Edição 227 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 227 – 2017

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Wireless já

Você tem conhecimento para aproveitar os benefícios da tecnologia wireless e do acesso remoto? Porque agora é uma questão de “quando” e não de “se” o uso de tecnologias wireless nos mais diversos processos – o que não significa que todos os engenheiros e operadores estão prontos para aceitar essas tecnologias e utilizá-las da melhor forma. É preciso conhecimento e perspectiva para aproveitá-las. E é necessário considerar as expectativas. Porque os equipamentos inteligentes wireless já são bem rápidos e confiáveis, mas muitos usuários esperam que eles funcionem como os que trabalham cabeados – o que não é o caso porque sempre vai existir um fator de latência em um sistema wireless que não existe para os cabos e é fundamental que o projeto da rede leve isso em consideração. Porque problemas vão aparecer quando a latência não for considerada, gerando dificuldades para iniciar o sistema. Os fabricantes geralmente orientam os usuários sobre o que esperar em relação à latência e os engenheiros que projetam os sistemas precisam determinar se essa latência é aceitável ou não.

Normalmente, elas não são muito grandes, mas precisam ser discutidas.

Vale lembrar que para uma rede sem fio não há uma tecnologia ou dispositivo que corresponda a todas as aplicações porque os produtos são criados para aplicações em determinada largura de banda, conexões de usuário único ou multi-usuário, ponto-a-ponto, multiponto, etc.

Então, para se familiarizar com o que está disponível, o melhor é discutir aplicações com o fornecedor, integrador ou revendedor. Eles também podem ajudar com o design do sistema, os serviços de pré-instalação e outros detalhes para que a rede funcione sem problemas. E sempre fazer uma auditoria do local onde a rede vai trabalhar porque, dependendo da tecnologia e do ambiente, utilizam-se diferentes frequências, espectros e potência de transmissão, etc.

A segurança também é primordial e a maioria dos equipamentos wireless vem com algum tipo de barreira inerente a um sistema proprietário ou WPA2-AES padrão, criptografia, filtragem de endereços MAC ou IP ou a disponibilidade de logins específicos, etc. Os recursos de segurança são muitos e necessários e, apesar de nunca garantirem 100% de proteção, oferecem aos usuários um certo nível de conforto de que sua planta e investimento estão a salvo.

Mas, o que significa hoje “sem fio”? Para Tomé Guerra, responsável pela automação no Industry Business Group da Pöyry, significa ligação de um instrumento ou sensor sem necessidade de cabeamento físico, com envio de dados numa certa frequência de transmissão através do ar.

Para Mario Molina, gerente de marketing para wireless da Emerson, qualquer equipamento que envia e/ou recebe dados através de ondas ao invés de cabos pode ser considerado um equipamento wireless. “Esses equipamentos reduzem drasticamente o tempo e os custos de instalação justamente por não precisarem de cabos e conexões para seu funcionamento. A tecnologia sem fio já faz parte de nossas vidas há muitos anos, mas seu avanço tornou possível o seu uso também em processos industriais.

Ronaldo Neves Ribeiro, gerente do Departamento de Tecnologia da Informação e Telecom da Cenibra, ressalta que “sem fio” hoje vai além do que se imaginou há algum tempo porque os novos conceitos trazidos pela IIoT - Industrial Internet Of Things impõem a necessidade de conectar mais sensores, aumentando significativamente as “coisas” (sensores) que antes não se imaginava conectadas.

Para Andre Nadais, gerente de Marketing da Endress+Hauser, “sem fio” significa hoje um modo de conexão a qualquer device que possua essa tecnologia sem que necessite de cabeamento, desde alimentação elétrica ou até mesmo cabos de comunicação. Pensando em aplicações reais na indústria, o wireless permitiu infinitas possibilidades de aplicações de automação onde no passado um cabo era mandatório, como aumentar a segurança de um sistema rotativo na indústria de cimentos, a partir do monitoramento contínuo de temperatura em sistema sem fio.

Para Giuliano Bruno Martins Guarese, coordenador de projeto da Novus, “sem fio” representa menor custo de instalação e manutenção, e mobilidade dos equipamentos.
“Para indústrias que precisam fazer controle com sistemas críticos, o padrão wireless mais indicado é o WirelessHart, mas é o de maior custo; para quem busca um monitoCover Page 42 Nº 227 | 2017 Controle & Instrumentação ramento simples de sensores, o IEEE 802.15.4 tem várias opções no mercado e menor custo; para quem precisa realizar monitoramento de longo alcance como, por exemplo, diversos sensores espalhados em uma cidade, alguns novos padrões wireless estão surgindo: LoRa, Sigfox, NB-IoT. Alguns deles necessitam vínculo com uma operadora de telefonia, o que gera custo mensal fixo e necessidade de cobertura de sinal; e ainda em outros casos haverá a necessidade de gateways de comunicação. As tecnologias são muitas e abrem possibilidades novas”, ressalta Guarese.

Ronaldo Ribeiro é a convergência TO+TI em pessoa: egresso da automação da Cenibra, é responsável hoje pela TI e Telecom da empresa, e ressalta que se deve escolher a tecnologia que verdadeiramente oferecer maior segurança à transmissão dos dados medidos, sem interrupções e com possibilidades de intercabiabilidade com fabricantes distintos. “Utilizar o ISA100+Hart, além de ser uma realidade, é uma necessidade. Tanto que houve a evolução do padrão, que agora tem maior abrangência para monitoração, controle e segurança. Suas características oferecem aos usuários uma maior confiabilidade pelo formato adotado pela tecnologia porque não se limitou apenas à monitoração, mas avançou para as conectividades com topologia Mesh, melhorou a escalabilidade, permite gerenciamento multiprotocolo e interoperabilidade real”.

Hoje o wireless industrial vai além do WirelessHart ou ISA100, incluindo aplicações indústrias para Zigbee, WiMax, GSM, WiFi, Bluetooth, NFC e 4G. É consenso que o ISA100 e o WirelessHart são a realidade dominante na indústria, com ISA100 ainda com base instalada muito menor. “O importante é que o usuário não fique entre a briga de fornecedores ou padrões, mas que tenha um sistema alinhado e de fácil interoperabilidade com a planta”, afirma Nadais.

Quanto a topologia, algumas podem ser utilizadas até mesmo para economia de energia na geração do sinal, ainda que a Mesh seja a mais utilizada e confiável por disponibilizar caminhos redundantes quando de interferências físicas. As topologias Mesh permitem maior conectividade ativa entre os dispositivos, mas não excluem a necessidade de um estudo do ambiente com análise das interferências eletromagnéticas e para o dimensionamento correto das antenas, etc. “Atualmente podemos usar antenas de 2 dbis até 9 dbis o que possibilita alcances de até 3.000 metros, dependendo do ambiente”, ressalta Ronaldo.

Guarese pontua que, apesar de muitos defenderem as redes Mesh como ideal, por dar maior confiabilidade, ela acaba sendo mais complexa e muitas vezes torna o tempo não determinístico. Para ele, dependendo da aplicação, uma rede com topologia estrela ou árvore pode atender muito bem à aplicação com custos adequados, tendo o tempo determinístico e conseguindo alcançar confiabilidade próxima às redes Mesh, principalmente nos casos de falha de comunicação em um dos nodos.

A intercambialidade entre as marcas é algo postulado, mas nem todas disponibilizam opções wireless. Para WiHart, as marcas mais conhecidas disponibilizam diversas aplicações com intercambiabilidade testada e funcionando. Nadais recomenda que o usuário escolha um produto wireless que pertença a padrões abertos pois surgiram muitos protocolos proprietários, o que dificulta a interoperabilidade e a expansão em um ambiente multi-marcas.

“Por mais que muitos digam que a maior vulnerabilidade das redes wireless esteja na fácil interceptação dos dados que estão ‘no ar’, as redes wireless que utilizam criptografia acabam sendo, muitas vezes, mais seguras que redes cabeadas, uma vez que muitos protocolos cabeados não utilizam qualquer tipo de criptografia e são de fácil acesso ao cabo de comunicação. E tanto as redes wireless quanto as cabeadas são suscetíveis a interrupção da comunicação, uma vez que o cabo pode ser cortado e um bloqueador de sinal pode impedir a comunicação wireless. Outra vulnerabilidade das redes wireless é a perda do link de comunicação, muitas vezes provocada pela má instalação que não previu folga no enlace - qualidade do sinal”, coloca Guarese.

“Um ambiente industrial agressivo e poluído é um vilão para os sistemas de instrumentação em geral e ainda mais para os wireless. O baixo consumo de energia e novas tecnologias de baterias já solucionaram problemas de alimentação e alguns fornecedores garantem que as baterias de Lytio-thionyl permitem operações por anos”, frisa Ronaldo.

O wireless pode suportar aplicativos, economizar cabos e disponibilizar sinais e dados que nunca poderiam ser coletados antes. Mas existem tantos dispositivos wireless, topologias, configurações de antenas, frequências, protocolos e outros detalhes que acabam dificultando a escolha da solução certa. A tecnologia wireless faz parte do dia a dia pessoal, empresarial e industrial, mas ainda é uma caixa preta saber aplica-la corretamente porque possui muitas possibilidades – que incluem aplicações híbridas, diferentes modelos de backbones e dispositivos. As aplicações wireless mais populares são o monitoramento de vibração e desempenho do motor, monitoramentos diversos como monitoramento de nível de tanques e de transferência de custódia, interconexão de gateway de PLCs legados, vídeos- vigilância, detecção de vazamentos, etc.

Para projetar, adquirir, implementar e manter soluções Controle & Instrumentação Nº 227 | 2017 43 wireless em processos, algumas considerações são importantes. É preciso estar atento à frequência - porque a distância disponível diminui proporcionalmente à medida que aumenta a frequência -, à sensibilidade do receptor; aos ruídos ou interferências de radiofrequência (RF); à potência do transmissor, à atenuação do sinal de rádio - que é afetado pela altura das antenas e possíveis obstruções -, entre outros fatores.

Também é preciso escolher o espectro mais apropriado: espectro de espalhamento de sequência direta (DSSS) - espalha pacotes de dados em uma banda larga, transmitindo efetivamente cada bit em muitos canais, lembrando que se o DSSS permite maiores taxas de dados (> 1 Mbps) é vulnerável a interferências - ou espectro de espalhamento de frequência (FHSS) - que muda de frequência após cada pacote de dados e trabalha com taxas de dados mais lentas (115.2 Kbd), mas é mais robusto e menos vulnerável a interferências. Atenção também à escolha entre os principais tipos de antena: omnidirecional – montada verticalmente, irradia energia a 360o em um plano preferencialmente horizontal, pede vários transmissores e receptores em diferentes direções e são boas para plantas industriais – e a direcional Yagi - que irradiam energia em uma direção específica, precisam ser direcionadas para o transmissor ou receptor, exigem um alcance longo, mas oferecem maiores ganhos.

A experiência mostra que as principais vulnerabilidades de uma rede wireless estão na topologia do local da instalação – o que pode ser resolvido com arquitetura Mesh -, e a vida útil das baterias – o que se resolve monitorando o diagnóstico de saúde e tempo de vida das mesmas, além de uma manutenção adequada, reduzindo o tempo de varredura das leituras. É um fato: o sinal wireless, seja qual for a tecnologia, é muito afetado por estruturas físicas por isso, como solução, utilizam-se repetidores na rede com a intenção de “desviar” o sinal e manter a qualidade da rede. E em algum lugar a rede wireless vai se encontrar com a cabeada. Para isso, possuem adaptadores e/ou gateways em que o sinal recebido é integrado aos sistemas de controle através de cabos (ethernet, RS485, RS232 etc).

Guarese lembra que gateways que interliguem a rede wireless com o sistema cabeado são necessários e, dependendo do caso, eles podem ser simples como o Air- Gate-Modbus que interliga a rede wireless a uma rede Modbus-RTU por exemplo, ou mais complexos, como gateways que possuam múltiplos protocolos wireless e cabeados. Tudo depende da aplicação. Mesmo cada monitoração tem suas particularidades como forma de registro e geração de alarme para que o usuário possa atuar. Atuação remota é uma possibilidade, porém, pode não ter um tempo determinístico.

Claro, a experiência é maior na utilização do wireless para monitoramento; existem poucas aplicações de atuação, talvez devido ao receio de interferências na transmissão e/ou falhas nos equipamentos que normalmente requerem baterias; se for para atuar, que seja em algo não-crítico. Para o executivo da Cenibra, a decisão de monitorar o processo, fazer controle e a segurança da planta com dispositivos wireless depende de fatores como: instalações adequadas seguindo os requisitos da norma, pessoas capacitadas, uma equipe de manutenção bem treinada para atuar rapidamente nas ocorrências indesejadas e, mesmo assim, não é uma decisão simples, mas aceitável para áreas não críticas, em se cumprindo estes requisitos.

E hoje a tecnologia wireless pode ser utilizada em negócios de qualquer tamanho: soluções modulares e de fácil expansão estão permitindo que mesmo equipamentos de baixo custo já tenham alguma comunicação sem fio embutida, a exemplo do Micropilot FMR20 lançado pela Endress+Hauser que tem Bluetooth disponível em um medidor pronto para medição de nível e configuração remota via smartphones - através de aplicativo gratuito e com conectividade Bluetooth!

“Entendo que as tecnologias não podem se limitar aos sensores fixos e hoje os dispositivos móveis precisam estar 100% conectados - e quando falamos de conexão com protocolos industriais é fundamental que sigam normas utilizadas na indústria, em especial o padrão ISA100. Não esquecendo que todos esses dispositivos conectados gerando grande volume de dados não podem estar conectados simplesmente aos sistemas de controles convencionais; precisam enviar seus dados a sistemas com maior capacidade de processamento para que aplicações de maior inteligência sejam desenvolvidas através de conceitos de Analytics, onde a transformação do dado em informação evolui para conhecimento, promovendo a mudança dos conceitos que conduzem à inteligência artificial”, afirma Ronaldo para quem as tecnologias wireless estão cada vez mais acessíveis, mas os decisores devem fazer uma análise criteriosa e não pensar somente em reduzir os custos de instalações; devem pensar principalmente na redução das perdas durante a operação da planta.

Guarese lembra que a conexão com a nuvem pode se dar de diversas formas, com o equipamento registrando diretamente nela ou através de um gateway ou smartphone que faz a coleta de um datalogger ou device; muita coisa já existe em automação industrial que permite o acesso de dados a nuvens corporativas.

O aumento da digitalização e as redes de comunicação (com ou sem fio) têm aumentado as possíveis aplicações envolvendo “nuvem”. “Há muitos anos a Endress+Hauser tem usado um sistema de gerenciamento de ativos baseado na nuvem - W@M - que permite planejamento de rotinas de manutenção, sistema de controle de inventário, acesso a dados e conexão com softwares de diagnósticos ou ERP a partir de uma aplicação na nuvem que liga a base de dados do fornecedor às aplicações no usuário” diz Nadais.

Wireless é, hoje, realizada para qualquer tamanho de empresa, de qualquer setor. A questão é escolher a tecnologia certa para cada aplicação e utilizar os devices adequados – sem esquecer das limitações de segurança e custo.

Para a utilização de celulares ou outros mobile numa planta, por exemplo, além da classificação de áreas, é importante fazer um estudo do caminho onde o instrumento será usado, com apontamento de zonas de Fresnel que indicarão quão altas as antenas precisarão ficar. Guarese lembra que smartphones podem ser utilizados para monitoração e mesmo atuação remota, observando normas e boas práticas.

O uso de smartphones já é uma realidade para acesso a devices na indústria utilizando, por exemplo, tecnologias como leitor de QR Code, NFC e Bluetooth, sem esquecer do novo entrante, os drones, solução sem fio voltada principalmente para imagens e vídeos na indústria. “Orientada à Indústria 4.0, a Endress+Hauser tem desenvolvido soluções para smartphone que vão desde um app em Bluetooth com equipamentos de campo ou identificação eletrônica de equipamentos através de tags de RFID lidos por um app em smartphones com a tecnologia NFC”, comenta Nadais.

Tomé Guerra lembra que os smartphones normalmente usam as redes de telefonia - também susceptíveis a falhas principalmente em ambientes industriais e locações com nível e sinal comprometido, sendo preciso cuidado redobrado. “Os drones estão começando a ser utilizados na área industrial, sendo mais comuns na agricultura, em plantas distribuídas em grandes áreas geográficas e dutos”.

Questões a serem respondidas incluem qual a frequência licenciada ou a banda ISM; se a planta já possui rede wireless; se está adicionando mais instrumentos ou rádios a uma rede existente; quantos rádios serão adicionados no momento? Haverá mais a ser acomodado no futuro? Existem outras redes na área que podem causar interferência? Quais são as implicações da latência - o que acontece se o sinal demorar a chegar? Que tipo de dados estão sendo transferidos? Quão distantes estão as redes e quais suas características físicas e de obstrução? Existe proteção contra raios?

Ou seja, para trabalhar com wireless, é básico lembrar da física: comprimentos de onda que determinam qual é a melhor frequência para o tipo de dados que se quer enviar, a que velocidade, a qual distância, com quais obstáculos e interferências.

WiCo

A tecnologia de transferência de energia sem fio (WPT) usando acoplamento magnético de campo próximo (NFMC) vem ganhando muita atenção, especialmente na área de tarifação sem fio, mas existe outra categoria denominada de “conectores/acopladores sem fio” (WiCo) que utilizam os mesmos princípios físicos. Os conectores sem fio são importantes onde os mecânicos convencionais podem não ser confiáveis ???? ou mesmo não possam ser usados – como ambientes onde há líquidos, sujos ou corrosivos. Além disso, as conexões elétricas tornam-se desafiadoras quando uma situação exige liberdade de movimento entre sistemas. Uma área bem adaptada para conectores sem fio é dos dispositivos médicos, que exigem um alto nível de confiabilidade ainda que exposto a fluidos e a tensões mecânicas. Os setores de robótica, automotivo e de consumo também se beneficiariam da utilização dos WiCos.

Então, os conectores wireless são uma boa opção para transferência de energia ou dados em ambientes hostis, além de possibilitar liberdade de movimento. À medida que os avanços na tecnologia continuem e os custos diminuam, é uma solução que deve ser cada vez mais utilizada. Mas, não há um tamanho único para conectores. Portanto, os desenvolvedores e os clientes (OEM) devem reconhecer que é necessária uma solução personalizada. E para o WiCo, a interoperabilidade pode não ser necessária, pois o sistema normalmente é “fechado”, o que significa que sempre haverá um transmissor conhecido e o receptor correspondente – um par acoplado.

O design de um sistema WiCo depende de fatores como a distância máxima permitida (espaço livre) entre o transmissor e o receptor nas três dimensões (x, y, z); a potência necessária, limites de temperatura, tamanho, exposição a líquidos, poeira, etc. e custo.

Segurança

Qualquer empresa hoje tem em mente a segurança de conexão – entre máquinas, entre sites, com a nuvem, etc. Conectar-se remotamente traz o benefício da visibilidade do processo, da produtividade e da eficiência operacional, mas sistemas previamente isolados já se sabem expostos pois hackers vivem a procura de superar as barreiras de proteção. As perguntas básicas são “O que está conectado remotamente aos sistemas? Tem-se visibilidade e segurança adequadas com conexões externas? Como equilibrar riscos e ganhos do acesso remoto de forma responsável?”.

Mesmo que uma planta pareça isolada e desconectada, a realidade é que os dados de produção são muitas vezes enviados para o corporativo: conexões remotas criam pontes digitais. E o que está em jogo é a segurança e a integridade dos processos e a possibilidade de hackers causarem paradas, dano ou destruição com alguns cliques.

E é muito normal – e desejável - que nem todos saibam quantos pontos de entrada e saída existem no sistema. Existem muitas conexões diretas e caminhos entre os sistemas de controle e operações comerciais, em alguns casos, as conexões permitem o acesso às operações de controle diretamente da Internet. Então, um primeiro passo é garantir que os pontos de acesso e os caminhos de dados sejam conhecidos e protegidos. Um inventário físico é uma parte insuficiente; produtos de monitoramento ICS especializados que podem descobrir dispositivos são um complemento útil. E menos conexões quase sempre oferecem soluções melhores e mais seguras. As principais diretrizes de segurança cibernética exigem separação intencional e segmentação de sistemas em zonas conectadas por condutas cuidadosamente controladas. Essas mesmas filosofias podem e devem ser aplicadas a soluções de acesso remoto. A implementação de uma Zona Desmilitarizada Industrial (DMZ) é uma prática recomendada.