Rainer m. Guasti
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RAINER MANTOVANI GUASTI SOLUÇÃO WIRELESS PARA REDES DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2012 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO – CECAU
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RAINER MANTOVANI GUASTI
SOLUÇÃO WIRELESS PARA REDES DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO – CECAU
RAINER MANTOVANI GUASTI
SOLUÇÃO WIRELESS PARA REDES DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Monografia apresentada ao
Curso de Engenharia de
Controle e Automação da
Universidade Federal de Ouro
Preto como parte dos requisitos
para a obtenção do Grau de
Engenheiro de Controle e
Automação.
Orientador: Prof. Dra. Karla
Boaventura Pimenta Palmieri
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Abril/2012
EPÍGRAFE
“Tudo o que um sonho precisa para ser
realizado é alguém que acredite que ele
possa ser realizado.”
Roberto Shinyashiki
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos aqueles que me
apoiaram nesta etapa da minha vida, em
especial, aos meus pais e ao meu irmão pelo
grande apoio, à minha família, amigos e mestres
pelo incentivo proporcionado.
AGRADECIMENTO
Agradeço a Deus, por me dar sabedoria e confiança na busca de novas conquistas que façam
parte da minha história.
Aos meus pais, Marcos e Elizabeth, por serem a minha referência de vida, sempre me
proporcionando todo o apoio e incentivo que necessito em cada caminhada.
Ao meu irmão Renner, que sempre depositou toda sua confiança na minha pessoa e sempre
me incentivou, por ser o meu grande amigo e um grande contribuinte na conquista deste
sonho.
A todos os meus amigos, em especial amigos de Ouro Preto e amigos da Automação, que
sempre estiveram do meu lado e contribuíram bastante para a minha formação acadêmica.
A Samarco Mineração S.A., em especial aos funcionários da GEPA, pelos ensinamentos e
apoio para a realização deste trabalho e pela grande oportunidade que me proporcionaram.
A todos os professores e funcionários da grandiosa Escola de Minas, em especial a professora
Karla, que contribuíram de alguma forma para minha conquista.
E, por fim, a minha eterna e grandiosa casa, REPÚBLICA FORMIGUEIRO, todos os
Formigas e Ex-alunos, que são uma minha família para mim, por todos os ensinamentos e
onde vivi os melhores anos da minha vida.
RESUMO
Atualmente, as redes de comunicação industrial são parte fundamental nos processos
industriais. O grande desenvolvimento das indústrias se deve ao fato de haver comunicação
em tempo real entre os equipamentos e salas de controle, podendo ser resolvidos problemas
que venham acontecer sem grande perda de tempo, potencializando a produção. As redes
wireless apresentam-se como uma grande evolução da comunicação, antes usadas para fins
pessoais, estão sendo empregadas nas indústrias, com o principal objetivo de aprimorar a
comunicação e proporcionar o desenvolvimento. Através do amplo estudo das redes
industriais e, principalmente, das redes sem fio, é apresentado a diversidade das redes de
comunicação, as características e os benefícios de uma solução wireless no meio industrial, os
requisitos para implantação destas redes nas indústrias. Além disso, há um estudo de caso no
qual se mostra o emprego de uma rede wireless em uma empresa mineradora de minério de
ferro, apresentando todas as premissas para implantação dessa rede, evidenciando as
vantagens das redes wireless em relação às redes cabeadas na comunicação dos equipamentos
de uma mina a céu aberto.
Palavras-Chave: Comunicação industrial; rede sem fio; wireless.
ABSTRACT
Currently, industrial communication networks are a fundamental part in industrial
processes. The great development of industry is due to the fact that there are real-time
communication between devices and control rooms, which can be solved problems that
may occur without great loss of time, increasing production. Wireless networks present
themselves as a great evolution of communication, once used for personal purposes, are
being employed in industries with the primary goal of improving communication
and providing development. Through the extensive study of industrial networks and
especially wireless networks, is presented the diversity of communication networks, the
features and benefits of a wireless solution in the industrial environment, the requirements for
deployment of these networks in the industry. Moreover, there is a case study in
which shows the use of a wireless network in a company mining iron ore, with all the
premises for implementation of this network, showing the advantages of wireless
networks compared to wired networks in the communication of equipment for an open pit
mine.
Keywords: Industrial communication; wireless network; wireless.
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Níveis da pirâmide de automação e as redes industriais. .................................... 19
Figura 2.2 - Topologia de uma rede AS-i.............................................................................. 20
Figura 2.3 - Os protocolos MODBUS. ................................................................................. 22
Figura 2.4 - Configuração da rede Fieldbus. ......................................................................... 24
Figura 2.5 - Exemplo de rede DeviceNet. ............................................................................. 26
Figura 2.6 - Topologia típica de uma rede Interbus. .............................................................. 29
Figura 2.7 - Sobreposição do sinal digital ao sinal 4-20mA através do protocolo HART. ..... 30
Figura 2.8 - Exemplo de uma rede PROFIBUS com as variantes PROFIBUS DP e PA. ....... 33
Figura 2.9 - Interligação entre o chão de fábrica e redes corporativas através da Ethernet
Industrial. ............................................................................................................................. 36
Figura 3.1 – Classificação das redes wireless e seus principais componentes ........................ 40
Figura 3.2 - Antenas utilizadas em ambientes industriais. ..................................................... 42
Figura 3.3 - Topologia ponto a ponto. .................................................................................. 43
Figura 3.4 - Topologia estrela............................................................................................... 44
Figura 3.5 - Topologia árvore. .............................................................................................. 44
Figura 3.6 - Topologia mesh ................................................................................................. 45
Figura 3.7 - Topologia de rede híbrida.................................................................................. 46
Figura 4.1 - Topologias existentes para redes WirelessHART. ............................................. 58
Figura 5.1 - Mapa topográfico da mina de Alegria 6. ............................................................ 65
Figura 5.2 – Distribuição dos pontos na área da mina. .......................................................... 66
Figura 5.3 - Efeito Multipath. ............................................................................................... 68
Figura 5.4 - Solução com padrão 802.11a. ............................................................................ 70
Figura 5.5 - Solução com padrão 802.16d. ........................................................................... 71
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Características da rede ControlNet. ................................................................... 27
Tabela 3.1 - Classificação dos protocolos de comunicação wireless...................................... 49
Tabela 4.1 – Propriedades do protocolo WirelessHART. ...................................................... 57
Tabela 4.2 - Propriedades da tecnologia ISA SP 100.11a. ..................................................... 60
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 15
1.1 Objetivos .................................................................................................................. 16
1.2 Metodologia ............................................................................................................. 16
1.3 Estrutura do Trabalho ............................................................................................ 17
2 REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL ......................................................... 18
2.1 AS-i – Actuator Sensor Interface ............................................................................ 19
2.2 Modbus .................................................................................................................... 21
2.3 Foundation Fieldbus ................................................................................................ 23
2.4 DeviceNet ................................................................................................................. 25
2.5 ControlNet ............................................................................................................... 26
2.6 Interbus .................................................................................................................... 28
2.7 HART – Highway Adressable Remote Transducer .................................................. 29
2.8 PROFIBUS .............................................................................................................. 31
2.9 Ethernet Industrial .................................................................................................. 34
3 A TECNOLOGIA WIRELESS ................................................................................... 37
3.1 Classificação das Redes Wireless ............................................................................. 38
3.1.1 Wireless Personal Area Network (WPAN) ........................................................... 38
3.1.2 Wireless Local Area Network (WLAN) ................................................................ 38
3.1.3 Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) ................................................... 39
3.1.4 Wireless Wide Area Network (WWAN) ................................................................ 39
3.2 Estrutura de uma Rede Wireless ............................................................................. 40
3.2.1 Antenas ................................................................................................................. 41
3.2.2 Topologias das Redes Wireless............................................................................. 42
3.3 Tecnologia de Transmissão de Sinais Wireless ....................................................... 46
3.4 Os Padrões de Comunicação ................................................................................... 48
3.4.1 Padrão IEEE 802.11 ............................................................................................. 49
3.4.2 Padrão IEEE 802.15 ............................................................................................. 50
3.4.3 Padrão IEEE 802.16 ............................................................................................. 51
4 O WIRELESS NAS INDÚSTRIAS ............................................................................. 53
4.1 Vantagens da Comunicação Wireless...................................................................... 54
4.2 Padronização das Redes Wireless Industriais ......................................................... 55
4.2.1 WirelessHART ..................................................................................................... 56
4.2.2 Norma ISA SP 100.11a ........................................................................................ 58
4.3 Segurança das Redes Wireless Industriais .............................................................. 61
5 ESTUDO DE CASO: IMPLANTAÇÃO DE UMA REDE WIRELESS NO
SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE UMA MINERADORA ............................................. 63
5.1 Considerações Iniciais ............................................................................................. 63
5.2 Objetivo do Projeto ................................................................................................. 64
5.3 Atividades para Implantação da Rede Wireless ..................................................... 64
5.3.1 Determinação do Local de Instalação dos Equipamentos .................................. 64
5.3.2 O Ambiente e os Equipamentos........................................................................... 66
5.4 A Escolha da Tecnologia ......................................................................................... 67
5.5 Conclusão sobre o Projeto ....................................................................................... 71
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................... 73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 74
15
1 INTRODUÇÃO
As redes industriais passaram a ter fundamental importância no sistema produtivo a partir do
momento em que o avanço da tecnologia acarretou na necessidade de integração entre
máquinas e sistemas de controle. Para que se possa ter eficiência na produção, é necessário
que haja constantes trocas de informações, de maneira rápida e segura, entre os componentes
do processo produtivo. Desta forma, é possível supervisionar e controlar determinado
processo com maior facilidade e agilidade.
A tecnologia de redes wireless, ou seja, redes que não dispõem de cabos para se
comunicarem, conhecidas como redes sem fio, já é bastante aceita nas indústrias. Ela é uma
alternativa às redes convencionais ou cabeadas, por fornecerem as mesmas funcionalidades,
porém, de maneira flexível e de fácil implantação em áreas industriais e prediais.
Nas indústrias, os sistemas wireless eram utilizados somente para aquisição de dados. Porém,
com o desenvolvimento de novos padrões de redes sem fio, a comunicação industrial via
wireless adquiriu novas aplicações, como o controle de plantas industriais. Ao se escolher
uma tecnologia wireless, as indústrias buscam, de maneira geral, o melhor equilíbrio de
desempenho entre consumo energético dos transmissores, velocidade de transmissão de dados
e confiabilidade, sempre associados às necessidades específicas e inerentes de cada aplicação.
Segundo Tres e Becker (2009), o uso de redes sem fio em automação industrial não é
motivada apenas pela retirada dos cabos (fonte constante de manutenção no chão de fábrica),
mas também pelas próprias aplicações, como no caso dos Automated Guided Vehicles
(Veículos Autônomos de Transporte - AGVs), nas manutenções à distância em ambientes
hostis, onde se torna imprescindível a comunicação sem fio. Além disso, a ausência de
cabeamento facilita consideravelmente à reordenação de equipamentos em chão de fábrica.
No entanto, estas consideráveis facilidades adquiridas pela implantação das redes sem fio
também podem proporcionar algumas desvantagens. Devido à facilidade de instalação e
configuração dos equipamentos dessas redes, a segurança muitas vezes é afetada e passível de
verificação, deixando as redes sem fio vulneráveis a ataques de pessoas mal intencionadas.
Geralmente, isto acarreta uma grande resistência por parte dos usuários, principalmente nos
setores industriais. Porém, este problema não significa que as redes sem fio sejam inseguras.
16
Como as informações que transitam pelas redes nas indústrias são de fundamental
importância e muitas vezes sigilosas, se faz necessário que se dê grande atenção à segurança
das redes. Sendo assim, torna-se necessário o uso de mecanismos de segurança mais eficientes
para fazer uma monitoração mais eficaz da rede, minimizando as vulnerabilidades da
tecnologia wireless.
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho é estudar a tecnologia wireless e suas aplicações no campo das redes
industriais, conhecendo suas características e tendências, a fim de comparar esta tecnologia
com algumas redes de comunicação mais comuns aos sistemas de automação industrial,
destacando os seus benefícios.
1.2 Metodologia
Para o desenvolvimento deste trabalho foi realizado um amplo estudo acerca dos tipos de
redes de comunicação mais utilizados nas indústrias, com o propósito de comparar estas às
redes sem fio e demonstrar os benefícios da solução wireless nos sistemas de automação
industrial.
Foram feitas pesquisas bibliográficas sobre as redes wireless e suas aplicações industriais,
demonstrando os aspectos a serem considerados para um melhor planejamento e implantação
deste tipo de redes nos sistemas de automação industrial, tais como a geografia, os padrões e
as arquiteturas de redes.
Será apresentado um exemplo de aplicação das redes wireless, em que se destaca a solução de
uma conexão wireless na área de controle e automação de processos em uma indústria de
mineração.
17
Por fim, apresentar-se-ão as conclusões sobre a evolução das soluções wireless na automação
industrial.
1.3 Estrutura do Trabalho
Este trabalho é estruturado da seguinte forma:
No capítulo dois são abordados alguns tipos de redes de comunicação industrial com o intuito
de se fazer uma comparação destas tecnologias com as redes wireless.
No capítulo três são apresentados os conceitos sobre as redes wireless, os padrões e as
arquiteturas das redes sem fio, assim como outros aspectos a serem considerados nos
planejamentos de implantação de redes.
No capítulo quatro são abordados assuntos sobre as redes wireless industriais, tais como as
vantagens, os padrões industriais e a segurança dessas redes.
No capítulo cinco apresenta-se um estudo de caso de sistemas de automação industrial
controlados por redes sem fio para controle e supervisão de equipamentos em uma mina a céu
aberto de uma mineradora de minério de ferro.
18
2 REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL
De todas as tecnologias associadas ao controle industrial, as redes de comunicação é a que
sofreu maiores evoluções na última década, seguindo, aliás, a tendência global de evolução
das comunicações que se tem evidenciado, praticamente em todos os ramos de atividade,
desde as telecomunicações móveis, à Internet, à comunicação sem fios (wireless), entre outras
(BORGES, 2007).
A utilização de redes de comunicação é de suma importância, pois estas garantem a rapidez
na comunicação e na transmissão de dados, bem como o uso de mecanismos padronizados,
características que são a base para o desenvolvimento de uma indústria, no que se diz respeito
à eficiência do processo produtivo, buscando sempre a excelência operacional.
Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos
pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas verdadeiramente
abertos permitem que se coletem informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma
planta, de uma forma interoperável e como ninguém jamais imaginou. Neste sentido, com a
tecnologia Fieldbus (Foundation Fieldbus, Profibus, HART, DeviceNet, Asi, etc.) pode-se
transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho
qualitativo do sistema como um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo,
deve-se estar atento aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa
proporcionar (CASSIOLATO, 2011).
As redes industriais possuem a função de interligar diferentes níveis hierárquicos dos sistemas
de automação, sendo utilizadas nos níveis de campo, planta e controle. O nível de campo
equivale aos sensores e atuadores, os quais possuem as características de aquisição das
variáveis e atuação sobre os equipamentos do chão de fábrica. O nível da planta é onde se
realiza a supervisão e o gerenciamento de todo o processo produtivo, através dos sistemas de
supervisão, possuindo estes as funções de supervisionar, planejar, comandar e armazenar
todos os dados do processo produtivo. Já no nível de controle é possível obter a autonomia
sobre as ações do nível de campo, dependente dos comandos aplicados pelo nível da planta.
Sendo assim, pode-se ter o controle em tempo real, oferecendo uma maior segurança e uma
maior capacidade de decisão ao sistema industrial.
19
A interligação entre os níveis hierárquicos da automação dos processos industriais é realizada
utilizando várias tecnologias diferentes de redes (Figura 2.1). Algumas destas tecnologias
estão descritas a seguir.
Figura 2.1 - Níveis da pirâmide de automação e as redes industriais.
Fonte: CASSIOLATO, 2011.
2.1 AS-i – Actuator Sensor Interface
Segundo Stemmer (2001) e Cassiolato (2011), o sistema AS-i foi desenvolvido por um
consórcio de 11 empresas bem sucedidas na Alemanha em 1990 e introduzido no mercado em
1993. Consiste em um sistema de barramento para redes de sensores e atuadores,
denominado Actuator Sensor Interface, tais como chaves de fim-de-curso, sensores de
proximidade indutivos e capacitivos, relés, válvulas, entre outros elementos periféricos. Esse
sistema surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experiência de seus
membros fundadores e para suprir o mercado cujo nível hierárquico é orientado a bit. Desta
forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples
e rápida as conexões entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores.
20
Este sistema é considerado um dos mais viáveis para a comunicação entre os elementos de
campo, devido a sua economicidade e compatibilidade. A rede AS-i é caracterizada pela sua
simplicidade, pois se trata da utilização de um cabo comum, no qual são conectados os
elementos periféricos de entrada e saída. O seu desempenho é exemplar quanto à eficiência, a
confiabilidade e a rapidez de comunicação.
A rede AS-i suporta qualquer topologia de cabeamento: estrela, barramento, árvore, anelar ou
qualquer outra configuração com até 100 metros de cabo. Ou, então, com a adição de
repetidores é possível expandir o sistema até 300 metros. A rede AS-i é de fácil instalação,
pois não há necessidade de terminadores nos pontos finais (CASSIOLATO, 2011).
O sistema AS-i é baseado no sistema mestre/escravo e utiliza apenas um mestre por rede para
controlar a troca de dados, como pode ser observado na Figura 2.2. Cada escravo é acessado
pelo mestre sequencialmente e este aguarda pela sua resposta. Este sistema permite uma
configuração máxima de 62 escravos que são acessados pelo mestre, possuindo tempo de
resposta igual a 10 milissegundos no caso de todos os escravos estarem conectados.
Figura 2.2 - Topologia de uma rede AS-i.
Fonte: BORGES, 2007.
21
2.2 Modbus
O protocolo Modbus foi desenvolvido pela Modicon Industrial Automation Systems, hoje
Schneider Electric, para comunicar um dispositivo mestre com outros dispositivos escravos.
Embora seja utilizado normalmente sobre conexões seriais padrão RS-232, ele também pode
ser usado como um protocolo da camada de aplicação de redes industriais tais como TCP/IP
sobre Ethernet e MAP (Manufacturing Automation Protocol). Este é talvez o protocolo de
mais larga utilização em automação industrial, pela sua simplicidade e facilidade de
implementação (SEIXAS FILHO, 2002).
Os dispositivos Modbus comunicam utilizando a técnica mestre-escravo no qual permite que
somente um dispositivo, o mestre, possa iniciar as transações, que são chamadas de queries.
Os outros dispositivos conhecidos como escravos, respondem de acordo com o pedido do
mestre, ou de acordo com a tarefa em questão. Um dispositivo periférico escravo (válvula,
drive de rede ou outro dispositivo de medição) processa a informação e envia o dado para o
mestre (SOUZA, 2009).
Dois modos de transmissão são utilizados pelo protocolo Modbus para ser realizada a
comunicação entre o mestre e os escravos. Estes modos de transmissão definem tanto como a
mensagem transmitida será empacotada e descompactada quanto o conteúdo de bit relativo a
esta mensagem. Neste caso, o padrão Modbus é composto pelos modos de transmissão ASCII
(American Standart Code for Informastion Interchange) e RTU (Remote Terminal Unit). A
diferença de transmissão entre esses dois modos é que no modo ASCII a comunicação é
realizada através da transmissão de cada byte de caracter em uma mensagem, na qual é
enviado dois caracteres sem geração de erros. Já no modo RTU, que é o modo mais utilizado
em automação industrial, cada byte de mensagem (mensagem de oito bits) é transmitido como
sendo dois caracteres hexadecimais de quatro bits cada.
Segundo Melo (2005a), existem três tipos de protocolos Modbus, os quais estão citados
abaixo e demonstrados na Figura 2.3:
O MODBUS TCP/IP, que é usado para comunicação entre sistemas de supervisão e
controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP
22
e transmitido através de redes padrão ethernet com controle de acesso ao meio por
CSMA/CD.
O MODBUS PLUS, que é usado para comunicação entre si de controladores lógicos
programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônica de motores, interfaces homem
máquina etc. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps, controle de
acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Control).
O MODBUS PADRÃO, que é usado para comunicação dos controladores lógicos
programáveis (CLPs) com os dispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos
eletrônicos inteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores de processo, atuadores
de válvulas, transdutores de energia, etc. O meio físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto
com o protocolo mestre-escravo.
Figura 2.3 - Os protocolos MODBUS.
Fonte: MELO, 2005a.
23
2.3 Foundation Fieldbus
O Foundation Fieldbus é um sistema da comunicação totalmente digital, em série e
bidirecional que conecta equipamentos “Fieldbus” tais como sensores, atuadores e
controladores. O fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e instrumentação de
controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo (SMAR, 2011a).
A padronização da rede Foundation Fieldbus (FF) levou mais de dez anos para ser concluída.
Existem duas redes FF: uma de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos,
chamada de H1, cujo meio físico é implementado pelo padrão IEC61158-2, que atinge a
velocidade de 31,25 kbps e outra de alta velocidade utilizada para integração das demais redes
e para a ligação de dispositivos de alta velocidade como CLPs, conhecida como HSE, com
velocidade de 100 Mbps para transferência de dados e meio físico implementado pelo padrão
Ethernet (SEIXAS FILHO, 2003a).
A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation uma organização não lucrativa que
consiste em mais de 100 dos principais fornecedores e usuários de controle e instrumentação
do mundo. O Foundation Fieldbus mantém muitas das características operacionais do sistema
analógico 4-20 mA, tais como uma interface física padronizada da fiação, os dispositivos
alimentados por um único par de fios e as opções de segurança intrínseca, mas oferece uma
série de benefícios adicionais aos usuários (SMAR, 2011a).
Segundo Nascimento Neto (2003) e Smar (2011a), a implementação de um sistema Fieldbus
proporciona uma série de vantagens desde a instalação até a manutenção. Sendo que a mais
atrativa para o usuário é a redução dos custos, qual pode se dar sob as mais variadas formas,
tais como:
Planejamento e instalação: o Fieldbus permite que muitos dispositivos possam se
conectar em um mesmo par de fios, o que significa menos circuitos, ou seja, menor
gasto de fios;
Operação: a aplicação de um sistema Fieldbus apresenta-se muito vantajoso,
permitindo múltiplas variáveis de cada dispositivo para monitoramento, permite
análise de gráficos de tendências e análise de histórico de variáveis. As características
24
digitais do sistema proporcionam enumeras vantagens, tal como o baixo nível de
degradação do sinal, o que se traduz em melhor desempenho, menos perdas e melhor
controle;
Manutenção: o sistema Fieldbus elenca também vantagens quanto à manutenção. A
capacidade de auto testes e de comunicação dos dispositivos ajudam a enxugar o plano
de manutenção;
Melhor segurança da planta: A tecnologia Fieldbus ajuda as plantas a manter as
exigências de segurança, cada vez mais restritas. Fornecendo operadores com
notificação e aviso antecipados de circunstâncias perigosas pendentes e atuais, o
Fieldbus permite a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As
potencialidades de diagnóstico ampliadas da planta reduzem também a necessidade do
acesso frequente às áreas perigosas, minimizando assim os riscos do pessoal no
campo;
Interoperabilidade: Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser
substituído por um dispositivo similar com maior funcionalidade de um outro
fornecedor na mesma rede do Fieldbus, mantendo as características originais.
Na Figura 2.4 pode-se analisar a configuração de uma rede Fieldbus.
Figura 2.4 - Configuração da rede Fieldbus.
Fonte: CASSIOLATO, 2011.
25
2.4 DeviceNet
A rede DeviceNet é uma rede de baixo nível que proporciona comunicações utilizando o
mesmo meio físico entre equipamentos, desde os mais simples (como sensores e atuadores),
até os mais complexos, como controladores lógicos programáveis (CLP) e
microcomputadores. A rede DeviceNet possui o protocolo aberto, tendo um número
expressivo de fornecedores de equipamentos que adotaram o protocolo. A Open DeviceNet
Vendor Association (ODVA), é uma organização independente com objetivo de divulgar,
padronizar e difundir a rede DeviceNet visando seu crescimento mundial (ROSSIT, 2009).
A rede DeviceNet é baseada no protocolo CAN (Controller Area Network), que foi
desenvolvido pela Bosh nos anos 80 originalmente para aplicação automobilística, mais
especificamente para a Mercedes, pois devido ao grande número de sensores utilizados
tornava-se inviável o encaminhamento dos fios. Posteriormente, a tecnologia foi aplicada nas
indústrias, devido ao excelente desempenho alcançado, pois em um automóvel encontram-se
todas as características críticas das instalações industriais, com destaque para: altas
temperaturas, umidade, ruídos eletromagnéticos (PADOVAN; ROSSIT, 2005).
As principais características das redes DeviceNet estão de acordo com o nível de rede
chamado devicebus, os quais são: possuir alto poder de diagnosticar os dispositivos das redes,
atingir altas velocidades e possuir comunicação com equipamentos discretos e analógicos a
nível de bytes.
Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada dispositivo ocupa um nó na
rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer
restrição, embora se deva evitar o dispositivo 63, pois este costuma ser utilizado para fins de
comissionamento (CASSIOLATO, 2011).
O método de comunicação é baseado no conceito de produtor – consumidor, no qual um
elemento “produz” a informação no barramento e os elementos que necessitam desta
informação a “consomem”, diferentemente da maioria dos protocolos em que a comunicação
é única e exclusivamente entre dois elementos (PADOVAN; ROSSIT, 2005). Um exemplo
desta rede pode ser observado na Figura 2.5.
26
Figura 2.5 - Exemplo de rede DeviceNet.
Fonte: SMAR, 2011b.
2.5 ControlNet
A tecnologia da ControlNet foi originalmente desenvolvida em 1995 pela Allen-Bradley,
empresa pertencente ao grupo Rockwell Automation . Um ano depois, a tecnologia passou a
ser gerenciada pela ControlNet International, se tornando um protocolo aberto de
comunicação.
A necessidade de uma rede de controle que permitisse uma previsão confiável de quando os
dados seriam entregues e assegurasse que os tempos de transmissão fossem constantes e não
imunes à conexão e desconexão de dispositivos na rede, levaram ao desenvolvimento da
ControlNet (MELO, 2005b).
O protocolo de comunicação ControlNet trata-se de uma rede com características únicas para
módulos de entrada e saída (E/S); e de comunicação e programação (upload/download) de
CLP. É caracterizada por utilizar o modelo produtor/consumidor, o qual permite que
27
múltiplos controladores acessem e controlem entradas e saídas em uma mesma rede. Possui
repetibilidade e determinismo, características que asseguram um desempenho em tempo real,
além de taxa de transmissão de 5 Mbit/s e capacidade para 99 nós. Algumas dessas
informações e outras características estão contidas na Tabela 2.1 a seguir.
Tabela 2.1 - Características da rede ControlNet.
Fonte: NOGUEIRA (2009).
Concebida para aplicações industriais visando o uso industrial, a ControlNet procurou usar os
meios físicos mais confiáveis, ou seja, cabo coaxial RG6/U 75W com conector Baioneta
Neill-Concelman (BNC) e fibra ótica, porém ao mesmo tempo com ampla disponibilidade no
mercado. É recomendado o cabo coaxial tipo RG-6 com quatro malhas de proteção utilizadas
em instalações de televisão a cabo. A redundância de cabeamento é opcional, devendo ser
usada quando a disponibilidade do sistema seja essencial ao permitir que a rede continue
28
funcionando na presença de uma eventual falha em um cabo. A alimentação elétrica dos
dispositivos deve ser feita por cabeamento em separado (MORAES; CASTRUCCI, 2007).
2.6 Interbus
O sistema Interbus, desenvolvido pela Phoenix Contact, foi apresentado ao mundo na feira de
Hanover de 1987, sendo continuamente aprimorado com novos recursos, sem perder os
princípios aos quais foi idealizado: facilidade de engenharia e manutenção. Com mais de 10
milhões de nós instalados e cerca de 600 fabricantes de componentes, facilmente integrados a
rede de comunicação. O Interbus tem conquistado espaço de destaque também em pequenos
projetos e fora da indústria automobilística, onde possui uma plataforma já consolidada, pois
os diversos recursos inerentes no protocolo o tornam uma ótima opção para projetos
distribuídos (VAZ, 2008).
O Interbus é um protocolo mestre/escravo, baseado no princípio da troca de um buffer entre
um mestre e todos os escravos. A troca é conseguida usando uma trama com um protocolo
simples para todos os escravos na rede. O buffer de saída do mestre é transferido para os
escravos e o conteúdo dos buffers dos escravos é transferido no mesmo tempo que o buffer de
entrada do mestre. No fim do ciclo, os dados são as saídas da aplicação e novos dados são
fornecidos. Devido a esta simples troca de buffers, os equipamentos em Interbus não
necessitam de ser endereçados fisicamente ou por software: Um sistema Interbus configura-se
automaticamente sendo por isso considerado plug and play (BORGES, 2007).
Características como arquitetura mestre-escravo e método de comunicação de uma única
mensagem, conhecido com “one total frame”, são características do Interbus que o tornam um
protocolo eficiente. A sequência física de conexão é uma característica também presente no
Interbus (Figura 2.6). Através dela o primeiro integrante a ser ligado fisicamente é o número
um e, os demais, seguem a contagem de identificação, mas isso não impede que sejam
atribuídos nomes lógicos aos integrantes da rede (VAZ, 2008).
29
Figura 2.6 - Topologia típica de uma rede Interbus.
Fonte: BORGES, 2007.
2.7 HART – Highway Adressable Remote Transducer
O protocolo HART foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. HART é um acrônimo
de “Highway Addressable Remote Transducer”. Em 1990 o protocolo foi aberto à
comunidade e um grupo de usuários foi fundado (SEIXAS FILHO, 2003b).
Há tempos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de
processos tem sido o sinal analógico de corrente. Esse sinal geralmente varia dentro da faixa
de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo apresentada. O protocolo HART possui
a vantagem de utilizar instrumentos inteligentes comunicando através dos cabos tradicionais
4-20mA. Através de dispositivos conhecidos como smart, há a comunicação híbrida,
utilizando os mesmos cabos que geralmente são usados em instrumentação. Tudo isso é
possibilitado devido à velocidade baixa de comunicação.
O protocolo HART possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo
inteligentes sem interferir no sinal analógico 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como
o digital de comunicação HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação
(Figura 2.7). Por exemplo, a variável primária e a informação do sinal de controle podem ser
transmitidas ao mesmo tempo em que as medições adicionais, calibração, configuração do
instrumento e outras informações necessárias na mesma fiação (FONSECA, 2009).
30
O Protocolo HART usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência
(FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital
FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e, portanto, ele não
interfere no sinal de 4-20mA. A lógica “1” é representada por uma frequência de 1200 Hz e a
lógica “0” é representada por uma frequência de 2200 Hz. O sinal HART FSK possibilita a
comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de
informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de
campo inteligentes. O protocolo HART se propaga a uma taxa de 1200 bits por segundo sem
interromper o sinal 4-20mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou
mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo (SMAR, 2011c).
Figura 2.7 - Sobreposição do sinal digital ao sinal 4-20mA através do protocolo HART.
Fonte: SMAR, 2011c.
A topologia pode ser ponto a ponto ou multiponto. O protocolo permite o uso de até dois
mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário
é geralmente representado por terminais hand-held (terminais portáteis) de configuração e
calibração (SEIXAS FILHO, 2003b).
A comunicação HART é realizada de diversas formas. Porém, a mais simples é a
comunicação mestre-escravo, a qual suporta até quinze equipamentos no campo (topologia
31
multiponto). O tempo gasto para leitura de cada dispositivo é de meio segundo, o que é
considerado lento para diversas aplicações.
O protocolo HART consegue obter um alcance máximo percorrido pelo sinal de 3000 metros
utilizando cabo com um par trançado blindado e 1500 metros fazendo a utilização de cabo
múltiplo com blindagem.
O protocolo HART permite aos seus usuários o melhor caminho de migração para usufruir os
benefícios da comunicação digital para a instrumentação inteligente. Nenhuma outra
tecnologia de comunicação pode igualar a estrutura de suporte ou a grande variedade de
instrumentos disponíveis com tecnologia HART hoje. A tecnologia permite o uso fácil dos
produtos compatíveis com HART que estão disponíveis no mercado pela maioria dos
fornecedores de instrumentação e que atendem virtualmente todas as medições de processo ou
aplicações de controle (SMAR, 2011c).
2.8 PROFIBUS
A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por
autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura,
21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O
objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bitserial, sendo o
requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os
membros relevantes das companhias da Associação Central da Indústria Elétrica - ZVEI
concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de
processos (CASSIOLATO, 2011).
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a
interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação
predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de
2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete
outros fieldbuses (SMAR, 2004).
32
De acordo com a arquitetura, o PROFIBUS está dividido em algumas derivações, as quais as
três principais são (Figura 2.8):
PROFIBUS DP (Distributed Peripherals): é a solução de alta velocidade (high-speed)
do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações
entre os sistemas de automação e equipamentos descentralizados. Voltada para
sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É
utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20mA, HART ou em
transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer
menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente
utilizada em controles com tempo crítico (CASSIOLATO, 2011);
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification): é uma rede de grande capacidade
para comunicação de dispositivos inteligentes, tais como computadores, CLPs ou
outros sistemas inteligentes que impõem alta demanda de transmissão de dados. FMS
vem perdendo espaço para a rede Ethernet TCP/IP (SEIXAS FILHO, 2004);
PROFIBUS PA (Process Automation): O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que
atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de
automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais
como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc.. Pode
ser usada em substituição ao padrão 4 a 20mA (CASSIOLATO, 2011).
33
Figura 2.8 - Exemplo de uma rede PROFIBUS com as variantes PROFIBUS DP e PA.
Fonte: CASSIOLATO, 2011.
A camada física do protocolo PROFIBUS é caracterizada por utilizar usualmente cabos do
tipo RS485 e fibras óticas como meios de transmissão de dados. O RS485 é do tipo par
trançado, de simples instalação, sendo possível a inserção e remoção de estações sem inferir
na rede e utiliza taxas de transmissão de 9,6 kbps a 12 Mbps. Aceita no máximo 32 estações
por segmento sem repetidor (com repetidor pode atingir até 126 estações). A taxa de
transmissão varia de acordo com o comprimento do cabo, sendo de 1200 metros o
comprimento máximo por segmento para a menor taxa de transmissão.
A transmissão por fibra ótica é feita através de fibra de vidro multimodo ou monomodo,
possui a mesma taxa de transmissão da RS485 e um número de 126 estações por rede.
O protocolo PROFIBUS utiliza tecnologia de comunicação mestre-escravo, podendo ser
mono ou multimestre. Caso seja utilizada a tecnologia multimestre, o acesso ao barramento é
feito através da técnica de token entre os mestres. A comunicação entre os mestres e os
34
escravos é feita através do processo de varredura. Versões mais avançadas permitem a
comunicação acíclica entre mestres e escravos, além da possibilidade de comunicação entre os
escravos, o que diminui o tempo de resposta na comunicação (MORAIS; CASTRUCCI,
2007).
2.9 Ethernet Industrial
Ethernet é a maior tecnologia de redes locais em uso na atualidade e é utilizada por
aproximadamente 85% dos PCs e estações de trabalho conectados à rede no mundo. Ethernet
refere-se à família de produtos de rede cobertos pelo padrão IEEE 802.3, que podem ser
utilizados tanto em cabeamento de fibra ótica como em par trançado. Com o passar dos anos,
a Ethernet tem evoluído para dar mais desempenho e inteligência de rede. Esta evolução
contínua fez da Ethernet uma excelente solução para aplicações industriais (CARVALHO;
KEMIL, 2005).
O protocolo Ethernet é um dos protocolos que fazem parte da arquitetura TCP/IP e foi criado
por Robert M. Metcalfe, na década de 70. Esta arquitetura surgiu no meio industrial há mais
de uma década, porém, tornou-se comercializável um pouco depois. Uma das suas principais
utilidades se deve à necessidade de interligar todos os níveis da Cadeia de Suprimentos
(Supply Chain) envolvendo um único e exclusivo padrão de rede, o TCP/IP. Assim, o nível de
gerência ou vendas teria acesso ao chão de fábrica (sensor ou atuador) em tempo real, dando
uma grande agilidade na produção e aumentando-a, efetivamente. Porém, na arquitetura
tradicional isso não é possível devido aos diferentes tipos de padrões de protocolos existentes
no mercado (LUGLI, 2007).
A rede Ethernet passou por uma longa evolução nos últimos anos se constituindo na rede de
melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplicações industriais. A Ethernet foi
inicialmente concebida para ser uma rede de barramento multiponto (100Base-5) com
conectores do tipo vampiro (piercing), mas este sistema mostrou-se de baixa praticidade. A
evolução se deu na direção de uma topologia estrela com par trançado. As velocidades da rede
cresceram de 10 Mbps para 100 Mbps e agora alcançam 1 Gbps (IEEE802.3z ou Gigabit
Ethernet). A Gigabit Ethernet disputa com a tecnologia Assynchronous Transfer Mode - ATM
35
o direito de ser a espinha dorsal (backbone) das redes na empresa. A outra evolução se dá no
uso de hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens e no uso de cabos full
duplex (onde se dobra a taxa de transmissão, pois ocorre comunicação simultânea nos dois
sentidos, recepção e transmissão simultaneamente) em substituição aos cabos half duplex
mais comumente utilizados. Isto faz com que a rede se torne determinística e reduzem a
probabilidade de colisão de dados (SEIXAS FILHO, 2003c).
Algumas das vantagens da rede Ethernet Industrial são: os custos reduzidos, uma vez que esta
rede é utilizada por diversas empresas e fabricantes, o que gera um amplo número de
possibilidades de comercialização, acarretando em um menor custo na implantação e serviços
de ampliação ou troca de equipamentos; maior banda e funcionalidade geral, que permite uma
boa comunicação entre os equipamentos das empresas, devido à alta taxa de transferência de
dados que estas redes atingem; estrutura de rede simplificada.
A grande desvantagem deste padrão na área industrial, no início, foi à questão da
comunicação e alimentação dos módulos. Havia a necessidade de se ter dois cabos separados
para um elemento da rede (comunicação de dados e alimentação). Hoje, há vários estudos e
implementações utilizando um padrão chamado de Power over Ethernet (Poe). Nesse tipo de
comunicação, o canal transmissor e o receptor podem trafegar dados simultaneamente no
meio de transmissão, utilizando o conceito de modulação em amplitude sobreposto ao nível
contínuo de alimentação dos módulos de campo. Assim, o sinal de comunicação sofreria uma
modulação para ser transmitido ou recebido por um elemento da rede. A norma IEEE
8002.3af regulamenta todo este conceito de PoE (LUGLI, 2007).
Uma rede Ethernet Industrial bem implementada pode fazer muito mais que simplesmente
emular as funções de uma rede industrial tradicional. Através dela, as empresas podem
conectar suas redes corporativas de dados ao chão de fábrica para fazer a operação geral mais
eficiente, permitindo aos fabricantes inovar e manter as compatibilidades com as redes
Ethernet existentes (Figura 2.9). Assim, torna-se possível criar uma grande variedade de
aplicações para suportar as necessidades de negócio hoje e no futuro (CARVALHO; KEMIL,
2005).
36
Figura 2.9 - Interligação entre o chão de fábrica e redes corporativas através da Ethernet Industrial.
Fonte: CARVALHO; KEMIL, 2005.
37
3 A TECNOLOGIA WIRELESS
Os primeiros resquícios do surgimento da tecnologia wireless foram identificados em 1941,
quando a atriz Hedy Lamarr e o compositor George Antheil desenvolveram uma ideia para
um sistema de comunicação que ficou conhecido como “Sistema de Comunicações Secretas”,
utilizado na Segunda Guerra Mundial (BRITO; NUNES, 2002). Este sistema de comunicação
consistia em guiar torpedos através de ondas de rádio utilizando 88 frequências diferentes,
sendo quase impossível a invasão ou tentativa de espionagem. Esta tecnologia passou a ser
uma peça importante para o uso militar. Chamada posteriormente de “Espectro Espalhado”,
foi sendo desenvolvida e aperfeiçoada, Em 1981, 40 anos após sua criação, esta tecnologia
passou a ser liberada em domínio público. Em meados dos anos 90, a tecnologia começou a
ser mais divulgada, sendo usada nos celulares com tecnologia digital da época, substituindo
os antigos celulares de sinais analógicos.
As redes wireless locais, Wireless Local Area Networks (WLAN), começaram a aparecer no
final dos anos 90 e passaram a ser utilizadas em diversos ambientes, sejam estes industriais,
caseiros, governamentais, entre outros. Como a tradução do próprio nome se evidencia,
wireless significa sem fio em português, esta tecnologia surgiu com o propósito de ser uma
alternativa às redes convencionais, conhecidas como redes cabeadas, por ser de fácil
implantação e fornecerem as mesmas funcionalidades.
Toda a comunicação sem fio é baseada no seguinte princípio: quando os elétrons se movem,
criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar através do espaço livre. O número de
oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado de frequência que é medida
em Hz (Hertz). Quando se instala uma antena com o tamanho apropriado, as ondas
eletromagnéticas podem ser transmitidas e recebidas com eficiência por
receptores/transmissores localizados a uma distância que depende de vários fatores, como por
exemplo: frequência, potência do transmissor, etc. (TANENBAUM, 1997).
Dependendo da aplicação a que é submetida uma rede wireless, esta pode realizar a
comunicação entre os seus equipamentos através de diferentes tipos de transmissão de sinais.
Os sinais podem ser transmitidos por infravermelho, laser, radiofrequência e micro-ondas,
cada um com suas vantagens e limitações.
38
3.1 Classificação das Redes Wireless
As redes wireless podem ser classificadas de acordo com as áreas de abrangência. Elas podem
ser dos tipos WPAN, WLAN, WMAN e WWAN. Estes tipos de rede serão especificados a
seguir e na Figura 3.1.
3.1.1 Wireless Personal Area Network (WPAN)
A WPAN é um tipo de rede sem fio utilizada para trabalhar com curtas distâncias. Como
possui pouco alcance, caracteriza-se por ser uma rede sem fio de áreas pessoais.
O principal padrão utilizado por esta tecnologia é o padrão IEEE 802.15.1, conhecido por ser
a tecnologia Bluetooth. Porém, existem outros dois padrões que fazem parte das WPAN, que
são o IEEE 802.15.3, denominado Ultra Wide Band (UWB) e o IEEE 802.15.4, mais
conhecido como ZigBee.
Nos dias atuais a tecnologia Bluetooth é facilmente encontrada, sendo usada constantemente
em aparelhos celulares, microfones, impressoras e outros diversos equipamentos que
necessitam de uma transmissão sem fio de curto alcance.
3.1.2 Wireless Local Area Network (WLAN)
As WLANs são as chamadas redes sem fio locais, sendo consideradas uma extensão ou
alternativa às tradicionais redes cabeadas, por oferecerem as mesmas funcionalidades,
apresentando uma maior facilidade de instalação e conectividade em áreas prediais ou
campus, flexibilidade e rapidez de comunicação. Através de transmissores, receptores e um
ponto de acesso onde há a modulação dos dados que transitam por esta rede através do ar, é
possível obter a comunicação entre os equipamentos das WLANs.
39
Estas redes wireless locais utilizam o padrão IEEE 802.11.X para se comunicarem e são
frequentemente encontradas nas residências, empresas, instituições de ensino, aeroportos,
restaurantes, entre outros locais onde é requerido a mobilidade de usuários.
O alcance das WLANs depende muito dos equipamentos utilizados, da geografia da área em
que tal rede está instalada, dentre outros fatores. Porém esta limitação quanto ao alcance pode
ser resolvida muitas vezes introduzindo sistemas de distribuição interconectados via rede
cabeada nas redes sem fio, obtendo uma maior área de abrangência.
3.1.3 Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)
As WMANs são as redes sem fio metropolitanas. Estas redes possuem um alcance muito
grande, no raio de dezenas de quilômetros e seu principal componente é o World
Interoperability for Microwave Access - WiMAX, que tende a possuir uma boa tolerância a
reflexões, ter maior capacidade de penetração em obstáculos e permitir um maior número de
conexões se comparadas as WLANs convencionais.
As redes sem fio de área metropolitana são constituídas pelo padrão IEEE 802.16 e podem ser
chamadas redes sem fio de banda larga. Este tipo de rede é a concorrente principal da fibra
óptica, tendo como características possuir maior mobilidade e disponibilidade se comparada
ao meio Digital Subscriber Line – DSL (linha numérica de assinante), que agrupa o conjunto
das tecnologias instaladas para um transporte numérico da informação em uma simples linha
de conexão telefônica.
3.1.4 Wireless Wide Area Network (WWAN)
As WWANs são redes geograficamente distribuídas, que podem abranger um país ou até uma
grande região, como um continente. Estas redes são caracterizadas por serem redes wireless
de longa distância, as quais estão submetidas os sistemas de telecomunicações, como os
40
usados pelas empresas de telefonia móvel, onde há a utilização dos serviços de transferência
de dados e de voz.
Figura 3.1 – Classificação das redes wireless e seus principais componentes.
Fonte: WIRELESS..., 2009.
3.2 Estrutura de uma Rede Wireless
Para implantação de uma rede de comunicação wireless, se faz necessária a análise de
diversos componentes que interferem no funcionamento deste tipo de rede. Além do local de
implantação, da análise da tecnologia a ser utilizada, do estudo sobre a segurança, dentre
outros empecilhos que afetam a integridade das redes sem fio, há também a escolha correta
dos equipamentos a serem utilizados para transmitir e receber os sinais dos dados que
trafegarão pela rede, como os captadores de dados, as antenas e os adaptadores.
41
3.2.1 Antenas
A antena é um dos principais equipamentos utilizados para a comunicação das redes sem fio.
Elas são utilizadas para captar e irradiar ondas eletromagnéticas, ou seja, se comparadas às
redes cabeadas, as antenas são como os cabos de conexão de tais redes. Se não houver a
instalação de uma antena em um projeto de rede wireless, os dispositivos sem fio geram sinais
de radiofrequência com amplitude muito baixa, sendo impossível transmitir tais sinais.
Para decidir qual antena é apropriada para uma rede sem fio a ser implantada, devem-se
analisar diversos fatores, como: área de cobertura, distância máxima em que se pode instalar
determinada antena, localização da antena relativamente aos outros equipamentos da rede
wireless. Estes fatores influenciam muito na escolha da antena. No caso da distância a ser
coberta pela antena sempre se faz necessário que se escolha uma antena com capacidade
maior que a necessária, para que esta não trabalhe com sua capacidade máxima, o que
acarretará em perda de sinais.
Para as aplicações wireless há, basicamente, dois tipos de antenas: a omnidirecional e a
direcional.
As antenas omnidirecionais são bastante aceitas para trabalharem em áreas amplas e em
aplicações multiponto. Elas possuem alcance de 360 graus no plano horizontal e geralmente
são usadas nas estações base, disponibilizando a instalação de estações remotas ao seu redor.
As antenas direcionais possuem a particularidade de concentrar o sinal em uma única direção.
Normalmente utilizadas nas estações remotas, realizando a comunicação entre elas e uma ou
mais estações base. Possuem seus sinais caracterizados por um alcance curto e amplo ou
longo e estreito, devido à dependência entre estes dois fatores.
Portanto, o tipo de antena a ser utilizada deverá ser definido de acordo com a arquitetura de
rede utilizada e sua função dentro dela. Em topologias como árvore e estrela é possível
utilizar antenas omnidirecionais no gateway e antenas direcionais nos dispositivos, garantindo
uma arquitetura com um menor consumo de energia e maior segurança (Figura 3.2) (RIEGO;
GARCIA, 2009).
42
Figura 3.2 - Antenas utilizadas em ambientes industriais.
Fonte: ALMEIDA, 2009.
3.2.2 Topologias das Redes Wireless
Conforme as topologias há uma variedade na distribuição dos equipamentos que fazem parte
das redes wireless, definindo as arquiteturas das redes. Estes equipamentos pertencentes à
rede são os devices e os gateways. Estes últimos são os chamados pontos de acessos que
possuem as funções de gerenciar o tráfego de rede e sua segurança, além de estabelecer o
acesso dos devices à rede, os quais são dispositivos com funções de sensores-transdutores,
que possuem uma unidade de processamento digital e capacidade de transmissão de sinais.
43
Vale-se lembrar de que as topologias das redes wireless não são definidas pela estrutura física
de conexão dos equipamentos, mas sim pela conexão lógica aos quais são submetidos. Neste
caso, as topologias podem ser divididas por:
a) Ponto a ponto: é caracterizada pela conexão direta entre dispositivos individuais.
Todas as outras topologias se baseiam na ponto a ponto, sendo ramificações e
ampliações desta topologia (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Topologia ponto a ponto.
Fonte: RIEGO, 2009.
b) Estrela: se caracteriza por ser uma topologia de conexão multiponto, na qual os
dispositivos se conectam somente com o sistema de controle. Possui certas vantagens
por ser uma topologia de fácil manutenção, implementação e configuração, além de
suportar a não comunicação de certo dispositivo com o provedor de acesso, fazendo
com que o sistema não interrompa o seu funcionamento. Porém, um dos pontos
negativos é que se o provedor de acesso parar de comunicar haverá a perda de toda a
rede e outro ponto questionável é que essa topologia não suporta uma grande
quantidade de equipamentos conectados (Figura 3.4).
44
Figura 3.4 - Topologia estrela.
Fonte: RIEGO, 2009.
c) Árvore: possui a mesma forma de comunicação da topologia estrela. Porém se
caracteriza por possuir uma maior cobertura e não ter problemas de perda da rede
inteira caso ocorra perda de um ponto de acesso. Mesmo assim, suas desvantagens
são: custo elevado caso haja uma expansão da rede e diminuição da taxa de
transferência entre os equipamentos da rede caso haja um aumento no número de
ramificações (Figura 3.5).
Figura 3.5 - Topologia árvore.
Fonte: RIEGO, 2009.
45
d) Mesh: as redes mesh são caracterizadas pelos seus dispositivos possuírem a capacidade
de se comunicar diretamente com os dispositivos adjacentes, sem a necessidade a
intervenção dos comandos dados pelo ponto de acesso. Esta topologia de rede possui
algumas vantagens como a redução do custo de instalação, já que este custo se
baseará, praticamente, apenas no valor do novo dispositivo a ser acrescentado na rede
e, por possuir a função de auto roteamento, ou seja, ser um sistema redundante, esta
rede é de alta confiabilidade. Seus pontos negativos são: devido à função de auto
roteamento, há um aumento do consumo de energia e do tráfego de rede e, também,
pode ocorrer o aumento do tempo de latência proporcionado pelo caminho encontrado
para o novo roteamento (Figura 3.6).
Figura 3.6 - Topologia mesh.
Fonte: RIEGO, 2009.
e) Híbridas: As redes híbridas combinam instalações de redes sem fio com redes
cabeadas. Elas utilizam qualquer uma das topologias descritas acima, sempre
buscando utilizar as vantagens que cada uma pode proporcionar para um bom
ambiente de rede. A topologia híbrida é a mais usada no ambiente industrial, devido
ao fato da já haver a instalação de redes cabeadas nestes ambientes e, com isso, se ter a
instalação parcial das redes wireless (Figura 3.7).
46
Figura 3.7 - Topologia de rede híbrida.
Fonte: RIEGO, 2009.
3.3 Tecnologia de Transmissão de Sinais Wireless
A tecnologia wireless utiliza sinais de radiofrequência para a transmissão de dados entre seus
equipamentos. Este tipo de transmissão é pouco sensível a interferências do meio e possui
uma grande largura de banda passante, o que o caracteriza como o tipo de transmissão ideal
para as redes sem fio.
Algumas técnicas de radiofrequência não são utilizadas pelos equipamentos wireless, devido
ao fato de não serem adequados para a transmissão de dados ou possuir limitação bastante
significativa no seu alcance por não conseguir atravessar objetos opacos, como a narrow band
(sistema de rádio de banda estreita) e o infravermelho, respectivamente.
Neste contexto, a comunicação wireless se baseia em três tipos de tecnologia de transmissão
de dados que são o Espalhamento Espectral por Salto de Frequências, do inglês Frequency
Hopping Spread Spectrum – FHSS; o Espalhamento Espectral com Sequenciamento Direto,
do inglês Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS; e a Multiplexação por Divisão de
Frequência Ortogonal, do inglês Ortogonal Frequency Division Multipexing - OFDM. As
47
duas primeiras se baseiam na tecnologia de espalhamento de espectro. Já a última se baseia na
utilização da largura de banda de um canal de frequência, dividindo-a em vários sub-canais
para realizar a transmissão dos dados.
Na Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS, através de um padrão conhecido pelo
transmissor e pelo receptor, há a utilização de uma portadora de banda estreita que realiza a
alteração da frequência, ou seja, baseia-se no salto de uma frequência para outra rapidamente.
Assim, o transmissor e o receptor mantém um único canal lógico quando estão sincronizados
adequadamente. Mudando a frequência de maneira rápida, na ordem de 400 milissegundos
para se saltar de uma frequência para outra, esta tecnologia se torna mais segura contra
invasores, que encontram dificuldades para identificar o canal de transmissão dos dados. A
transmissão de dados através dessa tecnologia é enxergada como um ruído de curta duração
por receptores que não conseguem obter a sua codificação. Porém, a FHSS utiliza a banda de
forma ineficaz, pois por utilizar toda a banda para realizar o espalhamento espectral, acaba
por perder velocidade de transmissão.
Segundo Riego (2009), o Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS consiste em espalhar a
informação ao longo da faixa de frequência. Para tanto, realiza uma função XOR (função
lógica que tem como resultado zero, se as entradas forem iguais e um, se forem diferentes) do
sinal de entrada com uma função código, chamada chipping code. Esse novo sinal é então
transmitido e deve ser decodificado na recepção, utilizando a mesma função código utilizada
em sua criação.
As vantagens da tecnologia DSSS é que esta suporta taxa de dados variadas, são resistentes à
multi-rotas e à interferência. Contudo, como desvantagens, apresenta-se fraca a sinais de ruído
e possui um número limitado de acessos a um mesmo canal.
Já a tecnologia Ortogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM, consiste na divisão do
canal em diversas sub portadoras, realizando a transmissão destas sub portadoras
paralelamente umas com as outras, sendo que cada uma possui um trecho da informação. Ela
utiliza largura de banda maior que as outras tecnologias. Sendo assim, ela utiliza a técnica de
transmissão de dados por multiplexação por divisão de frequência, que consiste na passagem
por diversas frequências dos sinais que são enviados. Como vantagens, apresenta elevada
eficiência espectral, imunidade contra multi-rotas e filtragem de ruído simples. Já suas
48
desvantagens são a dificuldade de sincronismo das portadoras e a sensibilidade aos desvios de
frequência.
3.4 Os Padrões de Comunicação
É de grande necessidade a padronização dos protocolos de comunicação em redes, pois só
assim se torna possível a comunicação entre os equipamentos de diferentes fabricantes,
facilitando o uso das redes, a sua manutenção e expansão.
Ao se escolher qual padrão de comunicação de rede wireless pode ser usado por determinada
aplicação, deve-se sempre estar atento no que será exigido desta rede, como por exemplo, o
alcance da rede, a velocidade que será necessária para o tráfego dos dados, os tipos de dados a
serem transmitidos, a questão os ruídos e interferências e os níveis de segurança desejados.
Esses itens todos também são vinculados ao custo-benefício desta rede sem fio.
Conforme foi definida pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE, que é
uma associação profissional técnica formada por milhares de membros que desenvolvem os
padrões técnicos que envolvem a engenharia elétrica e eletrônica, a norma IEEE 802 é a que
se refere aos padrões de comunicação das redes wireless. Esta norma é utilizada para
padronizar as camadas física e enlace do modelo Open Systems Interconnection - OSI,
conhecidas como camadas 1 e 2, referentes a redes locais e redes de longa distância. Portanto,
diversos padrões de redes sem fio são definidos baseados nesta norma, que são classificados
de acordo com a distância de transmissão de dados que conseguem atingir. A tabela 3.1 a
seguir mostra a divisão desses grupos de padrões:
49
Tabela 3.1 - Classificação dos protocolos de comunicação wireless.
Fonte: TRES; BECKER, 2009.
Os sub-comitês IEEE apresentados na tabela acima serão analisados a seguir, onde poderá ser
evidenciado que, além da distância alcançada por cada um, eles possuem outras diferenças no
que diz respeito aos fatores que são exigidos por cada rede wireless conforme a sua aplicação.
3.4.1 Padrão IEEE 802.11
O IEEE 802.11 é caracterizado por ser uma família de protocolos de comunicação de redes
wireless que foram e continuam sendo aperfeiçoados e aprovados com o intuito de se obter a
comunicação entre os dispositivos sem fio de diversos fabricantes, não havendo mais
problemas de compatibilidade entre estes equipamentos. Esta família de protocolos é dividida
em vários sub-padrões, os quais os mais utilizados atualmente são o IEEE 802.11a, IEEE
802.11b e IEEE 802.11g que serão caracterizados a seguir.
O padrão 802.11b foi o primeiro dos sub-padrões da família IEEE 802.11 a ser aprovado.
Também conhecido como Wireless Fidelity (Wi-Fi), este padrão utiliza a técnica de
espalhamento espectral DSSS para realizar a comunicação entre os dispositivos e opera na
faixa de frequência da banda de 2,4 GHz. Utiliza quatro velocidades diferentes para a
transmissão e recepção de dados, sendo elas de um, dois, 5,5 e 11 Mbps e, possibilita um
50
número máximo de 32 clientes conectados. Teoricamente o seu alcance é de 400 metros e 50
metros em lugares abertos e fechados, respectivamente.
O padrão IEEE 802.11a foi regulamentado em 1999 e possui como características trabalhar na
banda de frequência de 5 GHz, sendo menos exposto a interferências do que o 802.11b. Sua
velocidade de transmissão pode chegar a até 54 Mbps, porém, geralmente trabalha com a
velocidade entre 24 e 27 Mbps. Utiliza a OFDM como técnica para a comunicação entre os
dispositivos e suporta no máximo 64 clientes conectados. Contudo, não é um padrão muito
utilizado, devido a sua incompatibilidade com o padrão 802.11b e se comparado a este, é mais
veloz na transmissão de dados, mas deixa a desejar no alcance, já que o padrão 802.11b pode
ter um alcance sete vezes maior do que o 802.11a.
Segundo Tanenbaum (2003), uma versão aperfeiçoada do 802.11b, o 802.11g, foi aprovada
pelo IEEE em novembro de 2001, depois de muitas disputas políticas sobre qual tecnologia
patenteada seria usada. Ele utiliza o método de modulação OFDM do 802.11a, mas opera na
banda ISM estreita de 2,4 GHz, juntamente com o 802.11b. Em tese, ele pode operar em até
54 Mbps. Sua principal vantagem é ser compatível com o padrão 802.11b. Este padrão
também é chamado de Wi-Fi.
Em setembro de 2009, foi aprovada a versão final do protocolo IEEE 802.11n. Este padrão
possui taxa de transferência de dados entre 65 Mbps e 600 Mbps, utiliza o método de
transmissão MIMO (Multiple Input Multiple Output) – OFDM, ou seja, possui a capacidade
de entradas e saídas múltiplas e pode trabalhar em duas bandas de frequência, de 2,4 GHz e de
5 GHz. Com esta tecnologia, consegue-se atingir velocidades maiores de transmissão, além de
se ter um maior alcance e mais segurança nas redes wireless.
3.4.2 Padrão IEEE 802.15
O padrão IEEE 802.15 se referem às redes sem fio de curto alcance. Este padrão pertence às
WPANs e suas tecnologias mais conhecidas são o Bluetooth e o Zigbee.
O Bluetooth é a tecnologia geralmente utilizada nos dispositivos portáteis e móveis, como
telefones celulares, computadores pessoais e outros dispositivos, devido ao seu baixo
51
consumo de energia. Utiliza o padrão IEEE 802.15.1 para a comunicação, operando em uma
faixa de 2,4 GHz, porém, possui velocidades inferiores ao Wi-Fi. Devido a isto, é menos
sujeito a interferências. Por ser um padrão de dispositivos de curto alcance, não é muito
utilizado no meio industrial por equipamentos que necessitam de distâncias maiores para a
comunicação.
De acordo com Mata (2006), o padrão IEEE 802.15.4, conhecido pelos dispositivos Zigbee,
foi desenvolvido originalmente para aplicações em aquecimento, ventilação e
condicionadores de ar como uma alternativa ao uso do Bluetooth. Esse padrão preza pelo
baixo consumo, o que confere maior autonomia para equipamentos alimentados por baterias.
Além disso, foi desenvolvido para ser embarcado diretamente nos sensores e atuadores. Sua
camada física possui também melhores características para operação em temperaturas
extremas. Opera em taxas mais baixas, sendo bem mais robusto contra interferências no sinal
que o Wi-Fi e o Bluetooth. Contudo, devido à baixa potência empregada pelos seus
transmissores, a distância também é limitada a pouco mais de 100 m.
3.4.3 Padrão IEEE 802.16
Este padrão de comunicação das redes wireless, pertencente às WMANs, foi desenvolvido
com o intuito de alcançar longas distâncias para a transmissão de radiofrequência. Conhecido
por WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum), pode transmitir
sinais para grandes áreas, chegando a um raio de 50 km quando não se têm obstáculos.
Como a utilização de cabos para se construir uma infraestrutura de rede de longa distância
possui custo muito elevado, o WiMAX passou a ter bastante aceitação no mercado, sendo
uma tecnologia que visa um menor custo de implementação.
Por trabalhar com um número maior de usuários do que o 802.11, o que implica em maior
necessidade de largura de banda, opera na faixa de frequências de 10 a 66 GHz. Suas ondas
são milimétricas, portanto o tratamento de erros nesse padrão merece mais cuidados do que no
802.11, já que esse tipo de onda é fortemente absorvido pela água (TANENBAUM, 2003).
52
Para fins industriais, o padrão IEEE 802.16 é uma boa alternativa para o acesso a dados que se
situam em locais de difícil acesso e longes das centrais de controle, onde se torna inviável o
uso de cabos para a infraestrutura da rede.
53
4 O WIRELESS NAS INDÚSTRIAS
A tecnologia wireless está entrando em vigor nos vários ramos industriais atualmente. Ela está
sendo utilizada em transmissões de sinais de sensores e informações de controle,
considerando até os sinais críticos em um processo industrial. Esta comunicação industrial é
realizada através de um sistema de rádio altamente confiável chamado espectro espalhado.
Sua confiabilidade se deve ao fato de não possuir rádios se comunicando na mesma
frequência, considerando o mesmo período de tempo. No entanto, alguns obstáculos quanto
ao uso da tecnologia wireless em ambientes industriais ainda têm de ser considerados e
solucionados. Um desses obstáculos é a padronização dessas redes sem fio, processo que
ainda está em andamento e dificulta um maior avanço desta tecnologia.
A segurança continua sendo uma preocupação crítica no uso de redes sem fio em sistemas
industriais. Estas redes transmitem dados através de sinais de rádio, o que os torna vulneráveis
a acessos não autorizados. Em outras palavras, qualquer pessoa com equipamento adequado e
localizado dentro da área de cobertura pode vir a se conectar. Redes sem fio possuem diversas
ameaças relacionadas com a integridade dos dados, fazendo-se necessário assegurar a rede
contra invasores e ataques do tipo denial-of-service (tentativa de tornar os recursos de um
sistema indisponíveis para seus utilizadores). Vem daí a necessidade de seguir um padrão bem
definido e com isso atingir os padrões de segurança e confiabilidade exigidos pelos órgãos
reguladores (TRES; BECKER, 2009).
As empresas sempre buscam uma maior disponibilidade e flexibilidade das redes de campo.
Estas duas características podem ser disponibilizadas pelas redes wireless, já que estas não
possuem cabos para serem trocados caso estejam defeituosos, o que causa uma maior
disponibilidade e caso houver uma mudança na estrutura física da rede, esta não necessitará
de uma mudança na estrutura dos cabos, oferecendo maior flexibilidade à rede.
Algumas das principais vantagens do uso de redes sem fio em ambientes industriais são
proporcionadas por uma série de características que estes tipos de rede tem se comparado às
redes cabeadas. Algumas dessas características são: menor custo de instalação e manutenção;
maior flexibilidade, desempenho, confiabilidade e produtividade; acesso a locais de difícil
acesso; entre outras que serão apresentadas a seguir.
54
4.1 Vantagens da Comunicação Wireless
As redes wireless possuem inúmeras vantagens, as quais se podem citar:
Mobilidade: as redes wireless oferecem aos usuários acesso dos mais diversos pontos,
mesmo que estes estejam em movimento, sempre levando em conta o alcance das
antenas e frequências de rádio às quais estão dispostas;
Alcance: esta é uma grande vantagem em relação às redes cabeadas, já que as redes
sem fio conseguem fazer a transmissão de sinais em locais impróprios, onde seria
inviável a passagem de cabos para redes cabeadas;
Flexibilidade: a flexibilidade é uma enorme vantagem das redes wireless, pois estas
podem ser implantadas junto com outros tipos de redes existentes, oferecem também
um maior dinamismo aos equipamentos do chão de fábrica, além de serem facilmente
reconfiguradas e aptas a expansões;
Confiabilidade: um dos maiores valores da indústria é a confiabilidade da transmissão
de dados nos seus processos. As redes sem fio possuem essa característica que
também é encontrada nas redes cabeadas. No entanto, para este tipo de rede devem ser
analisados três fatores que influenciam a confiabilidade, que são a perda de
direcionamento do sinal, as interferências de radiofrequência e a energia transmitida.
Este tipo de serviço de análise necessita de mão de obra qualificada, o que gera um
grande custo, que vem a ser suprido com a diminuição aguda de falhas no sistema;
Economias na instalação e de escalabilidade: as redes sem fio possuem estas duas
grandes vantagens econômicas. Desde o momento em que são instaladas, as redes
wireless são economicamente viáveis, pois não contam com gastos com fiação e mão
de obra para a passagem dos cabos. Além disso, a rapidez com que a instalação é
realizada já torna uma economia no tempo dos projetos da empresa, uma vantagem já
que geralmente se trabalha com grande eficiência para que não haja perdas na
produção. Quanto à economia de escala, é muito mais fácil ampliar uma rede wireless
do que uma rede cabeada, devido ao fato das redes sem fio poderem ser ampliadas
apenas instalando novos escravos na rede que passarão a utilizar um mestre comum;
55
Menor custo de manutenção: o custo de manutenção é menor em relação às redes
cabeadas, dado o fato de que não há troca de cabos danificados e, portanto, ao se
realizar a manutenção de uma rede wireless, o custo com a mão de obra se torna
menor, pois o serviço demanda um menor tempo;
Maior imunidade a ruído: considerando o local da passagem dos cabos de uma rede
cabeada, geralmente a imunidade a ruído de uma rede sem fio é muito maior que uma
rede de cabos;
Monitoração do diagnóstico da confiabilidade do sinal: este tipo de monitoração do
sinal de rádio pode ser realizado por um software, que irá informar qualquer
anormalidade do sistema. Portanto, é preciso somente especificar os alarmes para que
o sistema possa funcionar com êxito.
4.2 Padronização das Redes Wireless Industriais
A padronização das redes wireless industriais apresenta-se como uma grande vantagem para
as indústrias. Através da padronização se consegue uma maior longevidade dos produtos e do
mercado, aumenta a concorrência de fornecedores que oferecem o mesmo produto, o que
implica em uma melhora do preço, possibilitando um aumento da credibilidade do mercado.
As redes wireless industriais possuem alguns padrões para a comunicação. Dentre os
principais estão o Zigbee (padrão IEEE 802.15.4), que foi citado anteriormente, o
WirelessHART e o padrão SP 100.11a, da International Society of Automation - ISA. Estes
dois últimos são novos padrões que estão em desenvolvimento e que estão cada vez mais
sendo utilizados nas indústrias de processo.
Vários são os pré-requisitos adotados na escolha de um protocolo de comunicação.
Geralmente são consideradas todas as necessidades dos usuários, as quais incluem: tipo dos
dados que serão transferidos, velocidade e alcance necessários na comunicação, o nível de
segurança desejado, preocupações com ruídos e interferências, compatibilidade e custo.
56
A principal característica que um protocolo de comunicação deve ter para ser aceito no meio
industrial é a capacidade de se comunicar com os protocolos usados nas áreas de Tecnologia
de Informação (TI) das indústrias. Os padrões dessas áreas geralmente são os IEEE e,
portanto, para que haja comunicação e interligação entre o chão de fábrica e a área de TI de
uma empresa, se faz necessário que os protocolos industriais tenham total poder de
comunicação com os protocolos IEEE.
4.2.1 WirelessHART
O WirelessHART™ é uma tecnologia que permite a comunicação sem fio em plantas de
automação de processos. Ela é construída através do conhecido e aprovado protocolo HART e
combina esta tecnologia com mecanismos para aumentar a confiabilidade e a aplicabilidade
da comunicação sem fio (MARQUES, 2010).
Segundo Riego (2009), os principais objetivos deste protocolo de comunicação são:
Garantir que as redes implementadas tenham baixo tempo de latência;
Definir aplicações e requisitos de gerenciamento de rede que sejam funcionais e que
permitam o aumento de escala;
Garantir robustez nas comunicações com presenças de interferências encontradas em
ambientes industriais;
Garantir a coexistência com outros protocolos de rede no mercado, assim como o
protocolo cabeado HART;
Garantir a interoperabilidade entre os dispositivos, para que dispositivos de diversos
fabricantes operem na mesma rede.
O WirelessHART adota uma arquitetura utilizando uma rede mesh ou estrela (Figura 4.1)
baseado no IEEE 802.15.4 (o mesmo utilizado pelo Zigbee) operando na faixa de 2,4 GHz. Os
rádios utilizam o método de DSSS ou salto de canais FHSS para uma comunicação segura e
57
confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando Time
Division Multiple Acess – TDMA (Tabela 4.1) (ALMEIDA, 2009).
Tabela 4.1 – Propriedades do protocolo WirelessHART.
Taxa de Transferência 250 kbps
Alcance Indeterminado1
Frequência ISM (2,4 GHz)
Modo de Transmissão FHSS
Controle de Tráfego Síncrono (TDMA)
Topologia Estrela/Mesh
Complexidade de Implementação Média
Número Máximo de Nós Não definido
Tempo Latente < 150 ms2
Bateria (consumo de energia) Baixo consumo2
Fonte: RIEGO, 2009.
1 Ponto a ponto até uns 200 m, alcance total da topologia indeterminado. 2 Depende do tipo de aplicação e da função do dispositivo.
58
Figura 4.1 - Topologias existentes para redes WirelessHART
Fonte: BONIFÁCIO; PANTONI; BRANDÃO, 2009.
4.2.2 Norma ISA SP 100.11a
De acordo com o comitê da ISA responsável pela norma SP100, há algumas classificações
para o wireless e uma dessas classificações está dividida em cinco classes, as quais
correspondem:
Classe 5: Monitoramento sem consequências imediatas para a operação;
Classe 4: Monitoramento com consequências de curto prazo para a operação;
Classe 3: Controle de loop aberto;
Classe 2: Loop fechado, controle supervisório;
Classe 1: Loop fechado, controle regulatório;
Classe 0: Ação de emergência.
59
Neste contexto, a norma ISA SP 100.11a foi desenvolvida, a qual possui diversos objetivos,
que serão apresentados.
De acordo com Riego (2009), os objetivos desta norma são:
Garantir que os dispositivos tenham um baixo consumo de energia;
Garantir que as redes implementadas tenham restrições ao tempo de latência;
Definir infraestrutura e interfaces, aplicações, segurança e requisitos de gerenciamento
de rede que sejam funcionais e que permitam aumento de escala, em todas as classes
de operação (1 a 5) definidas na norma;
Garantir robustez nas comunicações com presenças de interferências encontradas em
ambientes industriais;
Garantir a coexistência com outros protocolos de rede no mercado, como o
WirelessHART, o 802.11x entre outros protocolos cabeados ou não cabeados;
Garantir a interoperabilidade entre os dispositivos, para que dispositivos de diversos
fabricantes operem na mesma rede.
O protocolo ISA SP 100.11a possui diversas funções semelhantes com o protocolo
WirelessHART, no que se diz respeito ao gerenciamento do sistema, monitoramento da rede e
de seus dispositivos, configurações de comunicação, entre outros. No entanto, a principal
mudança com relação a este outro protocolo se trata da segurança, no qual o gerenciador de
segurança é inerente ao protocolo, diferente do WirelessHART, no qual o gerenciador de
segurança existe somente como políticas de seguranças contidas nas camadas de ligação,
transporte e de aplicação.
A arquitetura é proposta para intercomunicação dos dispositivos, onde está definido um
gateway responsável pelo gerenciamento dos dispositivos que se comunicam na rede sem fio.
Este gateway é responsável pelo acesso dos dispositivos aos sistemas de controle, podendo
interligar todos os dispositivos compatíveis com a norma ISA SP 100.11a. Os dispositivos
que comunicam-se através de Modbus, FOUNDATION Fieldbus, HART e Profibus serão
compatíveis com a norma da ISA SP 100.11a, como proposto pela definição inicial do ISA SP
100 (ALMEIDA, 2009).
60
Na tabela 4.2 estão listadas algumas características do protocolo ISA SP 100.11a.
Tabela 4.2 - Propriedades da tecnologia ISA SP 100.11a.
Taxa de Transferência 250 kbps
Alcance Indeterminado3
Frequência ISM (2,4 GHz)
Modo de Transmissão DSSS
Controle de Tráfego Síncrono (TDMA) / Assíncrono
(CSMA-CA)
Topologia Todas
Complexidade de Implementação Alta
Número Máximo de Nós Não definido
Tempo Latente 100 ms (máximo)4
Bateria (consumo de energia) Baixo consumo4
Fonte: RIEGO, 2009.
3 Ponto a ponto até uns 300 m, alcance total da topologia indeterminado. 4 Dependente do tipo de aplicação e da função do dispositivo.
61
4.3 Segurança das Redes Wireless Industriais
Segundo Tres e Becker (2009), assegurar e proteger a infraestrutura de TI e as redes de
comunicação são fundamentais em qualquer ramo de atividade nos dias de hoje. Esta
preocupação é ainda mais crítica em se tratando de automação industrial e suas redes de
controle.
A segurança de redes industriais é um ramo em expansão, o qual se preocupa em desenvolver
e aplicar técnicas capazes de tornar uma rede segura e, por consequência, assegurar também a
integridade de pessoas, processos e equipamentos. Ao se declarar segura, entende-se que a
rede está livre de danos, eminentes ou potenciais, que venham a ser causados na rede física ou
nos dispositivos (reais ou virtuais) a ela acoplados.
Projetar redes industriais seguras quando o uso de wireless é necessário é uma tarefa árdua,
uma vez que existem diversas restrições ao uso dos controles de segurança que são inerentes
ao ambiente de Tecnologia da Automação (TA) (AGUIAR; SOARES, 2010).
Apesar de serem recentes as discussões ao redor do tema de segurança das redes wireless em
ambiente industrial, na prática, muitas organizações já convivem com redes sem fio
suportando o processo em algum nível sem proteção eficiente. Em geral, a conexão de
segmentos de rede sem fio acrescenta novos riscos à segurança da informação do ambiente
como um todo, razão pela qual se torna necessária a concepção de mecanismos que garantam
que os segmentos sem fio, que são intrinsecamente inseguros, possam conviver com
segmentos seguros como as redes de controle cabeadas (AGUIAR; SOARES, 2010).
Com as necessidades atuais do mercado corporativo, exige-se das grandes organizações um
sistema mais seguro e estável e com menos acessos indevidos, sobretudo para se evitar
espionagem empresarial. Enquanto isso, muitos dispositivos ainda utilizam protocolos de
segurança fracos como o WEP (Wired Equivalent Privacy), que pode comprometer a
integridade e confiabilidade no tráfego das informações. Mas para tudo tem uma solução, ou,
pelo menos, uma proteção necessária para implementar controles aos equipamentos externos.
Implementar uma configuração adequada, por exemplo, criptografias de acesso maiores e
estáveis, monitoração dos acessos da rede sem fio entre outras formas, pode possibilitar às
organizações um ambiente mais seguro e estável nas redes sem fio (BOF, 2010).
62
Existem dois tipos distintos de segurança encontrados em uma indústria no que se diz respeito
a equipamentos e redes industriais: a segurança física e a segurança eletrônica. A primeira
entende-se como sendo a segurança dos equipamentos e instrumentos mecânicos. A segunda
trata-se da segurança da rede industrial.
De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser
considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade. A confidencialidade resume-
se em garantir a segurança da informação, fazendo com que esta não seja disponibilizada para
usuários não autorizados. A integridade garante o poder de modificação da informação apenas
para usuários autorizados, sendo assim, usuários não autorizados não conseguem modificar a
informação que está na rede. A disponibilidade oferece aos usuários autorizados, a liberdade
de sempre terem acessos às informações.
De acordo com Aguiar e Soares (2010), o projeto de redes wireless dentro do ambiente de
automação deve ser realizado por meio de princípios que envolvam melhores práticas de
segurança para o ambiente industrial. Zonas e conduítes são mecanismos interessantes para a
promoção da segurança em redes de automação, servindo como uma solução adequada para
promover a segmentação de forma a tratar os seguimentos wireless de maneira apropriada. O
uso de um Firewall como mecanismo de segregação das redes de TA é apenas o início de uma
estratégia de segmentação segura, já que estas são redes que agregam elementos com
características substancialmente diferentes, como as redes cabeadas e sem fio, e que
justificam o investimento em um projeto mais abrangente e bem planejado. Ao permitir a
definição de diferentes níveis de segurança, o conceito possibilita a convivência de segmentos
wireless com segmentos seguros de maneira controlada e fornece, portanto, uma alternativa
viável e robusta para promover a segurança da automação, não apenas em relação às ameaças
que podem vir do mundo externo com a internet, mas de ameaças que podem surgir dentro da
própria TA.
63
5 ESTUDO DE CASO: IMPLANTAÇÃO DE UMA REDE WIRELESS NO SISTEMA
DE AUTOMAÇÃO DE UMA MINERADORA
5.1 Considerações Iniciais
As reservas minerais da empresa Samarco Mineração S.A. situam-se no chamado Complexo
Alegria, localizado na Região Leste do Quadrilátero Ferrífero, Estado de Minas Gerais.
A lavra por correias transportadoras representa atualmente cerca de 70% da movimentação
total de minério de ferro. Seu custo operacional é menor do que o custo de lavra
convencional, já que esse método dispensa a utilização de caminhões, envolvendo assim uma
menor quantidade de equipamentos e permitindo que o consumo de diesel por tonelada de
minério movimentada diminua em relação à lavra convencional. Estas correias são instaladas
ao longo da mina e, dependendo da disponibilidade de minério para extração na mina, há a
mudança de localização destas correias transportadoras, para que estas atendam às novas
frentes de exploração.
Wireless em banda larga é a melhor solução para prover a comunicação em operações em
minas a céu aberto. Transferências de dados seguras e rápidas, voz sobre IP e vigilância por
tráfego de imagens são plenamente suportadas por uma simples plataforma de comunicação
wireless em ambientes agressivos (SANTOS JÚNIOR, 2008).
Além disso, as redes wireless são uma ótima opção para o caso de transporte de minério por
correias. Para que haja comunicação entre a rede de automação e estas correias
transportadoras faz-se necessário o uso de redes wireless, pois, conforme citado acima, as
correias transportadoras mudam sua localidade conforme as frentes de extração de minério.
Com isso, tem-se que mudar toda a estrutura de uma rede no caso de ela ser cabeada. Porém,
com a estrutura de rede wireless, não é necessário toda esta mudança, o que acarreta uma
continuidade na produção, sem perda de tempo e sem muitos gastos adicionais por troca de
cabos, entre outros fatores.
64
5.2 Objetivo do Projeto
Implantar uma rede wireless que realize a comunicação entre os CLPs e câmeras IP instalados
nas correias transportadoras e carregadores de minério da mina de Alegria com a rede de
automação da empresa.
5.3 Atividades para Implantação da Rede Wireless
Para todo projeto de redes wireless, é necessário que haja um estudo de alguns parâmetros do
projeto, para que se possa fazer a escolha correta dos equipamentos e serviços,
proporcionando a garantia do desempenho desejado. Sendo assim, é feito o que se chama de
site survey, que é uma atividade que procura simular uma situação real, onde serão feitos
levantamentos de dados, cálculos, medidas e testes. Para as redes wireless, esta atividade
equivale a definir toda a topologia de rede, como o número de access points, tipo e
comprimento dos cabos, a escolha da antena que mais equivale ao projeto e a configuração
total do sistema.
5.3.1 Determinação do Local de Instalação dos Equipamentos
Para a realização desta atividade, foi preciso realizar uma visita à mina de Alegria, onde com
a ajuda de um GPS, foi possível registrar a disposição atual de cada um dos dez
equipamentos. A partir disto, foi feito um mapa topográfico da mina, onde se puderam
encontrar os equipamentos (os dez pontos em vermelho que estão destacados na parte de cima
da figura 5.1).
65
Figura 5.1 - Mapa topográfico da mina de Alegria 6.
Por ser o ponto mais alto da mina, visível por quase toda a área e o único ponto fixo do
sistema, o ponto “Sotreq” foi escolhido como o ponto de referência, onde se instalará uma
antena base. A partir dos dados levantados, foi constatado que o ponto mais distante do ponto
Sotreq está a cerca de 780 m de distância (Figura 5.2).
66
Figura 5.2 – Distribuição dos pontos na área da mina.
Fonte: SANTOS JÚNIOR, 2008.
Com o objetivo de auditar e planejar os resultados operacionais de transmissão e recepção de
sinais foi realizado uma análise espectral, onde se pôde detectar muitos sinais na frequência
de 900 MHz e 2,4 GHz e um sinal com frequência central de 5,745 GHz.
5.3.2 O Ambiente e os Equipamentos
Nos projetos de implantação de redes wireless, faz-se necessário realizar um estudo citando
algumas considerações sobre o ambiente em que a rede será implantada e também sobre os
equipamentos necessários para que haja uma excelente comunicação nesta rede. Neste caso,
foram considerados alguns tópicos que são importantes para o desenvolvimento do projeto,
que estão citados abaixo:
Geralmente há muita neblina envolta da área da mina, por esta estar localizada a uma
altitude por volta dos 1200 m, sendo que a altitude máxima é de 1300 m e a mínima de
900 m;
A temperatura média anual fica na faixa de 22ºC;
67
A distância entre o local e a área residencial mais próxima ultrapassa os 30 km;
Os equipamentos devem possuir uma grande durabilidade, devido à mina ser a céu
aberto, o que sujeita estes equipamentos a muita poeira, calor, umidade, entre outros
aspectos naturais;
A área apresenta grande incidência de descarga atmosférica e também um enorme
índice pluviométrico;
De acordo com o que foi citado anteriormente, o sistema de rede sem fio deverá dar
cobertura à conexão para qualquer localização dos equipamentos, mesmo que não haja
linha de visada direta com a estação base. Isto se dá pelo fato de esses equipamentos
mudarem de posição com frequência, dependendo da frente da mina a ser explorada;
A distância entre um equipamento e o rádio central pode chegar a 2 km;
Os locais onde serão instalados os rádios centralizadores serão chamados de estações
bases (BS) e os demais locais onde estarão os outros equipamentos serão estações
assinantes (SS);
Cada equipamento conterá uma câmera IP e um CLP modelo SLC 5.05 da Rockwell
Automation com suporte à comunicação Ethernet de padrão 802.3.
5.4 A Escolha da Tecnologia
Um dos desafios de uma aplicação wireless é proporcionar a conexão em situações com linha
de visada (LOS – Line-Of-Sight), com linha de visada obstruída (OLOS – Obstructed Line-
Of-Sight) ou mesmo sem linha de visada (NLOS – Non-Line-Of-Sight). Em operação em
minas a céu aberto, todas essas situações podem ocorrer ao mesmo tempo, uma vez que a
topologia do terreno muda com frequência (SANTOS JÚNIOR, 2008).
Como os dados que irão trafegar nesta rede wireless são considerados dados críticos, por
serem dados trocados entre o sistema supervisório e os CLPs, é imprescindível que não haja
68
falhas de comunicação, já que este problema poderá acarretar na parada dos equipamentos e
consequentemente no atraso da produção.
Neste projeto, houve a escolha de um ponto para instalação da estação base (BS) acarretando
que a maioria das estações assinantes (SS) tenham visada direta para ela. Porém, como os
equipamentos sofrem mudanças constantes de localização, nem sempre se pode contar com
essa característica. Neste caso, quando há um obstáculo entre a BS e algumas SS, ocorre o
fenômeno chamado Multipath, que são reflexões de sinais por múltiplos caminhos (Figura
5.3). Sendo assim, o sinal sofre inúmeras reflexões, difrações e espalhamento, o que faz com
que causem muitos ecos do mesmo sinal que chegam aos receptores defasados no tempo.
Figura 5.3 - Efeito Multipath
Fonte: SANTOS JÚNIOR, 2008.
Como a tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Muitiplexing) consegue
solucionar o problema descrito acima, ela será utilizada neste projeto. Esta tecnologia é
suportada pelos padrões 802.11a e 802.11g (WiFi) e pelo padrão 802.16d (WiMAX).
69
Em ambientes com muitas reflexões de sinal, o foco de uma antena age como um filtro
espacial, o qual isola várias das potenciais reflexões. Neste caso, os sistemas em 5 GHz são
mais favoráveis do que os sistemas em frequências mais baixas, já que a largura de foco do
equipamento é menor (SANTOS JÚNIOR, 2008). Considerando o que foi descrito acima e a
análise espectral das frequências realizada no começo do projeto, foi escolhida a faixa de
frequência de 5 GHz para compor o projeto em questão.
Por esta frequência ser livre e disponível para WiMAX e para o padrão 802.11a (WiFi), se
pode utilizar estes dois tipos de padrões neste projeto. Neste caso, será feito um estudo pra ver
a viabilidade de cada um e, assim, saber qual é mais eficaz para tal projeto.
O throughput (taxa de transferência) total entre o sistema de automação, o CLP e a câmera IP
é de 2,5 Mbps (500 kbps de throughput da comunicação entre o CLP e o sistema de
automação e 2 Mbps da câmera IP). Com o intuito de garantir a efetividade da rede, será
adotado o throughput sinalizado de 6 Mbps para as estações assinantes, tendo o objetivo de
alcançar uma taxa de transmissão real de 4,6 Mbps superando a taxa especificada de 2,5
Mbps. No caso das estações base, o throughput mínimo deverá ser de 54 Mbps.
Ao se analisar as soluções de rede wireless com o padrão 802.16d e 802.11a, fica-se evidente
que o padrão WiMAX é superior ao padrão WiFi, O padrão 802.16d oferece alcance com
linha de visada (LOS) em 5.8 GHz entre 7 e 8 Km e sem linha de visada (NLOS) entre 3 e 4
Km. Já o padrão 802.11a tem como característica a distância máxima de alcance de 100
metros e não garante a conexão NLOS com toda a eficiência do padrão concorrente. Porém, o
projeto especifica uma distância de 2 Km. Neste caso, para realizar o projeto com o padrão
WiFi, seria necessário aumentar a potência irradiada e o ganho das antenas.
Sendo assim, no projeto WiFi faz-se necessário a instalação de mais uma estação base, que
ficaria na CV52 (ponto que se encontra mais centralizado na área da mina e com visada para o
ponto Sotreq), que faria comunicação ponto-multiponto com todas as SS da mina. Na CV52
seriam instalados dois rádios, o primeiro que serviria de estação base e outro fazendo
comunicação ponto-a-ponto com o rádio da Sotreq, com capacidade para operar a 54 Mbps,
por ser o backbone do sistema (rede principal pela qual os dados de todos os clientes passam).
As estações SS do sistema deveriam ser equipadas com antenas direcionais e ter capacidade
de transmissão de 3 Mbps. Em toda mudança de local das SS’s, teria que ser feito um estudo
para que houvesse a comunicação sem fio em todos os locais da mina, ou seja, teria que ser
70
escolhido um novo ponto central e testar sua conectividade com os demais locais. A
comunicação entre o sistema e a rede da automação seria feita com a instalação de outro rádio
na CV18, onde haveria a conexão com a rede central da empresa por meio de fibra ótica. Na
figura 5.4 se pode analisar a solução com o padrão 802.11a.
Figura 5.4 - Solução com padrão 802.11a.
Fonte: VALADARES, 2009.
Já no projeto WiMAX, não haveria problemas quanto a mudança de local das estações
remotas, já que este tipo de rede possui um ótimo alcance. Neste caso, a solução seria manter
uma BS com antena setorial instalada no ponto Sotreq e SS’s equipadas com antenas setoriais
direcionais com capacidade de transmissão mínima de 3 Mbps. Cada estação remota do
sistema deveria se conectar com a única BS do sistema. Mesmo sendo uma solução bem mais
simples que a solução WiFi, a solução WiMAX acarretaria um maior investimento, devido ao
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preço dos equipamentos serem bem mais elevados do que os da solução WiFi. Na figura 5.5 é
possível fazer análise do projeto com a solução com padrão 802.16d.
Figura 5.5 - Solução com padrão 802.16d.
Fonte: VALADARES, 2009.
5.5 Conclusão sobre o Projeto
Embora a solução WiMAX seja uma solução que demanda um maior investimento e ainda ser
um padrão novo utilizado pelas empresas, neste caso onde é necessário a comunicação entre
as correias transportadoras de minério, as câmeras IP e o sistema de automação da indústria
em questão, ele se mostra mais eficaz do que a solução WiFi. O principal motivo de o padrão
WiMAX ser mais equivalente a este processo é que, devido às estações remotas possuírem o
caráter nomádico (mudam suas posições com frequência), as vezes haveria dificuldades ao
tentar comunicar todas estas estações, levando a se fazer um rearranjo da rede wireless WiFi,
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o que acarretaria em uma perda de tempo e, consequentemente, uma perda da produção.
Devido a isto, a solução WiMAX é a apropriada para este sistema.
73
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a elaboração deste trabalho, foi possível perceber o grande avanço das redes wireless nas
indústrias. As aplicações destas redes estão em constante evolução e o uso de solução wireless
nos processos industriais já não é somente uma tendência. Com o grande desenvolvimento da
tecnologia e a facilidade de realização de estudos e testes, as redes wireless passaram a ter
enorme capacidade de ser a solução para inúmeras aplicações industriais.
Na automação de processos industriais, o emprego de redes sem fio acarreta uma maior
facilidade na continuidade dos processos, visto que suas principais características
proporcionam um grande desenvolvimento da produção, como a comodidade para mudanças
no ambiente de rede sem trazer prejuízos para o cronograma da empresa. Os padrões
industriais ainda estão em processo de desenvolvimento e vêm sendo aperfeiçoados a cada
momento. A segurança das redes wireless é um dos tópicos mais críticos a serem discutidos
na implantação de uma rede, devido à importância das informações que trafegam por esta. No
entanto, a dúvida de que as redes wireless não são seguras já é uma questão ultrapassada, já
que existem várias técnicas de segurança de redes sem fio desenvolvidas e estudos em
andamento para melhor servir as indústrias.
Com o estudo de caso realizado, foi possível evidenciar que a rede wireless é uma excelente
solução para empresas mineradoras. Mesmo que ainda não possuam preço acessível
dependendo do padrão utilizado na implantação da rede, o custo-benefício desta é sempre
superior às redes comuns, o que se torna um grande investimento a curto, médio e longo
prazo.
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