Dissertação apresentada para obtenção do grau de doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto sob a orientação do Prof. Dr. Francisco Vasques

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um simulador de redes Profibus DP que reproduz o comportamento de uma rede real. A simulação de redes em condições de falha permite aos usuários experimental situações que podem ocorrer em instalações reais, facilitando o treinamento de manutenção e antecipando ações corretivas. O simulador permite o treinamento de usuários que utilizam ferramentas de diagnóstico. Auxilia no estudo do protocolo Profibus DP e também contribui com o desenvolvimento da ferramenta Profidoctor que é um sistema especialista com o objetivo de fazer a análise de problemas de rede. / This work aims development of Profibus DP network simulator that reproduces real network behavior. The network simulation under fault conditions allows experiment situations that may occur in real network installations, helping in maintenance training and corrective actions. This simulator tool helps in diagnostic tool users training, Profibus DP protocol learning and also assists development of new tool Profidoctor: an expert system that will report complete analysis of network problems.

Atualmente a segurança da informação tem sido uma preocupação constante das diversas instituições e países que utilizam recursos computacionais para comunicação e oferecimento de serviços. Métodos de proteção e contramedidas para redes tradicionais são conhecidos e comumente utilizados, tais como firewalls e detectores de intrusões. Para os sistemas de controle e aquisição de dados (Supervisory Control and Data Acquisition SCADA) não é diferente. Nos primórdios tais sistemas eram baseados em mainframes e arquitetura fechada, ou seja, dependentes dos fabricantes e consequentemente isolados de outros sistemas. Nos dias atuais os sistemas SCADA estão convergindo cada vez mais para plataformas baseadas em sistemas abertos e com a sua arquitetura fortemente apoiada em conectividade; sendo assim é usual a interligação de tais sistemas com a rede corporativa e em alguns casos com a própria internet. Partindo desse problema e com o atual desenvolvimento tecnológico em que se encontra a área de segurança da informação, é proposta uma metodologia para implantação de sistemas de automação em plantas de tratamento de água com ênfase em segurança e focada em sistemas industriais, utilizando as normas de segurança em automação ISA 99. Adicionalmente é proposto um mecanismo de análise e identificação de eventos maliciosos tendo por base o entendimento do fluxograma e etapas de uma planta de tratamento de água. Nesse sentido, os objetivos do presente trabalho são, em suma, estudar as normas, métodos e metodologias de segurança em sistemas industriais com foco em tratamento de água e propor uma metodologia cujo foco seja a minimização dos riscos de segurança. Para isso é proposto a avaliação de três cenários reais de tratamento de água para que assim seja possível simular os parâmetros de criticidade identificados no fluxograma e etapas do tratamento de água. Para tanto, desenvolveu-se um cenário conectado ao PLC que permitiu simular o comportamento e os impactos, além de um detector de eventos para análise dos resultados. / Currently, information security is a constant concern of the several institutions and countries that use computing resources for communication and service offering purposes. Protection methods and countermeasures for traditional networks such as firewalls and intrusion detectors are known and ordinarily used. The same goes for control systems and data acquisition (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA). In the beginning, such systems were based on mainframes and closed architecture, i.e., dependent on manufacturers and consequently isolated from other systems. Nowadays, the SCADA systems converge more and more to platforms based on open systems, with its architecture strongly relied on connectivity; thus, it is usual the interconnection of such systems with the corporate network and, in some cases, with Internet itself. From this issue, and with the current technology development in the information security area, a methodology is proposed to implement automation systems in water treatment plants with an emphasis on security, and focused on industrial systems, using automation safety rules ISA 99. The purpose of this essay is, in brief, to study safety rules, methods and methodologies for industrial systems with a focus on water treatment, and to propose a methodology directed to the minimization of safety hazards. For that purpose, it is proposed the evaluation of three water treatment real scenarios so that it is possible to simulate criticality parameters identified in the flow chart and stages of the water treatment. Therefore, a scenario connected to PLC was developed, allowing the simulation of the behavior and the impacts, in addition to an event detector for the result analysis.

Este trabalho propõe analisar o desempenho de redes de comunicação industrial em aplicações de acionamentos de motores elétricos trifásicos. Compara-se o desempenho da tecnologia Profibus DP em relação à Profinet. O desempenho é verificado a partir de especificações técnicas de ambos protocolos e experimentos práticos para coleta de dados e análise dos seguintes indicadores de desempenho: tempo de ciclo, jitter e ocupação de largura de banda. Adicionalmente, é verificado o desempenho de uma aplicação de controle de posição, utilizando estes protocolos na malha de controle, através do tempo de acomodação do sistema. Conclusões mostram que a rede Profibus DPV0 é a mais rápida quando possui menos dispositivos, porém o Profinet RT consegue manter baixos valores de tempo de ciclo mesmo com grande quantidade de dispositivos e possui maior determinismo na topologia em barramento. No que diz respeito ao controle de posição estudado, as tecnologias apresentam desempenho similar para tempo de acomodação do sistema, porém o Profinet IRT foi o mais determinístico. / This work proposes a performance analysis of industrial communication networks in applications of electric AC motor drives. It compares the performance of Profibus DP technology in relation to Profinet. Performance is verified from technical specifications of both protocols and practical experiments for data collection and analysis of the following performance indicators: cycle time, jitter and bandwidth occupation. Additionally, the performance of a motion control application is verified, by using these protocols in the loop control, through the settling time of the system. Conclusions show that Profibus DPV0 is faster when there is less devices in the network, but Profinet RT manages to maintain low values of cycle time even with large number of devices and has higher determinism when installed in line topology. Regarding the motion control application studied, the technologies have similar settling time for the system performance, but the Profinet IRT was more deterministic.

Atualmente a segurança da informação tem sido uma preocupação constante das diversas instituições e países que utilizam recursos computacionais para comunicação e oferecimento de serviços. Métodos de proteção e contramedidas para redes tradicionais são conhecidos e comumente utilizados, tais como firewalls e detectores de intrusões. Para os sistemas de controle e aquisição de dados (Supervisory Control and Data Acquisition SCADA) não é diferente. Nos primórdios tais sistemas eram baseados em mainframes e arquitetura fechada, ou seja, dependentes dos fabricantes e consequentemente isolados de outros sistemas. Nos dias atuais os sistemas SCADA estão convergindo cada vez mais para plataformas baseadas em sistemas abertos e com a sua arquitetura fortemente apoiada em conectividade; sendo assim é usual a interligação de tais sistemas com a rede corporativa e em alguns casos com a própria internet. Partindo desse problema e com o atual desenvolvimento tecnológico em que se encontra a área de segurança da informação, é proposta uma metodologia para implantação de sistemas de automação em plantas de tratamento de água com ênfase em segurança e focada em sistemas industriais, utilizando as normas de segurança em automação ISA 99. Adicionalmente é proposto um mecanismo de análise e identificação de eventos maliciosos tendo por base o entendimento do fluxograma e etapas de uma planta de tratamento de água. Nesse sentido, os objetivos do presente trabalho são, em suma, estudar as normas, métodos e metodologias de segurança em sistemas industriais com foco em tratamento de água e propor uma metodologia cujo foco seja a minimização dos riscos de segurança. Para isso é proposto a avaliação de três cenários reais de tratamento de água para que assim seja possível simular os parâmetros de criticidade identificados no fluxograma e etapas do tratamento de água. Para tanto, desenvolveu-se um cenário conectado ao PLC que permitiu simular o comportamento e os impactos, além de um detector de eventos para análise dos resultados. / Currently, information security is a constant concern of the several institutions and countries that use computing resources for communication and service offering purposes. Protection methods and countermeasures for traditional networks such as firewalls and intrusion detectors are known and ordinarily used. The same goes for control systems and data acquisition (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA). In the beginning, such systems were based on mainframes and closed architecture, i.e., dependent on manufacturers and consequently isolated from other systems. Nowadays, the SCADA systems converge more and more to platforms based on open systems, with its architecture strongly relied on connectivity; thus, it is usual the interconnection of such systems with the corporate network and, in some cases, with Internet itself. From this issue, and with the current technology development in the information security area, a methodology is proposed to implement automation systems in water treatment plants with an emphasis on security, and focused on industrial systems, using automation safety rules ISA 99. The purpose of this essay is, in brief, to study safety rules, methods and methodologies for industrial systems with a focus on water treatment, and to propose a methodology directed to the minimization of safety hazards. For that purpose, it is proposed the evaluation of three water treatment real scenarios so that it is possible to simulate criticality parameters identified in the flow chart and stages of the water treatment. Therefore, a scenario connected to PLC was developed, allowing the simulation of the behavior and the impacts, in addition to an event detector for the result analysis.

Este trabalho propõe analisar o desempenho de redes de comunicação industrial em aplicações de acionamentos de motores elétricos trifásicos. Compara-se o desempenho da tecnologia Profibus DP em relação à Profinet. O desempenho é verificado a partir de especificações técnicas de ambos protocolos e experimentos práticos para coleta de dados e análise dos seguintes indicadores de desempenho: tempo de ciclo, jitter e ocupação de largura de banda. Adicionalmente, é verificado o desempenho de uma aplicação de controle de posição, utilizando estes protocolos na malha de controle, através do tempo de acomodação do sistema. Conclusões mostram que a rede Profibus DPV0 é a mais rápida quando possui menos dispositivos, porém o Profinet RT consegue manter baixos valores de tempo de ciclo mesmo com grande quantidade de dispositivos e possui maior determinismo na topologia em barramento. No que diz respeito ao controle de posição estudado, as tecnologias apresentam desempenho similar para tempo de acomodação do sistema, porém o Profinet IRT foi o mais determinístico. / This work proposes a performance analysis of industrial communication networks in applications of electric AC motor drives. It compares the performance of Profibus DP technology in relation to Profinet. Performance is verified from technical specifications of both protocols and practical experiments for data collection and analysis of the following performance indicators: cycle time, jitter and bandwidth occupation. Additionally, the performance of a motion control application is verified, by using these protocols in the loop control, through the settling time of the system. Conclusions show that Profibus DPV0 is faster when there is less devices in the network, but Profinet RT manages to maintain low values of cycle time even with large number of devices and has higher determinism when installed in line topology. Regarding the motion control application studied, the technologies have similar settling time for the system performance, but the Profinet IRT was more deterministic.

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um simulador de redes Profibus DP que reproduz o comportamento de uma rede real. A simulação de redes em condições de falha permite aos usuários experimental situações que podem ocorrer em instalações reais, facilitando o treinamento de manutenção e antecipando ações corretivas. O simulador permite o treinamento de usuários que utilizam ferramentas de diagnóstico. Auxilia no estudo do protocolo Profibus DP e também contribui com o desenvolvimento da ferramenta Profidoctor que é um sistema especialista com o objetivo de fazer a análise de problemas de rede. / This work aims development of Profibus DP network simulator that reproduces real network behavior. The network simulation under fault conditions allows experiment situations that may occur in real network installations, helping in maintenance training and corrective actions. This simulator tool helps in diagnostic tool users training, Profibus DP protocol learning and also assists development of new tool Profidoctor: an expert system that will report complete analysis of network problems.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-01-26T18:48:32Z No. of bitstreams: 1 AndersonCostaSilvaDosSantos_DISSERT.pdf: 3661284 bytes, checksum: aeeb9b617cdc813784b0705119c3782b (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-01-28T20:23:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 AndersonCostaSilvaDosSantos_DISSERT.pdf: 3661284 bytes, checksum: aeeb9b617cdc813784b0705119c3782b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-28T20:23:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndersonCostaSilvaDosSantos_DISSERT.pdf: 3661284 bytes, checksum: aeeb9b617cdc813784b0705119c3782b (MD5) Previous issue date: 2015-03-05 / Nos dias atuais a comunica??o sem fio tem despertado interesse e est? se tornando uma tend?ncia nos ambientes industriais. Em parte essa realidade deve-se ?s facilidades de implanta??o e manuten??o, dispensando projetos sofisticados e execu??o de obras com custos proibitivos para implementa??o do cabeamento. Adicionalmente, a inser??o dessas tecnologias permite a cria??o de aplica??es que n?o eram poss?veis com as tecnologias legadas, al?m da flexibiliza??o de testes. Apesar dos benef?cios diretos, desafios t?cnicos (confiabilidade, autonomia de recursos energ?ticos, interfer?ncia do ambiente) e culturais se apresentam como os principais entraves para a implanta??o das redes industriais sem fio. Nesta disserta??o ser? abordado o problema da an?lise de ativos em redes industriais sem fio para o padr?o WirelessHart atrav?s da implementa??o de um sistema de monitoramento. O sistema permite a realiza??o de diversas atividades de gest?o de ativos independente de fabricantes, tais como: previs?o da vida ?til das baterias, manuten??o, dados de confiabilidade, topologia e a possibilidade de cria??o de novas m?tricas a partir de bibliotecas de desenvolvimento abertas e padronizadas. Atrav?s da implementa??o dessa ferramenta pretende-se contribuir para inser??o das tecnologias de comunica??o sem fio em ambientes industrias. / Nowadays wireless communication has emerged as a tendency in industry environments. In part this interest is due to the ease of deployment and maintenance, which dispenses sophisticated designs and wired infrastructure (which in industrial environment often prohibitively expensive) besides enabling the addition of new applications when compared to their wired counterparts. Despite its high degree of applicability, an industrial wireless sensor network faces some challenges. One of the most challenging problems are its reliability, energy consumption and the environment interference. In this dissertation will discuss the problem of asset analysis in wireless industrial networks for the WirelessHART standard by implementing a monitoring system. The system allows to carry out various activities of independent asset management manufacturers, such as prediction of battery life, maintenance, reliability data, topology, and the possibility of creating new metrics from open and standardized development libraries. Through the implementation of this tool is intended to contribute to integration of wireless technologies in industrial environments.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RicardoAMV.pdf: 949844 bytes, checksum: ba5839bf5dddd12b97b03d717da638fd (MD5) Previous issue date: 2006-11-30 / The Ethernet technology dominates the market of computer local networks. However, it was not been established as technology for industrial automation set, where the requirements demand determinism and real-time performance. Many solutions have been proposed to solve the problem of non-determinism, which are based mainly on TDMA (Time Division Multiple Access), Token Passing and Master-Slave. This work of research carries through measured of performance that allows to compare the behavior of the Ethernet nets when submitted with the transmissions of data on protocols UDP and RAW Ethernet, as well as, on three different types of Ethernet technologies. The objective is to identify to the alternative amongst the protocols and analyzed Ethernet technologies that offer to a more satisfactory support the nets of the industrial automation and distributed real-time application / A tecnologia Ethernet domina o mercado de redes locais de computadores. Entretanto, n?o se estabeleceu como tecnologia para a automa??o industrial, onde os requisitos exigem determinismo e desempenho de tempo real. Muitas solu??es foram propostas para resolver o problema do n?o determinismo, as quais s?o baseadas principalmente em TDMA (Time Division Multiple Access), Token Pass e Master-Slave. Este trabalho de pesquisa realiza medidas de desempenho que permite comparar o comportamento das redes Ethernet quando submetidas ?s transmiss?es de dados sobre os protocolos UDP e RAW Ethernet, bem como, sobre tr?s tipos diferentes de tecnologias Ethernet. O objetivo ? identificar a alternativa dentre os protocolos e tecnologias Ethernet analisadas que oferecem um suporte mais satisfat?rio ?s redes da automa??o industrial, e aplica??es de tempo real distribu?das

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2018-03-12T13:20:56Z No. of bitstreams: 1 FabricioRooseveltMeloDaSilva_DISSERT.pdf: 12566402 bytes, checksum: d3f722d0746536b7850d988ebea66e60 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2018-03-14T13:01:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FabricioRooseveltMeloDaSilva_DISSERT.pdf: 12566402 bytes, checksum: d3f722d0746536b7850d988ebea66e60 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-14T13:01:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FabricioRooseveltMeloDaSilva_DISSERT.pdf: 12566402 bytes, checksum: d3f722d0746536b7850d988ebea66e60 (MD5) Previous issue date: 2017-12-19 / Este trabalho tem como objetivo a adequa??o de uma esta??o de tratamento de ?gua, atrav?s do desenvolvimento e a implanta??o de um sistema de automa??o e supervis?o voltado para produ??o de ?gua purificada para fins farmac?uticos. A ?gua tem import?ncia fundamental na ind?stria farmac?utica, participa dos processos de limpeza de materiais e superf?cies, al?m de ser utilizada como ve?culo em formula??es, exigindo uma s?rie de especifica??es f?sico-qu?mica e microbiol?gicas. O processo de purifica??o da ?gua deve passar rotineiramente por um controle de qualidade r?gido e deve possuir um processo industrial conciso, automatizado e eficiente, de acordo com a legisla??o vigente. A utiliza??o de redes de automa??o e sistemas supervis?rios est? longe de ser novidade em qualquer tipo de ind?stria, por?m, neste caso, a planta industrial objeto de estudo n?o utilizava estas ferramentas. Para atingir o objetivo proposto fez-se a implementa??o de uma rede de comunica??o industrial entre os equipamentos da planta, atrav?s de uma rede padr?o MODBUS, uma rede instrumental com sinal de corrente el?trica e uma rede padr?o Ethernet. Concentrou-se os dados de leituras das vari?veis dos equipamentos no CLP mestre, este por sua vez ligado a um sistema SCADA. Este SCADA fornece ao operador uma vis?o panor?mica do processo, informando-o em tempo real o comportamento das vari?veis provenientes das etapas do processo, facilitando qualquer interven??o ou mudan?a no sistema. Os dados mais importantes s?o armazenados diariamente em arquivos na esta??o do SCADA, ficando dispon?veis para futuras auditorias ou durante a valida??o anual da planta, comprovando a efic?cia e seguran?a de todo o sistema. / This document propose the adequace of a water treatment station, through the development and implementation of an automation and supervision system for purified water production used in the manufacture of medicines. Water is of fundamental importance in the pharmaceutical industry, it participates in the cleaning processes of materials and surfaces, as well as being used as a carrier in formulations, requiring a series of physicochemical and microbiological specifications. The process of water purification must routinely pass through a strict quality control and must have a concise, automated and efficient industrial process, according to the current legislation. The use of automation networks and supervisory systems is far from novelty in any type of industry, however, in this case, the industrial plant under study did not use these tools. In order to reach the proposed objective, an industrial communication network was implemented between the plant equipments, through a MODBUS default network, an electric current signal instrument network and an Ethernet network. The variables input data of equipaments were concentrated in the master PLC, which was connected to a SCADA system. This SCADA provides the operator with a panoramic view of the process, informing it in real time the behavior of the variables from the process steps, facilitating any intervention or change in the system. The most important data is stored daily in files at the SCADA station, becoming available for future audits or during the annual validation of the station, proving the effectiveness and security of the entire system.