Edição 188 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 204 – 2015

¤ Cover Page

Redes sem fio ganham espaço em todas as tecnologias

Wi-Fi e Bluetooth estão tão presentes no nosso dia a dia que já nos sentimos seguros para utilizá-los sem maiores preocupações. Mas fazer a transposição dessa utilização pessoal para a profissional – quando o ambiente é industrial – ainda deixa muita gente ressabiada.

É claro que a liberdade e flexibilidade oferecida por comunicação sem fios tem um apelo muito grande. Haja vista a popularidade de celulares, controles remotos, etc. Na área industrial, o fator econômico tem um grande apelo: facilidade de instalação, economia de cabos, calhas, caixas de junção, etc. Mas o que realmente tem cativado o mercado é que a tecnologia descortinou um mundo novo de aplicações visando a segurança das pessoas e das plantas, aplicações que permitiram acesso a informações que antes era quase impossível obter e que permitiram acesso a áreas remotas ou perigosas sem que seja preciso enviar uma pessoa ao local. Não ter que mexer numa infraestrutura já existente para inserir pequenas ou grandes melhorias é outra vantagem muito grande.

A presença de redes de comunicação sem fio em plantas industriais tem crescido vertiginosamente. Segundo um levantamento da Frost & Sullivan – apresentado por seu diretor de automação industrial e controle de processos, Muthukumar Viswanathan, na Conferência de usuários da Yokokawa do ano passado – a taxa média de crescimento de redes de sensores wireless tem sido de 18%. Interessante notar que boa parte da base instalada consiste de aplicações que até então não eram implementadas com instrumentos convencionais.

Como bem coloca mestre Marcos Peluso, a boa notícia é que existem diversos tipos de soluções wireless para se escolher; a má notícia é que existem diversos tipos de soluções para se escolher. E é exatamente aí que surgem as dúvidas: qual ou quais escolher. Para simplificar, pode se considerar que existem dois tipos principais de redes sem fio: as redes de sensores e atuadores; e as redes de equipamentos com alta taxa de transmissão de dados. As duas podem e devem ser integradas, mas endereçam aplicações bem diferentes e, portanto, apresentam características diversas.

No primeiro grupo ficam os tradicionais tipos de transmissores de medição (pressão, vazão, temperatura, nível, pH, etc), medidores de vibração, corrosão, ultrasom, radiação em infravermelho, atuadores de diversos tipos; indicadores de posição de válvula, portas, etc. O que este grupo tem em comum é que os instrumentos são espalhados pela planta industrial, muitas vezes instalados em áreas com risco de explosão, atmosfera agressiva, vibração e temperaturas extremas. O volume de dados transmitidos por instrumentos deste grupo é pequeno, exigindo baixa taxa de transmissão de dados.

E, para honrar a flexibilidade de instalação proporcionada por comunicação sem fio, os instrumentos não devem necessitar de fios nem para alimentação. O ideal é que tenham sua própria fonte de energia.

Na maioria das aplicações a energia vem de baterias ou combinações de baterias com fontes alternativas como paineis solares, termopilhas, geradores que aproveitam vibração de máquinas, etc. Nesse caso, a baixa taxa de transmissão de dados permite que baterias durem por muitos anos.

No segundo grupo ficam instrumentos e componentes que requerem alta taxa de transmissão de dados: tablets para o operador móvel, câmeras de vídeo, analisadores, remotas para entrada e saída de dados, transmissão de voz, analisadores de espectro de som, etc. Estes instrumentos demandam mais energia e em geral, requerem alimentação externa. Ou podem ter suas baterias recarregadas frequentemente, como é o caso dos tablets.

Mestre Peluso lembra que a taxa de transmissão de dados é determinante para a escolha da tecnologia wireless a ser empregada e para o estabelecimento da arquitetura de rede a ser implantada. É mais ou menos como planejar transporte entre regi- ões de uma cidade ou entre cidades. O número de pistas de uma via deve ser planejado em função do número previsto de carros por minuto.

E é preciso considerar vias alternativas em caso de acidentes, enchentes, consertos, etc. Ainda que desejável, não é prático nem econômico levar uma via de seis pistas à cada residência. Ruas e avenidas são mais apropriadas para o trânsito local. O mesmo ocorre com redes wireless. Mesmo sendo desejável ter uma conexão com capacidade para alta taxa de transmissão de dados em cada dispositivo na planta, existem impedimentos de ordem técnica, econômica e prática para que isso seja possível.

Redes Wireless de sensores e atuadores

Sensores e atuadores, mesmo os mais sofisticados, utilizam baixa taxa de transmissão de dados. Isso vem a calhar para os instrumentos de campo, pois eles têm restrições quanto ao consumo de energia e também dependem de baterias – sem esquecer que o consumo de energia aumenta com a capacidade de transmissão de dados.

Algumas destas redes são baseadas em comunicação ponto a ponto, onde cada sensor ou atuador deve se comunicar diretamente com um Ponto de Acesso. Pontos de Acesso funcionam como interfaces entre as redes de baixa taxa de transmissão de dados com a de alta taxa de transmissão.

Como os instrumentos de campo estão distribuídos em áreas que podem ser comparadas com uma grande selva de metal, não é razoável esperar que um número razoável de instrumentos consiga comunicar diretamente com um Ponto de Acesso. Para solucionar o problema, são instalados muitos Pontos de Acesso. Como Pontos de Acesso necessitam muito mais energia, precisam ser alimentados pela rede elétrica. E se a rede de alta transmissão de dados for a cabo, serão necessários mais fios. A instalação se torna complexa, mais cara e menos flexível, reduzindo as vantagens de uma rede sem fios.

Além disso, o ambiente numa planta industrial é dinâmico: andaimes são construídos, máquinas e equipamentos mudam de lugar e reformas alteram o meio ambiente constantemente, alterando a confiabilidade das rotas de comunicação por rádio. Até mesmo condições climáticas podem provocar alterações. E plantas industriais têm muitos geradores de interferência eletro magnética.

Portanto não se pode confiar numa configuração estática das rotas de comunicação: aquilo que funciona hoje, pode não funcionar amanhã.

As redes MESH (Malha) evitam este problema. Cada instrumento pode utilizar outros instrumentos para repassar suas mensagens na eventualidade da rota programada estar indisponível ou não ter a estabilidade esperada.

Não confundir rede MESH Auto Organizada com rede MESH estática. Enquanto na primeira todos instrumentos podem repassar mensagens de outros e a rede é otimizada automaticamente durante todo o tempo, na segunda o usuário tem que configurar as conexões e reconfigurá-las se houver interferência por rádio frequência ou por obstáculos. E nem todos instrumentos podem repassar mensagens.

Tendo em vista as características do ambiente industrial, é de fundamental importância que as rotas de comunicação sejam configuradas automaticamente e periodicamente. Ninguém sabe melhor o que está acontecendo na rede do que o software gerenciador da mesma.

Na rede MESH Auto Organizada, quando a comunicação direta com o Ponto de Acesso não é possível ou tem baixa confiabilidade, a mensagem é encaminhada para os dois melhores vizinhos, que podem então encaminhá-la para o ponto de acesso. Bons vizinhos são aqueles que oferecem o maior nível de confiabilidade e de estabilidade para a comunicação. E como dito anteriormente, este relacionamento não é estático. Se outro vizinho oferecer melhores condições de comunicação, ele se tornará parte do caminho preferencial. Desta maneira, os pontos de acesso podem comunicar com um número relativamente grande de instrumentos, constituindo uma sub rede de sensores e atuadores. Numa mesma área, várias sub redes podem coexistir sem afetar a confiabilidade de comunicação. É possível também instalar pontos de acesso redundantes.

O mercado oferece vários tipos de comunicação sem fio para redes de sensores e atuadores. Alguns utilizam tecnologia proprietária, o que limita em muito a disponibilidade de produtos, e outros utilizam tecnologia estabelecida por normas internacionais, o que permite interoperabilidade entre equipamentos de diversos fabricantes.

Outra diferença importante está entre os rádios que trabalham com frêquencia e potência que requerem licença especial de órgãos reguladores, como a Anatel, e os que utilizam frequências liberadas para o uso em instrumentos médicos e industriais. Ambos precisam ser licenciados e registrados pelo órgão regulador, mas os que utilizam as frequências liberadas têm menor custo, menos limitações de uso, menos burocracia e aplicação em praticamente todas as partes do mundo

A maioria destas redes de sensores e atuadores utilizam rádios baseados no padrão IEEE 802.15.4 , frequência de transmissão em 2.4 GHz com 16 canais - WirelessHART, ISA S100a e ZigBee utilizam rádios baseados nesta norma. Como o canal 16 não é permitido em alguns países, WirelessHART trabalha apenas com 15 canais.

Algumas redes trabalham com frequência fixa, outras utilizam saltos de frequência pseudo aleatórios. Neste processo, se uma determinada frequência sofre interferência, a mensagem é transmitida em outra frequência. Somente o transmissor e o receptor conhecem a sequência de salto de frequências, evitando também que pessoas mal intencionadas escutem ou interfiram com as mensagens.

WirelessHART, por exemplo, utiliza salto de canais de frequência e também diversidade de janelas de tempo. A mesma mensagem pode ser enviada em outros canais de frequência e em outras janelas de tempo, driblando interferências e malfeitores.

Os protocolos de comunicação destas redes de sensores são diferentes uns dos outros, mas todos têm uma preocupação muito grande com a integridade dos dados, confirmação de recebimento de mensagens enviadas e segurança. Mensagens são criptografadas, autenticadas, verificadas, tudo em um ambiente muito seguro.

No WirelessHART, todos os passos da comunicação ocorrem em janelas de tempo e de frequência pré determinados, podendo ocorrer simultaneamente sem perigo de colisão. Se houver interferência, a mensagem é repetida em outro canal e em outra janela de tempo. Como nas redes de campo, o volume de dados enviados por cada instrumento é relativamente pequeno e controlado, o cabeçalho das mensagens é bem mais curto do que os usados nas mensagens enviadas pela internet.

Mensagens mais curtas permitem que a rede tenha maior banda de transmissão de dados. Mesmo assim, é importante dimensionar a rede para que de vazão aos dados desejados. Esta vazão é calculada a partir do número de instrumentos na rede e da taxa de transmissão desejada para cada instrumento.

Pode-se aliviar o tráfego de dados trabalhando com taxas de transmissão mais realistas. Por exemplo: medições de temperatura não necessitam a mesma velocidade de atualização do que pressão. Instrumentos utilizados para controle podem necessitar atualizações mais rápidas do que os utilizados para monitoração.

Na realidade, a maior parte das redes trabalha bem abaixo do limite máximo porque usuários preferem alocar um número menor de instrumentos por Ponto de Acesso do que o limite estabelecido pelo fornecedor.

Alguns fornecedores oferecem ferramentas que permitem fácil planejamento e avaliação de carga da rede. Como tudo em engenharia, não é aconselhavel trabalhar muito perto do limite, mas sempre deixar uma margem de segurança para expansões.

Já as redes com alta taxa de transmissão de dados são utilizadas para repassar as mensagens das redes de instrumentos de campo coletadas pelos pontos de acesso, mas também permitem transmitir comunicação por voz e imagem, dados para tablets de operadores móveis, informação de instrumentos com grandes blocos de dados como analisadores, remotas, PLCs, etc.

Existem redes totalmente proprietárias para este propósito, mas a maioria do mercado utiliza tecnologia baseada em Ethernet. O meio físico pode ser fios de cobre, fibra óptica ou rádio (como Wi-Fi). As mensagens numa rede Ethernet requerem um cabeçalho muito grande quando comparado com os das redes de campo. Para otimizar a banda de transmissão, os elementos desta rede procuram “empacotar” muitos dados em uma mesma mensagem. Os Pontos de Acesso, por exemplo, combinam as mensagens de vários instrumentos. Numa rede Ethernet, qualquer elemento pode acessar a rede a qualquer momento. Não existe um cronograma como o utilizado em algumas redes de campo.

Quando há uma colisão, os participantes da colisão retransmitem as suas mensagens depois de um curto tempo de duração aleatória para minimizar a chance de uma nova colisão.

Com isso, a eficiência da rede diminui bastante quando o número de participantes aumenta. Existem várias maneiras de minimizar este efeito. O uso de chaves controladoras de tráfego é uma delas. E este tipo de rede estabelece uma priorização de mensagens; a transmissão de dados de medição tem prioridade sobre envio de e-mail, por exemplo.

Estas redes são estruturadas de acordo com a norma IEEE 802.11 (lembrando que as redes de campo usam IEEE 802.15). Mas existem várias nuances de 802.11: os tipos a, b, g, n e tem mais a caminho!

A Ethernet pode utilizar o protocolo TCP, que trabalha com conexões, sendo mais confiavel, e UDP, protocolos sem conexão - onde o remetente vai transmitir um pacote após o outro, sem se preocupar com o êxito das transmissões. Como redes deste tipo podem não funcionar com salto de frequência, é preciso avaliar com muito cuidado o efeito de interferências, que podem corromper pacotes em trânsito, limitando a eficiência de toda a rede.

Também é preciso dimensionar a quantidade de Pontos de Acesso para que a rede permita que todos trabalhem dentro de uma banda de transmissão razoável. As redes Ethernet sem fio coexistem com as redes de campo sem problemas, mas se elas trabalharem em 5 GHz, a chance de interferência por transmissões em 2.4 MHz é reduzida drasticamente.

Enquanto as redes de campo oferecem mais liberdade e flexibilidade para instalação dos instrumentos, a localização dos dispositivos wireless Ethernet precisa ser planejada com mais cuidado. Ao utilizar mais do que um ponto de acesso é importante identificar os canais que serão utilizados em cada ponto e evitar o uso de um mesmo canal como um ponto de acesso adjacente. Na faixa de 2,4 GHz apenas três canais não se sobrepõem (1, 6 e 11). Ao usar a faixa de 5 GHz, os canais não se sobrepõem se usada largura de 20 MHz (HT20); se o ponto de acesso está usando 802.11n com 40 MHz (HT40), é preciso balancear os pontos de acesso a cada dois canais para evitar sobreposições.

Embora uma avaliação previa do local seja útil, na maioria das vezes ela não se dá conta dos obstáculos em movimento, equipamentos que acabam gerando interferência eletro magnética, etc. Então, é preciso trabalhar com ferramentas especiais para medir os níveis de sinal para criar um mapa de calor e interferências para identificar áreas problemáticas; na ausência dessas ferramentas, o plano deve prever de 15 a 20 por cento de sobreposição.

Note: A distância máxima não é função da tecnologia, mas da frequência da banda. Quanto maior a banda, pior a cobertura (868/900MHz possui maior cobertura que 2.4GHz).
Bluetooth e qualquer tecnologia baseada na 802.15.4 tem a mesma cobertura desde que trabalhem em 2.4GHz. A diferença está na quantidade de energia que pode ser colocada (regulado nas Américas e Europa em 100 miliWatts). De maneira geral, o Wi-Fi dispende 100 mW enquanto o Bluetooth e o ZigBee dispendem 10mW. A energia para o WiHart é variável e controlada pela central para otimizar as comunicações (sempre limitada a 10mW) de tal forma que um instrumento perto de outro “apenas sussurre, e não grite”.
(6) Qualquer um com selo da IEEE 802 é um sinal standard
Todas as tecnologias baseadas na 802.15.4 dão uma taxa aproximada de 250kilobytes/s. A taxa real é menor para todas as tecnologias. Por exemplo, para 802.11b, é 2Mb/s – depois de removidas redundâncias e cabeçários – enquanto para o ZigBee é perto de 64 kb/s.
Todas as redes em estrela por defi nição não são auto confi guráveis ou auto organizáveis, apenas empreendem sempre o esforço de se reconectar quando passam por problemas, mas esse reconectar não infl uencia negativamente o serviço.
O WirelessHart é o único que garante QoS – qualidade of service. Todos os outros são baseados em algoritmos de “melhor esforço”.
* Precisamos ter cuidado quando falamos de corrente de transmissão e mesmo de corrente de stand-by. Diferentes chipsets que endereçam o mesmo standard têm diferentes consumos de corrente além do que, para o mesmo chipset, duas diferentes implementações do circuito podem ter consumos completamente diferentes – design defi citário gera vazamento de corrente por exemplo.
O comprimento da antena é também uma função da frequência de banda - quanto maior a frequência de banda menor o comprimento da antena. As medidas para WiFi, Bluetooth,
Zigbee e WirelessHart devem ser as mesmas se operando em 2.4GHz.O formato e altura variam de acordo com o instrumento

Pensar na infraestrutura wireless para toda a planta engloba mais do que simplesmente escolher um produto. É importante selecionar uma tecnologia que é suportada por normas internacionais e por fornecedores com experiência e tradição na área industrial e que ofereçam uma ampla linha de produtos. É preciso também verificar como os dados fornecidos pelas redes wireless serão integrados nos sistemas de controle, de gerenciamento de ativos, etc. E que ofereçam compatibilidade com produtos de novas gerações.

É muito comum a afirmação simplista de que um determinado instrumento suporta Ethernet. Mas Ethernet só se ocupa com a transferência dos dados. Existem dezenas de protocolos que governam o formato e a maneira como os dados devem ser transferidos. Só na área industrial temos Modbus TCP, Profinet, HART IP, Industrial Ethernet, etc. E cada sistema de controle tem seu próprio protocolo proprietário baseado em Ethernet.

Para que seja possível integrar redes wireless com os sistemas existentes, é importante que os Pontos de Acesso ou Gateways suportem um ou mais destes protocolos. Deve-se lembrar que a base instalada pode ter muita dificuldade em absorver novos protocolos.

Soluções que criem uma ponte entre TI e Automação evitam uma série de problemas durante a implantação do sistema e sua manutenção mais tarde.

Como mencionado, a rede de alta velocidade pode ser com fios, fibra ótica ou Wi-Fi. É claro que esta última é muito mais fácil de instalar e de adicionar elementos. Um exemplo simplificado: imagine uma rede de alta velocidade espalhada por toda a planta interligando remotas e cada remota acessando uma série de dispositivos. Agora remova todos fios e considere que os equipamentos de campo sejam dispositivos móveis ou transmissores sem fio: isso é a solução WPN.

Os avanços tecnológicos contribuem para melhorar o desempenho operacional da planta e muitos benefícios têm vindo dos chamados dispositivos inteligentes, que incluem diagnósticos avançados como a saúde do próprio dispositivo e, em muitos casos, a saúde do processo ao qual o dispositivo está ligado, mas também incluem diagnósticos que detectam saúde de equipamento, instabilidade, perda de sinal, desgaste de rolamentos do motor, gás, desgaste de placas de orifício, vazamentos etc.

Boa parte dos instrumentos wireless utiliza exatamente a mesma tecnologia de medição e atuação utilizadas pelos instrumentos com fios, mas foram lançados com muito sucesso instrumentos inovadores, que oferecem soluções práticas e econômicas para monitoração de máquinas e equipamentos. A facilidade de instalação e o baixo custo desta nova geração de produtos inovadores criou o conceito chamado de “Pervasive Sensing”, que poderia ser traduzido como introdução de sensores em novas aplicações.

As tecnologias para redes de campo que têm maior suporte dos maiores fornecedores de instrumentos de campo e sistemas de controle são WirelessHART e ISA100a. Ainda que ambos sejam baseados na mesma norma IEEE802.15.4, operando na mesma faixa de radio em 2.4 GHz ISM (para instrumentos médicos e industriais), existem diferenças no protocolo, na implementação e na oferta de produtos. E o usuário tem que aguentar prolongadas discussões sobre detalhes sobre as “grandes” vantagens de um protocolo sobre o outro. Nestas discussões, os fornecedores costumam mostrar o que existe nas normas, mas não mencionam que existem muitos requisitos opcionais e que nem todos fabricantes estão dispostos a implementar tudo o que está escrito. Como já aconteceu na área industrial e de bens de consumo, a oferta de produtos, facilidade de uso, suporte de fornecedores é que acabam determinando a adoção.

O WirelessHART foi criado pela Fundação Hart, que congrega praticamente todos os fornecedores de instrumentos e sistemas para controle industrial. Ainda que receba o nome Hart e utilize comandos Hart para acessar os instrumentos, o protocolo de comunicação do WirelessHART é extremamente sofisticado, rá- pido, eficiente e seguro, com alto nível de confiabilidade.

A utilização dos tradicionais comandos Hart permite uma integração mais fácil com a base instalada e o uso das ferramentas usadas com o Hart tradicional para manutenção de instrumentos. Adaptadores WirelessHART, oferecidos por vários fornecedores permitem o acesso através de WirelessHART a diagnósticos em instrumentos instalados há mais de 20 anos!

O Hart existe desde 1988 e foi criado justamente para que todos instrumentos de fabricantes diferentes pudessem ser configurados com o mesmo protocolo e as mesmas ferramentas. Foi uma ideia brilhante, pois permitia que a informação digital fosse embutida no sinal de 4-20 mA.

A Controle & Instrumentação perguntou a Bob Karschnia, vice presidente para Wireless da Emerson Process Management: Wireless, I 2oT, IPv6... devemos nos preocupar?

“O Gateway Smart Wireless WirelessHART da Emerson será compatível com IPv6 quando os clientes estiverem prontos para isso. Hoje o IPv4 é dominante no mercado e um número muito pequeno de clientes já está usando o IPv6. O mundo inteiro, há anos reconhece o esgotamento dos endereços IPv4, mas uma vez que a maior parte dos dispositivos industriais está em redes privadas, este não é um problema imediato. Pense na sua casa: todos os IPs são privados (192.168.1.x) e o mesmo endereço pode ser reutilizado - sua casa - porque os nossos roteadores têm um endereço público e a tradução ocorre dentro dele.

Seis anos atrás, o tráfego IPv6 era de apenas 0,0026%, a 117Mbps de 4.5Tbps total de tráfego – ainda que a ciência de contagem de tráfego IPv6 não fosse tão desenvolvida como é hoje, de modo que pode ter havido uma subestimação. Mas, no quarto trimestre de 2013, o tráfego total foi 58Tbps. Em 2014, o tráfego do Ipv6 era de 0,6% o que não é muito, ainda que esse tráfego tenha crescido.

O Smart Wireless da Emerson é projetado para a indústria com foco em tecnologia líder em segurança, eficiência e configuração de rede, independentemente de utilizar IPv4, IPv6 ou qualquer protocolo de dados.

Com o uso de HART-IP, os clientes conversam com os dispositivos via TCP / IP.

A internet industrial das coisas (I2oT) não só gira em torno de protocolos, também tem um foco primário em dispositivos inteligentes que impulsionam melhorias na segurança, confiabilidade, segurança e produtividade. Flexibilidade e complicação não combinam! O Smart Wireless com WiHart traz flexibilidade e facilidade de uso para cada cliente com o maior número de dispositivos WirelessHART no mercado, verdadeiramente plug and play, simples de ser instalado e funcionando em poucos minutos. A flexibilidade da tecnologia de rede Smart Wireless da Emerson permite aos nossos clientes 99,9% de confiabilidade no tráfego de dados ida e volta do campo para a sala de controle. A IoT de fato vai transformar as empresas em todo o globo. A estratégia Pervasive Sensing da Emerson está inserida nessa transformação pela união de pessoas, dados e tecnologia para melhorar a produtividade, eficiência e operações no mercado de automação de processos”.

A Cisco - líder nos mercados em que atua e um player com 30 anos no mercado de redes IP - atua diretamente no processo de posicionamento de suas soluções e na geração de demanda de mercado. Mas não faz venda direta e sim através de canais de distribuição: possui um ecossistema de distribuidores e partners tradicionais de TI e partners especiais de IoT, como empresas de automação como Emerson, Rockwell, Honeywell e ABB.

“Justamente por não atuar com vendas diretas, ela acaba atraindo diversos parceiros que aderem ao modelo sem se sentirem ameaçados”, afirma Severiano Macedo Junior, gerente de Desenvolvimento de Negócios de IoT da Cisco para a América Latina.

O executivo conta que a linha de APs outdoor, que suportam os padrões ISA100 e WiHart, foi um desenvolvimento que surgiu de uma demanda natural do setor industrial, onde as redes Ethernet IP vêm avançando rapidamente, principalmente as redes wireless que dependem menos de infraestrutura e podem ser instaladas com rapidez.

Severiano explica que as tecnologias que a Cisco elege para os equipamentos vêm da demanda do mercado de automação industrial. “Estas tecnologias já estão ativas nas redes industriais há algum tempo, porém eram conectados por redes paralelas, através de equipamentos distintos que geravam interferências uns nos outros. O que a Cisco fez foi incorporar em um único equipamento todas estas tecnologias e garantir uma orquestração da comunicação entre todos os elementos wireless industriais”.

A Cisco possui controladores remotas que fazem a gestão das redes wireless, definindo e comutando dinamicamente os canais de comunicação de cada AP da rede industrial. Controla também a potência de cada um destes elementos da rede em função da demanda de trafego e nível de ruído/interferência.

“Atuamos no sentido de aconselhar nossos clientes a integrar as redes de comunicação em uma única rede IP que seja mais robusta, confiável e segura que todas as demais juntas. Esta padronização e integração se justifica devido à sensível redução de custos operacionais, como também pela simplicidade de gestão e aumento de eficiência operacional”, pontua Severiano.

No WirelessHart, as comunicações são precisamente programadas com base em Time Division Multiple Access (TDMA) e empregam um esquema de salto de canal e Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Esta combinação permite alta confiabilidade, robustez e segurança para as mensagens.

Todos instrumentos têm a capacidade de transmitir mensagens de seus vizinhos, se necessário. O software de gerência de rede verifica continuamente as condições de comunicação. Ele sabe qual é a confiabilidade e estabilidade de cada conexão entre os dispositivos da rede. Em função disso, cria e revisa periodicamente um mapa de rotas principais e alternativas entre os elementos da rede.

A preferência é sempre comunicar diretamente com o Ponto de Acesso, mas se houver qualquer tipo de problema, a rota alternativa é utilizada. Importante notar que a retransmissão de sinal tem pouquíssimo ou nenhum efeito na vida da bateria do instrumento usado para retransmitir a mensagem. Ele pode combinar sua própria mensagem com a do vizinho. Mas mesmo quando ele retransmite separadamente, a quantidade de energia utilizada é muito pequena se comparada com a que usa para transmitir sua própria informação.

Isso ocorre porque o grande consumo de energia ocorre no processo de medição ou atuação. Um transmissor de temperatura, por exemplo, precisa circular corrente por um RTD para fazer a leitura. Ainda que pequena, esta corrente é aquela necessária para calcular a medição: é centenas de vezes maior do que a dispendida para transmitir uma mensagem.

Para permitir que os comandos Hart possam ser transmitidos sem problemas por redes Ethernet, foi criado o protocolo HART IP, que como Modbus TCP, Profinet etc, usa a Ethernet como meio para passar dados nos formatos já conhecidos pela indústria. Mas para os sistemas instalados que ainda não suportam HART IP, os fornecedores de WirelessHART suportam em seus Pontos de Acesso ou Gateways Modbus TCP, OPC, Profinet, Industrial Ethernet, além de Modbus serial, Profibus DP e Fieldbus. Já o ISA100.11a foi desenvolvido pela Sociedade Internacional de Automação (ISA) e quer suportar muitas necessidades diferentes numa planta industrial, incluindo a automação de processos, automação industrial e RFID. ISA100.11a define funções de pilha de protocolo, gerenciamento de sistemas e segurança para uso em baixo consumo de energia. Não especifica uma camada de aplicação do protocolo de automação de processos ou uma interface para um protocolo existente. É apenas uma ferramenta para a construção de uma interface.

Ela define um protocolo de rede de campo similar ao WirelesssHART. A diferença mais notável é que os produtos disponíveis quando suportam MESH, só permitem MESH estática. Como em WirelessHART, a conexão direta entre o instrumento e Ponto de Acesso é a preferida. E nem todos instrumentos têm capacidade de retransmitir mensagens de outros; apenas os instrumentos roteadores têm esta capacidade.

Existem detalhes como o uso de janelas de tempo configuráveis, que no WirelessHART são fixas; ou a possibilidade de usar endereço IP nos instrumentos de campo, que parece interessante, mas cuja praticidade abre uma discussão infindável de segurança.

Como a especificação do rádio utilizado em ambas as tecnologias é praticamente a mesma (IEEE 802.15.4), o consumo de energia para transmissão de dados é muito pequeno. A grande diferença de consumo de energia está na implementação do circuito de medição ou atuação. Para um mesmo tipo de medição, maior precisão pode requerer um pouco mais de energia. E diferentes tipos de medição requerem diferentes níveis de energia.

Boa notícia é que a vida de baterias tem aumentado constantemente. O mercado de bens de consumo tem pressionado fabricantes para desenvolver baterias com mais alta densidade de energia, ou seja, menores, com maior capacidade de armazenamento e vida útil mais longa.

Interessante notar que vários fornecedores de instrumentos WirelessHART e ISA 100a utilizam baterias de um mesmo fabricante. Estas baterias não são aquelas que se encontram em supermercados: elas têm que ser estáveis em temperaturas que vão de -50oC a 85 oC e durar até 10 anos. Como boa parte dos instrumentos de campo são instalados em áreas classificadas, a troca de baterias pode não ser tão simples como parece. Por isso, é preferível que elas venham em forma de um pacote estanque e que tenha capacidade de limitar a potência disponível nos terminais.

A visão do cliente

Com o Projeto Quarta Pelotização – P4P –, construção da quarta Usina de Pelotização, do terceiro Concentrador e de um novo Mineroduto de 400 Km, transportando o mineiro de ferro de Minas Gerais ao Espírito Santo, a Samarco ampliou sua capacidade produtiva de 22,25 milhões de toneladas para 30,5 milhões de toneladas de pelotas de minério por ano, com investimentos de R$ 6,4 bilhões.

Também foram realizadas melhorias no Terminal Portuário de Ubu, com a instalação de um novo carregador de navios, permitindo o aumento da sua capacidade de embarque de 23 milhões de toneladas/ano para 33,5 milhões de toneladas/ano, com investimento de R$ 127 milhões para estocagem e embarque.

Os avanços tecnológicos do P4P focam o melhoramento dos processos, que passam, por exemplo, pela diminuição do número de equipamentos na Pelotização; pela redução do consumo de água; e pela máxima eliminação das emissões atmosféricas e dos ruídos dos equipamentos.

Ao longo de 2013, os investimentos em projetos de ecoeficiência e inovação da Samarco somaram R$ 5,3 milhões. Em 2014, cerca de R$ 21,8 milhões em investimentos foram alocados na continuidade de estudos para futuros projetos de capital e para 2015 a estimativa é de um investimento de mais R$ 25 milhões.

Com relação ao sistema de automação, as usinas 3 e 4 utilizam o sistema DeltaV, da Emerson Process.

As usinas 1 e 2, mais antigas, trabalham com DCS Bailey desde 1993 e também com 800Xa da ABB. As quatro usinas (1, 2, 3, 4) estão interligadas um uma sala de controle geral, e se comunicam entre si através do sistema de automação. As informações são interligadas ao sistema PIMs, responsável pela coleta de dados de processo e consolidadas através do sistema MES.

A quarta usina de Pelotização da Samarco, localizada no site de Ubu/ES, utiliza instrumentação wireless para medições de temperatura ao longo do seu forno de grelha móvel. “A utilização de instrumentação wireless é mais interessante em relação a custo e tem se mostrado bastante robusta e confiável”, afirma Paulo Correa, especialista de automação da Samarco.

Além da instrumentação wireless a quarta usina utiliza instrumentos em Fieldbus Foundation.

Paulo conta que a todos os sinais discretos e a instrumentação são interligados ao sistema de automação através de redes industriais. “Quando montamos as nossas primeiras redes, tivemos alguns problemas, principalmente na conectorização e no aterramento, que foram corrigidos nos projetos futuros, através do estabelecimento de critérios para elaboração do projeto e montagem das redes de campo. Para o projeto P4P não tivemos histórico de problemas”.

Para quem está trabalhando com redes industriais, Paulo destaca que fundamental definir critérios para a construção das redes, não se pode passar os cabos por qualquer encaminhamento, deve-se separar a parte de potência, dimensionar as redes: para não ficarem grandes demais e se houver redundância de instrumentos, preferencialmente devem ficar em redes diferentes. “São detalhes que precisam ser bem avaliados. No wireless também é preciso cuidado e critérios, muito menos que nas redes cabeadas mas é preciso atenção. E os cuidados valem não apenas na hora do projeto, mas também na constru- ção. É preciso acompanhar a montagem, para evitar que o realizado fique diferente do projetado”.

As principais diferenças entre WirelessHart (IEC62591-1) e ISA100.11a-2011 estão relacionadas com as diferenças entre os objetivos de cada padrão: o WiHart foi concebido para abordar confiabilidade, segurança, ajuste apropriado para ambientes industriais, interoperabilidade rigorosa e suporte para classes de aplicação de 1 a 5. Os fornecedores deste tipo de tecnologia procuraram implementar produtos que fossem bem fáceis de instalar, comissionar e operar; ISA100.11a procura abranger comunicação na área de controle de processos e automação da manufatura e permitir que os instrumentos de campo possam ser endereçados com endereços IP. É claro que também objetiva confiabilidade, segurança, etc.

Há porém um dispositivo que serve a ambos, um gateway da Cisco, que traz em si várias tecnologias – ainda em fase de homologação por aqui.

Melhorias na Confi abilidade sem fio

O maior impedimento para o uso de wireless na indústria é a sua confiabilidade. O uso do protocolo paralelo de redundância aborda diretamente essas preocupações e está levando alguns a reavaliar as suas opiniões. Será que vai funcionar no seu ambiente barulhento?

Será que vai ser robusto o suficiente para garantir que seus dados cheguem ao seu destino? Será que vai funcionar em ambiente com muito ruído elétrico? E quanto a estabilidade? Será que isso vai “pegar” ou é só uma moda passageira?

O fato é que os que adotaram a tecnologia para resolver problemas até então quase impossíveis de resolver com comunicação convencional, notaram com satisfação que a tecnologia é confiável e que o uso de pontos de acesso redundantes elimina boa parte das preocupações.

E o desempenho dos instrumentos de campo excedeu as expectativas mais pessimistas. Daí passaram a utilizar wireless para várias outras aplicações. É fascinante acompanhar a criatividade de usuários para descobrir novos tipos de aplicações ou sugerir a criação de novos tipos de instrumentos.

Na área da rede Wi-Fi, existem muitas técnicas e guias para ajudar mas não há uma solução integrada, testada para alcançar zero de falhas. O Protocolo de Redundância Paralela (PRP) pode ser uma solução.

O PRP tem suas raízes nas redes cabeadas Ethernet, onde foram estabelecidas há muito tempo técnicas de redundância para garantir que as redes continuassem a funcionar sem problemas, mesmo se as conexões individuais falhassem. Estas técnicas envolvem frequentemente o PRP, de acordo com a norma IEC 62439 e o resultado é redundância perfeita com comutação sem demora e sem perdas.

Para atingir esse nível de comunicação ininterrupta, normalmente se utilizam caixas de redundâncias que transmitem os pacotes de dados simultaneamente por dois caminhos diferentes. Antes que os pacotes duplicados sejam entregues, os fluxos paralelos são fundidos e os pacotes duplicados removidos então, se um caminho falhar, outro será usado.

O impacto do PRP é ainda mais significativo porque além de prometer zerar as falhas também promete compensar as perturbações de pequena escala. Além disso, jitter e latência também têm melhorias. Com base nos ganhos do PRP padronizado, desenvolvimentos adicionais surgiram. Em muitos países, os provedores podem transmitir em várias frequências como a 2.4 GHz e a 5 GHz. Cada banda tem diferentes benefícios e, por sua vez, diferentes deficiências. Ao adicionar diversidade de frequência aumenta-se o nível de segurança na entrega dos dados. Isso porque o que poderia normalmente causar a degradação do sinal em uma frequência é altamente improvável de causar interferência no outro.

A Belden, por exemplo, aumenta a praticidade e retorno financeiro de aplicações wireless integrando PRP diretamente em pontos de acesso sem fio. Isto significa que, em muitos projetos não há mais a necessidade de uma caixa de redundância para gerenciar a duplicação de pacotes e fusão. Além disso, o PRP pode ser utilizado em projetos de rede cabeadas ou wireless ou hí- bridos para aumentar o alcance e escopo de possíveis soluções.