pilha) de

comunicao (Figura 5).


O que so blocos funcionais? So mdulos de programas que desempenham funes

de controle, aquisio e atuao; eles requerem uma maior interao entre si, para que, atravs

da troca de dados, seja possvel controlar o sistema (FIELDBUS FOUNDATION, 1999b).

Figura 5 Estrutura em camadas do protocolo FOUNDATION FIELDBUS

O FOUNDATION FIELDBUS um protocolo de comunicao, com funcionalidades

caracterizadas pelo fluxo de mensagens presente em um canal de comunicao, o stack ou

barramento, que visa atender demanda com troca de informaes entre os dispositivos ativos

na rede informaes provenientes tanto das estruturas das camadas de rede como das

estruturas e funes da camada do usurio (Figura 5).

Com a utilizao do protocolo FOUNDATION FIELDBUS, as necessidades do usurio final tm evoludo. Neste sentido almejam-se algumas melhorias, como proposto por Thomesse (1998):

O maior requisito a ser alcanado a confiabilidade, pois o medo de se perder o controle em casos de falha grande. O sistema deve ser

Camada de Aplicao

Camada de Enlace

Camada de Fsica

Camada do Usurio

Stack de Comunicao

MMooddeelloo ddee PPrroottooccoolloo

FFiieellddbbuuss MMooddeelloo ddee CCaammaaddaass FFoonnddaattiioonn FFiieellddbbuuss

Camada de Aplicao

Camada de Enlace

Camada de Fsica


confivel, permitindo-se uma maior segurana e disponibilidade do sistema.

2.2.1 BLOCO FUNCIONAL

A camada de aplicao do usurio composta por blocos, representados por diferentes

tipos de aplicao e funo, da o nome de bloco funcional (Figura 6).

Figura 6 Tipos de blocos da camada de aplicao do usurio (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

A norma define os blocos funcionais como elementos de software que modelam

algoritmos paramtricos, os quais transformam os parmetros de entrada nos de sada

(FIELDBUS FOUNDATION, 1999b).

O protocolo FOUDANTION FIELDBUS realiza o controle do processo de modo

distribudo, permitindo que cada bloco funcional que compe a aplicao seja executado

localmente nos dispositivos ou equipamentos de campo. A comunicao entre estes blocos


funcionais realizada por um barramento de comunicao compartilhado entre os dispositivos

de campo; por meio de transferncias de mensagens, os buffers de dados de entrada e sada de

cada bloco funcional sero utilizados no decorrer do tempo (Zhou e Yu, 2002).

Os tipos de blocos usados na camada de aplicao do usurio esto descritos na Figura

7; no caso, os dispositivos so configurados com uso dos blocos Resource e Transducer

(FIELDBUS FOUNDATION, 2003).

Os blocos funcionais processam parmetros de entrada em funo da sua

configurao, e assim geram sadas que podem ser utilizadas por outros blocos. A norma os

classifica em:

Blocos de entrada: acessam medidas fsicas e assim mantm comunicao com

blocos transdutores de entrada por meio de canais. Tais medidas so convertidas,

linearizadas e disponibilizadas para outros blocos funcionais pelos parmetros de

sada;

Blocos de sada: estes acionam blocos transdutores de sada pelos canais, a partir

de um valor recebido pelos links estabelecidos com outros blocos nos seus

parmetros de entrada;

Blocos de controle: realizam clculos com parmetros de blocos de entrada e

enviam parmetros para outros blocos de controle ou de sada;

Blocos de clculo: desenvolvem clculos matemticos sobre parmetros de

entrada, para gerarem parmetros de sada.


Figura 7 Tipos de blocos funcionais (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

Para construo do controle da estratgia de aplicao, utilizam-se os blocos

funcionais. O desempenho de uma aplicao condiz com a execuo precisa dos blocos

funcionais em determinado perodo que, se respeitado garante a consistncia temporal da

aplicao. A complexidade da aplicao relaciona-se ao arranjo de blocos funcionais e suas

ligaes lgicas, que impem os limites de tempo ao sistema.

Para que um ou mais objetivos possam ser alcanados, todas as restries devem ser

satisfeitas, com a adoo de propostas que visem a soluo dos problemas de escalonamento,

uma vez que o escalonamento de cada bloco de funo deve ser executado de maneira precisa.

O escalonamento caracteriza no tempo qual bloco funcional ser executado num

dispositivo ou equipamento especfico e quais mensagens sero transmitidas atravs do

barramento. As mensagens transmitidas no instante de tempo afetam e so afetadas pelos

blocos funcionais executados nos dispositivos de campo j configurados.

A comunicao de blocos funcionais ocorre quando se estabelece ligao lgica entre

um parmetro de sada de um bloco e um parmetro de entrada de um outro bloco, ligao

que pode ser local, estabelecida entre blocos de um mesmo dispositivo, ou remotamente, entre

blocos de dispositivos distintos (BRANDO, 2005).


No protocolo FOUDATION FIELDBUS, os blocos funcionais so de extrema

importncia, pois seu bom funcionamento favorece melhor desempenho da aplicao fator

que garante consistncia temporal na execuo das tarefas.

O bloco resource ou de recurso (Figura 7), denominado bloco funcional, tem em sua

configurao a descrio das caractersticas de hardware do dispositivo ou equipamento de

campo. J o bloco de recurso possui um algoritmo que utilizado para monitorar o estado de

operao do hardware e indicar possveis alarmes neste aspecto. A execuo do bloco de

recurso no escalonada, portanto ele no possui parmetros de entrada ou de sada; tal

execuo segue as regras definidas pelo fabricante.

O bloco transducer ou bloco transdutor (Figura 7) um bloco funcional e fica entre os

blocos de I/O e o hardware de I/O. Como seu prprio nome diz, possui a funo de

transformar e traduzir sinais fsicos em variveis e vice-versa, de isolar os blocos funcionais

dos dispositivos e hardware especficos de I/O, como sensores, atuadores e chaves de cada

dispositivo. Seus algoritmos internos controlam os dispositivos I/O, apresentam uma interface

padronizada para os blocos funcionais e ainda realizam funes, como calibrao, filtragem

de sinais e converso de dados. Estes blocos seguem definies da norma, embora tambm

possam ser de um tipo particular, definido pelo fabricante.

A comunicao entre os blocos transdutores e os funcionais de entrada ou de sada

ocorre por meio de canais mapeados em parmetros CHANNEL, podendo um bloco

transdutor ter vrios canais. Uma vantagem do isolamento do bloco funcional, em relao ao

hardware, a possibilidade da execuo inexaurvel do bloco transdutor no processamento de

um dado de boa qualidade sem prejuzo de sobrecarga para os blocos funcionais

(BRANDO, 2005).

A norma classifica os blocos transdutores em trs tipos:

Input realizam a interface com sensores;


Output executam a interface com atuadores ou dispositivos de sada;

Display operam dispositivos de interface local.

A execuo dos blocos transdutores, assim como dos blocos de recurso, no possui

parmetros de entrada ou sada, e sua execuo no comandada por escalonamento, mas,

sim, definida pelo fabricante.

2.2.2 TRFEGO DE COMUNICAO

Para desenvolver seu trabalho de maneira confivel, o fieldbus utiliza servios que lhe

garantam o atendimento das restries temporais; assim, uma aplicao do sistema fieldbus

requer o tratamento de dois tipos de trfego de dados: o aperidico ou acclico e o peridico

ou cclico (Thomesse, 1998).

Segundo Thomesse (1998), as restries temporais so essenciais para a operao em

tempo real do sistema, pois a no-garantia destas restries afeta o comportamento do mesmo.

Para este autor as restries temporais mais importantes so: periodicidade, jitters, tempo de

resposta do processo de aplicao, e diferente simultaneidade ou coerncia de tempo nas

aes ou dados.

Thomesse (1998) assim define as restries temporais:

Periodicidade: tempo em que ocorre a transmisso de dados cclicos e que deve ser

respeitado;

Jitters: so variaes de tempo inseridas nas caractersticas temporais-padro do

sistema. Os jitters tambm ocorrem quando o sistema est em atividade, destoando

do valor de perodo especificado em tempo de projeto;


Tempo de resposta: aquele que est entre uma requisio e sua resposta;

Coerncia de tempo: propriedade associada a dois ou mais eventos; indica, ainda,

se tais eventos ocorreram dentro de uma janela de tempo definida. Este conceito

utilizado para definir eventos simultneos.

A literatura define como acesso ao meio fsico a etapa do processo de comunicao

regulamentada pela norma de camada de enlace, cuja comunicao em um barramento de

dados ocorre quando a mensagem for produzida e transmitida por um dispositivo, e tambm

recebida e decodificada com sucesso por outro(s) dispositivo(s). Dentro do processo de

comunicao, o dispositivo que produz e transmite a mensagem deve, para esse fim utilizar o

barramento de dados durante o tempo necessrio para completar a transmisso da mensagem,

sem entrar em conflito com outros dispositivos que porventura venham a utilizar o mesmo

recurso, simultaneamente.

No protocolo FOUNDATION FIELDBUS, a comunicao de troca de dados se d

entre sensores e atuadores, controladores e atuadores, e tambm entre os prprios

controladores. Os dados trocados entre estes elementos so definidos como trfego de dados

identificados, pois suas caractersticas temporais so conhecidas antes do sistema entrar em

atividade, ou seja, no estgio de especificao da aplicao (Figura 8). De modo a garantir o

acesso ao meio fsico no protocolo FOUNDATION FIELDBUS, os itens de trfego de

comunicao citados por Thomesse (1998) so realizados por algoritmos da camada de enlace

e divididos em duas formas distintas, sendo que cada uma caracteriza uma banda, trfego, ou

fase de comunicao.


Figura 8 Comunicao de troca de dados no protocolo FOUNDATION FIELDBUS

Os trfegos de comunicao so complementares e compartilham um nico

barramento: um destinado transmisso de mensagens determinsticas e peridicas ou

cclicas de prioridade alta; o segundo trfego de comunicao, de prioridade inferior,

reservado transmisso de mensagens aperidicas ou acclicas, na qual se incluem as

mensagens de manuteno e gerncia das estruturas do protocolo. Estas fases, bandas ou

trfegos denominam-se cclicos e acclicos, e podem ser definidos como:

Trfego cclico ou peridico: quando h troca de dados entre entidades de baixo

nvel (dispositivos de campo). As caractersticas dessa troca de dados ocorrem

entre entradas e sadas dos algoritmos de controle que, transmitidos

periodicamente, concedem a cada dado seu prprio perodo (Thomesse, 1998); tais

dados so produzidos durante a troca de variveis de medida e controle, e

geralmente so caracterizadas como crticas em relao ao tempo (Franco, 1998).

Os Jitters podem ou no ser aceitos pelos protocolos, que devem possuir regras

mais rgidas para respeitar uma periodicidade de tempo, sem a presena dos

mesmos (Thomesse, 1998). Os sistemas que contm este tipo de trfego baseiam-

se no estado do trfego, geralmente denominados de sistemas disparados por

tempo.

Sensores Atuadores Controladores

Troca de

Dados

Troca de

Dados

Troca de

Dados

Trfego de Dados


Trfego acclico ou aperidico: composto por requisies feitas entre entidades de

baixo nvel (dispositivos de campo) e entidades de nvel superior (sala de

controle), expressa o modelo cliente-servidor. Neste caso, a transmisso de dados

se d de maneira aperidica, com ocorrncia aleatria no tempo, podendo ser

liberados por meio de algum evento no sistema. Estas requisies esto associadas

aos sistemas disparados por evento.

Os trfegos de comunicao citados alternam-se no barramento de dados de forma

contnua e repetitiva, originando ciclos de perodos constantes, denominados macrociclos ou

ciclos de comunicao, como se observa na Figura 3. O perodo do macrociclo do

FOUNDATION FIELDBUS, em aplicaes industriais tpicas, est entre alguns milisegundos

e segundos, como tambm em outros sistemas fieldbus utilizados para controle de processos

em tempo real, ou seja, encontra-se profundamente atrelado taxa de controle das malhas

distribudas em operao na rede (Figura 9).

Figura 9 Macrociclos e o escalonamento no barramento (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)


2.2.3 CAMADAS, GERENCIAMENTO E SERVIOS DE REDE

A camada do modelo OSI, usada no protocolo FOUNDATION FIELDBUS, possui

uma funcionalidade no gerenciamento e no servio de rede, e estas sero destacados a seguir.

Como j foi descrito, o protocolo FOUNDATION FIELDBUS utiliza trs camadas das sete

existentes no modelo ISO/ OSI, assim neste trabalho sero descritas as camadas de nvel 1,

nvel 2, nvel 7 e a nvel 8, existente no fieldbus, definida pela IEC 61158 e conhecida como

camada de aplicao do usurio (Figura 10).

Figura 10 Camada do modelo OSI no FOUNDATION FIELDBUS (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

A camada fsica ou nvel 1, segundo a norma IEC (2005), responsvel pela

transmisso de bits, caractersticas, especificaes eltricas e mecnicas das interfaces e de

dispositivo a serem instalados na rede.


A camada de enlace de dados ou nvel 2, tambm conhecida como DLL Data Link

Layer no protocolo FOUNDATION FIELDBUS, dividida em duas subcamadas: MAC -

Medium Access Control e o LLC Logical Link Control, assim definidas segundo Henriques

(2005) como:

MAC: localizado na subcamada inferior da DLL, responsvel pela poltica de

acesso ao meio fsico, uma vez que a topologia adotada pelo protocolo do tipo

barramento, usualmente utilizada tambm em sistemas industriais;

LLC: localizado na subcamada da parte superior da DLL; seu objetivo definir

alguns dos primeiros procedimentos de tolerncia falha do sistema, baseando-se

na abertura e fechamento de conexes, fluxo de controle e gerenciamentos de

erros; em outras palavras, diagnostica o que est acontecendo na rede.

Como este trabalho estuda o escalonamento no protocolo FOUNDATION

FIELDBUS, vlido destacar que a atividade de escalonamento de mensagem no fieldbus

localiza-se na subcamada MAC, que possui como referencial a garantia de ocorrer

deterministicamente o acesso ao meio fsico de comunicao, com destaque para MAC, a

nica responsvel pela poltica de alocao de recursos compartilhados.

Continuando, no nvel 7 situa-se a camada de aplicao, responsvel pelo mapeamento

das caractersticas da camada de aplicao do usurio para a subcamada MAC.

A camada de aplicao no FOUNDATION FIELDBUS se divide em duas

subcamadas: FAS (Fieldbus Access Sublayer) e FMS (Fieldbus Message Specification), como

exemplifica a Figura 11.


Figura 11 Diviso da camada de aplicao e funcionalidades das subcamadas FAS e FMS

Como mostra a Figura 11, a subcamada FAS mapeia servios da FMS para a camada

DLL e vice-versa; a FAS ainda facilita a comunicao dos servios da FMS com a DLL,

atravs de atalhos simplificados. Os servios oferecidos pela FAS so realizados pela VCR

(Virtual Communication Relationships), que se constitui num relacionamento de comunicao

virtual configurado depois que o usurio define sua aplicao.

J a subcamada FMS, apresentada na Figura 11, est localizada entre FAS e a camada

da aplicao do usurio; a primeira subcamada possui a funcionalidade de formatar

mensagens e especificar o protocolo necessrio para construo de mensagens da aplicao do

usurio para as camadas inferiores, ou seja, formatar as mensagens de alto nvel para baixo

nvel.

A camada do usurio, nvel 8 como contempla a norma IEC 61158, presente no

protocolo FOUNDATION FIELDBUS, a aquela que possui os blocos funcionais

padronizados e DD (Device Descriptions).

Mapeia Servios

FAS FMS

Subcamadas

FMS

Facilita a Comunicao entre FMS e DLL

CAMADA DE APLICAO DO

USURIO

Comunicao

Formata as Mensagens de alto nvel para o

baixo nvel.

DLL

VCR

CAMADA DE APLICAO

NVEL 7


O device descriptions descreve as caractersticas dos parmetros e funes dos

dispositivos de campo, permitindo que o host possa interoperar com os dispositivos sem que

se efetue qualquer programao adicional.

J os blocos funcionais, como citado, respondem pelo suporte de programao da

aplicao, possibilitando que estratgias de controle sejam compreendidas e analisadas e

ainda que as aplicaes complexas possam ser desenvolvidas.

Neste trabalho, que prope um algoritmo de escalonamento para o protocolo

FOUNDATION FIELDBUS, a subcamada MAC destaca-se a camada DLL, onde ocorre o

escalonamento e o acesso das mensagens no barramento, ou seja, ao meio fsico.

A subcamada MAC executa um servio de comunicao conhecido como LAS Link

Active Scheduler, e sua responsabilidade garantir que somente um dispositivo de campo

tenha acesso ao meio fsico de comunicao, pois como o acesso gerenciado pelo LAS, este

impedir a coliso de dados na comunicao. O LAS, o mestre de comunicao da rede, tem a

responsabilidade de controlar o acesso do dispositivo no barramento de comunicao, de

modo que esse controle seja feito somente quando o dispositivo possuir o token. O token

acessa o meio fsico autorizado pelo LAS que, baseado em prioridade, coordena as

transmisses de dados aperidicos ou acclicos; o token pode ainda conter mensagens

especficas como CD Compel Data, PT Pass Token, PN Probe Node, DT Data

Transfer e TD Time Distribution, caracterizadas pelos tipos de servio usados no FAS, os

quais esto apresentados a seguir.

A norma evidencia a possibilidade de redundncia no dispositivo LAS, utilizando

dispositivos do tipo link master ou mestre backup. Os mestres backups comportam-se

como dispositivos bsicos (a definir), porm ao identificarem falha ou interrupo na

atividade do LAS, assumem a funo do LAS sem causar danos ao processo de comunicao;


quanto aos demais dispositivos que na rede no possuem esta funcionalidade, so

considerados escravos.

De acordo com a norma IEC 61158-2, o LAS controla a comunicao no barramento

mantendo o tempo de sincronismo atravs de uma lista atualizada de dispositivos chamada de

live list, que nada mais que uma lista ativa dos dispositivos presentes na rede. A live list

favorece o gerenciamento do trfego na rede e tambm d suporte redundncia de

dispositivos e blocos funcionais.

O LAS garante que as mensagens contidas no trfego peridico determinstico ou

cclico sempre sero escalonadas e transmitidas, em conformidade com as restries de

tempo, que so crticas.

Para as mensagens aleatrias, como definio de setpoints, parmetros de

configurao, diagnsticos etc, encontradas no trfego aperidico, acclico ou esttico, o LAS

permite a sua transmisso conforme a disponibilidade de tempo no barramento de

comunicao, desde que as aperidicas sejam enviadas nos intervalos vagos entre as

transmisses cclicas.

Zhou e Yu (2002) definem o LAS, como:

Um mecanismo de acesso ao meio de comunicao centralizado, que de acordo com uma lista pr-definida de tempo de escalonamento controla todas as mensagens remotas entre diferentes dispositivos de campo no barramento.

No trfego peridico ou cclico, o LAS trabalha com uma tabela de escalonamento

para atender os dispositivos que tero permisso para atuar no barramento durante o

macrociclo (release time). A cada macrociclo a tabela verificada e, nos instantes de

transferncia de cada varivel, o LAS envia ao dispositivo responsvel uma mensagem do

tipo Compel Data (CD), requisitando a publicao de varivel, ao que imediatamente, o

dispositivo destinatrio do CD publica a varivel da camada do usurio no barramento,

utilizando uma mensagem do tipo Data Transfer (DT). Caso o dispositivo no responda ao


CD imediatamente, o LAS aguarda um perodo de tempo configurado na varivel da camada

de enlace antes de retransmitir o CD.

O dispositivo com o CD o produtor dos dados que alimenta o buffer, enquanto os

dispositivos configurados para receber os dados so chamados consumidores (Figura 12).

Figura 12 Comunicao do LAS com o dispositivo ou equipamento atravs do compel data (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

Na subcamada FAS a norma IEC 61158 prev que o trfego peridico, atravs do

servio produtor consumidor, utilize a comunicao cclica ou escalonada de um endereo

de origem para vrios endereos de destino da rede, a fim de estabelecer uma comunicao

orientada conexo. Os dados transmitidos so sobrescritos nos buffers dos dispositivos,

fazendo com que fique registrado na rede somente a ltima verso dos dados. J na

subcamada do FMS, as operaes que adotam o servio so as atividades de envio de

variveis entre blocos funcionais da aplicao de controle, os quais necessitam acessar o

barramento.


Para o trfego aperidico ou acclico, o FAS disponibiliza dois tipos de servios, tendo

cada um suas prprias caractersticas: o servio cliente-servidor e o servio de distribuio de

relatrios.

O servio caracterizado como cliente-servidor estabelece uma conexo entre um

endereo de origem e um outro de destino, para o envio da mensagem. Somente os endereos

permanentes da rede podem fazer uso do servio, assim a transmisso de dados se inicia

quando a conexo se estabelece. Quanto ordem das mensagens transmitidas, fica

armazenada para que se respeitem as prioridades entre as mesmas. Na camada de enlace, o

LAS dispara um servio conhecido como Pass Token PT ao dispositivo na live list, o qual

responder com a mensagem ou com uma requisio de uma mensagem para outro dispositivo

(Figura 13). As operaes do FMS, que adotam o servio cliente consumidor, englobam as

seguintes atividades:

Configurao;

Superviso;

Upload/ Download de dispositivos;

Read/ Write;

Diagnstico remoto;

Gerenciamento de alarme;

Mudana de setpoints.

No servio denominado de distribuio de relatrio, utiliza-se a comunicao acclica

ou no-escalonada de um endereo de origem para vrios outros endereos de destino da rede.

No existe o estabelecimento de uma conexo entre dispositivos de origem e destino para

transmisso de mensagem como tambm no existe a confirmao da recepo da mensagem

pelos dispositivos receptores, configurados na aplicao do usurio. Na camada de enlace, o


LAS dispara um PT e o dispositivo que possui um relatrio de evento ou de tendncia envia a

referida mensagem para vrios endereos especificados pelo VCR. Imediatamente aps a

transmisso da mensagem, os dispositivos configurados para receber o relatrio deste VCR

armazenam as mensagens enfileirando-as sem sobrescrever as anteriores.

Figura 13 LAS e o servio do pass token (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

O protocolo FOUNDATION FIELDBUS mostra que toda comunicao deve ser

sincronizada para que as restries temporais sejam atendidas. Na primeira inicializao do

LAS, define-se o tempo zero do segmento, porm todos os outros links masters do segmento

continuaro com o tempo de segmento que tinham no momento do evento de transferncia do

LAS. Os dispositivos necessitam possuir a implementao de um timer, assim toda mensagem

disparada pelo LAS deve ter uma sincronizao em intervalos pr-configurados, realizada

atravs do servio Time Distribution TD, que contem 55 bits e tempo de mensagem para o

fieldbus H1 (31, 25 kbps) de 1,7 ms.


Aps os settings das mensagens citadas, o LAS envia um Probe Node (PN) para

configurar os endereos no-utilizados, quando o dispositivo consultado dever responder

com o envio de Probe Response (PR); em seguida, o LAS envia um DT para que o dispositivo

possa ser adicionado live list, e finalmente o LAS envia um Live List Update para informar

aos outros links masters do segmento de comunicao que o dispositivo consultado foi

adicionado.

O funcionamento do algoritmo do LAS pode ser observado no fluxograma da Figura

14, onde as mensagens especiais disparadas esto agrupadas segundo o tipo de trfego: cclico

ou acclico.

Figura 14 Fluxograma do algoritmo do LAS Link Active Schedule (IEC, 2005)

Para Hong e Choi (2001), os dispositivos de campo geram dados para o protocolo

FOUNDATION FIELDBUS e podem ser divididos em trs partes:

Dados de tempo-crtico: estes so caracterizados como sinais de notificao de

evento e alarme; devem ser transferidos em curtos intervalos de tempo, uma vez

H tempo de realizar algo

antes do prximo CD?

Espera at o tempo de publicao do CD

Publica CD

Publica

PN, TD ou PT

No

Sim CD: Compel Data PN: Probe Note TD: Time Distribution PT: Pass Token


que so gerados esporadicamente numa ocorrncia de freqncia relativamente

baixa;

Dados peridicos: aqueles produzidos por malhas de controle ou monitorao

peridica dos processos; como os dados escalonados, so o atraso induzido pela

rede no deve exceder s restries temporais da mensagem.

Dados de time-available: so gerados por programas de controle numrico e

produzidos por um computador ou controlador; estes dados devem ser arquivados

e as mensagens de gerenciamento do banco de dados enviadas por computadores

ou controladores de supervisrio.

Os atrasos no envio de dados, de acordo com Henriques (2005), referem-se ao tempo

disponvel, que no so considerados crticos como no caso de dados de tempo crtico e

peridico. Observe na Figura 15 os servios do LAS no barramento H1:

Figura 15 Servios do LAS no barramento H1 (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

Ainda na camada de enlace, h um modo de operao conhecido como Bridge que,

quando configurado, o dispositivo em questo estabelece a comunicao entre dois ou mais


links fieldbus (Figura 16). Alm das tarefas normais executadas por um dispositivo Bridge,

est o encaminhamento entre links de mensagens; mesmo quando o remetente e o destinatrio

no esto em um mesmo link, a redistribuio de mensagens ocorre de maneira sincronizada

com o tempo interno dos dispositivos igual para todos os links.

Figura 16 (a) Topologia Single Link e (b) Topologia Bridged Network

2.2.4 A CAMADA DE APLICAO DO USURIO

A camada de aplicao do usurio composta pelas funes de aquisio conhecidas

por entrada, atuao, tambm chamadas de sada e controle. Pela configurao e

desenvolvimento efetuados pelo usurio na aplicao que realizar-se- a distribuio das

atividades a serem executadas nos dispositivos de campo, os quais utilizam os servios

oferecidos pelo FMS.

No protocolo FOUNDATION FIELDBUS, os dispositivos de campo possuem

caractersticas especficas de funes de controle, aquisio e atuao. Estas funes podem

ser executadas e ativadas a partir do momento em que o download da aplicao for

descarregado nos dispositivos, respeitando-se sempre as configuraes feitas pelo usurio.

Canal Fieldbus H1 #2 Canal Fieldbus H1

(a)

Rede HSE

Canal Fieldbus H1 #1 Canal Fieldbus H1 #3

(b)


Na camada de aplicao do usurio tambm encontram-se os blocos funcionais como

j citados. Os blocos funcionais, segundo Henriques (2005,) so mdulos de programas

particionados de tal forma que cada uma das partes tem a funo de realizar determinada

atividade localmente no dispositivo.

A camada de aplicao do usurio configurada por blocos funcionais alocados em

dispositivos de campo especificados pelo prprio usurio, atravs de ligaes lgicas que

permitiro a ativao de tal aplicao. Assim, o controle automtico da planta ou processo

industrial feito com a interligao entre os blocos funcionais.

A aplicao do usurio pode ser composta por uma ou mais malhas ou estratgias de

controle (Figura 17), sendo esta ultima caracterizada por um conjunto de blocos funcionais,

que objetiva o controle de uma ou mais variveis do processo.

Figura 17 Malhas de controle na camada de aplicao do usurio (FOUNDATION FIELDBUS, 2003)

Para a execuo dos blocos funcionais, necessrio ter uma seqncia de aplicao

que dependa da estratgia de controle determinada pelo prprio usurio, porm sabe-se que as

funes de aquisio normalmente so executadas antes do incio das funes de controle,


seguidas pela execuo das funes de atuao, cujo papel finalizar a estratgia para que ela

haja sobre a planta ou processo industrial.

Assim que a aplicao do usurio concluda, o configurador (software) utilizado gera

uma tabela de escalonamento que ser armazenada nos dispositivos de caractersticas link

master, e estes iro conter a funo de LAS nos trfegos peridicos. Conforme a abordagem

adotada pelo configurador (software), o LAS ter ou no as informaes essenciais sobre a

aplicao do usurio para o escalonamento do trfego aperidico.

Neste captulo, constam as caractersticas mais relevantes do sistema fieldbus, para a

devida compreenso da sua funcionalidade e do seu comportamento, especificamente o

protocolo FOUNDATION FIELDBUS. Portanto, de extrema importncia o entendimento

dos servios de comunicao, blocos funcionais, camadas de gerenciamento de rede, inclusive

da transmisso de mensagens e tarefas que esto no barramento de comunicao, para que nos

captulos seguintes haja melhor percepo da utilizao deste protocolo.

REVISO BIBLIOGRFICA 63

3 REVISO BIBLIOGRFICA

Como descrito no Captulo 2, o protocolo FOUNDATION FIELDBUS, uma

tecnologia complexa, com muitas funcionalidades e vantagens, mas tambm desvantagens, e

entre estas cita-se a que todo fieldbus trabalha com um nico barramento de comunicao,

fato que pode ocasionar atraso na transmisso das mensagens e nas tarefas no decorrer do

processo.

Para evitar as desvantagens, utilizam-se algumas linhas de pesquisas direcionadas

aplicao de escalonamento atravs de um algoritmo. Assim, esta reviso bibliogrfica, alm

das definies de escalonamentos e tcnicas usadas sobre este protocolo, cita trabalhos da

rea.

No trabalho de Zweben e Fox (1994), escalonamento definido como:

[...] A seleo entre planos alternativos alocando recursos e atividades em cada instante de tempo, tal que esta designao obedea s restries temporais das atividades e as limitaes de capacidade de um conjunto de recursos compartilhados.

Neste trabalho, consideram-se as caractersticas de tempo e concorrncia entre as

tarefas para que o comportamento do sistema em tempo real seja encontrado, e, para este fim,

utiliza-se a previsibilidade gerada pela tcnica de escalonamento (Farines; Fraga; Oliveira,

2000).

Brando (2005) relata que o escalonamento no protocolo FOUNDATION FIELDBUS

executado periodicamente em um espao de tempo denominado macrocycle; para tanto,


deve-se sincronizar com preciso de 1 ms cada dispositivo do barramento e obedecer a um

escalonamento predeterminado.

Assim, pode-se dizer que uma atividade de escalonamento tem como objetivo alocar

uma quantidade de recursos limitados para a execuo de tarefas, no decorrer do tempo, de tal

forma que um ou mais objetivos possam ser alcanados (Pinedo, 1995).

Henriques (2005) refere que para se idealizar um problema de escalonamento

imprescindvel caracterizar conceitos essenciais para o tratamento dos elementos escalonveis

que retratam o sistema. Ainda Henriques (2005) define elementos como processos e tarefas

que expressam, ao longo do tempo, uma atividade ou ao a ser executada, processada ou

transmitida em algum recurso concorrente disponvel no sistema.

Para a realizao de um escalonamento de tarefas no sistema, seguem definies de

alguns termos abordados ao longo deste estudo:

Release ou Tempo de Liberao o instante inicial em que uma tarefa poder ser

executada em algum recurso do sistema.

Tempo de Execuo em sistema fieldbus, o tempo necessrio para

processamento dos blocos funcionais (Henriques, 2000).

Tempo de Transmisso em sistema fieldbus, para Franco (1998), o tempo

necessrio para transmisso das mensagens no barramento de comunicao

compartilhado.

Jitter Para Cavalieri et al. (1996), a diferena de tempo entre release e arrival

time expressa uma variao denominada release jitter variao que determina o

tempo, a partir do release (tempo de liberao), que o escalonador necessitar para

atender tarefa.

Deadline o instante de tempo que uma tarefa deve respeitar, caso sua execuo

termine ou seja concluda (Xu; Parnas, 1990); , pois, o instante mximo de tempo


desejado para a concluso da tarefa. O deadline pode ser classificado em dois

tipos: Soft deadline e Hard deadline (Farines; Fraga; Oliveira, 2000).

Soft Deadline ou Deadline No-Crtico o instante de tempo desejado para se

finalizar uma tarefa em execuo; quando este deadline no for atendido, a

atividade operacional do sistema no ser afetada drasticamente (Sprunt; Sha;

Lehoczky, 1989).

Hard Deadline ou Deadline Crtico o instante de tempo no qual a execuo de

uma tarefa deve ser completamente finalizada; o no-atendimento deste deadline

pode levar o sistema a uma condio crtica, que afetar drasticamente sua

atividade operacional (Sprunt; Sha; Lehoczky, 1989).

Os sistemas de tempo real, segundo Jonsson e Shin (1997), so definidos como

aqueles que envolvem um ou mais computadores, nos quais a correo do sistema depende

no s dos resultados da computao, mas tambm do instante de tempo em que so

produzidos os resultados. Assim como h dois tipos de deadline, tambm se podem classificar

os sistemas de tempo real em duas categorias: Hard Real-Time e Soft Real-Time.

Hard Real-Time ou Sistema de Tempo Real Crtico neste sistema necessrio

que se garanta a execuo de todos os requisitos temporais dos projetos, e quando

ocorrer uma falha temporal em sistemas desta categoria, as conseqncias sero

catastrficas. Utiliza este tipo de sistema as usinas nucleares, msseis e usinas

petroqumicas (Farines; Fraga; Oliveira, 2000).

Soft Real-Time ou Sistema de Tempo Real No-Crtico neste sistema o requisito

temporal descreve apenas o comportamento desejado, um bom exemplo a

multimdia (Farines; Fraga; Oliveira, 2000).


Os sistemas de tempo real tambm realizam tarefas, que se dividem em dois tipos:

Tarefas Peridicas e Tarefas Aperidicas. De acordo com Sprunt, Sha e Lehoczky (1989),

estas tarefas podem ser definidas da seguinte maneira:

Tarefas Peridicas ou Sncronas so aquelas ativadas em perodos regulares e

que possuem o hard deadline.

Tarefas Aperidicas ou Assncronas so aquelas com tempo de chegada

irregular; convencionalmente possuem o soft deadline.

Para uma tarefa ser escalonada preciso que esteja agendada numa tabela predefinida,

cujo tempo limitado pelo release e deadline. As tarefas peridicas em sistemas Hard Real-

Time sempre tm prioridades sobre as demais na hora da execuo.

Segundo Blazewicz (1996), a prioridade impe uma importncia relativa a uma tarefa,

que determinada na tomada de deciso, quando ocorre a atividade de escalonamento.

Ao se escalonar uma tarefa deve-se levar sempre em considerao, alm da sua

prioridade, se existe precedncia. Segundo Cardeira e Mammeri (1993), duas tarefas tm

restries de precedncia quando a execuo de uma delas estiver condicionada ao trmino da

execuo da outra tarefa.

3.1 ESCALONAMENTO

Com os escalonamentos empregados em diversos sistemas utilizam termos especiais,

neste estudo eles merecem no s destaque, mas tambm o registro de suas definies,

segundo alguns pesquisadores. No trabalho de Henriques (2005), h definies, como:


Escalonamento timo neste tipo, pesquisaram-se todas as opes possveis para

o escalonamento de tarefas no sistema, de tal forma que a atividade de

escalonamento s ser interrompida quando a melhor soluo for encontrada,

principalmente aps considerar que foi definido pelo escalonador, como restries

temporais e critrios predefinidos.

Escalonamento Realizvel (Factvel) este escalonamento satisfaz todas as

restries temporais do sistema e garante sempre o seu cumprimento.

Escalonamento Preemptivos Preempo o ato de interromper uma tarefa que

est sendo executada para execuo de uma outra. Somente aps o trmino da

execuo da segunda tarefa que a da primeira ser retomada. Escalonadores de

tarefas preemptivos tm melhor desempenho que os no-preemptivos, apesar de os

no-preemptivos serem usados na maioria dos casos, em razo de serem mais

simples (Cardeira e Mammeri, 1993).

A teoria de escalonamento de tarefas em processadores teve seu marco com a

publicao do trabalho de Liu e Layland (1973). Os autores mostraram que os algoritmos RM

(Rate Monotonic) e EDF (Earliest Deadline First) serviram como base para o

desenvolvimento das futuras tcnicas de escalonamento de mensagens em redes digitais. Na

tcnica RM, as prioridades de transmisso de cada mensagem cclica so atribudas

estaticamente, tanto que no mudam durante o processo. No caso, o algoritmo escalonador

impe a cada tarefa uma prioridade proporcional sua taxa de execuo.

A tcnica EDF baseia-se em atribuio de prioridades dinmicas, na qual a prioridade

de cada tarefa varia no tempo e cresce na medida em que se aproxima o instante deadline,

definido como o instante da prxima execuo da tarefa em questo. Com base nos aspectos

apresentados e na definio de Hard Real-Time de Liu e Layland (1973), num ambiente Hard


Real-Time todas as tarefas devem ser completadas dentro de um intervalo de tempo logo aps

a requisio de sua execuo, consideram possvel tambm a realizao de uma reviso sobre

o escalonamento de blocos funcionais e mensagens peridicas em sistemas fieldbus.

Como todo sistema de controle distribudo em tempo real, o FOUNDATION

FIELDBUS requer um algoritmo de escalonamento no qual todos os requisitos temporais

relacionados camada de aplicao sejam garantidos (Hard Real-Time). Neste protocolo,

tanto a execuo dos blocos funcionais quanto a transmisso de mensagens peridicas so

processos crticos e no-preemptivos.

A investigao do escalonamento de sistemas Hard Real-Time no-preemptivos foi

realizada por Xu e Parnas (1990), que propuseram um algoritmo para o escalonamento de

tarefas com restries de precedncia, o instante de disparo e deadlines. Neste algoritmo, Xu e

Parnas (1990) propuseram, ainda, a possibilidade da automao completa de uma tarefa no

processo de escalonamento pr-run-time, desde que se respeitassem a precedncia e as

relaes de excluso1.

O algoritmo usa uma tcnica de branch-and-bound, que percorre toda rvore e procura

nos ramos os ns da raiz, aplicando, assim, a estratgia Earliest Deadline First, de Liu e

Layland (1973), para computar o tempo e o escalonamento vlidos das solues inicialmente

apresentadas. Este processo deve satisfazer o tempo previsto e todas relaes de excluso e

preempo inicial. Os autores chamam os algoritmos de prioridade fixa de Rate Monotonic

RM ou Taxa Monotnica ou Deadline Monotnico, e os algoritmos de prioridade dinmica,

de Earliest Deadline First EDF.

Num sistema monoprocessado, o algoritmo RM - Rate Monotonic de fcil

implementao, uma vez que atribui altas prioridades s tarefas com menores perodos.

1 Relaes de excluso Exclusion Relations podem existir quando alguns segmentos do processo excluem a interrupo atravs de outros segmentos de processo, e prevm erros causados por acesso simultneo aos recursos compartilhados, como dados, dispositivos de I/O, etc, (Xu e Parnas 1990).


Para Baruah e Goossens (2004), esta tcnica tima para sistemas peridicos

sncronos com deadline implcito, ou seja, para tarefas independentes; tambm a consideram

tima para os outros tipos de sistemas.

Para as estratgias dinmicas, Henriques (2005) apresenta duas regras existentes de

escalonamento: Earliest Deadline Frist (EDF ou Deadline Driven Scheduler DDS ou

Earliest Deadline Scheduler EDS) e Least Laxity First (LLF ou Least Slack Time LST).

No algoritmo EDF a prioridade da tarefa especificada segundo o deadline relativo; no

entanto tarefa eleita pelo algoritmo de escalonamento dinmico indica a primeira tarefa da fila

pelo seu deadline mais prximo. J no caso do LLF, a tarefa selecionada segundo a folga

expressa pelo deadline relativo subtrado pelo instante de tempo atual caracterizado no

momento da ao de seleo adotada pelo escalonador.

No trabalho de Baruah, Goossens e Funk (2003a), os algoritmos EDF e LLF so

classificados como timos para ambientes que possuem sistemas monoprocessados, pois caso

haja existir escalonamento factvel, os algoritmos permitiro que as tarefas atendam a seus

respectivos deadlines. Porm, nos sistemas multiprocessados, os algoritmos empregados em

tempo de execuo no so classificados como timos, uma vez que as restries so

desconhecidas num primeiro momento.

Henriques (2005), ao estudar os escalonamentos de sistemas monoprocessados e

multiprocessados atravs de escalonamentos distribudos, esclarece que em sistemas que

possuem recursos distribudos faz-se necessrio a adoo de um recurso de comunicao para

troca de informaes entre os processadores, porm como os recursos so escassos no

sistema, eles devem ser compartilhados entre as tarefas contidas no mesmo sistema. Assim,

sistemas distribudos so aqueles monoprocessados que trocam dados atravs de meios de

comunicao, meios estes considerados em escalonamentos como processadores adicionais,

que tm como tarefas no-preemptivas as mensagens transmitidas entre os processadores com


atrasos de transmisso de pior caso. A comunicao, ento, caracterizada pelas restries de

precedncia; assim em ambientes multiprocessados com recursos de comunicao, uma tarefa

pode ser um programa a ser executado em algum processador do sistema, ou um dado enviado

entre os processadores.

No caso do fieldbus, alm das caractersticas apresentadas acima por Henriques

(2005), h tambm um modelo estendido caracterizado, o qual contm tarefas dependentes

entre si; estas impem que a execuo de uma tarefa no seja definida de forma arbitrria,

mas que siga uma ordem predefinida (Farines, Fraga e Oliveira, 2000), o que acarreta

restries ou relaes de precedncia entre tarefas que determinam uma ordenao parcial, a

ser respeitada durante a atividade de escalonamento.

O algoritmo RM Rate Monotonic, proposto por Liu e Layland (1973), no

considerado timo para mltiplos processadores, porm Baruah e Goossens (2003b) tentam

refinar a atribuio das prioridades definidas estaticamente para as tarefas, visando delimitar

um RM-factvel em funo da quantidade de processadores. Estes ltimos autores consideram

que um RM factvel se ele atender a todos os deadlines das tarefas para qualquer sistema de

tarefas, quando a soma da utilizao das mesmas for menor que m, onde m igual a:

3__ resprocessadodenmero

Ainda segundo Baruah e Goossens (2003b), a utilizao mxima do conjunto de

tarefas deve ser menor ou igual a 1/3 para que se obtenha um RM-factvel. O interesse destes

autores no comprovar estas consideraes e, sim, melhorar os testes que determinaro se

um sistema de tarefas RM-factvel, atravs das utilizaes das tarefas e de seu

particionamento. O trabalho destes autores tambm expe a existncia de um algoritmo que

torna mais eficiente a atribuio de prioridades das tarefas, quando o RM for no-factvel.

Almeida (1999), em seu trabalho, relata que os escalonadores executados em tempo de

projeto (escalonadores pr-run-time) produzem um escalonamento denominado de esttico,


tambm caracterizado por uma tabela de escalonamento implementada antes do sistema entrar

em atividade (off-line). Esta tabela, num primeiro momento, de acordo com seu conhecimento

de todo o comportamento temporal do sistema, prov os tempos de liberao (release) futuros

das tarefas a serem escalonadas perante as operaes do sistema. No fieldbus as tarefas so

caracterizadas como mensagens no barramento e nos programas, enquanto os blocos

funcionais, nos processadores e dispositivos.

Almeida (1999), props em seu trabalho, um algoritmo de escalonamento denominado

esttico, onde o escalonador executado em tempo de projeto, quando o sistema no estiver

em atividade (off-line). Este escalonador baseado nas informaes futuras operacionais do

sistema (tabela de requisitos) cria uma tabela de escalonamento a ser utilizada quando o

mesmo entrar em atividade (on-line) (Figura 18).

Figura 18 Exemplo do escalonamento pr-run-time de Almeida (1990)

Para o autor, os escalonadores em tempo de projeto (pr-run-time) possuem alto

determinismo, menor quantidade de informaes no cabealho da mensagem, baixa


flexibilidade operacional e largos requisitos de consumo de memria. O alto determinismo

imposto pelo conhecimento de todo o comportamento temporal do sistema, no primeiro

instante. A previsibilidade mostrada pelo aspecto discutido anteriormente obtida em funo

do comportamento do sistema, representado pelas necessidades temporais em regime de pior

caso, quando o sistema no estiver ativo. O segundo aspecto, de menor tamanho de cabealho

em tempo de execuo, expressa que o despachante em tempo de execuo somente verificar

a tabela para a execuo das transaes, sem providenciar a criao de um cabealho que

contenha extensas informaes sobre a transao a ser executada. A baixa flexibilidade

operacional evidenciada atravs de mudanas efetuadas na tabela de escalonamento, pois

sua viabilidade depende novamente da execuo do escalonador, que criar uma nova tabela

de escalonamento com as mudanas necessrias. Os largos requisitos de consumo de memria

so condizentes com os valores atribudos aos perodos das tarefas, uma vez que o tamanho da

tabela de escalonamento est condicionado ao desmembramento dos perodos das tarefas, em

nmeros primos, para o clculo do perodo comum (mnimo mltiplo comum MMC), o que

pode gerar um valor grande para MMC, e conseqentemente maior tamanho da tabela de

escalonamento para armazenamento dos dados das transaes.

Almeida (1999) tambm apresentada um escalonamento realizado em tempo de

execuo (escalonadores run-time), o qual no possuem qualquer conhecimento sobre as

requisies futuras, por isso produzem um escalonamento dinmico que muda constantemente

em funo da alterao das prioridades das requisies, quando o sistema estiver em

atividade. Por se tratar de um escalonamento dinmico, mais flexvel do que os

escalonadores pr-run-time, devido s constantes mudanas de requisitos comportamentais do

sistema. Como os escalonadores run-time no precisam da tabela de escalonamento, eles

dispem de maior capacidade para a disponibilidade da memria durante seu processamento,

j que as mensagens ficam enfileiradas ao chegarem para o escalonamento. Para o

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