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REDES SDN NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Aplicação das Redes Definidas por Software nos Sistemas Industriais (SDN Software Defined Networking)

As redes Ethernet permitiram conectar o mundo, num primeiro momento entre computadores, depois com a Internet como a conhecemos e agora com a IoT Internet das Coisas.

Os desafios frente as demandas deste padrão, consolidado no mundo, não param de permear área de pesquisa e desenvolvimento na área de comunicações de dados, pois desde o seu advento, nunca estivemos tão perto do seu limite tecnológico.

Quando pensamos em encaminhar pacotes de dados e roteamento entre redes, os padrões das conhecidas camadas 2 e camada 3 do modelo OSI (Open Systems Interconnect), já se definiram com seus modelos e protocolos, não conseguimos com estes padrões existentes, criar novos formados de controle de dados (exclusivos ou especiais).

Nesta mesma linha, gerenciar a rede de comunicação e efetuar a segurança dos pacotes, também remetem a desafios complexos, uma vez que não é tarefa simples, criar área de segurança de dados, principalmente se forem dinâmicas, monitorar comportamentos estranhos na rede, desafios difíceis de serem superados, frente aos roteadores e firewall atuais.

Agora com o advento do conceito da Indústria 4.0, que é a conexão de toda a cadeia produtiva na Internet, vemos novos padrões, protocolos e modelos de gestão de dados que elevam ainda mais as necessidades, que naturalmente não estavam previstas no modelo atual da Ethernet.

O modelo OSI de 7 camadas de rede e o TCP/IP, operam de forma fixa nas camadas um, dois e três, quando imaginamos uma necessidade de se criar algo novo em redes, temos que pensar na camada de aplicação, onde temos liberdade para criar, através de programação, novas formas de gestão de dados.

Para entender melhor o modelo existente, vamos relembrar como o switch e o roteador de dados funciona e como o conhecemos no modelo existente, o que ele faz:

  • Entender quando o pacote chega;
  • Ver na tabela de encaminhamento para onde vai (ou descartar);
  • Enviar pacote;
  • Atualizar a tabela;
  • Atualizar estatísticas;
  • Usa protocolos pré-definidos.

Perguntamos: Neste formato então, com o modelo ATUAL existente de Ethernet para Encaminhamento e Roteamento, é possível CRIAR controles, monitoramento e segurança de rede fora dos padrões atuais, com objetivo de atender NOVAS demandas, protocolos e novas ameaças de redes?

A resposta é: NÃO!

Para entender o caminho da solução, as redes SDN abrem novas possibilidades a entender:

  • Com o modelo ATUAL existente, somente sobra a CAMADA DE APLICAÇÃO para desenvolvimento, onde tenho possibilidade de criação;
  • Com este conceito de programar redes no nível de Aplicação, tem-se as SDN ou Redes Definidas por Software;
  • As redes virtuais (SDN) são um novo formato de gestão e comando de dados em uma rede, é uma quebra de paradigma e um novo mundo de possibilidades.

Para darmos alguns exemplos de cenários mais conhecidos na área de gestão de dados atualmente, frente aos novos desafios, podemos limitar nosso tema nas seguintes necessidades comuns, encontradas abaixo:

  • Fazer um projeto de redes Ethernet que permita a convergência de diversos setores (Indústria, TI e Logística), utilizando diversos protocolos e controlar as redes de uma central, bem como sua monitoração;
  • Criar um projeto de segurança de rede para controle de acesso, autenticação e monitoramento de regras, de forma dinâmica;
  • Escalar um projeto de rede para convergência de camadas de IoT (Internet das Coisas) e integrar nos sistemas de automação da planta, independente dos protocolos e com regras próprias.

A virtualização das redes, entra na mesma linha da virtualização dos computadores, vamos relembrar, de nossos textos anteriores:

Objetivo da virtualização de computadores: Processamento, armazenamento, compartilhamento e gestão;

Objetivo da virtualização de redes: Encaminhamento, roteamento, segurança e gestão.

Sendo que a duas soluções podem ser executadas On-Premisse (local) ou em Cloud Computing (computação nas nuvens).

A evolução dos sistemas de rede Ethernet, se baseia na gestão por camadas, esta é uma forma de entendermos o desenvolvimento tecnológico e o atendimento de suas demandas:

  • No início tínhamos apenas os concentradores de rede (HUB), que tinha apenas a função de conectar à rede no Layer 1, conexão física, não gerenciando dados em nenhuma instância;
  • Como os switches, temos a gestão das redes no Layer 2, também conhecido no nível de endereçamento físico (MAC), trabalhando com tabela de encaminhamento, cuja função principal, entre outras, é gerenciar pacotes e colisão de dados;
  • Com a união de redes de diferentes funções, localizações e diversos serviços, temos a gestão da rede no Layer 3, ou roteamento, nível IP, dado pelos roteadores de rede, onde podemos configurar rotas e permissões de dados, elevando o nível de controle da rede, com seus diversos protocolos roteamento.
  • A proposta da evolução, dado agora pelo Layer 4, é permitir a conexão de uma aplicação na camada de rede, diretamente na camada de transporte, utilizando-se API (Application Programming Interface), onde podemos montar tabela de encaminhamento, roteamento e regras próprias de segurança, fazendo todas as outras funções, porém com programação própria.

As redes SDN (Software Defined Networking) ou Redes Definidas por Software, é uma tecnologia que permite criar redes virtuais (Ethernet), utilizando-se de um hardware simplificado para encaminhamento de pacotes, conectados um sistema operacional de rede, conectados a API diretamente nos aplicativos de função da rede.

Como então funciona este modelo de gestão de dados no Layer 4? Como o switch ou roteador se comporta e o que faz na rede:

  • Entender quando o pacote chega;
  • Ver na tabela de encaminhamento para onde vai;
  • Enviar pacote (como deve ser tratado – programação);
  • Só acessa tabela de encaminhamento;
  • Usa API para conectar DEVICE na Tabela;
  • Atualiza tabela e estatísticas.

A tecnologia e o princípio de funcionamento das redes SDN, se dão por três elementos do conjunto, veja como é feito:

  • Utilizando Switches de Layer 4 para interface, faço todas conexões físicas;
  • Conecto os Switches em um Controlador SDN (sistema operacional da rede);
  • Programo as API (Application Programming Interface) de acordo com cada aplicação que tenho, criando as funções, regras e tabelas.

Para facilitar o entendimento do uso das redes SDN, descrevemos abaixo alguns termos muito utilizados com esta tecnologia:

  • SDN – Software Defined Networking – é o conceito de criação e gestão de redes de comunicação de forma virtual – conjunto de tecnologias;
  • NFV – Network Functions Virtualization – é a virtualização de funções de rede de forma a padronizar funções (comunicação, segurança ou regras);
  • SDWAN – Software-Defined Wide-Area Network – é a virtualização de conjuntos de serviços dentro de uma WAN, usando NFV, por exemplo, VPN, 4G;
  • OPENFLOW – é a tecnologia (protocolo) que permite aplicar de fato a SDN (sistema operacional de rede e as API);
  • ORQUESTRAÇÃO – é a gestão de um serviço de cloud de ponta a ponta, em nosso caso usar SDN no Cloud e orquestrando, por exemplo, com OpenStack;
  • OVERLAY – é uma rede sobreposta, conceito de criar uma rede (virtual) em cima de outra rede.

Como benefícios no uso das redes SDN, descrevemos abaixo suas principais características:

  • São redes de custos menores;
  • As redes SDN são flexíveis quanto ao projeto e implantação, testes simples;
  • Podem ter gestão centralizada ou distribuída no circuito de rede;
  • Por segurança, usa a negação por padrão, no envio de pacotes, o que não está programado, não é reconhecido;
  • Sistema de gestão de multiprotocolo, interoperável e com regras programáveis;
  • Facilidade de monitoração e gerenciamento da rede, conexões e fluxo de dados;
  • Facilidade de flexibilizar regras (permissões) de dados com geolocalização do Host;
  • Não se mistura arquiteturas convencionais de Ethernet com SDN;
  • O conceito já está preparado para uso em Cloud, criando ambientes híbridos, aderentes a Indústria 4.0.

As redes SDN se caracterizam por dois principais elementos básicos:

  • O Switch Layer 4, que utilizando o OpenFlow, conecta a tabela de encaminhamento da rede, através de API;
  • O controlador, que é o Sistema Operacional da rede e permite a programação da SDN.

Os sistemas SDN, permitem arquitetura centralizada e distribuída, dentro de uma rede única ou em modelos de sub-redes.

A implantação das redes SDN na automação industrial, segue o mesmo conceito e arquitetura conhecida e convencional, porém temos os switches e roteadores Layer 4 com OpenFlow, conectando fisicamente à rede e fazendo a conexão de API na tabela de encaminhamento e nesta rede, um controlador, em nosso exemplo estamos usando um centralizado, gerenciando e controlando toda a rede, inclusive conexões de IoT (Internet das Coisas), conceito da Indústria 4.0, conectados em Cloud.

No aspecto desenvolvimento tecnológico, podemos eleger algumas principais tendências na continuidade das redes virtuais:

  • Switches com programação direta das API e orquestração em Cloud;
  • Virtualização total dos controladores, principalmente em soluções Wireless (NaaS) Network as a Service;
  • Integração e convergência de dados (TO) Tecnologia da Operação, (TI) Tecnologia da Informação e (IoT) Internet das Coisas, usarem SDN para Flexibilização, Distribuição e Segurança de Dados.

Concluímos que as redes SDN são uma resposta aos grandes desafios de conectividade de comunicação na atualidade, vivemos o momento da virtualização do processamento, possibilitado escala que antes não era possível, com a virtualização das redes, rompe-se o limite tecnológico que estamos próximos, colocando as soluções de acordo com os patamares esperados pela Indústria 4.0, mudando sobremaneira a automação industrial como conhecemos hoje.

 

IoT INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA 4.0

Digitalização de Dados de Dispositivos e Aplicações na Automação Industrial

A digitalização de dados de máquinas, processos e dispositivos, complementam a camada operacional de uma planta industrial, a tecnologia IoT Internet das Coisas, como é conhecida, é a técnica que permite conectar informações em geral de dispositivos na Internet (Cloud – Nuvem), isto possibilita, dentro da Indústria 4.0, a interconexão de dados e sistemas, permitindo formar o ecossistema cibernético, onde conseguimos obter a interoperação completa e total da planta industrial, onde podemos chamá-la de planta digital.

Vamos entender através de nossa analogia já estudada a questão das rodovias, como já construímos as vias (infraestrutura), colocamos sinalização e procedimentos de tráfego (cibersegurança), agora como permitir com que todos os elementos ao redor desta rodovia (cadeia produtiva), possa trocar informações entre si, criando um ambiente digital, impactando novos formatos de produção, desde o planejamento a logística, passando pela produção e qualidade, com isso, vamos falar sobre:

  • Como criar uma camada de digitalização do processo produtivo – IoT;
  • Como conectar a cadeia de fornecimento, complementando a interconexão da indústria – IIoT;
  • Quais ferramentas de gestão operam no nível de digitalização da produção.

Quando pensamos em digitalizar a produção industrial, termo este que é usado na camada da Indústria 4.0, temos diversos cenários, abaixo listamos alguns que ocorrem e merecem nossa atenção:

  • Em uma unidade produtiva, é necessário digitalizar os movimentos dos ativos para planejamento e controle da qualidade;
  • Para apoiar o setor de manutenção, a digitalização de todos elementos ativos, documentos e cenários, permitem o prognóstico de planta;
  • A interconexão de logística, fornecedores, suprimentos, agrícola na rede industrial, permite gestão em tempo real para produção.

Na evolução da informação digital das plantas produtivas, temos a época que na verdade o dado nem mesmo era digital, somente havia a informação e esta era analógica, depois houve a evolução dos dispositivo, mas continuava com o foco local, após esta fase, temos com as redes locais, a possibilidade de verticalizar dados, que são digitais, trocando informações do chão de fábrica, planejamento e administração com a TI, todavia, com foco apenas nos sistemas que permitiam esta função, mas a Indústria 4.0, necessita de uma outra camada, para que de fato tenhamos uma produção digital, desta forma, os ativos, sistemas e subsistemas da cadeia produtiva, devem complementar as informações de toda a unidade industrial, através da convergência de todas as redes.

Para digitalização de dados da indústria, temos diversos desafios, podemos eleger alguns comuns para que seja pensado na implantação da solução:

  • Como criar uma rede de informações complementar na produção que permita planejar e monitorar a produção e manutenção em tempo real;
  • Como conectar redes independentes, tais como, logística, fornecedores, laboratórios e unir nas redes industrias;
  • Como estabelecer padronização e segurança da informação nas redes de IoT na indústria.

O conceito da informação digital no contexto da Indústria 4.0, é que este dado, deve ser de todos os ativos e sistemas (todas as coisas), deve estar em qualquer lugar e permitir a conexão com esta informação a qualquer hora.

A IoT Internet das Coisas, surge como a ideia de conectar qualquer dispositivo que gere informações e possa se conectar a um serviço de cloud, isso pode estar em qualquer âmbito, casa, hospitalar, esportes, entre outros. A IIoT Internet Industrial das Coisas, foi a evolução das informações da cadeia produtiva, com o mesmo conceito de IoT, conectando estas informações via cloud, por exemplo.

É importante saber a diferença entre IoT e IIoT, sistemas que conectam coisas, complementam informações, normalmente somente produzem dados, pode ser usado em qualquer setor da indústria, por exemplo, para gerenciar ativos e analisar tendências de manutenção. A IIoT, forma uma camada crítica do processo produtivo, por exemplo, pode-se conectar diretamente um fornecedor de produto em tempo real na linha de produção, que analise a qualidade e uso de seu produto, outro exemplo, conectar a cadeia logística de entrada e saída de materiais e controlar a produção, em tempo real, no ponto ótimo de operação, isso passa a ser uma aplicação de produção e consumo de dados, com perfil crítico.

A utilização de IoT e IIoT, trazem benefícios as plantas produtivas, onde são esperados os seguintes ganhos abaixo:

  • Redução de operações ou paradas;
  • Melhoria do uso do ativo;
  • Redução de operações ou custo do ciclo do ativo;
  • Melhoria do uso do ativo – performance;
  • Melhoria da produção;
  • Aumento da rapidez na tomada de decisões;
  • Oportunidade para novos negócios;
  • Permitir venda ou compra de produtos como serviço.

A Indústria 4.0, propõe a fábrica digital, com isso, a premissa de se digitalizar todas as informações, pode levar a um questionamento sobre a razão e motivo de digitalizar tantos dados, que antes não estavam disponíveis em tempo real e agora, se fazem necessários, abaixo então, os motivos para se digitalizar estes dados através da IoT e IIoT:

  • Informação barata;
  • Transformar informação em inteligência;
  • Diminuir Expertise;
  • Diminuir risco de tomada de decisões;
  • Diminuição de operações;
  • Transparência de ações;
  • O executado é “aprendido”;
  • Eliminar o “meio”;
  • Eliminar erro e desperdício;
  • Ganho de tempo.

A camada de IoT e IIoT na indústria provocará um modelo de prognóstico, uma vez que a automação, que já existe, responde perguntas do que está acontecendo, o que aconteceu e porque aconteceu, mas esta camada digital, responderá perguntas tais como, o que irá acontecer, e, isso mudará a forma de operar e manter uma planta industrial.

Se as informações estão todas digitalizadas e há todos os meios (redes) para que trafeguem e troquem informações entre si, é esperado que se possa haver tomada de decisões não só entre operadores e máquinas, mas também entre máquina e máquina, isto chamamos de M2M, Machine to Machine.

Um item muito importante que deve ser levado em consideração para a digitalização da produção, são os RFID, os Sistemas de Identificação por Rádio Frequência, que em linhas gerais, permitem o rastreio total de todos elementos produtivos dentro da planta e fora dela, permitindo ações em tempo real (tempo e local), fazendo correções, agindo de forma antecipada e monitorando a qualidade no instante do movimento produtivo.

Com estas camadas digitais, construídas pela IoT e IIoT, podemos utilizar tecnologias de planejamento, qualidade e operação, de uma forma totalmente inovadora, a Virtualização é o planejamento produtivo totalmente digital, do projeto a produção, podendo trabalhar todos os cenários, mesmo antes da produção real acontecer. A Realidade Virtual a capacidade de trazer ao operador, planejador ou mantenedor, a informação da planta no local que ele está conseguindo ver e interagir no processo digital e recebendo a resposta no processo real, é a união máquina – homem.

As arquiteturas de sistemas de automação industrial, que tenham aderência a Indústria 4.0, devem prever, além das camadas já conhecidas do controle operacional e todo o arcabouço de controle, a camada de IoT e IIoT, onde vamos convergir todos estes dados em um Big Data, entregando possibilidades de controle operacional, com tomadas de decisões em formato de prognósticos e de com possibilidade de ações autônomas.

Sobre os protocolos que são usados, é importante saber que a IoT, como dissemos, normalmente somente produz dados e envia, o protocolo MQTT, é bem aceito para esta aplicação, todavia, para IIoT, é necessário unir dados críticos de ação em processo, com protocolos existentes, e na ponta, comunicando em OPC-UA, que é a tecnologia mais atual para atender as premissas da Indústria 4.0.

Os sistemas de IoT e IIoT, devem ser projetados e ter ferramentas de segurança de dados, com as seguintes camadas, que permitam trafegar do dado a informação dentro do sistema:

  • Dado;
  • Token (gerador randômico);
  • Zona de conexão;
  • Chave de acesso;
  • Encriptografia;
  • Autenticação;
  • Antivírus;
  • Firewall da rede.

Para implantar a camada digital de IoT e/ou IIoT na indústria, sugerimos as seguintes observações, que são comuns em projetos de digitalização para tomada de decisões:

  • Separar camada de automação (comando e controle) – tabela de informações;
  • Digitalizar sinais das “COISAS” para completar tabela de dados IoT;
  • Conectar outras redes (Gestão, Manutenção, Planejamento, Qualidade, Laboratório) tabela de dados;
  • Conectar mundo externo (Logística, Fornecedores, Clima…) IIoT;
  • Quais conjuntos de informações “formam” cenários para tomada de decisões?

Concluímos que a digitalização dos processos e toda a cadeia produtiva da indústria é a base da Indústria 4.0, com as camadas de IoT e IIoT é possível planejar, controlar e rastrear a produção, tanto por simulação digital, quanto por virtualização, ganhando tempo de tomada de decisões e redução de custos.

CIBERSEGURANÇA NA INDÚSTRIA 4.0

Segurança de Dados em Redes e em Sistemas de Automação Industrial

A TI Tecnologia da Informação já se acostumou a lidar diariamente com problemas de segurança de dados, porém, a automação, uma vez convergindo com a TI, passou a herdar também este problema, no mundo da TA Tecnologia da Automação, a questão da segurança de dados é relativamente novo, mas podemos afirmar que, a segurança da informação, em qualquer nível de automação, já é uma barreira a implantação e ao crescimento dos sistemas para a Indústria 4.0.

Em nosso texto anterior, explicamos o contexto da construção de rodovias para a interconexão da Indústria 4.0, agora imaginemos estas rodovias (as redes) e precisamos sinaliza-las, colocar regras de tráfego, normas e procedimentos, isso vamos chamar de cibersegurança.

Para delimitar nosso tema, vamos mostrar algumas questões referentes a cibersegurança na automação industrial e ir construindo um pensamento que nos leve a Indústria 4.0, segue o contexto do que vamos escrever:

  • A questão da segurança de dados no ambiente industrial digital;
  • As invasões em plantas industriais por hackers;
  • Medidas de proteção e contingência para infraestrutura da Indústria 4.0.

No ambiente industrial, no que se refere a segurança de dados, podemos ter inúmeros cenários de ataque, vamos comentar alguns comuns que precisamos entender:

  • É notório o crescimento das invasões a plantas industriais;
  • O crescimento de projetos de convergência com vistas a Indústria 4.0 desafiam a segurança de dados;
  • Desenvolver projetos simples e eficazes, além de procedimentos de implantação real.

No início da automação não havia problemas de roubo de dados em rede, uma vez que não havia a rede, no contexto da evolução, os dados eram apenas locais e nos dispositivos, com a evolução, passamos a ter as redes de TI e TA, no início separadas e agora em convergência, isso já preocupa sobremaneira os profissionais, principalmente de TI, que normalmente são responsáveis por esta área de segurança, uma novidade para a TA, mas quando pensamos em Indústria 4.0, devemos ver a integração total da planta, todos os setores e sistemas, além da conexão ao mundo externo, pela internet e serviços de cloud, abrindo brechas de segurança, que antes não existiam nas plantas industriais.

As preocupações e desafios para implantação de sistemas seguros são enormes, além de serem extremamente dinâmicos, mas podemos eleger se forma simplificada os principais pontos que devem ser observados, pensados e mitigados:

  • Como equilibrar o entendimento e aplicação prática de sistemas de segurança nas plantas industriais;
  • Como aplicar soluções inteligentes de segurança que escalem o processo de crescimento da planta;
  • Como monitorar e controlar invasões e rastrear ações na planta.

A questão da cibersegurança é um fato nas indústrias, mas existem algumas realidades que não são levadas em consideração, apesar de haverem ataques a plantas com sucesso, diariamente, abaixo alguns pontos desconfortantes em relação a isto:

  • Ninguém pensa que será “invadido”;
  • A segurança não é pensada no início do projeto;
  • A automação não converge com a TI na prática;
  • Não existe política de segurança na automação;
  • A consciência do problema ainda não existe;
  • Não existe respostas fáceis;
  • Você será invadido! Se já não estiver sendo…

As invasões a qualquer tipo de sistemas de informação ou dado, independente se for automação ou qualquer outro setor, tem motivações diversas, desde uma satisfação pessoal do hacker, até a parada intencional da planta, passando por espionagem industrial, roubo e venda de dados, chantagem, sequestro e bloqueio de informações, através de implantação de senhas.

As invasões a sistemas não ocorrem em âmbito somente de TI, como era comum até pouco tempo atrás como informação divulgada, na verdade, desde que a TA se convergiu com a TI, foram crescentes os casos de invasão a plantas, criação de vírus específicos para sabotagem, a exemplo do Stuxnet, entre outros. Estas invasões continuam acontecendo, gerando milhares de dólares de prejuízos e alto risco de segurança operacional em plantas de infraestrutura crítica.

Os ataques em plantas normalmente ocorrem por um modus operad (não único), mas comum, através de uma invasão de um pequeno programa, que pode ser instalado dentro do sistema (hospedeiro), de forma intencionada ou não, com um pendrive, por exemplo, ou um e-mail com anexo. Desta forma, uma vez instalado (executado), este “robô lógico”, trabalha dentro da rede para um hacker, que está externo, mas monitorando tudo e esperando o momento que lhe convém para atacar, roubando dados, trocando parâmetros de planta, entre outros.

As redes de comunicação no chão de fábrica, tem uma série de características de vulnerabilidades de segurança, podemos eleger abaixo algumas principais:

  • Protocolos de baixa capacidade de segurança;
  • Redes de controle sem segmentação;
  • Redes sem antivírus e sem atualização;
  • Sistemas operacionais sem atualização e brechas conhecida da TI;
  • As redes de automação não são criptografadas no nível IP;
  • Não existe LOG ativados nos sistemas de automação (rastreio);
  • Dificuldades de atualizar sistemas SCADA;
  • Não se configura segurança baseada em Host em sistemas SCADA;
  • Segurança física deve caminhar com segurança lógica.

A segurança da informação, dentro do contexto do acesso ao dado, deve ser entendida como uma cebola, imagine as camadas, o dado é o núcleo da cebola e deve-se passar pelas camadas até chegar a ele, desta forma, precisamos trabalhar acessos, físicos e lógicos em cada camada, liberando permissões ou bloqueando, dificultando ao máximo o acesso e que só seja permitido para quem tem todas as “chaves” até chegar a ele.

Um plano de segurança cibernética é algo complexo, com muitas técnicas, conhecimentos, ferramentas e procedimentos, todavia, abaixo listamos os principais pontos que devem ser observados e projetados para implantação da segurança na rede:

  • Bloquear acesso;
  • Monitorar serviços;
  • Corrigir ameaças;
  • Contingenciar falhas;
  • Auditar mudanças.

Para os primeiros passos de uma implantação de segurança mínima no chão de fábrica, podemos lista algumas ações básicas que devem ser consideradas de imediato:

  • Autenticação de usuários e equipamentos;
  • Controle de acesso – físico e lógico;
  • Detecção de intrusão – física e lógica;
  • Criptografia de dados;
  • Assinatura digital;
  • Isolamento e/ou segregação de ativos;
  • Varredura de vírus;
  • Monitoramento de atividade sistema/rede;
  • Segurança perimetral de planta.

Não existe um caminho único, há diversas medidas que devem ser tomadas e aqui não queremos colocar uma regra, mas é importante que:

  • Faça proteção física da planta e dos sistemas (crie política de segurança física de acesso a todo perímetro);
  • Integre políticas de segurança junto a TI, faça a convergência com ativos de automação;
  • Faça análise de riscos para identificar o grau de atuação de bloqueios de acesso.

Em relação aos bloqueios de acesso, devemos considerar que:

  • Dependendo do grau de risco, deve-se bloquear pessoas não permitidas, implantar rastreio, não permitir portas (pendrive ou algo do gênero);
  • Muito cuidado com terceiros, é necessário hoje repensar modelos de contratos com ferramentas externas, algo grau de vulnerabilidade;
  • Lembre-se, só você é responsável pela sua planta, as vezes um terceiro é portador de um vírus e não sabe.

Existem técnicas para se projetar a conectividade da rede de forma a torna-la mais segura, a ISA-99, que é uma norma para segurança de dados em redes, trata do termo Zonas de Segurança, onde podemos entender as mesmas da seguinte forma:

  • Para segurança lógica podemos implantar a técnica de Zonas de Segurança (ISA-99), que são agrupamentos físicos e lógicos que compartilham os mesmos requisitos de segurança;
  • Para interconectar Zonas de Segurança, implantamos um Conduíte, que funciona como uma ponte segura entre elas;
  • Um nível de segurança é definido de acordo com a criticidade e consequência de um ataque;
  • Caso necessite de acesso externo (ex. Cloud) é necessário criar uma DMZ Zona Desmilitarizada.

Para conhecer melhor sobre as normas de segurança, sugerimos a pesquisa e estudo das:

  • ISA-99
  • IEC-62443
  • IEC-17799
  • IEC-27002
  • IEC-27032

Para a implantação de sistemas de segurança na automação industrial, sugerimos o entendimento de alguns procedimentos básicos, tais como:

  • Analise riscos e crie cenários – tenha contramedidas e contingências;
  • Foque nas pessoas, sempre haverá erros e políticas de segurança nem sempre são seguidas;
  • Entenda que não há tecnologia 100% segura, foque nos procedimentos;
  • Teste o sistema, monitores, rastreie de ponta a ponta.

Concluímos que a cibersegurança é uma fronteira da Indústria 4.0, pois no contexto de dados em rede e Cloud, uma planta industrial fica exposta a invasões, com consequências que podem ser danosas, tanto para o negócio, quanto para a segurança operacional, daí a importância de colocar foco em segurança de redes em projetos de automação.

RÁDIOS NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Como Aplicar Rádio Enlace em Sistemas de Aquisição de Dados e Controle Industrial

As necessidades na área de aquisição de dados e controle industrial não se limitam ao local do controlador ou de um operador de planta, as demandas da indústria desafiam, por exemplo, as distâncias.

Uma planta industrial, normalmente tem setores que podem operar a quilômetros de distância e em época de automação das informações e elevação de rendimento operacional, se faz necessário “trazer” estas informações para um local centralizado, ou utilizar controles da planta principal, todavia, um sistema de cabeamento seria inviável.

Os rádios de telecomunicação, para transmissão de dados no ambiente industrial, cada vez mais são aplicados, afim de atingir estes objetivos de ganhos operacionais e de segurança, atendendo os requisitos de um sistema de automação convencional, tais como, disponibilidade, integridade e segurança.

O objetivo deste texto é demonstrar de forma prática e direta a aplicação destes rádios na indústria, demonstrando elementos práticos e reais que são utilizados para especificar um sistema, lembrando que não há intenção de esgotar o assunto e muito menos de falar sobre telecomunicações, disciplina esta, fundamental, para entendimento pleno na aplicação destes projetos.

Para delimitar nosso tema, uma vez que há muita tecnologia e demanda envolvida neste contexto, vamos falar sobre:

  • Quais justificativas para utilização de RÁDIOS no Controle Operacional;
  • Quais benefícios que os RÁDIOS levam para o Controle Operacional junto com a Automação Industrial;
  • Quais tecnologias disponíveis e quais aplicações nos sistemas de Controle e Automação;

Nesta mesma linha, temos alguns cenários propostos para nosso campo demonstrativo no estudo:

  • É necessário estabelecer uma comunicação entre dois controladores a uma distância de 8Km entre eles, mas é inviável a utilização de mídia física;
  • Há um conjunto de dispositivos de comunicação móveis dentro de uma área limitada, como estabelecer uma comunicação entre eles;
  • Como intercomunicar diversos pontos em uma planta, com protocolos diferentes, com objetivo de aquisitar dados para uma sala de controle?

Os sistemas de telecomunicações estão em constante evolução, para datarmos alguns pontos importantes, podemos falar sobre Michael Faraday que, em 1831 descobriu a indução eletromagnética, iniciando os primeiros estudos nesta área.

A partir daí, temos Hertz, Marconi, Tesla, diversos cientistas que fizeram grandes descobertas neste campo, promovendo a revolução na área das telecomunicações, atentamos ao fato das tecnologias celulares 1G, 2G, 3G e 4G, relativamente novas em nossa área, mas que provocaram grande impacto em nossa sociedade e estamos no limiar de uma grande evolução, que é a tecnologia 5G, rompendo barreiras de velocidade, capacidade de comunicação e banda de interconexão para IoT Internet das Coisas.

Para aplicação de rádios de telecomunicações, alguns desafios seguem em nosso campo, onde podemos descrevê-los:

  • Como especificar a faixa de frequência de trabalho em função da distância e quantidade de dados;
  • Como calcular antenas, infraestrutura de repetição de forma a equalizar o projeto de atenuação do sinal;
  • Como aplicar boas práticas para diminuição de interferências e aumento de disponibilidade do rádio.

O conceito de funcionamento dos rádios se refere a um transmissor de sinal (onda eletromagnética) e um receptor, onde através de um arranjo de antenas, estas ondas se interceptam, convertendo sinais eletromagnéticos (campo) em sinais elétricos e vice-versa, sendo este o conceito de funcionamento.

Em tecnologia da telecomunicação, devemos entender o termo rádio propagação, pois este dá forma a capacidade de enviar e receber informações no espaço, sendo este termo:

  • A propagação de ondas eletromagnéticas no espaço terrestre;
  • Uso de Transmissor e Receptor com Modulação e Demodulação (MODEM);
  • Uso de Antenas para Ampliação de Sinais;
  • Capacidade de comunicação dependente da Distância e Link de Dados (device);

Os principais benefícios no uso de rádio, aplicados principalmente na automação industrial, podemos descrever abaixo:

  • Aplicações Especiais
  • Mobilidade
  • Alcance
  • Flexibilidade
  • Confiabilidade
  • Implantação Rápida
  • Custo de Manutenção
  • Imunidade a Ruído
  • Custo Projeto / Instalação (viabilidade)
  • Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança

O funcionamento dos rádios eletromagnéticos, se deu pelo descobrimento de Hertz, físico alemão que em 1888, onde ele compreendeu a geração de ondas eletromagnéticas através a oscilação de um gerador de alta frequência.

As tecnologias e componentes que compõem basicamente um sistema de rádio são (lembrando que nosso foco são aplicações na automação industrial):

  • Rádio MODEM Transmissor / Receptor para Comunicação do Dados;
  • Antena para Amplificação e Direcionamento do Sinal e Link + acessórios;
  • Controladores ou Devices para Produção ou Consumo de Informações;

Um componente muito importante no sistema de rádio é a antena, que permite o direcionamento do sinal, bem como sua amplificação para transmissão e abertura da zona de recepção do sinal, abaixo alguns tipos de antenas:

  • ANTENA YAGIS
    • Fácil instalação
    • Normalmente instalada para ponto a ponto
    • Acima de 1,5 GHz
  • ANTENA SETORIAL
    • Enlace ponto a ponto e multiponto
    • O ganho depende do número de dipolos
    • Podem ser verticais ou horizontais
  • ANTENA PARÁBOLA
    • Antena (alimentador) ilumina o refletor
    • Ganho elevado
    • Usado em enlaces de grandes distâncias
  • ANTENA LOG-PERIÓDICA
    • Grande largura de banda
    • Ganhos menores que Yagis (comparadas)
    • Instalação vertical e horizontal
  • ANTENA OMNIDIRECIONAL
    • Irradiação uniforme no ângulo de uso
    • Vários dipolos instalados
    • Ganho varia de acordo com num dipolos e distância

Como objetivo de ser simples, não querendo ser simplista, pois como dissemos esta disciplina refere-se a Telecomunicações, muitas vezes não estudada na área de automação industrial, queremos dar uma noção de grandeza, para aplicações em nossa área.

Normalmente as aplicações de rádio dentro deste contexto, operam em faixa de frequência de 900 MHz, 2,4 GHz e 5GHz, sendo assim, na tabela da apresentação, demonstramos uma ordem de grandeza, totalmente teórica em termos de aplicação, podendo se expandir a depender do ambiente de aplicação e tecnologia empregada, mas é um bom referencial inicial.

O circuito de telecomunicação, composto basicamente de rádio, antena e acessórios, são elementos que influenciam a qualidade de sinal, podendo provocar perdas ou ganhos, lembrando que o ar, isto é, a distância entre as antenas, atenuam o sinal, a composição das somas e subtrações deste circuito, definem a capacidade de comunicação do sistema, veja no quadro o cálculo.

Para cálculos de implantação de sistemas de rádio, é de boa prática a aplicação de uma técnica chamada Site Survey, não é escopo deste texto explicar esta técnica, todavia, abaixo relacionamos os seus objetivos:

  • Analisar localização, distância, visada e frequências;
  • Definir quantidade de rádios base e repetidoras;
  • Especificar equipamentos de acordo com frequência e Throughput (taxa de Transferência);
  • Questões legais e de regulamentação ANATEL;
  • Plano de frequências;
  • Teste e validação do Enlace de Dados.

Também, para a implantação de um sistema de enlace de dados, mostramos alguns pontos básicos que devem ser levados em consideração, o material serve de referência para estudo em sequência, pois há muito material disponível na internet com detalhes de uso:

  • Definia sua necessidade (foco na distância e quantidade de dados de tráfego);
  • Faça um Site Survey teórico – para definir uma viabilidade básica (visada) use o Google Earth;
  • Analise opções (viabilidades) de mercado de Rádios, Antenas e Torres, se este for o caso;
  • Contrate um Site Survey profissional, faça o projeto de especificação e implantação;

É muito importante entender alguns itens, afim de complementar este estudo de referência:

  • A capacidade de distância do Link depende da frequência (quanto maior, menor a distância) e da quantidade de dados (quanto maior, menor a distância);
  • Os rádios têm potência de transmissão (dBm/mW) que atendem uma determinada velocidade e tem sensibilidade na recepção;
  • O que define o Enlace, é o cálculo gradual dos ganhos (antenas) e perdas (conexões e cabos).

Como dissemos, a área de telecomunicações está em franco desenvolvimento, abaixo relacionamos as principais tendências para os próximos anos:

  • Uso de Modens com VPN (Virtual Private Network) Segura (Cibersegurança);
  • Tecnologia – NB-IoT NarrowBand IoT – LTE Long Term Evolution;
  • Uso de Rádios como IaaS – (Infrasctruture as a Service).

Concluímos que os Links de Rádios permitiram a expansão do uso do comando e controle na automação industrial, viabilizando comunicação entre sistemas, obtendo ganhos de performance produtiva e segurança operacional.

REDES WI-FI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Aplicação das Redes Sem Fio no Chão-de-Fábrica (WIRELESS – Padrão IEEE 802.11)

Com o crescente uso da TI Tecnologia da Informação unida a TO Tecnologia da Operação, onde chamamos de Convergência Industrial, as Redes de Comunicação Sem Fio, também vem ganhando espaço no ambiente industrial de fábrica.

Usaremos o termo TO ao invés de TA Tecnologia da Automação, que é a própria evolução da tecnologia, que significa TO=TA+MES ou MOM, ou seja, é a união da Automação Industrial com a Gestão Industrial (Sistema de Gerenciamento de Produção ou Operação).

Todos nós conhecemos as Redes WI-FI normalmente em nosso dia-a-dia, em nossas casas, em um aeroporto ou shopping, onde conectamos nosso smartphone para acesso a serviços de internet, dado a facilidade de uso e grande padronização da comunicação em geral.

Com a popularização, padronização e novas demandas na indústria, a Rede WI-FI, passou também a ser aplicada no chão-de-fábrica, logo temos a intenção neste texto, ainda que de forma simples e rápida, passar uma visão geral de como esta tecnologia vem evoluindo, para isso vamos ver:
• O que é uma Rede WI-FI e sua Tecnologia;
• Como a Rede WI-FI está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
• Quais das Diretrizes para PROJETOS e IMPLANTAÇÃO de Redes WI-FI na Indústria.

Para delimitar nosso tema, vamos analisar esta tecnologia dentro de alguns cenários comuns de aplicação das Redes WI-FI:
• Preciso interconectar dispositivos de automação da fábrica para troca de informações e análise de dados;
• Como especificar equipamentos WI-FI para aplicações no Chão-de-Fábrica, o que devo saber;
• Como analisar os Protocolos, Segurança e Disponibilidade na Rede Industrial WI-FI.

Como dissemos as Redes Sem Fio é a própria evolução tecnológica do meio, agora sendo aplicados no chão-de-fábrica, principalmente quando pensamos na adoção das Redes Ethernet na Automação Industrial, também a evolução de protocolos industriais, desde o advento do sinal analógico 4-20mA.

As Redes WI-FI estão posicionadas no mundo das redes WLAN, que são as Wireless Local Area Network, estas redes são projetadas para pequenas áreas, algo em torno de 50 metros na unidade transmissora, fora os arranjos, com um bom tráfego de dados disponível no meio.

As Redes WI-FI são fáceis de usar, todavia é importante entender o que se justifica para sua aplicação, podemos abaixo eleger algumas características, que por si só encaixam as aplicações na fábrica:
• Interconexão Ethernet convencional (fiação) quando não é possível;
• Segregação de uma rede de comando e controle com uma de informação para gestão;
• Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso remoto);
• Disponibilidade da informação em múltiplos locais;
• Baixo Investimento em Infraestrutura para informações de planta.

No uso das Redes WI-FI também temos diversos benefícios, podemos listar alguns principais abaixo:
• Baixo Custo;
• Aplicações Especiais;
• Mobilidade;
• Alcance;
• Flexibilidade;
• Confiabilidade;
• Implantação Rápida;
• Custo de Manutenção;
• Imunidade a Ruído;
• Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
• Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.

Conhecendo estes elementos da rede, podemos então pontuar as principais características das Redes WI-FI, lembrando mais uma vez que nosso texto é voltado para aplicação na indústria:
• É uma Rede de Classificação WLAN (Local);
• WI-FI é Marca Registrada da Alliance;
• Está baseada no Padrão IEEE 802.11;
• Protocolos Industriais baseado em Ethernet são Aderentes a Tecnologia.

Por princípio de funcionamento da comunicação WI-FI, é através da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas através das antenas dos equipamentos, por esta propagação eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de comunicação, através de seus protocolos e serviços.

A comunicação das redes WI-FI, é padronizada pelo IEEE 802, especificamente pela parte 11, que trata das redes LAN, redes Locais.

O padrão em evoluindo desde sua criação e é identificado por letras após a parte, por exemplo, IEEE 802.11a,b,g.

Normalmente os padrões identificam a frequências de trabalho, a modulação e a velocidade dos dados da tecnologia suportada, já temos cinco gerações de padrões e é constante a evolução, na apresentação mostramos os gráficos e tabelas, onde dispensam nossos comentários textuais.

Para conhecimento a respeito de aplicações industriais, normalmente os padrões de aplicação são (a,b,g,n), vamos descrever o que significa brevemente cada um:

IEEE 802.11a
• Foi definido após os padrões 802.11 e 802.11b.
• Chega a alcançar velocidades de 54 Mbps dentro dos padrões da IEEE e de 72 a 108 Mbps por fabricantes não padronizados.
• Esta rede opera na frequência de 5,8GHz e inicialmente suporta 64 utilizadores por Ponto de Acesso (PA) .
• As suas principais vantagens são a velocidade, a gratuidade da frequência que é usada e a ausência de interferências.
• A maior desvantagem é a incompatibilidade com os padrões no que diz respeito a Access Points 802.11 b e g, quanto a clientes, o padrão 802.11a é compatível tanto com 802.11b e 802.11g na maioria dos casos, já se tornando padrão na fabricação.

IEEE 802.11b
• Ele alcança uma taxa de transmissão de 11 Mbps padronizada pelo IEEE e uma velocidade de 22 Mbps, oferecida por alguns fabricantes.
• Opera na frequência de 2.4GHz. Inicialmente suporta 32 utilizadores por ponto de acesso.
• Um ponto negativo neste padrão é a alta interferência tanto na transmissão como na recepção de sinais, porque funcionam a 2,4GHz equivalentes aos telefones móveis, fornos micro ondas e dispositivo Bluetooth.
• O aspecto positivo é o baixo preço dos seus dispositivos, a largura de banda gratuita bem como a disponibilidade gratuita em todo mundo.
• O 802.11b é amplamente utilizados por provedores de internet sem fio.

IEEE 802.11g
• Baseado na compatibilidade com os dispositivos 802.11b e oferece uma velocidade de até 54 Mbps.
• Funciona dentro da frequência de 2,4GHz.
• Tem os mesmos inconvenientes do padrão 802.11b (incompatibilidades com dispositivos de diferentes fabricantes).
• As vantagens também são as velocidades.
• Usa autenticação WEP estática já aceitando outros tipos de autenticação como WPA (Wireless Protect Access) com criptografia (método de criptografia TKIP e AES).
• Torna-se por vezes difícil de configurar, como Home Gateway devido à sua frequência de rádio e outros sinais que podem interferir na transmissão da rede sem fio.

IEEE 802.11n
• O IEEE aprovou oficialmente a versão final do padrão para redes sem fio 802.11n.
• Vários produtos 802.11n foram lançados no mercado antes de o padrão IEEE 802.11n ser oficialmente lançado, e estes foram projetados com base em um rascunho (draft) deste padrão.
• Tiveram alterações significativas nas 2 camadas de rede (PHY e MAC), permitindo a este padrão chegar até os 600 Mbps, quando operando com 4 antenas no transmissor e no receptor, e utilizando a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
• As principais especificações técnicas do padrão 802.11n incluem: – Taxas de transferências disponíveis: de 65 Mbps a 450 Mbps.
• Método de transmissão: MIMO-OFDM – Faixa de frequência: 2,4GHz e/ou 5GHz.

Nas aplicações de Rede WI-FI alguns desafios devem ser entendidos para que possa ser mitigada em projetos, através de boas práticas a implantação de dispositivos e acessórios para uma perfeita comunicação, sendo os principais abaixo:
• Entender a propagação do sinal no ambiente;
• Que tipos de antenas utilizarem;
• Quais são os obstáculos no local;
• Onde será aplicação, ambiente interno e/ou externo;
• O que se espera da rede e seu desempenho (criticidade).

Podemos observar acima que se não forem dadas devidas atenções a questões de ambiente e obstáculos, a comunicação se tornará instável, sendo que a tecnologia que permite a MODULAÇÃO, das ondas magnéticas é crítica, quanto ao funcionamento do dispositivo WI-FI, esta mesma tecnologia também evoluiu e consta no catálogo de aplicações dos equipamentos.

Vamos mostrar abaixo as três principais tecnologias aplicadas para modulação de sinais.

FHSS – Espalhamento Espectral por Salto de Frequências
• Usa uma portadora de banda estreita única;
• Transmissor e recepto usam canal único para se conectarem;
• Mudam (saltam) a frequência entre si (400ms);
• A comunicação é vista por um invasor como um ruído, dificultando a leitura;
• Utiliza toda a banda, perde-se velocidade de transmissão.

DSSS – Espalhamento Espectral com Sequenciamento Direto
• Espalha a informação ao longo de sua faixa de frequência;
• Usa codificação e decodificação (chipping code), uma função XOR de resultado 0= entrada iguais e 1= entradas diferentes;
• Suporta taxa de dados variados;
• Resistentes da multi-rotas e interferências;
• Muito sensível a sinais de ruído;
• Número limitado de acesso a um mesmo canal.

OFDM – Multiplexação por Divisão de Frequência
• Divide o sinal em diversas sub portadoras, cada um possui um trecho de informação;
• Utiliza largura de banda maior que as outras;
• Usa multiplexação por divisão de frequência;
• Elevada eficiência do espectro do campo de comunicação;
• Imunidade contra multi-rotas e filtragem de ruído simples;
• Dificuldade de sincronismo das portadoras e sensibilidade a desvios de frequência.

A tecnologia Dual Band é a capacidade dos dispositivos WI-FI trabalharem em frequências distintas, por exemplo, a comunicação está operando em 2,4 GHz, porém começa-se a identificar perda da qualidade do sinal, então o sistema passa a operar, por exemplo, em 5 Ghz, com isso pode-se continuar a comunicação com a mesma qualidade, pode ocorrer o inverso.

Dispositivos que operam em 5 GHz normalmente são Dual Band automáticos.
Os dispositivos que operam em 2,4 GHz operam com 3 canais, enquanto os que operam em 5GHz operam com 23 canais em sobreposição. As frequências de 2,4 GHz chegam com o sinal mais longe, obtendo melhor cobertura.

Quais as principais diferenças do WI-FI convencional do Industrial?

Abaixo listamos o que realmente é importante, uma vez que a tecnologia da comunicação é a mesma, todavia aplicações no campo requerem características de equipamentos diferenciados:
• Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
• Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
• Proteção Mecânica Especial;
• IP (Grau de Proteção Alto);
• Suportar Vibração e Impacto;
• Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
• Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);

Os equipamentos que estabelecem comunicação no ambiente WI-FI são chamados de AP Access Point, eles tem características de configuração e serviços que permitem uma série de arranjos e funcionalidades.

Abaixo listamos as principais, sugerimos que vejam o vídeo e a apresentação, pois facilitará o entendimento, uma vez que seria desnecessário descrever em texto, onde o vídeo facilita o entendimento.
• AP – Access Point – Ponto do Acesso ao WI-FI;
• Roteador – Conecta o Ambiente Wireless a Serviços (Ex. Internet);
• AP Client – Ponto que Recebe o WI-FI e converte em Cabo RJ;
• Gateway – Distribui em Sinais Secundários – Diversos Pontos WI-FI
• Repeter – É um repetidor da rede WI-FI, amplificando o Sinal;
• Bridge – é uma Ponte, passa de uma Entrada para uma Saída de forma Transparente;
• WDS – função que coloca um conjunto de AP em uma única rede;
• Roaming – Função de conectar um AP de forma móvel em outras conexões;
• Mesh – Protocolo que dá capacidade de elaborar arranjos móveis e dinâmicos, onde o módulo AP recebe e transmite sinais.

As Redes WI-FI são de fácil detecção no ambiente, logo estão sujeitas a ataques de intrusão ou até mesmo perda de integridade de informação, para isso é importante o entendimento que é necessário uma criptografia e autenticação de dados que trafegam pelo sistema.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade.
• Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado;
• Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado;
• Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos usuários autorizados.

As tecnologias de Segurança para redes WI-FI são listadas abaixo, com suas principais características:
• WEP – Wired Equivalent Privacy
• 1999
• Primeiro Protocolo de Segurança
• 128 bits
• Não é Considerado Padrão desde 2004
• Fácil de ser Quebrado

• WPA – Wi-Fi Protected Access
• 2003
• Evolução do WEP
• 256 bits
• Tinha Compatibilidade com WEP
• Ataques feitos em Sistemas Suplementares

• WPA2 – Wi-Fi Protected Access II
• 2006
• Sistema Padrão Atualmente
• Função: AES (Advanced Encryption Standard)
• Função: CCMP (Counter Cipher Mode)
• Necessita Alto Poder Processamento
• Muito Avançado – Alguns Dispositivos não Suportam

Mas, qual arranjo e configuração executar, em face de tantos recursos, a resposta é, quanto mais recursos, melhor e para um entendimento fácil, podemos pontuar das melhores configurações de segurança, até a rede aberta abaixo:

1. WPA 2 com AES habilitado;
2. WPA com AES habilitado;
3. WPA com AES e TKIP * habilitado;
4. WPA apenas com TKIP habilitado;
5. WEP;
6. Rede aberta.

TKIP (abreviatura para Temporal Key Integrity Protocol) é um método de encriptação. O TKIP disponibiliza uma chave “per-packet” que junta a integridade da messagem e um mecanismo de reenvio de chave.

AES (abreviatura para Advanced Encryption Standard) é um standard autorizado de encriptação forte para WI-FI.
WPA-PSK/ WPA2-PSK e TKIP ou AES usam uma “Pre-Shared Key” (PSK) que possui 8 ou mais caracteres de extensão, até um máximo de 63 caracteres.

WPA2-PSK é um dos sistemas recomendados para autenticação de dados e AES é um dos sistemas recomendados para criptografia dos dados.

Quando pensamos em aplicações sem fio, os dispositivos estão conectados trocando informações e serviços entre si através de endereços, normalmente por IP, na camada 3 de dados, é usual e via de regra não há muito problema de perda de conexão.

Mas e quando é necessário fazer a troca de informações pelo Acesso do Meio, na camada 2 no MAC, alguns protocolos industriais trabalham neste formato, por exemplo , PROFINET.

Para isso há um recurso chamado de Coordenação, onde através de funções de sincronismo e coordenada, estabelece-se conexão controlada dos pontos MAC.
Existem dois tipos de controle de acesso ao meio e é baseado em funções de coordenação:

• DCF – Distributed Coordination Function ou Função de Coordenação Distribuída

• PCF – Point Coordination Function ou Função de Coordenação Pontual

DCF – apresenta dois métodos de acesso:
• DCF básico utilizando CSMA/CA – Carrier sense multiple access with collision avoidance – (Tenta Evitar Colisão);
• DCF com extensão RTS/CTS – Request to Send / Clear to Send (Tenta Sincronizar a Rede por um Tempo Conhecido);
• Para aplicações simples.

PCF – Point Coordination Function:
• Cada estação Cliente possui um Slot Time
• Melhora o Determinismo da Rede
• Não Prioriza Mensagens

Para a implantação de sistemas de Rede WI-FI, podemos pontuar algumas boas práticas abaixo, lembrando que é necessário um bom projeto de rede:
• Esteja certo do propósito da rede Wireless WI-FI, o que se espera e principalmente porque substituiu o cabo;
• Analise o a Visada do Ambiente, se possível contrate um serviço de Site Survey;
• Contrate uma empresa especialista para elaborar a especificação de acordo com sua necessidade;
• Configure os Client´s e suba os serviços conectados aos AP´s, analise a intensidade e qualidade do sinal;
• Implante os periféricos e configure, repetidores, roteadores, teste as desconexões lógicas;
• Faça teste de tráfego e broadcast, analise de preferência baseado no protocolo de trabalho;
• Faça cenários de desconexão, libere para trabalho.
Com a tecnologia de redes evoluindo constantemente, podemos descrever algumas tendências na indústria, que despontam como próximas tecnologias:
• Ampla utilização das redes WI-FI para distribuir informação na Planta;
• Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção via WI-FI;
• Convergência das Redes Industriais e Protocolos para Ethernet, facilitando a disseminação da informação via WI-FI.

Concluímos que as redes WI-FI na indústria são a próxima fronteira, uma vez que a ethernet industrial se consolida como padrão, as redes WI-FI aderem a tendência da entrega de informações com baixo custo, de forma rápida e segura, atendendo aos requisitos da indústria 4.0.

REDES ETHERNET INDUSTRIAL

Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial

As Redes Ethernet se consolidaram como padrão de comunicação entre computadores desde sua invenção, como a Automação Industrial se convergiu ao longo dos últimos anos com a TI Tecnologia da Informação, as Redes Ethernet se desenvolveram dentro do universo da TA Tecnologia da Automação, ganhando características que delinearam um cenário de total aderência aos novos projetos e atualização de sistemas legados de rede para automação e controle.

Em nosso texto, temos a intenção de descrever esta tecnologia, que cresceu no meio da TA, o assunto é muito extenso e observamos grande dificuldade em encontrar materiais que pudessem expor de forma simples, com termos de pesquisa, para que o leitor pudesse continuar seus estudos, uma vez que não temos a pretensão de esgotar o assunto, dado a quantidade de informações necessária para o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de automação.

Para isso, vamos delimitar nosso estudo, onde teremos três diretrizes, que se refere ao que vamos falar:

  • O que é uma Rede Ethernet;
  • Como a Rede Ethernet está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
  • Quais das Diretrizes para Projetos e Implantação de Redes Ethernet na Indústria.

Para âmbito de aplicações, também vamos desenhar três cenários, normalmente comuns em projetos de rede Ethernet na indústria:

  • Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas tenho dúvidas quanto ao funcionamento da Ethernet Industrial;
  • No Projeto do COI Centro de Operações Integradas, há uma Infraestrutura de Rede Ethernet, o que preciso levar em consideração de maior relevância;
  • Quais os Protocolos Industriais principais que funcionam no Padrão Ethernet e o que devo entender para Conceituar uma Solução.

As Redes Ethernet foram inventadas em 1973, por Robert Metcalfe em um projeto atribuído a Xerox Palo Alto, hoje sendo o padrão mais aceito no mundo para intercomunicação de dados em rede.

O Padrão Ethernet define o meio físico de conexão do cabeamento, define o controle de acesso do dado na rede e define o quadro (frame) de informação, tudo isso baseado na norma IEEE 802-2 e IEEE 802-3, que em suas subdivisões, estabelece características técnicas dos padrões de rede, não é nosso foco entender a IEEE 802-2 e 3, sugerimos que pesquisem sobre tal modelo.

As Redes Ethernet oferecem diversos benefícios em suas aplicações, podemos descrever abaixo alguns principais:

  • Rede simples de projetar e implantar;
  • Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
  • Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
  • Rede padronizada por normas em constante evolução;
  • Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
  • Rede interoperável e escalar.

Para entender e até relembrar como estas redes evoluíram, podemos descrever desde seu surgimento as mídias de conexão que permitem acesso ao meio, por exemplo:

  • No início, cabo coaxial;
  • Conexão de cabo RJ-45;
  • Fibra Óptica;
  • E as redes Sem Fio Wi-Fi.

Nosso foco de entendimento e a aplicação da Rede Ethernet são no ambiente industrial, isto é, no chão-de-fábrica, pois seu invento foi utilizado em níveis administrativos de dados e até então, não se pensava na aplicação em máquinas e equipamentos, pois havia limites técnicos e já existiam redes industriais para estas funções.

Para aplicações na indústria, foi necessário um desenho da rede que pudessem atender esta nova realidade, todavia, não poderiam mudar o padrão de acordo com a IEEE 802-3, sendo estas características abaixo, necessárias para esta realidade na indústria:

  • Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
  • Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
  • Proteção Mecânica Especial;
  • IP (Grau de Proteção Alto);
  • Suportar Vibração e Impacto;
  • Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
  • Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);
  • Uso de Protocolos Industriais.

As Redes Ethernet, se baseiam no princípio de funcionamento do CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ), na prática, o padrão trabalha enviando dados na rede e detectando colisões de pacotes, abaixo um descritivo básico do seu funcionamento:

<1> – Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo <4>;

<2>- [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o       tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo <4>;

<3>- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;

<4>- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;

<5>- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo <1>, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;

<6>- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão.

Entendido que, a rede funciona baseada no envio de pacotes, e estes são tratados através das colisões, temos o conceito de encaminhamento, que demonstra os princípios de envio das informações, sendo abaixo o funcionamento básico:

  • A origem (informação) é sempre UNICAST (Único Ponto);
  • O destino é BROADCAST (Informação em Toda Rede);
  • O destino pode ser MULTCAST (Múltiplos Locais, mas com Informação Dirigida);
  • O destino pode ser UNICAST (Único Local);
  • ANYCAST tem o destino definido em um ROUTER;

Desta forma, podemos entender que é necessário um controle para gerenciar estas informações na Rede Ethernet, sendo o Switch o principal equipamento que tem essa atribuição como componente de rede, onde vamos ver mais a frente, o funcionamento destes.

Uma das maiores questões técnicas que foram barreiras quanto à aplicação da Ethernet na indústria, se refere ao determinismo de rede, pois o principio de colisão de dados não permite a certeza de entrega e recebimento de uma informação em uma base de tempo conhecida, para sistemas de controle, por exemplo, isso é fator fundamental.

Sendo assim, a característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede é baseada no tempo, isto é, a certeza de entrega e no tempo programado.

As Redes Ethernet se baseiam no CSMA/CD e não permite determinismo, pois trabalham com colisão de dados, os switches permitem o gerenciamento Broadcast para Multcast ou Unicast.

Ethernet Industrial para Controle (determinística) utiliza características de controle de sincronismo dentro de seu Protocolo, sem alterar características do Padrão, por exemplo, (Profinet, Ethernet/IP).

Como vimos, Ethernet é um padrão e tem seu principio no envio e recebimento de pacotes de dados, para que tudo isso funcione dentro de um sistema, é necessário uma arquitetura que tenha alguns componentes, tais como, switches, gateways, firewall entre outros, desenhados de forma a obter um arranjo que haja integridade, segurança, disponibilidade e sincronismo.

De acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnect), um sistema de rede de comunicação é dividido em 7 camadas, como vemos abaixo:

  1. Camada Física
  2. Camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados
  3. Camada de Rede
  4. Camada de Transporte
  5. Camada de Sessão
  6. Camada de Apresentação
  7. Camada de Aplicação

Não faz parte nosso escopo estudar as camadas, vamos focar no Padrão Ethernet com visão de infraestrutura, para isso os componentes de rede serão aplicados nas camadas (1) física, (2) enlace, (3) rede e (4) transporte, ainda existindo outras aplicações dentro do contexto, vamos entender estas principais.

Os switches são os principais componentes de uma Rede Ethernet, na prática eles controlam os encaminhamentos de rede, conforme vimos acima, são as chaves de conexão, que controlam o trafego de dados.

Eles podem ser gerenciáveis ou não, sendo que, os nãos gerenciáveis, possuem funções básicas, que controlam o direcionamento dos dados (origem e destino) e gerenciam colisões, de forma a não “travar” a rede.

Os gerenciáveis, além das funções básicas, possuem funções de segurança e gerenciamento individual de portas e informações, por exemplo, criação de VLAN Redes Virtuais.

As principais funções dos switches, podemos destacar abaixo algumas características:

  • Automação das redes;
  • Localização física (porta/segmento);
  • Localização lógica (rede/sub-rede);
  • Priorização de mensagens;
  • Identificação dos tipos de mensagem;
  • Gerenciar a qualidade mensagem QoS;
  • Tratar erros e falhas;
  • Gerenciar tempos e sincronismo.

Vamos descrever abaixo, as principais características dos switches e componentes de uma arquitetura Ethernet para aplicações nos níveis do modelo OSI que vimos anteriormente, dado a extensão do assunto, somente vamos referenciar e apresentar as principais características para entendimento do conceito e sugerimos um estudo aprofundado.

SWITCH LAYER 2

  • Trabalham com Endereçamento MAC (de equipamento);
  • Possuir gerenciamento de VLAN (dentro da rede) – gerenciável;
  • Gerencia pacote de erros, mas não bloqueia Broadcast;
  • Podem possuir funções para Profinet (RT/IRT) e Ethernet/IP (IGMP);

* VLAN Rede Virtual

* RT Real Time

* IRT Isochronous Real-Time

* IGMP Internet Group Management Protocol

SWITCH LAYER 3

  • Todas as funções do L2;
  • Gerenciam rotas de endereços lógicos (IP);
  • Intercomunicam VLAN;
  • Gerenciam banda de comunicação e latência;
  • Gerencia múltiplos serviços na rede (liberação de acesso);

SWITCH LAYER 4

  • Possui todas as funções do L2 e L3;
  • Tem capacidade de distinguir serviços (HTTP, FTP…)
  • Configurável para tomada de decisões pelo UDP (User Datagram Protocol);
  • Gerencia tráfico de rede baseado no QoS (Qualidade do Serviço);
  • Podem-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;
  • É a base das SDN (Redes Baseada em Software).

Quando pensamos em redes, devemos entender que é necessário em muitos projetos a segmentação destas, com objetivo de segurança, organização e elevação de desempenho de tráfego, estas sub-redes, podem ser físicas ou lógicas.

Com o advento dos Switches gerenciáveis, podemos criar diversas redes e sub-redes de forma virtual, chamadas de VLAN, e com isso obter algumas funções avançadas para controle e gerenciamento, como vimos abaixo:

  • Controle de Broadcast na rede;
  • Priorização de tráfego de dados (informação e controle);
  • Elevação da segurança de acesso.

Como item da Rede Ethernet, a característica de segurança é fundamental para o funcionamento do sistema, para isso em uma arquitetura, utilizamos os Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados, ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados e permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos.

A Rede Ethernet é um padrão de comunicação de dados, vamos entender que são as vias de informação, agora vamos aplicar para o uso na automação, para isso precisamos entender o que são os Protocolos de Rede, onde:

  • Um Protocolo de Comunicação são as “regras” que controlam a troca de informações em uma rede;
  • O Protocolo caracteriza a sintaxe, semântica e a sincronização do dado na rede;
  • O Protocolo deve ser igual (inclusive em sua versão), dentro de uma rede, mesma “linguagem”.

Vamos descrever abaixo os principais Protocolos Industriais para o Padrão Ethernet, utilizados no Controle e Automação Industrial, limitamos tanto em quantidade de Protocolos, quanto em sua descrição, uma vez que para isso, merecem um texto focado e completo de cada um, além da descrição de todos no mercado.

Todavia, vamos caracterizar alguns, para efeito de conceito, onde não temos também, a intenção de formar opinião sobre o uso, vantagens e especificidades de cada um deles.

TCP/IP

Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede;

TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol – Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão);

VANTAGENS:

  • Padronização;
  • Interconectividade;
  • Roteamento;
  • Robustez;
  • Internet.

MODBUS/TCP

Protocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485;

Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor;

VANTAGENS:

  • Protocolo consolidado;
  • Simples de configurar;
  • Frame simplificado;
  • Fácil conversão de padrão.

PROFINET

PROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6;

100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International.

VANTAGENS:

  • Protocolo aberto;
  • Manutenção inteligente;
  • Alta disponibilidade e segurança;
  • Tempo real e Sincronismo.

ETHERNET/IP

É um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association);

A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multcast;

VANTAGENS:

  • Múltiplos serviços TI e TA;
  • Gerenciamento da Rede na TA;
  • Diagnóstico Avançado;
  • Sincronismo e Segurança.

IEC-61850

É um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica;

Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser:

  • MMS (Manufacturing Message Specification);
  • GOOSE (Generic Object Oriented Subestação Event);
  • SMV (Amostras de Valores Medidos) e Web Services;

Estes protocolos podem ser executados através de TCP / IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção.

Quando tempos múltiplos protocolos na arquitetura da Rede Ethernet e é necessário fazer tudo se comunicar no único padrão, por exemplo, imagine que você tenha um CCM Centro de Controle de Motores, em uma rede Ethernet/IP e o seu sistema de controle seja um PLC com I/O Controler em Profinet, então se faz necessário a implantação de um Gateway de rede, que na prática converte o Protocolo.

É sabido que muitos Protocolos Industriais já suportam perfis de segurança, para máquinas e processos, mas e o padrão Ethernet? Sim, também suporta perfil de Safety, por exemplo, o Protocolo Profinet suporta o perfil Profisafe para sistemas de segurança, podendo na mesma Rede Ethernet, trafegar dados de informação, controle e segurança.

Para projetos e implantação de Redes Ethernet, devemos seguir boas práticas de redes, existem diversos manuais e guias, que dão muitas ideias e roteiros de sucesso, segue abaixo uma relação de alguns itens de grande importância a se observar em uma implantação, lembrando que questões como Cabeamento Estruturado e Certificação de Redes, fazem parte de um escopo de Projeto de Redes Ethernet:

  • Entenda as necessidades operacionais de sua planta, por exemplo, COI Centro de Operações Integradas e todo fluxo de trabalho;
  • Defina pelo protocolo (principalmente o industrial), que melhor atenda as suas necessidades de serviços de operação e manutenção;
  • Viabilize o projeto baseado em TCO, Custo Total de Propriedade, manutenção e aquisição de hardware e software, durante um período de tempo;
  • Contrate uma empresa especializada em soluções técnicas e discutam juntos cenários de tecnologia e viabilidades técnicas e financeiras;
  • Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.

As Redes Ethernet continuam em evolução desde sua invenção, além das tecnologias que se agregam, com objetivo de formar sistemas de comunicação, com isso descrevemos abaixo as principais tendências na continuidade e evolução desta tecnologia:

  • As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que haja muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;
  • Infraestrutura de rede Ethernet, baseado na tecnologia SDN (Redes Definidas por Software), tendem a ser uma nova fronteira, uma vez que é a automação dos dados e serviços dentro da infraestrutura;
  • Convergência de TI e TA é uma realidade, todavia ainda não está amadurecido a questão da segurança e a geração de valor das informações em conjunto para tomada de decisões, somando a este conjunto, temos agora as informações vindas do IIoT (Internet Industrial das Coisas), tendendo a evoluir a necessidade de redes cada vez mais estruturadas.

Concluímos que as redes Ethernet permitem a convergência, simplicidade, rapidez e alta capacidade de informações e alta velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez mais rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da planta.

WIRELESS Industrial – ISA100 e WirelessHART

Aplicações de Redes Sem Fio na Instrumentação e Controle de Processos Industriais

 

Este artigo e apresentação têm como principal objetivo demostrar de forma simplificada e rápida a utilização da tecnologia ISA 100 e WirelessHART nas aplicações de instrumentação e controle de processos industriais.

Este texto não tem a intenção em nenhum momento de descrever detalhes técnicos de funcionamento do protocolo e norma, muito menos de polarizar e formar opinião entre as diferenças de tecnologia, mesmo porque o usuário final é quem “manda”, portanto escolhe o que quer.

Nossa intenção com este trabalho é somar a tantos textos de excelente qualidade que há disponível, tanto em termos tecnológicos quanto de aplicações, os fabricantes de diversos equipamentos desta linha ofertam aos usuários amplo conhecimento da aplicação, seus benefícios e peculiaridades de cada solução.

Como estamos falando duas tecnologias distintas, porém com objetivos únicos, comunicação de instrumentos na indústria, procuramos aqui, tangenciar elementos comuns da aplicação, sendo a escolha de um ou outro, ficando a cargo de cada usuário.

Observamos em diversas pesquisas que muitos usuários, estudantes e engenheiros de aplicações têm dificuldades de uma visão geral da tecnologia e ter um norte de estudo para iniciar conceitos sobre uma demanda na solução na indústria e nossa intenção e preencher de forma simples esta lacuna.

Em nenhum momento queremos esgotar o assunto, o modelo de nossas apresentações e textos são sucintos e práticos, desde já sugerimos complementações em pesquisas sobre os termos aqui explicitados.

Para orientar nosso texto, vamos falar sobre algumas questões comuns nas aplicações Wireless, lembrando que o nível de aplicação está na instrumentação do processo:

  • Quais justificativas para utilização de Wireless na Indústria;
  • Quais benefícios na utilização de Wireless na Indústria;
  • Quais tecnologias estão no mercado e suas aplicações práticas.

A fim de limitar o escopo de aplicação da tecnologia sem fio, mostramos abaixo os principais cenários e aplicações comuns na indústria destes tipos de soluções:

  • Necessito fazer uma medição de temperatura em um local onde a máquina é rotativa e se desloca, não há como cabear a instrumentação, além de ser um ambiente agressivo;
  • Preciso aquisitar dados de diversos pontos do processo de difícil acesso, com objetivo de gerenciar o ativo da planta;
  • Desenvolver um controle de nível de baixa criticidade, substituindo uma operação manual remota, apenas colocando medição e atuador Wireless.

O que a tecnologia Wireless na instrumentação e controle é afinal? É importante entender o seu conceito principal quanto à aplicação:

  • Instrumentação Wireless é a tecnologia de medição e controle (sem criticidade) sem utilização fios no processo industrial;
  • Ela não substitui a convencional, esta tecnologia complementa suas aplicações, antes não possível;
  • A implantação é rápida, segura e eficaz, já obtendo benefícios imediatos pós-investimento.

Por conceito o funcionamento da comunicação Wireless é através da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas através das antenas dos equipamentos, por esta propagação eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de comunicação, através de um protocolo.

A história das telecomunicações se inicia na descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday (1831), percorrendo um longo caminho através do tempo, com diversas pesquisas e evolução tecnológica.

Em 2004 temos a versão do WirelessHART, onde o protocolo HART, já existia, passando a interconectar instrumentos de forma sem fios e, em 2009, a ISA, lança a primeira versão do norma ISA 100.11a, que tem os mesmos objetivos básicos, fazer instrumentação e controle de processos industriais sem fio.

Com esta evolução, seguimos mais um passo tecnológico pós-redes industriais nos barramentos de campo, pois agora utilizamos o meio sem fio com protocolos industriais padrão e aberto, iniciando uma nova fase evolutiva na automação industrial.

Podemos justificar as aplicações Wireless na indústria da seguinte forma, isto é, onde podemos aplicar de forma a obter benefícios:

  • Instrumentação convencional (fiação) não é possível;
  • Viabilidade de medição pela quantidade de instrumentos (função);
  • Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso);
  • Disponibilidade da informação em múltiplos locais;
  • Interconexão a longa distância.

Apresemos abaixo alguns dos principais benefícios no uso da tecnologia Wireless:

  • Aplicações Especiais;
  • Mobilidade;
  • Alcance;
  • Flexibilidade;
  • Confiabilidade;
  • Implantação Rápida;
  • Custo de Manutenção;
  • Imunidade a Ruído;
  • Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
  • Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.

Dentro das aplicações Wireless há enquadramentos quanto a abrangência, tanto de distâncias quanto de pacote de dados, em nosso caso, para ISA 100 e WirelessHART, vamos nos enquadrar na IEEE 802.15, que é a norma que trata das redes WPAN, que são redes locais, onde o protocolo e a norma se encaixam.

As características básicas de uma rede Wireless de instrumentação e controle de processo são:

  • Instrumentos de medição;
  • Adaptadores de instrumentos com fio;
  • Repetidores de comunicação na rede;
  • Gateway de dados;
  • Controlador PLC/DCS;
  • Estação de Engenharia.

A ISA 100 é uma norma, onde define aplicações desde o nível sensor, que é a instrumentação que é nosso objetivo do texto, até comunicações em backbone, isto é, esta norma tem uma abrangência além da instrumentação do campo, por isso temos suas divisões.

A ISA 100.11a, define os padrões para sensores de rede, a instrumentação de medição do processo e a ISA 100.15, define padrões para comunicação Wi-Fi e 3G, por exemplo, é o que se chama de backhaul, que nada mais é do que a integração de diversos níveis, por gateways multiprotocolos na rede.

Nosso principal objetivo é comentar sobre a ISA100.11a , pois trata dos instrumentos no campo, aplicações equivalentes ao WirelessHART.

A ISA 100 define os limites de aplicações para instrumentação e controle de campo através de classes, são 5 classes, onde das classes 2 a 5 pode-se aplicar a tecnologia Wireless de forma satisfatória, atendendo requisitos, logo há restrições quanto a classe 0, que são ações de emergência e classe 1, que é controle regulatório, malha crítica.

Há na ISA 100.11a, a característica da interoperabilidade entre redes, isto é, podemos ter diversos protocolos, FF, Profibus PA, por exemplo, comunicando pelo mesmo backbone, os gateways interpretam as informações e na ponta temos de forma transparente os dados dos instrumentos na rede.

O padrão ISA 100 tem a característica de trabalhar com diversos protocolos, utilizando gateways universais.

O padrão ISA 100.15 tem o principal objetivo de criar um “túnel” de diversos protocolos e redes sem fio, podendo inclusive comunicar em níveis diferentes, a principal ideia é poder convergir os sistemas de comunicação da planta.

As redes WirelessHART seguem as mesma ideia do ISA 100.11a, o que é mais importante entender é que o protocolo é o HART, já conhecimento e amadurecido no mercado, muito conhecido no meio dos instrumentos com fio, agora comunicando de forma sem fio.

Algumas características do WirelessHART:

  • Taxa de comunicação de 250 Kb/s em 2.4 GHz;
  • 16 Canais de Rádio;
  • Modulação Digital baseada em DSSS;
  • Operação Ponto-a-Ponto para permitir a formação de rede Mesh;
  • “Ouvir antes de Falar” para acesso ao canal (CSMA-CA );
  • Endereçamento dinâmico e flexível dos devices;
  • Protocolo amigável para confiabilidade na transferência;
  • Baixo consumo de energia.

Comparações entre WirelessHART e ISA 100.11a, são comuns, todavia é sempre importante se ater a aplicação, isto é, a necessidade e a solução de sua demanda, todas as tecnologias tem suas característica, observe o quadro da apresentação.

Outra discussão comum é quanto ao controle, se é possível e prudente efetuar controle com redes Wireless, já apresentamos anteriormente esta questão dentro das classes que a própria ISA 100 define, todavia podemos afirmar que é totalmente possível sim efetuar controles, sempre observando criticidade e segurança.

Muitas aplicações de controle Wireless comum são substituições de comandos em campo manuais, por exemplo, de abertura e fechamento de válvulas e desligamentos de segurança de processo, não críticos, eliminando operações manuais, inclusive elevando o padrão de segurança do processo.

O gerenciamento de ativos já é comum e de grande destaque no uso de protocolos industriais e com as redes Wireless, potencializa sua aplicação.

Em muitos casos não há automação para obtenção de informações na rede de controle para fazer a gestão dos ativos, a rede Wireless passa a ser uma opção de aplicação rápida e consistente para levar informações do campo para a manutenção e operação, ganhando em informações preditivas dos equipamentos e processos.

A questão da segurança também remete a muitas preocupações, pois é uma rede que está “aberta”, todavia há nos protocolos a tecnologia capaz de gerenciar as informações que trafegam por esta rede.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade.

  • Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado;
  • Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado;
  • Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos usuários autorizados.

A montagem de uma rede sem fio é simples no entendimento da conexão mecânica, uma vez que não há cabeamento, logo a questão da topologia está ligada ao conexão lógica da rede, isto é, ao seu arranjo que é efetuado no comissionamento e configuração do sistema de comunicação.

As redes WirelessHART e ISA100 permitem alguns arranjos de topologia, normalmente Mesh e Estrela, para esta definição há de considerar variáveis de instalação, bloqueios físicos, limitações de visada, quantidade de instrumentos, distâncias  de comunicação, entre outros, pois a principal variável é a atenuação do sinal, onde no resultado final deve haver uma boa qualidade dos sinais se intercomunicando.

A implantação de uma rede Wireless exige um bom planejamento e projeto, passamos abaixo algumas dicas importantes, não é um roteiro e não abrange todo um projeto, mas são informações que devem ser levadas em consideração:

  • Planeje o projeto, tenha uma visão clara do objetivo de sua rede;
  • Discuta com seu fornecedor a melhor tecnologia a ser aplicada em sua planta, há muitas soluções;
  • Se necessário contrate um serviço de Site Survey, que é o projeto da rede Wireless com todos os detalhes  de sinais, visadas, repetidores, entre outros;
  • Planifique os instrumentos e o Gateway, lembre-se que os instrumentos transmitirão informações e também funcionarão como repetidores;
  • Analise as visadas da planta, pelo menos 25% dos instrumentos devem ter conexão direta com o Gateway, caso não ocorra utilize repetidores;
  • Cada instrumento deve se comunicar com no mínimo 3 vizinhos e o Gateway com 5 instrumentos (redes grandes);
  • Verifique se precisam acoplar outros protocolos ou instrumentos com fio, use os conversores Wireless;
  • Configure as taxas de atualização, lembre-se que a durabilidade da bateria depende desta configuração;
  • Após comissionamento aguarde 4 horas e analise as interconexões dos instrumentos, se está minimamente em quantidade de acoplamentos e qualidade de sinais;

Outros pontos a considerar:

  • Área Classificada: As soluções Wireless são aplicadas em áreas Ex, analise das instalações do Gateway na planta;
  • Baterias: O que define sua vida útil é principalmente as taxas de atualização, planeje otimamente o uso da informação;
  • Controle e Criticidade: Informações para controle de processos e informações críticas devem ser analisadas se podem ser colocada em Wireless, normalmente não se aplicam, todavia um estudo de impactos é necessário.

Podemos comentar sobre algumas tendências em redes Wireless em função das tecnologias atuais e sinais de evolução tecnológicas atuais:

  • Ampla utilização das redes Wireless para Instrumentação, com objetivo de Gerenciamento de Ativos On-Line;
  • Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção;
  • Convergência de Protocolos e Camadas de informações, horizontalizando as informações para a Indústria 4.0.

Concluímos que as redes sem fio para aplicação industrial estão em crescimento, para instrumentação e controle é um grande avanço, complementando soluções antes não possíveis. Somado ao fato que o aumento das informações de planta permitem soluções que remetem ao conceito da Indústria 4.0.