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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.

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.