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Abstract - Today's Wireless Systems solutions remove the barriers of wired and provide access to information not previously achieved. This includes access to process information, new measurements and information about the status of the equipment, allowing you to manage and diagnose. New solutions are being developed in an attempt to increase the communication speed and increase the reliability and safety of the industrial process. The insertions of wireless communication systems are becoming better and compatible with wired systems, either by cost or by embedded technology, achieving excellent results and improvements in industrial processes. The development of an appropriate design and redesign of protocols brings excellent results reducing electromagnetic interference and increasing the reliability of the information provided.

This paper aims at the presentation and comparison of various wireless communication methods available on the market, showing the basic characteristics of each, and advantages, disadvantages and applications field.

Keywords — Electromagnetic interference, Wireless.

Resumo - Atualmente, os sistemas sem fio removem barreiras nas soluções com fio e oferecem acesso a informações que antes não eram alcançadas. Esse acesso inclui informações de processos, novas medições e informações sobre a situação do equipamento, permitindo gerenciá-lo e diagnosticá-lo. Assim, novas soluções estão sendo desenvolvidas na tentativa de aumentar a velocidade de comunicação e aumentar a confiabilidade e segurança dos processos industriais. As inserções dos sistemas de comunicação sem fio são cada vez melhores e compatíveis com os sistemas cabeados, seja por custo ou por tecnologia embarcada, alcançando excelentes resultados e melhorias em processos industriais. A elaboração de um projeto adequado e a reformulação de protocolos traz ótimos resultados, reduzindo as interferências eletromagnéticas e aumentando a confiabilidade das informações transmitidas.

Este trabalho tem por finalidade a apresentação e comparação dos diversos métodos de comunicação sem fio disponibilizado no mercado, evidenciando as características básicas de cada um, vantagens, desvantagens e aplicações de campo.

Palavras Chave – Interferências eletromagnéticas, Redes sem fio.

A. B. Lugli (baratella@inatel.br), professor-orientador, e D. G. Sobrinho (darlan.guilherme@dgsprojetos.com.br), aluno da pós-graduação, lato sensu, em Engenharia de Sistemas Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial, pertencem ao Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel. Av. João de Camargo, 510 - Santa Rita do Sapucaí - MG - Brasil - 37540-000.

1. INTRODUÇÃO Os protocolos industriais surgiram no meio industrial com

a finalidade de aperfeiçoar o controle dos instrumentos de campo, aumentar a capacidade de tráfego de informações e prover mensagens de diagnósticos e de configuração remotamente entre os elementos. Com o passar dos anos, a quantidade de informações trafegadas num barramento industrial vem aumentando, desta forma, há a necessidade da criação de novos sistemas de comunicação na busca minimizar a complexidade das interligações entre dispositivos e/ou equipamentos nos processos industriais. Sendo assim, a utilização dos sistemas sem fio (Wireless) vem se destacando e se expandindo, com a finalidade de aperfeiçoar a ligação física entre os diversos elementos, possibilitando, portanto, um maior alcance dos elementos do barramento.

Figura 1 - Exemplo Rede Wireless. [1]

Na figura 1, é possível identificar aplicações de tecnologias de comunicação sem fio integradas em uma rede industrial. Durante os últimos 10 anos, padronizadas tecnologias Wireless tornaram-se as tecnologias dominantes para aplicações industriais, visto que a comunicação sem fio já é utilizada em ambientes industriais por mais de 30 anos, em que se tem, entre as primeiras aplicações sem fio, o controle de Veículos Guiados Automaticamente (AGV) e guindastes em armazéns, nas quais rádios são utilizados para obter um controle flexível dos dispositivos móveis. [2]

Dentre as tecnologias associadas ao controle industrial, as redes de comunicação sofreram grandes evoluções na última década, seguindo, aliás, a tendência global de evolução das comunicações que se tem vindo a sentir, praticamente, em todos os ramos de atividades. [3] Houve um crescimento significativo das tecnologias wireless, principalmente devido à

TECNOLOGIAS WIRELESS PARA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: WIRELESS_HART, BLUETOOTH, WISA, WI-FI, ZIGBEE E SP-100.

Alexandre Baratella Lugli Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel

baratella@inatel.br

Darlan Guilherme Sobrinho DG Soluções e Projetos Industriais Ltda darlan.guilherme@dgsprojetos.com.br

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necessidade de conectividade entre dispositivos entre seus diversos ambientes que, até então, as tecnologias focavam nos serviços de voz, Internet e transferência de dados em uma rede local. Entretanto, em algumas áreas, como a área industrial, a médica, a indústria veicular e a residencial, necessitavam de uma tecnologia que realizasse esta conectividade com um baixo consumo de energia, um baixo custo, simplicidade do protocolo e padronização. [4]

A crescente busca por essas novas tecnologias está disponibilizando o surgimento de soluções na tentativa de aumentar a velocidade de comunicação, a confiabilidade e a segurança dos processos industriais. As inserções dos sistemas de comunicação sem fio são cada vez melhores e compatíveis com os sistemas cabeados, seja por custo seja por tecnologia embarcada, alcançando excelentes resultados e melhorias em processos industriais, permitindo a elaboração de um projeto adequado e reformulando os protocolos, o resultado disso é a redução das interferências eletromagnéticas e o aumento da confiabilidade das informações transmitidas. [3][4]

1.1 A EVOLUÇÃO DAS REDES SEM FIO

A idéia de comunicação sem fio surgiu em meados do

século XIX e no decorrer dos anos, a partir de uma série de descobertas e avanços científicos, chegou-se à definição da tecnologia Wireless, com redes de comunicações globais, em uma diversidade de ambientes, possibilitando inúmeras aplicações e soluções. [5]

Os princípios da tecnologia podem ser determinados por uma série de descobertas que ocorreram devido à grande busca do conhecimento e desenvolvimento no decorrer dos séculos, em que se pode citar: a descoberta de indução eletromagnética pelo físico inglês Michael Faraday em 1831; a produção da primeira onda de rádio, em 1888, por Heinrich Rudolf Hertz; a invenção do telégrafo sem fio por meio do envio de códigos Morse pelo Engenheiro Eletricista Italiano Guglielmo Marconi em 1901; já no início do século XX, o inglês Jonh Ambrose Fleming e o norte-americano Lee De Forest tornaram possível modular e amplificar sinais sem fio para o envio de transmissão de voz e, dessa forma, vários outros marcos são utilizados como princípios e envolvem a contribuição de vários estudiosos, que não são menos ou mais importantes umas quanto às outras. [5][6]

A aplicação de Tesla, em 1893, foi a primeira a utilizar o mecanismo da condução elétrica para finalidades de comunicação. Tesla utilizou receptores eletromagnéticos para comprovar os princípios da comunicação via rádio (envio de sinais de rádio para serem captados por receptores), os quais foram comprovados e amplamente conhecidos. [6]

Um grupo de pesquisadores sob a liderança de Norman Abramson, em 1971, na Universidade do Havaí, criou o pacote “First-switched” de rede de comunicação de rádio intitulado “Alohanet”, primeira rede local sem fio, a qual era composta de sete computadores que comunicava à outra parte. [5][7] Já em 1990, surgiu o Grupo de Trabalho 802.11, que foi responsável por buscar uma norma sem fios para todos os computadores se comunicar. [5][7] Em 1995, desenvolveu-se a primeira tecnologia Wireless, o Bluetooth, com objetivo de conectar telefones móveis e outros aparelhos por meio de ondas de rádio. Em 1997, o organismo regulador IEEE

(Institute of Electrical Electronics Engineers) publicou o protocolo 802.11 e liberou as faixas de frequência 2.4Ghz ou 5Ghz. Foram utilizadas as mesmas ondas AM/FM na Internet sem fio. [5][7][8]

Em 1999, surgiu a Associação de empresas Wi-Fi Alliance, com o nome de Ethernet Compatibility Alliance (WECA) e, em 2003, passou a ser Wi-Fi. Eles trabalharam com o padrão 802.11 e licenciaram os produtos baseados na tecnologia sem fio. A partir daí, surgiram outras inúmeras associações e padrões buscando soluções e melhorias para adequar as redes sem fio à Ethernet e torná-las mais rápidas, mais confiáveis e seguras. [2][8]

1.2 TIPOS PRINCIPAIS DE REDES SEM FIO

O grupo 802 é uma seção do IEEE relacionado à rede e

tecnologia de porte médio e local, estabelecendo os protocolos de comunicação em rede. Este grupo define alguns outros subgrupos que especificam as redes que utilizam comunicação sem fio de acordo com o alcance e a taxa de transferência empregada nas tecnologias sem fio. [9] Destaca-se a existência de quatro grandes grupos, em que as duas primeiras tendem a ser bem exploradas para o ambiente industrial, com inúmeras soluções e aplicações. [9]

WPAN – Wireless Personal Área Network – é uma tecnologia de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros) e de baixa taxa de transmissão. É um padrão para redes que interligam dispositivos pessoais ou redes de sensores sem fio, definido pelo IEEE 802.15. Entre esses padrões, destacam-se o IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.3 (UWB) e o IEEE 802.15.4 (ZigBee, Wireless Hart e ISA100); [9]

WLAN – Wireless Local Área Network – Tecnologias sem fio destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros, também conhecidas com Wi-Fi (Wireless Fidelity). Trata-se de padrão existente como extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional Ethernet (Par metálico ou fibra ótica), definido pelo IEEE 802.11x (onde o x equivale ao tipo de rede: a, b, g, i ou n); [9]

WMAN – Wireless Metropolitam Área Network – Tecnologias que tratam dos acessos de banda larga para a última malha em redes metropolitanas, com alcance em torno de 6 Km, definida pelo padrão IEEE 802.16 (Wimax); [9]

WWAN – Wireless Wide Area Network – Tecnologias voltadas para as redes de longa distância em telecomunicações, atendendo aos serviços de voz e a alguns serviços de dados, definidas pelo padrão IEEE 802.20 (MBWA). [9]

1.3 TECNOLOGIAS WIRELESS E AMBIENTES

INDUSTRIAIS.

As tecnologias de redes sem fio têm demonstrado um grande potencial para aplicações industriais, comerciais e de consumo. Especificamente no monitoramento e controle de processos, obtendo e disponibilizando dados de processo (pressão, umidade, temperatura, vazão, nível, densidade, viscosidade, medições de intensidade de vibração, etc.), que podem ser coletados por meio de unidades de detecção e transferidos sem fio para um sistema de controle para a operação e gestão. Na figura 02, é possível verificar a gama de

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instrumentos que já existem disponibilizados no mercado. Como é considerada uma tecnologia onipresente, as questões gerais a respeito têm sido extensivamente pesquisadas por grupos de fabricantes e na área acadêmica. Sendo assim, além de analisar os resultados recentes de pesquisas e desenvolvimento de tecnologias wireless para ambiente industrial, este artigo tem a finalidade de apresentação das tecnologias sem fio e comparação dos diversos métodos de comunicação wireless disponibilizados para ambiente industrial, evidenciando as características básicas de cada um, como vantagens, desvantagens e aplicações de campo. [9][10]

Figura 2 - Dispositivo Wireless para Automação Industrial [9] [10]

2. VANTAGENS E DESVANTAGEN DAS REDES SEM FIO.

Com o avanço da comunicação nos últimos anos, possibilitou-se o surgimento de diversas tecnologias, atendendo a real necessidade dos usuários, com a melhor qualidade possível. A tecnologia apresenta-se como diferencial no mundo da automação e indústria, obtendo maior flexibilização da comunicação, mobilidade dos equipamentos instalados em campo e um menor custo de instalação e manutenção. Assim, são muitos os benefícios propiciados pelo uso desta tecnologia, desmobilizando uma gama de soluções para o ambiente industrial e facilitando, cada vez mais, o dia a dia operacional. [10]

A utilização das redes sem fio possue vantagens, desvantagens, e muitos paradigmas que ainda precisam ser quebrados para que essa tecnologia ganhe mais espaço dentro do ambiente industrial. Seguem vários pontos importantes quanto a vantagens e para utilização de uma rede sem fio nos ambientes industriais.

Faixa de frequência: a faixa utilizada pelo dispositivo Wireless é a mesma conhecida como ISM (Industrial, Scientific and Medical), que apresenta faixas liberadas sem necessidade de licenciamento. Isso facilita a aplicação, porém obriga a convivência entre esses dispositivos com outras fontes de RF (Rádio Frequência) na mesma faixa, como exemplo: telefones sem fio, dispositivos Bluetooth e rádios. [10]

Facilidade de instalação: sem requerer estrutura prévia, as redes sem fio podem ser instaladas de forma rápida e fácil. No caso das redes baseadas no padrão IEEE 802.11x, basta ser instalado um ponto de acesso (AP-Access point) que esteja conectado à rede cabeada do local ou à Internet; as estações

podem ser adicionadas, posteriormente, de acordo com a necessidade. [10][11]

Atenuação do sinal transmitido: os sinais transmitidos sofrem alguma forma de atenuação, seja a do espaço livre, sendo função da distância e da frequência, seja por absorção, quando o sinal atravessa algum material, seja por reflexões em obstáculos. O nível de sinal que chega à antena receptora deve ser suficiente para uma operação confiável e com a taxa de dados esperada. [11]

Mobilidade: dentro de uma área de alcance limitada, os dispositivos podem se reposicionar a qualquer instante, permitindo acesso a informações e recursos computacionais, às posições de trabalho e às aplicações. [10][11]

Redução de Custo: em virtude da mobilidade, a eficiência dos funcionários de uma empresa aumenta pelo fato de poderem contar com os recursos dos quais precisam em qualquer lugar e instante; bem como diminuem os custos decorrentes da instalação e manutenção das redes, principalmente quando considerados os custos de instalação de redes cabeadas em locais que requerem obra civil ou regiões de difícil acesso. [11]

Disponibilidade de menor Banda de Transmissão: as redes sem fio em geral provêem enlaces com menor banda passante. Como exemplos podem citar as redes locais cabeadas Ethernet, que, hoje, atingem a taxa de transmissão da ordem de dezenas de Gbps, comparados às redes locais sem fio, que operam tipicamente até dezenas de Mbps ou menos. Este ponto está em pleno desenvolvimento, com grandes grupos de pesquisa buscando melhorar a taxa de transmissão das redes e dos dispositivos.

Taxas de Erro: as redes sem fio apresentam uma taxa de erro de bit (BER - Bit Error Rate) superior às redes com fio. No caso de um enlace de fibra ótica, o BER típico varia entre 10-8 e 10-9, em um enlace sem fio, essa taxa cai na faixa de 10-4 a 10-6, sendo necessário, portanto, o monitoramento constante dessas taxas e a adoção de mecanismos de controle de colisão de dados a fim de garantir o envio e o recebimento da informação. [11]

Endereçamento: em uma rede cabeada, o endereço lógico de uma estação é usualmente vinculado ao endereço da rede na qual a estação está conectada. No caso de redes sem fio, devido à mobilidade das estações, o seu endereçamento fica mais complicado, não podendo depender da sua localização geográfica. [11]

Roteamento: no caso das redes sem fio, as suas estações movem de um lado a outro de forma não determinística, criando uma topologia dinâmica. Isso tem impacto direto, não somente no endereçamento, como foi mencionando anteriormente, mas também nos algoritmos e protocolos de roteamento. [11]

Dispositivos com poder computacional reduzido: a perspectiva para um ambiente de computação móvel é que muitos dispositivos utilizados neste ambiente sempre serão computacionalmente mais escassos e simplificados em relação aos demais dispositivos, mas capazes de executar inúmeras aplicações. [11]

Coexistência entre dispositivos de diferentes redes wireless: com a proliferação de diversos tipos de redes, torna-se um problema a coexistência destas redes em um mesmo ambiente. Isso pode gerar interferências e perda de dados entre

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elas. [11] Interferência causada por múltiplos caminhos

(Multipath Interference): quando um sinal de RF é emitido em um ambiente aberto, livre de obstáculos, apenas um sinal chega até a antena receptora (linha direta) e nenhuma interferência é observada. Ao emitir um sinal RF em um ambiente com obstáculos, como equipamentos, lajes, tetos, paredes, pessoas, diversos sinais chegam até a antena receptora. Dado que esses sinais trafegaram por caminhos diferentes, eles apresentam diferenças de amplitude. [11]

Além desses pontos citados, é importante, ao determinar um dispositivo para áreas industriais, atentar para as particularidades bastante específicas, sendo o ambiente sujeito a condições adversas, ou seja, a vapores corrosivos ou inflamáveis, partículas e poeira em suspensão, variações de temperatura extremas, vibração, interferências eletromagné-ticas, barreiras físicas, entre outras possibilidades das plantas industriais. 3. PROTOCOLOS DE REDE SEM FIO

Os requisitos industriais em aplicações sem fio possuem exigências elevadas sobre a comunicação, sendo necessária uma comunicação confiável e robusta, recursos avançados de segurança, configurações semelhantes, operação de ferramentas de automação, informações em tempo real e comportamento determinístico. Todos esses requisitos são suportados de forma ligeiramente diferente pelas várias tecnologias sem fio, cada uma com sua característica se adequando a cada aplicação industrial, sendo desenvolvidas baseadas em normas determinadas pelos grupos e associações que estão em busca do desenvolvimento, evolução e padronização das tecnologias sem fio.

3.1 - WI-FI O protocolo Wi-Fi (Nome dado ao sistema Ethernet

Wireless) é a tecnologia de interconexão para redes locais e dispositivos. Em meados da década de 1990, um consórcio internacional de especialistas em Engenharia, de muitas empresas de tecnologia, começaram a trabalhar juntos por meio da IEEE para desenvolver os padrões sem fio da indústria para a forma como estes novos produtos sem fio devem interagir uns com os outros. Fora dessa cooperação, o Wi-Fi Alliance® nasceu, tomou essas normas e desenvolveram laboratórios de testes em todo o mundo para testar e certificar que os produtos atendam os padrões de interoperabilidade e segurança. [12]

O termo Wi-Fi foi escolhido como uma brincadeira com o termo "Hi-Fi" e pensa-se, geralmente, que é uma abreviatura para Wireless Fidelity, no entanto, a Wi-Fi Alliance não reconhece isso. Comumente, o termo Wi-Fi é entendido como uma tecnologia de interconexão entre dispositivos sem fio, usando o protocolo IEEE 802.11. [12]

Com a Tecnologia Wi-Fi, ficou possível criar redes locais sem fios a elevado débito desde que a gateway a conectar não esteja distante em relação ao ponto de acesso. Segue, na figura 03, um exemplo básico de uma rede Wi-Fi, ou seja, Ethernet sem fio. [12]

Figura 3 - Rede Wi-Fi. [12]

Este protocolo opera em faixas de freqüências de 2,4Ghz ou 5Ghz, em que não necessitam de licença para instalação e operação, e podem transmitir dados a velocidades até iguais ou superiores a 11Mbps dentro de um intervalo de 30 metros, essa velocidade é limitada pela largura de banda disponível. Este fato as torna também atrativas para aplicações em ambientes industriais. [12] No entanto, para uso comercial, no Brasil, é necessária licença da Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel).

As redes sem fio tendem a ser mais lentas do que as cabeadas. Os padrões dessas redes devem validar cuidadosamente os dados recebidos e se proteger contra possíveis perdas de dados devido a não confiabilidade no meio utilizado. A comunicação confiável somente ocorre quando é levado em consideração o ambiente hostil onde os equipamentos trabalham. Neste aspecto, deve ser considerado que os equipamentos estão sujeitos a pó, poeira, calor, umidade (devido à condensação/evaporação de água). Os índices de MTBF (tempo médio entre falhas) devem ser altos e o MTRR (tempo médio entre reparo) deve ser o menor possível. [12][13]

No ambiente industrial, as redes sem fio não substituem as redes fixas, em um contexto geral, trabalham em conjunto e apresentam uma mobilidade que o usuário da rede pode estar se movendo, e mover qualquer dispositivo, dando flexibilidade à aplicação. [12][13] 3.2 – BLUETOOTH

Em 1994, a empresa Ericsson começou a estudar a viabilidade de desenvolvimento de uma tecnologia para comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo. O estudo resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MCLink. Em 1998, empresas (Ericsson, Intel, IBM, Toshiba e Nokia) se uniram e criaram o consórcio Bluetooth SIG (Special Interest Group), que permitiu o desenvolvimento de padrões garantindo o uso e a interoperabilidade da tecnologia nos mais variados dispositivos. [14]

O protocolo Bluetooth se desenvolveu com uma frequência de rádio aberta, operando na faixa ISM, com comunicação por salto de frequência FH-CDMA (Frequency Hopping - Code-Division Multiple Access), permitindo proteção e fazendo com que a frequência seja dividida em vários canais. Assim, o dispositivo que estabelece a conexão salta de um canal para outro de maneira muito rápida, evitando interferência com outros protocolos, sendo possível utilizar até 79 freqüências, dentro da faixa ISM, cada uma espaçada da outra por 1 MHz. [15]

Como um dispositivo se comunicando por Bluetooth pode tanto receber quanto transmitir dados (modo full-duplex), a

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transmissão é alternada entre slots para transmitir e slots para receber, sendo denominado FH/TDD (Frequency Hopping/ Time-Division Duplex). Esses slots são canais divididos em períodos de 625 µs (microssegundos). Cada salto de frequên- cia deve ser ocupado por um slot, logo, em 1 segundo, tem-se 1600 saltos. [14][15]

O Bluetooth é capaz de transmitir sinais de dados e voz. O dispositivo possui dois tipos de conexão: SCO (Synchronous Connection-Oriented) e ACL (Asynchronous Connection-Less). O primeiro estabelece um link sincronizado entre o dispositivo mestre e o dispositivo escravo, onde é feita uma reserva de slots para cada um. Assim, o SCO acaba sendo utilizado em aplicações de envio contínuo de dados, como voz. [14][15]

O padrão ACL estabelece um link entre um dispositivo mestre e os dispositivos escravos existentes na rede. Esse link é assíncrono, já que utiliza os slots previamente livres. Ao contrário do SCO, o ACL permite o re-envio de pacotes de dados perdidos, garantindo a integridade das informações trocadas entre os dispositivos. A velocidade de transmissão de dados no modo ACL é de até 721 Kb/s. [14][15]

3.3 – ZIG BEE

O Protocolo ZigBee (IEEE 802.15.4) foi desenvolvido pela ZigBee Alliance. Trata-se de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características específicas, sendo projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar. [16]

O ZigBee permite comunicações robustas e opera na frequência ISM (Industrial, Scientific and Medical), 868 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) e 2,4 GHz (16 canais), e não requer licença para funcionamento. Este protocolo oferece uma boa imunidade contra interferências, e a capacidade de hospedar milhares de dispositivos numa rede (mais que 65.000), com taxas de transferências de dados variando entre 20kbps a 250kbps. [17]

Hoje, é possível encontrar diversos módulos, padrão ZigBee, desenvolvidos para economizar o máximo de energia, sendo aplicados em sensores remotos, alimentados com pilhas ou baterias comuns, que durabilidade de meses ou mesmo anos sem precisar ser substituídas. Isso ocorre devido os módulos ZigBee, quando não estão em operação, estão num estado de dormência ou em "Sleep", consumindo o mínimo de energia. [16][17]

Figura 4 - Rede ZigBee [18]

A figura 4 ilustra um exemplo clássico de uma rede ZigBee, onde diversos dispositivos estão sendo responsáveis por monitorar a temperatura, controlar as válvulas, sistema de ventilação e iluminação.

Para garantir a interoperabilidade e a padronização entre fabricantes a IEEE definiu que uma rede ZigBee é constituída por dois tipos de dispositivos. O primeiro deles é o FFD (Full Function Device), que pode ser um coordenador ou um roteador da rede. Os coordenadores e roteadores ZigBee possuem as mesmas característica físicas e as mesma funções. O segundo dispositivo envolvido em uma rede ZigBee é o RFD (Reduced Function Device), que é um dispositivo de construção mais simples que os FFD, e não atua como coordenador ou roteador da rede, sendo que comunica-se somente com um coordenador ou roteador ao qual está associado, e é conhecido como escravo. Os RFDs são mais baratos que os FFDs, pois não precisa armazenar informações de roteamento, logo necessitam de menos memória. As redes ZigBee podem ser classificadas quanto a topologia em: estrela, árvore e malha. [17]

3.4 – WIRELESS HART O protocolo WirelessHART (IEEE 802.15.4) fornece uma

comunicação sem fio robusta para toda a gama de medição de processo, controle e aplicativos de gerenciamento de ativos. Com base no protocolo de comunicação HART, a WirelessHART permite aos usuários obterem os benefícios da tecnologia sem fio de forma rápida, mantendo a compatibilidade com dispositivos existentes, ferramentas e sistemas. [19]

A tecnologia WirelessHART foi desenvolvida pela HART Communication Foundation, trabalhando na frequência de 2,4Ghz e buscando atender às necessidades exclusivas das redes sem fio que operam em plantas de processos industriais, convivendo com a presença de interferências, graças à tecnologia, como as redes mesh, canal de salto e sincronização de mensagens, garantindo coexistência com outras redes sem fio. Provê segurança e privacidade para comunicações de rede por meio de criptografia, de verificação, autenticação e gerenciamento de chaves. [19]

Figura 5 - Exemplo da inserção de Transmissores

Wireless HART. [20]

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O dispositivo WirelessHART é autônomo, eliminando as conexões analógicas para o sistema controle, podendo ser instalado em qualquer parte da planta industrial sem necessidade de fios. As variáveis de processo e as informações HART estão conectados a um sistema de controle ou de gerenciamento através de um Gateway. Cada rede possui três elementos principais conforme ilustrado na figura 5.

• Instrumentos de campo sem fios conectados ao processo ou a outros equipamentos da planta. Podem ser instrumentos WirelessHART puros, ou qualquer outro instrumento de campo HART existente que possua um adaptador WirelessHART acoplado.

• Os Gateways possibilitam a comunicação entre esses instrumentos e os aplicativos de controle.

• O Gerente de Rede é responsável por configurar a rede, programar as comunicações entre os instrumentos de campo, gerenciar rotas de mensagens e monitorar e estado da rede. O Gerente de Rede pode ser integrado ao Gateway, ao aplicativo Host ou ao controlador de automação de processos.

3.5 - ISA100 O ISA100 é um padrão de rede sem fio industrial

desenvolvido pela comissão da SP100 (estabelecida em 2005) da ISA (International Society of Automation). O padrão foi desenvolvido especificamente para o ambiente industrial, suportando os principais protocolos utilizados (HART, Profibus, CIP-Common Industrial Protocol e Foundation Fieldbus) no topo da sua camada de aplicação. [21]

No início de 2011, o Sistema Wireless para Automação Industrial, nas áreas de controle de processos e aplicações relacionadas, foi aprovado pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) como uma especificação disponível publicamente. Ficou definido como o primeiro padrão industrial sem fio desenvolvido com a participação direta do usuário final. [21][23] A ISA-100.11a-2011 foi desenvolvido para fornecer segurança e confiabilidade na operação sem fio para monitoramento não crítico, alertando controle, supervisão, controle de circuito aberto e aplicações de controle em malha fechada. [21][23] A norma define o conjunto de protocolos, gestão do sistema, Gateway e especificações de segurança para os dados de taxa de conectividade sem fio com dispositivos fixos, portáteis e móveis. O foco da aplicação é para atender às necessidades de desempenho de aplicações, como monitoramento e controle de processo, onde as latências são da ordem de 100ms. [21][23]

A figura 6 demonstra como a topologia ISA tende a ser utilizada em aplicações industriais. Segue abaixo algumas características da ISA 100 [23]:

• Confiabilidade do sinal (detecções de erros aprimoradas, interferências, perda de rumo e energia transmitida);

• Previsibilidade (TDMA, níveis de qualidade em serviços);

• Segurança (autenticação, privacidade e integridade); • Suporte a múltiplos protocolos: HART, PROFIBUS,

Modbus e Foundation Fieldbus;

• Principais aplicações em controle de processo e manufatura;

• Interoperabilidade; • Topologias suportadas: estrela e mesh.

Figura 6 – Exemplo topologia ISA100. [22]

3.6 – WISA

A WISA é uma interface sem fio para sensores e atuadores, desenvolvido por um fabricante de automação industrial, que busca cumprir os requisitos das aplicações de automação, em tempo real, particularmente robótica. A comunicação é base-ada no padrão IEEE802.15.1, na banda livre de licença, 2,4GHz, onde os dispositivos de campo se comunicam por tecnologia rádio com um módulo de entrada/saída que transmite/recebe os sinais via um par de antenas. [24][25]

Os módulos de entrada/saída podem suportar até 120 pontos de leitura e autação. Os sinais de diagnóstico periódicos de todos os dispositivos de campo permitem a monitoração contínua e o reconhecimento avançado das falhas. A ligação entre os módulo E/S (entrada e saída) e controlador é efetuada via um barramento de campo. Logo abaixo, na figura 7, existe um exemplo clássico de aplicação Wisa com alimentação e laços primários, módulos de E/S com antenas, sensores sem fio em um equipamento de manipulação em um ambiente industrial. [24]

Figura 7 - Aplicação WISA em uma Embaladora. [24][25]

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Essa Tecnologia possui alta densidade de nós com capacidade de 624 dispositivos de campo, sem perda de desempenho, sendo coexistente com Bluetooth, WLAN e outros sistemas de rádio comuns. [25]

4. COMPARATIVO

A tabela 1 ilustra um comparativo entre os diversos protocolos de rede sem fio evidenciados no trabalho.

Norma IEEE (Nome de Mercado)

802.15.1 (Bluetooth)

802.11b (Wi-Fi)

802.15.4 (ZigBee)

802.15.4 (Wireless

Hart)

802.15.1 (WISA)

Aplicação Principal Eliminar a fiação atual,

Ethernet industrial

Controle e Monitoração

Medições de Processo e Controle

Interface Sensores e Atuadores

Frequência de operação 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz

Taxa de comunicação (Kbps) 1000-3000 11000 20-250 11000 1000

Distâncias alcançadas com visada direta (m) 30(Classe 2)

100+(Classe 1)

100 + (Antenas

direcionais)

30-70, 100+ (Com

amplificador externo)

100, até 2000 com repetidor

5 m (ambiente industrial; típica-

mente 10 m)

Número de Dispositivos 7 32 2*64 250 120

Autonomia da bateria (dias)

1 a 7 0,5 a 5 100 - 1000+

3,5 anos: taxa de trans de 30

min. 3 a 4 anos

Consumo na Transmissão

45mA (Classe 2)

<150mA (Classe 1) 300mA 30mA 150-300mA 100mA

Conveniência para Controle e Supervisão, aplicações industriais

Baixa (Boa média, mas

conexão inicial lenta)

Baixa (Taxa alta, mas conexão

inicial lenta)

Baixa (Bom compromisso entre taxa e custo de conexão)

Alto (Bom compromisso entre taxa e custo de conexão)

Alto (Boa taxa e custo de conexão)

Tecnologia de espalhamento espectral FHSS DSSS DSSS FHSS/DSSS FHSS/DSSS

Vantagens relativas Custo, Flexibilidade

Velocidade, Flexibilidade Potência, Custo

Flexibilidade, Potência e Velocidade

Velocidade, Custo

Tabela 1 - Principais tecnologias sem fio para automação

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5. APLICAÇÕES/ESTUDOS DE CASO

5.1. APLICAÇÃO DE SENSORES SEM FIO EM UMA SUBESTAÇÃO DE ENERGIA ELETRICA.

Neste estudo, foi implementado um sistema para monitoramento e aceleração de uma máquina rotativa (compensador síncrono), instalada em uma subestação de energia elétrica. O objetivo é verificar as interferências, alcance de transmissão, confiabilidade da comunicação e precisão dos sensores.

Figura 8 - Compensador síncrono, posicionamento do sensor. [26]

Na figura 8 verifica-se o compensador síncrono e o posicionamento do esquema de medicão utilizando o medidor e analisador de aceleracão. Como ponto de partida, foi analisado a precisão dos sensores, realizando vários testes comparativos entre os nós sensores sem fio, e os sensores tradicionais, submentendo-os a diferente sinais de vibrações. Os testes de sensibilidade de frequência avaliou a capacidade do sistema de responder satisfatoriamente quando submetido a sinais de diferentes frequências de aceleração, utilizando método de calibração secundária, caracterizado pela comparação do sensor que está sendo medido, com um padrão de referência, sendo ambos submetidos a mesma vibração. Após os testes de precisão e de sensibilidade de frequências dos sensores sem fio, realizados em laboratório, efetuaram-se os testes em um compensador síncrono na subestacão da Eletronorte, em Vila do Conde. O compensador está localizado 40 metros de distância da estação base. [26]

5.2 APLICAÇÕES DE SENSORES SEM FIO NO MONITORAMENTO DE TANQUES DE ÁGUA SALGADA.

Nesta aplicação, foi implementado um campo de gás natural, um sistema para monitorar o nível do tanque de água

salgada e controle (liga/desliga) da bomba de enchimento do tanque, visando manter o nível estável.

Figura 8 - Controle Wireless Tanques de Água Salgada. [27]

Na figura 9, é possível perceber que na base de cada tanque foi instalado transmissores de pressão submersíveis para controlar a profundidade total de água salgada dentro do tanque. Foi instalado um dispositivo Wireless Mestre e um controlador no local do tanque, um dispositivo wireless escravo e controladores de frequência nas proximidades das Bombas e caso seja variando a distancia é necessario um dispositivo Wireless repetidor.

5.3 APLICAÇÕES DE REDE SEM FIO AO METODO

PLUNGER LIFT.

Este estudo de caso tem como objetivo a implementação da rede de sensoriamento sem fio numa unidade de elevação de petróleo (Método Plunger Lift), propiciando a facilidade de intervenções, monitoramento e eliminação de interferências e danos na comunicação fisica. A rede sem fio é implementada a um controlador que é responsável por monitorar cinco variáveis (três sensores de pressão, um de vazão e um de presença) e atua duas válvulas (uma com controle proporcional de vazão e uma on/off). [29]

O sistema Plunger Lift é a utilizaçao de um pistão como uma interface mecânica entre o gás da formaçao e o fluido produzido, evitando que esse gás passe através do fluido durante a subida na coluna de produção, o que deixaria grande quantidade de fluido para trás. Quando o gás proveniente da formação não for suficiente para erguer o fluido, neste caso abre-se a válvula de injeção de gás, até que a pressão interna eleve ao necessário. O sistema Plunger Lift representa uma solução para a problemática associada ao bombeio mecânico quando a relação gás líquido do poço se torna alta. [29]

A figura 10, demostra-se a configuração proposta da rede sem fio, em que cabos e dutos capilares que interligam os sensores e atuadores ao controlador foram substituídos por uma rede de sensores sem fio.

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Figura 9 – Implantação de rede Wireless no Sistema

Plunger Lift. [29]

Foram realizados testes em situações e ambiente diferentes simulando sinais lidos nos sensores, comando nos atuadores, interferências da rede Wi-Fi, tempo de espera entre transmissão e recepção, e perda de dados. Os sensores e atuadores são a ser alimentados pelas baterias do módulo de comunicação que possui uma célula fotovoltaica.

Essa configuração apresentou bons resultados observando aspectos de confiabilidade, segurança na transmissão e recepção dos sinais de rádio frequência, mostrou-se robusto aos ambiente utilizados e apresentou baixo consumo de energia.

5.4 APLICAÇÕES DE SENSOR DE NIVEL SEM FIO

APLICADO A UMA ENCHEDORA.

As dificuldades encontradas, diariamente, dentro do ambiente industrial numa enchedora rotativa de garrafas, incentivou a busca por solução para os constantes danos em cabos de alimentação dos transmissores, danos em anéis deslizantes e danos nos próprios transmissores.

Para solucionar a situação da Enchedora, consideraram-se as seguintes premissas: eliminar os cabos e os anéis deslizantes; utilizar da transmissão sem fio de dados de nível e pressão para o reservatório da Enchedora, enviar dados de processo coletados para o controlador, que deverá atuar no controle liga/desliga da bomba de produto; instalação de um módulo de bateria para fornecer energia para o sistema sem fio e sensores utilizados para coletar dados com vida útil em torno de um ano. [30]

Figura 11 - Sistema Wireless em uma Enchedora. [30]

A figura 11 demostra a Enchedora de garrafas com a implementação do sistema sem fio responsável pelo monitoramento do nível e pressão dentro do reservatório através do envio de sinais analógicos de 4 a 20mA, via rádio para o Gateway, que está interligado ao controlador que determinará com precisão, quando ativar o fluxo de entrada de

produto no tanque, acionando e desligando devidamente a bomba. [30]

A sonda de nível e transmissor de pressão foram caracterizados para um baixo consumo de corrente e conectado aos módulo de bateria sobre o tanque. O Gateway é montado perto dos controladores rotativos de vazões de enchimento. [30]

Essa implementação sem fio, além de atender os pontos levantados como premissas, a solução surpreendeu, ao resultar na redução significativa do tempo de inatividade de enchimento, aumentando a eficiência da produção global e minimizando tempo e custo de manutenção, sendo, agora, realizada anualmente para a substituição da bateria e calibração dos intrumentos. [30]

6. CONCLUSÃO

A tecnologia sem fio tem sido determinante no desenvolvimento da automação industrial, alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes industriais, e possibilitando a comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes. A utilização de comunicação sem fio vem se expandindo rapidamente nas plantas industriais, integrando todos os níveis hierárquicos, devido as suas características de aplicação, possibilitando a combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, oferecendo as condições ideais de redes abertas em processos industriais, visando o melhor equilíbrio de desempenho entre consumo energético dos transmissores, velocidade de transmissão de dados, confiabilidade e robustez.

As inovações tecnológicas em busca de soluções para os diversos ambientes industriais, resultaram nos diversos meios de comunicação sem fio (Wireless Hart, Bluetooth, Wi-Fi, Wisa, ZigBee e SP-100), que hoje são padronizados e são responsáveis pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de medição e controle no ambiente industrial.

A utilização da tecnologia sem fio deve ocorrer em um processo gradual, onde os requisitos iniciais incluem a criação de ilhas de dispositivos sem fio habilitados, conectados a uma infraestrutura existente com redes cabeadas, atendendo as necessidades específicas de processo dentro das plantas industriais. Estas tecnologias podem resolver problemas complexos e oferecer vantagens significativas sobre sistemas com fios dentro do campo industrial.

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[29] Denis, Felipe; Fernandes, Jeferson; Soares, Rodrigo; Duarte, Adrião. Rede de sensores sem utilizando o padrão IEEE 802.15.04 em Unidade de elevação de petróleo com o método Plunger Lift. . [30] Monitoring level and pressure in a Rotary Filler Site da Internet: Banner Engineering Disponível em: http://www.bannerengineering.com/enUS/ wireless/surecross_web_home Acessado em março de 2012.

DADOS DOS AUTORES

Alexandre Baratella Lugli. Instituto Nacional de Telecomunicações – Inatel. Coordenador de curso superior e pós-graduação. Av. João de Camargo, Número 510 - Santa Rita do Sapucaí – MG. CEP 37540-000 - Fone: (35) 3471.9262 - Fax: (35) 3471 9314. baratella@inatel.br Darlan Guilherme Sobrinho DG Soluções e Projetos Industriais ltda. Coordenador de Engenharia e Desenvolvimento Avenida Dantas Bião, 518, Apto 303, B, Alagoinhas - Bahia CEP 48030-030 - Fone: (35) 91072677. darlan.guilherme@dgsprojetos.com.br