Marcelo - Instrumentação Wireless

7/25/2019 Marcelo - Instrumentao Wireless

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MARCELO KHOURI SILVA

A EVOLUO DAS REDES WIRELESSNA INDSTRIA DE

PROCESSO

RIO DE JANEIRO

2011


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Marcelo Khouri Silva

A Evoluo das RedesWirelessna Indstria de Processo

Monografia apresentada ao InstitutoBrasleiro de Petrleo, Gs e

Biocombustveis IBP para obteno dograu de Ps Graduo em Engenharia de

Instrumentao Industrial

Orientador: Prof. Cludio Makarovsky

IBP-PS Instituto de Ps-Graduao do Petrleo

Rio de Janeiro - 2011


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AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente Deus por ter me dado a

fora e a f necessrias para superao dos

obstculos enfrentados.

Em especial, quero agradecer aos meus pais pelo

apoio e suporte em tudo que me foi necessrio e s

minhas irms por me alegrarem e me colocar pracima sempre que necessrio.

Ao meu orientador Prof. Cludio Makarovsky, pelas

importantes sugestes dadas para o desenvolvimento

deste trabalho.

Aos amigos que me acolheram no IBP, tornando mais

agradveis a adaptao disciplina de aulas aos

finais de semana.

Aos amigos mais prximos por sempre escutar as

lamentaes na hora do desespero e compartilhar as

risadas nos momentos de alegria.


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A Evoluo das RedesWirelessna Indstria de Processo

Resumo:Cada vez mais a transmisso de dados utilizando meio sem fio se faz presente

no nosso cotidiano. Celulares, palmtops, e at mesmo a rede domstica para acesso

internet so exemplo da difuso cada vez maior dessa tecnologia. As redes sem fio

atingiram hoje um papel de fundamental importncia no meio industrial. Em um

mercado cada vez mais competitivo, a reduo de custos de instalao e

comissionamento, manuteno e gerenciamento das redes de campo, aliadas

confiabilidade operacional trazidas pela nova tecnologia no pode deixar de ser

considerada. Em virtude disso, este trabalho tem como objetivo estudar a transmisso de

sinais das redes de instrumentos sem fio na indstria de processos, suas topologias e suascaractersticas.

A fim de situar esta tecnologia no tempo, apresenta-se um histrico das

transmisses de sinais de campo, desde a pneumtica at as modernas transmisses

fieldbus. Tambm estudada a evoluo dos sensores, que pode ser considerado um dos

fatores que possibilitaram a transmisso sem fio. Os novos conceitos ligados a tecnologia

wirelesscomo espalhamento espectral, antenas, arquiteturas da rede e normas aplicveis

so tambm apresentados para que se possa entender o funcionamento de uma rede semfios. Por fim, feito um estudo de caso exemplificando a utilizao da tecnologia

wirelessem um sistema integrado de VOIP sobre rede wirelesse instrumentao atuando

sobre a mesma rede sem fio.

Palavras-chave:Antenas, espalhamento espectral, ISA 100.11a, meio industrial, redes

sem fio, reduo de custos.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1.1 - Evoluo das tecnologias Wi-Fi. ................................................................. 15

Figura 2.1 - Controle manual de um indstria de processo ............................................ 19

Figura 2.2 - Maturidade das tecnologias de transmisso de sinais. ................................ 20

Figura 2.3 - Esquema de uma malha fechada de controle com transmisso pneumtica.

........................................................................................................................................ 22

Figura 2.4 - Formas de interligao de instrumentos com transmisso eletrnica a) 2

fios b) 3 fios c) 4 fios ...................................................................................................... 24

Figura 2.5 - Base instalada de protocolos de comunicao digital com nfase na

indstria de processos ..................................................................................................... 26

Figura 2.6 - Princpio da transmisso superimposta HART ........................................... 27

Figura 2.7 - Topologia da redefoundation fieldbus........................................................ 29

Figura 2.8 - Modelo de comunicaofoundation fieldbus. ............................................ 30

Figura 2.9 Arquitetura da redeprofibusPA com controlador exclusivo. .................... 31

Figura 2.10 - Arquitetura da rede sem fio para coleta de dados. .................................... 32

Figura 2.11 - Arquitetura tpica das primeiras redes sem fio industriais. ....................... 33

Figura 2.12 - Topologia da rede sem fio atual ................................................................ 34

Figura 3.1 - Tcnica do espalhamento espectral. ............................................................ 37

Figura 3.2 - Mtodo de espalhamento espectral DSSS. ............................................... 38

Figura 3.3 - Mtodo de espalhamento espectral FHSS. ............................................... 38

Figura 3.4 - Diagrama de radiao de uma antena helicoidal. ........................................ 39

Figura 3.5 - Equipamentos de rede - devices. ................................................................. 42

Figura 3.6 - Configurao de uma rede tpica. ............................................................... 43


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Figura 3.7 - Exemplos de pontos de acesso. ................................................................... 43

Figura 3.8 - Topologia ponto a ponto. ............................................................................ 44

Figura 3.9 - Topologia estrela. ........................................................................................ 45

Figura 3.10 - Topologia rvore ....................................................................................... 46

Figura 3.11 - Topologia mesh. ....................................................................................... 48

Figura 3.12 - Topologia de redes hbridas ...................................................................... 49

Figura 3.13- Topologia bsica da norma IEEE 802.15.4 ................................................ 52

Figura 3.14 - Topologias para oZigBee......................................................................... 56

Figura 3.15 - Rede mesh wirelesshart. ............................................................................ 59

Figura 3.16 - Topologias possveis de uma rede wirelesshart. ....................................... 60

Figura 3.17 - Funes dos dispositivos da rede ISA 100.11a. ........................................ 63

Figura 4.1 - Requisitos de uma rede sem fio. ................................................................. 65

Figura 4.2 - Definio do protocolo em uma aplicao. ................................................. 66

Figura 4.3 - Tecnologia de camadas ISO-OSI e suas funes. ....................................... 67

Figura 4.4 - Exemplo do caminho seguido em uma aplicao. ...................................... 68

Figura 4.5 - Tempo de acesso ao meio de transmisso. .................................................. 71

Figura 4.6 - Exemplo de roteamento de uma rede mesh. ............................................... 72

Figura 4.7 - Requisitos de segurana. ............................................................................. 73

Figura 4.8 - Painis solares ............................................................................................. 75

Figura 4.9 - Gerador de energia piezoeltrico. ............................................................... 76

Figura 4.10 Exemplo de micro-turbina. ....................................................................... 76

Figura 5.1 - Comparao de economia entre uma rede fiada e uma wireless. ................ 81


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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Padres utilizados nas indstrias de processo (CONSIDINE, 1985) ........ 21

Tabela 2.2 - Caractersticas da transmisso pneumtica (RIEGO, 2009) ....................... 22

Tabela 2.3 - Padres utilizados nas indstrias de processo (CONSIDINE, 1985) ......... 23

Tabela 2.4 - Principais caractersticas da transmisso analgica (RIEGO, 2009) .......... 25

Tabela 2.5 - Dados transmitidos por instrumento HART (HART COMMUNICATION,

2011) ............................................................................................................................... 26

Tabela 2.6 - Principais caractersticas da transmisso HART (RIEGO, 2009) .............. 28

Tabela 2.7 - Principais caracterstica da transmisso FF (RIEGO, 2009) ...................... 30

Tabela 2.8 - Principais caractersticas da transmisso Profibus PA (RIEGO, 2009) ..... 32

Tabela 3.1 - Subdivises do espectro de RF (RACKLEY, 2007) .................................. 35

Tabela 3.2 - Propriedades da tecnologia IEEE 802.15.4 (RIEGO, 2009) ...................... 52

Tabela 3.3 - Funes de cada camada (IEEE 802.15.4, 2007) ....................................... 53

Tabela 3.4 - Dispositivos zigbee e suas funcionalidades (BRANDO, BONIFCIO e

PANTONI, 2009) ............................................................................................................ 54

Tabela 3.5 - Propriedades da tecnologia IEC/PAS 62591 (2008) (RIEGO, 2009) ........ 60

Tabela 3.6 - Classes de operao definidas pela ISA 100.11a (ISA 100.11a, 2008) ...... 61

Tabela 3.7 - Propriedades da tecnologia ISA 100.11a (2008) (RIEGO, 2009) .............. 64


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANATEL - Agncia Nacional das Telecomunicaes

CLP - Controlador Lgico Programvel

CSMA-CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum

EHF -Extreme High Frequency

FCC - Federal Communications Commission

FF- Foundation fieldbus

FFD - Full Function Device

FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum

FSK - Frequency Shifting Keying

GTS - Guaranteed Time Slot

HART -Highway Addressable Remote Transducer

HF -High Frequnecy

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE -Institute of Electrical and Electronic Engineers

ISA -International Society of Automation

ISM -Instrument, Scientific and Medical

ISO-OSI - Padro de redes de comunicao - Open System Interconnection

ISP -Interoperable Systems Project

LF- Low Frequency

MEMS - Sistemas Micro-eletro-mecnicos

MF Medium Frequency


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PAN - Personal Area Network

QoS - Quality of Signal

RF - Rdio Freqncia

RFD -Reduced Function Device

SDCD - Sistema Digital de Controle Distribudo

SHF - Super High Frequency

SSC - Sistema de Superviso e Controle

TDMA - Time Division Multiple Access

TIR - Taxa Interna de Retorno

UHF - Ultra High Frequency

UTR - Unidade Terminal Remota

VHF -Very High Frequencu

VLF - Very Low Frequency

VOIP - Voice Over Internet Protocol

XOR - Funo Lgica OU Exclusivo

Wi-Fi - Wireless Fidelity

WorldFIP- World Factory Instrumentation Protocol

WPAN - Wireless Personal Area Network


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SUMRIO

1 INTRODUO..................................................................................................... 12

1.1 MOTIVAO ................................................................................................. 15

1.2 OBJETIVO ....................................................................................................... 16

1.3 METODOLOGIA DE ESTUDO ..................................................................... 17

1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ............................................................... 17

2 HISTRICO DA TECNOLOGIA....................................................................... 192.1 TRANSMISSO DE SINAIS DE CAMPO .................................................... 19

2.2 TRANSMISSO PNEUMTICA .................................................................. 20

2.3 TRANSMISSO ANALGICA ELETRNICA ........................................... 22

2.4 TRANSMISSO DIGITAL COM FIO ........................................................... 25

2.4.1 ProtocoloHART...................................................................................... 26

2.4.2 Foundation fieldbus................................................................................. 28

2.4.3 ProfibusPA.............................................................................................. 30

2.5 TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO ............................................................ 32

3 CONCEITOS TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO....................................... 35

3.1 TRANSMISSO DOS SINAIS ....................................................................... 36

3.1.1 Espalhamento espectral.......................................................................... 36

3.1.2 Antenas.................................................................................................... 39

3.2 ARQUITETURAS DE REDES ....................................................................... 40

3.2.1 Equipamentos da rede............................................................................ 40

3.2.2 Topologia das redes................................................................................ 44

3.3 TECNOLOGIAS ATUAIS .............................................................................. 50

3.3.1 IEEE 802.15.4 .......................................................................................... 50


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3.3.2 Zigbee....................................................................................................... 53

3.3.3 Wirelesshart.............................................................................................. 57

3.3.4 Norma ISA 100.11A ................................................................................ 60

4 REQUISITOS DA TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO............................... 65

4.1 ANLISE DOS REQUISITOS ....................................................................... 69

4.1.1 Energia solar........................................................................................... 74

4.1.2 Vibrao ................................................................................................... 75

4.1.3 Micro-turbinas........................................................................................ 76

5 ESTUDO DE CASO .............................................................................................. 77

5.1 EXEMPLO DE APLICAO: ECONOMIA EM UMA PLANTA DE

GERAO DE ENERGIA......................................................................................... 78

5.1.1 Novas adies ao sistema........................................................................ 79

6 CONCLUSO........................................................................................................ 83

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................ 85


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1 INTRODUO

notria a evoluo tecnolgica ocorrida ao longo dos anos. A inveno do

transistor revolucionou o ramo da eletrnica, pois sua utilizao em microprocessadores

substituiu uma enormidade de aplicaes que, at ento, eram realizadas por sistemas

complexos e de grande porte. A rpida evoluo da microeletrnica permitiu que, em

menos de 25 anos, os computadores atingissem fabricao em escala mundial e se

tornassem um item fundamental no cotidiano de nossas vidas. E este desenvolvimentoatingiu tambm as indstrias.

Em indstrias de processo, malhas de controle, que eram puramente pneumticas,

passaram a ser controladas por dispositivos microprocessados. Os controladores

pneumticos, utilizados na dcada de 50, foram gradativamente substitudos por

dispositivos eletrnicos que comandavam uma ou mltiplas malhas de controle.

Com o avano da tecnologia, as diversas malhas de controle que ficavam

espalhadas pela unidade puderam ser concentradas em sistemas integrados de controle,

como CLPs e SDCDs, os quais conseguiam concentrar todos os controles da planta em

um nico microprocessador. Isto facilitou a superviso das variveis de processo pelos

operadores, que no precisavam se deslocar pela unidade de processo para este fim.

importante ressaltar tambm que, acompanhando esta evoluo, os sensores

tambm tiverem que evoluir. Sensores puramente pneumticos deram lugar a sensores

eletrnicos. Esta nova evoluo permitiu uma leitura mais clara e com menos erros das

variveis de processo. Alm disso, a converso dos sinais medidos em sinais digitais foi

claramente facilitada, melhorando a qualidade dos sinais transmitidos.


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Os tubings1utilizados para levar o sinal pneumtico at os instrumentos foram

sendo substitudos por cabos com pares de filamentos de cobre tranados, os quais

levavam o sinal eltrico at os instrumentos. Foi a poca do advento do padro analgico

4-20mA. A confiabilidade obtida com esse padro o fez ser amplamente utilizado at os

dias atuais.

O padro 4-20mA puro permitia apenas o envio de uma informao (a varivel

medida) por instrumento. Durante muito tempo este envio simples de informao foi

suficiente para atender os requisitos das indstrias. No entanto, durante a dcada de

1980, a HART Foundationdesenvolveu um protocolo capaz de sobrepor um sinal digital

ao sinal analgico. Com isso, o padro de comunicao passou a ser digital e mais de

uma informao poderia ser transmitida por instrumento.

Este padro de comunicao revolucionou a indstria, pois se conseguia obter

vrios tipos de informao sobre os instrumentos, tais como valores de calibrao, data

da ltima calibrao, qualidade da medida e defeito no prprio instrumento. Com isso, a

indstria poderia ter total controle sobre seus instrumentos, podendo prever manuteno

e substituio de partes antes delas virarem possveis falhas.

At meados da dcada de 1990, o protocolo de sinais superimpostos reinou

absoluto, at que se conseguiu implementar a primeira rede puramente digital de

instrumentos de campo. Isto proporcionou ganhos econmicos e na qualidade e

quantidade de sinais transmitidos a partir do campo. Hoje temos vrios protocolos

digitais de comunicao de rede como o Fieldbus Foundation, o Modbus, o Profibus,

entre outros.

Uma nova tecnologia vem ganhando destaque ultimamente. Trata-se da

tecnologia de comunicaowireless no mbito industrial. Apesar da tecnologia wireless

1Tubo utilizado com a finalidade de transportar ar at o instrumento.


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j existir como meio puramente de aquisio de dados, ela surge agora com a promessa

de substituir as atuais tecnologias de transmisso de sinais de campo, interligando os

instrumentos de campo ao centro de controle sem a necessidade de cabos.

A tecnologia de transmisso industrial sem fio pode ser considerada um

desdobramento dos atuais protocolos comerciais, como o Wi-Fi e o Bluetooth2, j que

possuem a mesma estrutura de transmisso baseada nas camadas ISO-OSI, as mesmas

frequncias de operao e as tcnicas de espalhamento espectral3. Entretanto, esta

tecnologia apresenta as vantagens de ser otimizada para a indstria, preocupando-se com

questes como segurana operacional, consumo de energia, custo e confiabilidade.

Entre os ganhos do uso da tecnologia wirelesspodemos citar a reduo dos custos

de instalao, manuteno e gerenciamento da rede. Pode-se dizer que o principal

desafio a ser superado hoje a insegurana por parte dos usurios finais em utilizar esta

tecnologia em suas indstrias.

Existem hoje duas normas aceitas no mercado que regem alguns padres a serem

seguidos para as implementaes wireless: a ISA 100.11a (2008) e a WirelessHart4. Por

se tratar de uma tecnologia incipiente, essas normas ainda esto em desenvolvimento e

buscam uma forma de coexistir atravs da interoperabilidade.

Apesar de incipiente e da insegurana acerca da tecnologia wireless no meio

industrial, existem algumas aplicaes que j esto instaladas e funcionando. No entanto,

os protocolos de comunicao digitais por meio de cabos ainda so a maioria

esmagadora das aplicaes nas indstrias e, com certeza, perduraro por um longo

tempo.

2

Bluetooth: Nome comercial de redes sem fio desenvolvidas sob o protocolo IEEE 802.15.1.3Uma explicao detalhada do funcionamento do espalhamento espectral pode ser obtida no Captulo 3.4ISA100.11a e WirelessHart so protocolos de comunicao de redes sem fio.


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1.1 MOTIVAO

notria a evoluo das tecnologias wirelessat os dias atuais. Estamos cada vez

mais conectados por aparelhos e instrumentos que fazem uso dessa tecnologia. Celulares,

palmtops, laptopsbuscam cada vez uma melhor comunicao entre si por algum tipo de

tecnologia sem fio. Segundo RACKLEY (2007), uma das tecnologias que mais se

desenvolveu no incio do sculo XXI a rede sem fio. A Figura 1.1 mostra a evoluo da

tecnologia sem fio nos ltimos anos.

Figura 1.1 - Evoluo das tecnologias Wi-Fi(CMC ASSOCIATES, 2007)

Se por um lado estamos cercados no dia-a-dia por aparelhos wireless, nas

indstrias de processo essa tecnologia, embora nova, vem ganhando cada vez mais

espao. Motivadas pela necessidade global de operar em nveis cada vez mais

competitivos, as indstrias direcionam seus esforos para atingir nveis de excelncia nos

aspectos de qualidade de seus produtos e produtividade de suas unidades de processo.

Neste cenrio, as indstrias devem encontrar novas formas de otimizar a capacidade de


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produo e segurana, enquanto minimiza custos e aumenta a vida operacional dos

equipamentos novos e existentes. Neste ponto, a tecnologia sem fio pode ser bastante

atrativa (MANGES, 1999).

Um estudo realizado pelo Comit de Conselheiros em Cincia e Tecnologia do

Governo dos Estados Unidos (apud INDUSTRIAL WIRELESS TECHNOLOGY FOR

THE 21ST CENTURY, 2002, p.1) afirma que o desenvolvimento de sensores sem fio

aumentaria a produo em 10% e reduziria a emisso de gases poluentes em at 25%.

A competitividade que os instrumentos sem fio trazem para a indstria consiste

no fato da substituio da tecnologia atual fiada. Sistemas de instrumentao com fios

possuem altos custos de instalao, comissionamento e partida, manuteno e expanso e

uma alta taxa de falha em conexes mal feitas nos pontos de conexo, em painis.

1.2 OBJETIVO

O objetivo desta monografia estudar a transmisso de sinais das redes de

instrumentos sem fio, suas topologias, seus protocolos, suas vantagens e desvantagens,

com o intuito de avaliar sua possvel utilizao nas indstrias de processo, tanto para

superviso como para controle de suas variveis. Primeiramente, contextualizada

historicamente esta nova tecnologia, realizando um estudo da evoluo dos sinais de

transmisso industrial e, posteriormente, so abordadas as redes sem fio existentes no

mercado, focando o estudo naquelas aptas para a indstria de processo, como o

WirelessHarte a norma ISA 100.11a (2008), que pretende se consolidar como a norma

de referncia em redes sem fio industriais.


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1.3 METODOLOGIA DE ESTUDO

Para a confeco desta monografia foram feitas pesquisas em vrias fontes

atravs da internet. Foram pesquisados artigos e revistas no Portal Capes de peridicos,

alm de artigos da revistaISA Automation, Mecatrnica Atual e Intech.

Tambm foram estudas as normas tcnicas de maior destaque atualmente, como a

WirelessHart e ISA100.11a (2009), fazendo uma avaliao tcnica comparativa entre

ambas, destacando as caractersticas peculiares de cada uma.

Por fim, um caso prtico de aplicao da tecnologia wireless foi pesquisado e

analisado, com o intuito de ilustrar o amplo e promissor mercado das tecnologias sem fio

nas indstrias de processo.

1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

No captulo 2, descreve-se a histria das transmisses de sinal usualmente

utilizadas nas indstrias de processo, mostrando sua evoluo ao longo dos anos,

iniciando pela transmisso pneumtica de 3psi a 15psi, passando pela transmisso

analgica de 4mA a 20mA, pela transmisso digital fieldbus, at culminar na atual

transmisso digital sem fio.

No captulo 3, discorre-se sobre o estado da arte das transmisses sem fio,

descrevendo suas tecnologias, suas arquiteturas possveis, seus componentes de rede e

seus requisitos fundamentais de funcionamento. Tambm neste captulo realiza-se um

estudo comparativo das tecnologias de transmisso sem fio mais aptas a indstrias de

processos.

No captulo 4, discorre-se sobre os requisitos, vantagens e desvantagens,

oportunidades de utilizao e os cuidados que devem ser levados em considerao na


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implementao de redes desta natureza. neste captulo que se avalia os novos

desenvolvimentos desta tecnologia com relao ao consumo de energia.

No captulo 5, mostrado uma implementao dos instrumentos sem fio em uma

unidade industrial, ilustrando de que forma podemos obter uma instalao adequada

destes instrumentos.

E por fim, no captulo 6, apresenta-se as concluses e as contribuies deste

trabalho.


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2 HISTRICO DA TECNOLOGIA

2.1 TRANSMISSO DE SINAIS DE CAMPO

Durante um longo perodo, antes da dcada de 1940, as indstrias de processo

eram nada automatizadas, controladas exclusivamente pelos seus operadores. Assim, os

processos dependiam da destreza e responsabilidade manual de cada operador. No

entanto, esta estrutura apresentava um grande problema: era totalmente descentralizada,

pois cada operador deveria estar em um ponto diferente ao longo da unidade.

Desta forma, alm do grande nmero de profissionais necessrios para operar

uma fbrica, o controle das malhas era uma tarefa nada padronizada, como pode ser

observado na Figura 2.1 e exigia um enorme esforo por parte dos operadores de rea.

Figura 2.1 - Controle manual de um indstria de processo. (CONSIDINE, 1985)

Algum tempo depois, a introduo da teoria de transmisso de sinais


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padronizada, baseada no conceito de um transmissor e um receptor de sinais trouxe

algumas melhorias para a indstria de processo (CONSIDINE, 1985). Tornou-se

possvel padronizar a transmisso remota de sinais e consolidar o controle de todas as

malhas em um nico ponto central, a sala de controle.

Alm disso, tanto os transmissores quanto os receptores de sinais (indicadores,

controladores e registradores) puderam ser padronizados, permitindo uma flexibilidade

de utilizao.

A Figura 2.2 ilustra a evoluo das tecnologias de transmisso de sinais ao longo

do tempo. Pode-se ver que a tecnologia de transmisso digital j atingiu a sua maturidade

e que a tecnologia sem fio ainda esta apenas no incio de desenvolvimento.

Figura 2.2 - Maturidade das tecnologias de transmisso de sinais (RIEGO, 2009)

2.2 TRANSMISSO PNEUMTICA

Por volta de 1940 surgiu o primeiro mtodo de transmisso de sinais de campo: a

transmisso pneumtica. O mtodo, como o prprio nome diz, consiste em transmitir

informaes analgicas com base na presso exercida pelo ar.

Em termos prticos, um instrumento sensor/transmissor localizado no campo


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capta o sinal correspondente varivel que est medindo e transforma este sinal em uma

presso equivalente de ar. Se este instrumento estiver em uma malha de controle fechada,

o controlador interpretar este sinal e enviar um sinal pneumtico para a vlvula de

controle (CONSIDINE, 1985).

Havia vrias faixas de transmisso de sinais, como pode ser observado na Tabela

2.1. Diante desta falta de padro, a ISA publicou a norma S7.4 de 1981, a qual

padronizou a transmisso de sinais pneumtica nas faixas de 3-15psig e 3-27psig.

Faixas de operao de sinais pneumticos

3 a 15 psig 20,68 a 103,42 N/m3 a 27 psig 20,68 a 186,16 N/m6 a 30 psig 41,36 a 206,84 N/m

0,2 a 1,0 kgf/cm2 19,61 a 98,04 N/m0,2 a 1,0 bar 19,99 a 99,97 N/m0,2 a 100 kPa 19,99 a 99,97 N/m

Tabela 2.1 Padres utilizados nas indstrias de processo (CONSIDINE, 1985)

A implementao do mtodo pneumtico de transmisso de sinais possibilitou a

centralizao do controle, reduzindo o nmero e frequncia com que os operrios deviam

ir a campo para verificar o estado do processo observando as indicaes locais dos

transmissores.

A instrumentao pneumtica apresenta, ainda hoje, algumas vantagens em

relao instrumentao eletrnica. Os sistemas pneumticos oferecem proteo contra

falha de energia, uma vez que se podem utilizar reservatrios de ar comprimido caso haja

uma eventual queda de energia. Alm disso, os instrumentos pneumticos so, pela sua

natureza, prova de exploso, uma vez que no possuem alimentao eltrica podendo ser

utilizados livremente em reas classificadas. Outrossim, os sistemas pneumticos so

atuados com vlvulas operadas a ar, os principais elementos finais de controle utilizados

nos dias atuais. A Figura 2.3 mostra o esquema de uma malha fechada de controle

pneumtico, exemplificando sua aplicao.


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Figura 2.3 - Esquema de uma malha fechada de controle com transmisso

pneumtica.(CONSIDINE, 1985)

A Tabela 2.2 ilustra as principais caractersticas da transmisso pneumtica.

Caractersticas da TecnologiaTopologia Ponto a pontoMeio Fsico TubingEnergia para Funcionamento Ar de instrumentoTipo de Controle LocalTipo de Manuteno Permitida Preventiva; Corretiva

Padres ISA S7.4Observao No disponvel atualmente

Tabela 2.2 - Caractersticas da transmisso pneumtica (RIEGO, 2009)

2.3 TRANSMISSO ANALGICA ELETRNICA

Conforme citado no captulo 1, com a evoluo no campo da eletrnica na dcada

de 1970, consolidava-se a transmisso analgica eletrnica do sinal medido, baseada na

mesma teoria de telemetria, mas agora no mais transmitido por sinais de ar atravs de

tubings, mas por sinais de corrente ou tenso atravs de cabos de cobre.

Surgiram ento, vrias faixas de valores que eram adotadas na indstria. Por este

motivo, como na transmisso pneumtica, era necessria uma padronizao dos sinais.

5Telemetria: tecnologia que permite a medio e transmisso de informaes de interesse do operador oudesenvolvedor de sistemas.


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Foi publicada a norma ISA SP-50, em 1975 padronizando o sinal em 4mA a 20mA,

sendo este utilizado at os dias de hoje. A Tabela 2.3 mostra as diversas faixas de

transmisso analgica digital antes da padronizao.

Faixas de Operao de Sinais Eletrnicos0 a 5Vdc 0 a 25mA1 a 5Vdc 1 a 5mA0 a 10Vdc 10 a 50mA0 a 20mA 4 a 20mA

Tabela 2.3 - Padres utilizados nas indstrias de processo (CONSIDINE, 1985)

Com a transmisso eletrnica os instrumentos passaram a ser interligados

conforme mostra a Figura 2.4.


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Figura 2.4 - Formas de interligao de instrumentos com transmisso eletrnica a) 2fios b) 3 fios c) 4 fios (NACHTIGAL, 1980)

A tecnologia de transmisso 4-20mA perdura at os dias de hoje. Podemos

atribuir este fato a alguns fatores como: o aumento da qualidade dos sensores que trouxe

confiabilidade e robustez na medio, alm do surgimento da tecnologia de transmisso

denominada HART, um protocolo de transmisso digital superimposto na transmisso

analgica 4-20mA.

A Tabela 2.4 mostra as principais caractersticas da transmisso analgica


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eletrnica.

Caractersticas da TecnologiaTopologia Ponto a pontoMeio Fsico Par Tranado (cabo de cobre)

Energia para Funcionamento Energia Eltrica mais Ar de InstrumentoTipo de Controle Local ou remotoTipo de Manuteno Permitida Preventiva; CorretivaPadres ISA SP-50Observao Disponibilidade de Produtos Reduzida

Tabela 2.4 - Principais caractersticas da transmisso analgica (RIEGO, 2009)

2.4 TRANSMISSO DIGITAL COM FIO

Como elucidado anteriormente, a evoluo da eletrnica dos sensores fizeram

com estes evolussem de simples transformadores de grandezas para sistemas integrados

e microprocessados de medio, transmisso e processamento de sinais. Esta evoluo

contribuiu enormemente para a implantao, na dcada de 1980, do primeiro protocolo

de comunicao digital nos instrumentos de campo, o HART. Depois do pioneirismo

deste protocolo, diversos outros surgiram posteriormente e no necessitavam mais da

base 4-20mA para transmisso de informaes.

A Figura 2.5 mostra a base instalada dos protocolos digitais de comunicao na

indstria de processos.


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Figura 2.5 - Base instalada de protocolos de comunicao digital com nfase naindstria de processos (INTECH, 2007)

2.4.1 ProtocoloHART

Este novo protocolo representou um enorme avano na indstria, pois

possibilitou obter uma srie de informaes dos instrumentos e no apenas a varivel

medida do processo. Estas informaes, como algumas listadas na Tabela 2.5, passaram

a ser utilizadas no somente pelos operadores da unidade, mas tambm pelas reas de

manuteno e automao.

Dados Digitais35 a 40 itens de dados padronizados em cada dispositivo

HART.Identificao do Dispositivo

Tag do instrumento, fornecedor, tipo, reviso e nmeroserial.

Varivel do Processo Varivel principal e medies secundrias.

Status/Diagnsticos/AlertasMau funcionamento, alterao de configurao, reinicioautomtico por perda de energia, alarmes de variveisfora de limites, erros de comunicao.

Tabela 2.5 - Dados transmitidos por instrumento HART (HART COMMUNICATION,2011)

O princpio de funcionamento deste protocolo est representado na Figura 2.6 e


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possui as seguintes caractersticas:

Mestre/escravo6bidirecional;

Modo de transmisso baseada na tecnologia FSK;

Velocidade de transmisso de 1200bps7.

Figura 2.6 - Princpio da transmisso superimposta HART (HARTCOMMUNICATION, 2011)

Apesar da vantagem do HART em levar informaes no somente da varivel

medida, mas e diagnsticos para a sala de controle, sua forma de instalao no evolura

em nada com relao s transmisses analgicas de 4-20mA. Pelo contrrio, para poder

ler o sinal digital contido no analgico, era necessrio um dispositivo adicional ao

sistema j existente, que permitisse a filtragem do sinal digital.

Esta lacuna de desenvolvimento aberta pelo protocolo HART e a consolidao

das tecnologias de redes comerciais (internet), fomentaram o desenvolvimento dos

primeiros e exclusivos protocolos digitais de campo, os chamados field buses. Com a

6Tipo de comunicao entre controladores e instrumentos de campo.7bps: bits por segundo, uma medida da velocidade da transmisso de dados.


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inteno de situar este trabalho no tempo, apenas os dois mais importantes protocolos de

campo utilizados nas indstrias de processo so ilustrados: o foundation fieldbus e o

profibus-PA.

A Tabela 2.6 ilustra as principais caractersticas deste tipo de transmisso.

Caractersticas da TecnologiaTopologia Ponto a pontoTaxa de Transferncia 1,2kbpsModo de Transmisso FSKControle de Trfego Mestra-escravoComplexidade de implementao BaixaMeio Fsico Par tranado (cabo de cobre)Energia para Funcionamento Energia eltrica + ar de instrumento

Tipo de Controle Local ou remotoTipo de Manuteno Permitida Preventiva; Preditiva. CorretivaPadres HART FoundationObservaes Possibilita o gerenciamento de ativos

Tabela 2.6 - Principais caractersticas da transmisso HART (RIEGO, 2009)

2.4.2 FOUNDATION FIELDBUS

Em 1992 um grupo de empresas internacionais formou o ISP para criar uma

tecnologia que pudesse ser usada em ambientes perigosos (atmosfera explosiva, por

exemplo). Ao mesmo tempo outro consrcio de empresas criou o WorldFIP, com os

mesmos propsitos do ISP. (MECATRNICA ATUAL, 2011)

Em 1994, por razes tcnicas, polticas e econmicas os dois grupos se fundiram

criando a Fieldbus Foundation, cujo objetivo era criar um padro internacional baseado

em normas IEC, que pudesse ser amplamente utilizado pela indstria de automao e

controle de processo, atendendo tambm s aplicaes em reas perigosas (com

segurana intrnseca)

Foundation fieldbus uma arquitetura aberta para integrar informao, cujo

objetivo principal interconectar equipamentos de controle e automao industrial,

distribuindo as funes de controle pela rede e fornecendo informao a todas as


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camadas do sistema. Trouxe o conceito de implementar o controle das malhas de

processo diretamente nos instrumentos de campo8. A tecnologia FF pode substituir com

vantagens a tradicional tecnologia 4-20mA + HART, possibilitando a comunicao

bidirecional entre os equipamentos de forma mais eficiente (MECATRNICA ATUAL,

2011).

O novo conceito de redes digitais de campo introduzido com esta tecnologia

possibilitou a utilizao de diversas topologias (arquiteturas) para as redes FF, deixando

de serem as ligaes dos instrumentos somente ponto a ponto. As topologias mais usuais

podem ser vistas na Figura 2.7.

Figura 2.7 - Topologia da rede foundation fieldbus (MECATRNICA ATUAL, 2011)

O princpio de funcionamento deste protocolo est representado na Figura 2.8 e

possui as seguintes caractersticas:

8Apesar de vivel, a alternativa de no possuir um controlador central para controle das malhas ainda pouco utilizada pelas indstrias de processo.


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Token pass9bidirecional;

Modo de transmisso adaptada da tecnologia ISO-OSI;

Velocidade de transmisso de 31,25kbps.

Figura 2.8 - Modelo de comunicao foundation fieldbus (FOUNDATION FIELDBUS,2011)


Caractersticas da TecnologiaTopologia Ponto a ponto; Estrela; Corrente; rvoreTaxa de Transferncia 31,25kbpsControle de Trfego Token passComplexidade de implementao MdiaMeio Fsico Cabo de cobre especficoEnergia para Funcionamento Energia eltrica + ar de instrumentoTipo de Controle Local ou remotoTipo de Manuteno Permitida Preventiva; Preditiva. CorretivaPadres ANSI/ISA-50.02Observaes Possibilita o controle total dos instrumentos.

Tabela 2.7 - Principais caracterstica da transmisso FF (RIEGO, 2009)

2.4.3 PROFIBUSPA

Em 1989, assim como ocorreu com o fieldbus, um consrcio formado por vrias

empresas e instituies se formou com o objetivo de desenvolver um protocolo que

reduzisse os custos de implantao de uma rede atingindo os aspectos de engenharia de9Tipo de comunicao entre controlador e instrumentos de campo.


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projeto, quantidade de materiais e hardwaree reduo no tempo de comissionamento e

partida das unidades de processo. Neste nterim, surgiu o Profibus PA. Estima-se uma

reduo de 40% nos custos de implantao se comparados com uma rede analgica

(RIEGO, 2009).

A arquitetura do protocolo a mesma do padrofieldbus, pois utilizam o mesmo

meio fsico. A Figura 2.7 ilustra os tipos de arquiteturas que podem ser utilizadas com o

padro Profibus PA.

A principal diferena entre o Profibus PA e o fieldbus reside no fato de que o

primeiro precisa ter suas estratgias de controle implantadas todas em um host, no

sendo possvel a implementao de controle pelo campo como permitido pelo

fieldbus,conforme ilustrado pela Figura 2.9.

Figura 2.9 Arquitetura da rede Profibus PA com controlador exclusivo (PROFIBUS,2011)



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Caractersticas da TecnologiaTopologia Ponto a ponto; Estrela; Corrente; rvoreTaxa de Transferncia 31,25kbpsControle de Trfego Token passComplexidade de implementao Mdia

Meio Fsico Cabo de cobre especficoEnergia para Funcionamento Energia eltrica + ar de instrumentoTipo de Controle RemotoTipo de Manuteno Permitida Preventiva; Preditiva. CorretivaPadres IEC 61158/IEC 61784-1Observaes Possibilita o controle total dos instrumentos.

Tabela 2.8 - Principais caractersticas da transmisso Profibus PA (RIEGO, 2009)

2.5 TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO

Em meados dos anos 1990, a tecnologia de transmisso digital sem fio j era

utilizada pela indstria de processo para aquisio de dados e telemetria. No entanto,

data do incio de 2000 a utilizao efetiva da tecnologia wireless na indstria de

processo. O seu princpio de funcionamento consiste em um transmissor e um receptor

inteligente, um condicionar de sinais e um sistema de tratamento de dados, conforme

ilustrado na Figura 2.10.

Figura 2.10 - Arquitetura da rede sem fio para coleta de dados (RIEGO, 2009)

Pode-se dizer que a primeira utilizao das redes sem fio na indstria de

processo foram no nvel 2 da pirmide de automao, ou seja, nvel de sala de controle

depois que a instrumentao de campo j efetuou a comunicao com os controladores.


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Eram trafegados, inicialmente, dados entre sistemas de controle, na maioria das vezes

na topologia de rede estrela, conforme ilustra a Figura 2.11.

Figura 2.11 - Arquitetura tpica das primeiras redes sem fio industriais (RIEGO, 2009)

Da dcada de 1970 at incio dos anos 1990, a crescente demanda por

conectividade sem fio poderia ser obtida apenas por meio de uma pequena alternativa de

hardwarea preos elevados, baseados em tecnologias proprietrias, que no ofereciam

interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes e no possuam

mecanismos eficientes de segurana (RACKLEY, 2007).

A crescente evoluo tecnolgica ocorridas nos anos seguinte possibilitou

transportar a tecnologia wireless do nvel 2 para o nvel 1 da pirmide de automao, ou

seja, para o nvel dos instrumentos em campo. A partir da, pde-se obter uma maior

flexibilidade de implementao, advinda do uso de protocolos abertos e voltados

utilizao. A Figura 2.12 ilustra a atual arquitetura de rede sem fio encontrada nas

indstrias de processo.


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Figura 2.12 - Topologia da rede sem fio atual (RIEGO, 2009)

Esta nova tecnologia traz, ento, uma srie de vantagens, desvantagens e

desafios para a indstria, como:

Reduo dos custos com cabos, caixas de juno e materiais de instalao;

Diminuio do tempo de montagem, comissionamento, partida e

manuteno;

Diferentes possibilidades de topologia, incluindo o conceitoMesh;

Necessidade de um maior controle dos dados transmitidos;

Susceptibilidade a rudos e interferncias eletromagnticas;

Necessidade de diminuir o consumo de energia dos instrumentos.

No prximo captulo so expostos os conceitos bsicos da tecnologia wireless

fornecendo uma base de conhecimento para o estudo de caso que aparece no captulo 5.


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3 CONCEITOS DA TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO

As transmisses digitais sem fio so transmisses de rdio frequncia (RF) queusualmente operam nas faixas de 915MHz e 2,4GHz, sendo caracterizadas como

transmisses UHF, conforme ilustrado pela Tabela 3.1. Apesar da faixa de 5,8GHz

comear a ser estudada para utilizao no mercado, a freqncia de 2,4GHz a que

possui um maior nmero de dispositivos em funcionamento.

Tipo de Transmisso FrequnciaMuito Baixa Frequncia (VLF) 9-30kHzBaixa Frequncia (LF) 30-300kHzMdia Frequncia (MF) 300-3000kHzAlta Frequncia (HF) 3-30MHzMuito Alta Frequncia (VHF) 30-300MHzUltra Alta Frequncia (UHF) 300-3000MHzSuper Alta Frequncia (SHF) 3-30GHzExtrema Alta Frequncia (EHF) 30-300GHz

Tabela 3.1 - Subdivises do espectro de RF (RACKLEY, 2007)

As frequncias citadas acima foram escolhidas pelo fato de operarem em faixas

no licenciadas, ou seja, que no foram regulamentadas pelos rgos competentes para

a regulamentao. Assim, no necessria uma licena da ANATEL, no Brasil, ou da

FCC, nos EUA, para utilizar alguma destas faixas.

Estas faixas so chamadas de ISM. A principal desvantagem de se usar ISM

que se houver alguma interferncia nestas faixas, a responsabilidade inteira do

utilizador, uma vez que no h regulamentao para dizer o nmero de dispositivos que

operam naquela freqncia e nem se existe dispositivos que podem causar

interferncias.


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Entretanto, hoje a faixa de ISM contm um enorme nmero de transmisses sem

fio comerciais e industriais, j que sua transmisso de dados no gera custos e j existe

tecnologia para projetar redes de transmisso que minimizem os efeitos de interferncia.

3.1 TRANSMISSO DOS SINAIS

Devido possibilidade de outros dispositivos operarem na mesma frequncia, as

transmisses destes sinais foram projetadas com o propsito de minimizar as

interferncias geradas por dispositivos vizinhos e de aumentar a segurana dos dados

transmitidos.

Existem diversas formas de atingir estes objetivos, dentre as quais pode-se citar:

a utilizao de determinados tipos de antenas e a escolha da tecnologia de espalhamento

espectral para a transmisso dos dados.

3.1.1

Espalhamento espectral

A tcnica de espalhamento espectral surgiu na durante a segunda guerra

mundial, quando no se queria que informaes confidencias cassem mo erradas. Era

necessria uma transmisso segura quanto a interceptaes e robusta quanto a

perturbaes intencionais ou no.

O espalhamento espectral consiste, como o prprio nome diz, em espalhar as

informaes a serem transmitidas ao longo de uma faixa de frequncia. Como vantagem

desta tcnica, podemos citar a reduo de frequncias de interferncias e, como

desvantagem, a utilizao de uma largura de banda maior que a largura de banda da

informao a ser transmitida. A Figura 3.1 ilustra a tcnica do espalhamento espectral.


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Figura 3.1 - Tcnica do espalhamento espectral (RACKLEY, 2007)

Conforme RACKLEY (2007), a chave para o espalhamento espectral so as

funes utilizadas para espalhar a informao ao longo da faixa de frequncia. Este

processo resulta em uma largura de banda de 20 a 100 vezes maior do que a largura de

banda da informao propriamente dita em aplicaes comerciais e industriais e de mil

a um milho de vezes maior em aplicaes militares.

Existem diversas formas de realizar o espalhamento espectral do sinal

transmitido; entretanto, apenas duas delas so amplamente utilizadas: o DSSS e o

FHSS.

O DSSS consiste em espalhar a informao ao longo da faixa de frequncia.

Para tanto, realiza uma funo XOR10 do sinal de entrada com uma funo cdigo,

chamada de chipping code. Este novo sinal ento transmitido e deve ser decodificado

na recepo, utilizando a mesma funo cdigo utilizada em sua criao (McCUNE,

2000).

O FHSS consiste em transmitir o sinal de entrada alternando entre os vrios

canais da faixa de transmisso, em uma sequncia determinada por uma funo cdigo.

Assim como o mtodo anterior, para ser decodificado na recepo, a mesma funo

10XOR uma funo lgica que tem como resultado 0, se as entradas forem iguais e 1, se foremdiferentes.


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cdigo deve ser utilizada para que seja possvel obter, na ordem correta, os dados

transmitidos de cada canal.

A Figura 3.2 e a Figura 3.3 ilustram de forma conceitual os mtodos de

espalhamento espectral DSSS e FHSS, respectivamente.

Figura 3.2 - Mtodo de espalhamento espectral DSSS (RACKLEY, 2007)

Figura 3.3 - Mtodo de espalhamento espectral FHSS (RACKLEY, 2007)

Alm da imunidade interferncias, a utilizao de espalhamento espectral

aumenta a segurana da transmisso, uma vez que para sua decodificao necessria a

funo cdigo, nica para cada aplicao.


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3.1.2 Antenas

Outro aspecto muito importante nas transmisses sem fio a rea de cobertura

do sinal transmitido. Conforme RACKLEY (2007) e CARO (2008), as antenas, alm de

transmitirem os sinais de ondas eletromagnticas, podem alterar a forma e a potncia do

sinal enviado.

As aplicaes usuais possuem antenas chamadas de omni-direcionais. Estas

antenas transmitem seus sinais em todas as direes - 360. Algumas antenas,

entretanto, possuem a capacidade de trabalharem polarizadas, alterando o

direcionamento da sua transmisso. Conforme ilustrado na Figura 3.4, uma antena

helicoidal pode transmitir como uma antena do tipo dipolo, sem direcionamento do

sinal, ou pode transmitir como uma antena direcional, focando o sinal em uma

determinada direo.

A utilizao de antenas direcionais oferece vantagens claras por aumentar a

disponibilidade do uso do espao e a possibilidade de transmisses simultneas.

Tambm importante ressaltar que este tipo de antena pode aumentar o alcance do sinal

transmitido sem a necessidade de um consumo maior de energia.

Figura 3.4 - Diagrama de radiao de uma antena helicoidal (LIMA, 2002)


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Se, por um lado, a transmisso direcional fornece ganhos, o prprio

direcionamento do sinal pode trazer desvantagens dependendo da arquitetura da rede.

Caso os dispositivos da rede no estejam contidos na faixa de transmisso direcionada,

estes no estaro disponveis para a comunicao. Em arquiteturas como rvore e estrela

possvel utilizar antenas omni-direcionais no gateway e antenas direcionais nos

dispositivos, garantindo assim uma arquitetura com um menor consumo de energia e

maior segurana.

Entretanto, deve-se ter muito cuidado ao utilizar antenas direcionais em

dispositivos de uma rede Mesh, evitando reas que no tenham cobertura, o que

limitaria sua funcionalidade e se tornaria um problema. Estudos esto sendo

desenvolvidos para minimizar os problemas de cobertura das transmisses com antenas

direcionais com as antenas chamadas dephase arraye novos protocolos de transmisso

de sinal.

3.2 ARQUITETURAS DE REDES

As arquiteturas de redes so compostas de equipamentos da rede distribudos

conforme suas topologias, como mostrado nos subitens a seguir.

Em virtude das caractersticas dos protocolos utilizados nas redes sem fio, os

equipamentos que compem as redes podem ser definidos conforme abaixo.

3.2.1 Equipamentos da rede

So os equipamentos que fazem parte da periferia da rede e podem ser descritos

como segue abaixo.


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3.2.1.1Devices

So os instrumentos que incorporam as funes de unidade de aquisio e

converso da grandeza fsica em eltrica, a unidade de processamento digital e a

unidade de transmisso do sinal antena, conforme ilustrado na Figura 3.5.

Cada device pode desempenhar vrias funes dentro da rede da qual esto

inseridos. Eles podem simplesmente fazer o papel de sensor-transdutor enviando sinais

para um controlador central ou podem desempenhar o papel de coordenadores da rede

PAN na qual participa. No entanto, o aumento de funcionalidade de alguns devices pode

ocasionar um maior consumo de energia, fator crticos para redes wireless. Isto

demandaria manutenes com perodos menores ou a utilizao de uma fonte de energia

externa.

Atualmente, os devicesilustrados na Figura 3.5 so construdos como uma pea

nica, utilizando-se da tecnologia de nanosensores, fazendo com que todas as partes

ilustradas faam parte de uma nica barra de silcio, utilizada neste tipo de construo.

Isto confere aos devicesum maior encapsulamento, um menor consumo de energia e um

menor tamanho fsico.


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Figura 3.5 - Equipamentos de rede devices(RIEGO, 2009)

3.2.1.2

Gateways(pontos de acesso)

Os gatewaystm como funo interconectar os dispositivos pertencentes rede

e realizar o ele de ligao entre os dispositivos de campo e os controladores da unidade

de processo.

3.2.1.3Gerenciador da rede

responsvel pelas funes de sincronismo, roteamento e repetio. Tambm

responsvel pelo controle de trfego na rede, executando funes de QoS e controle dos

dispositivos, monitorando a entrada e sada de devices na rede, monitorando suas

performances e atividades.

3.2.1.4Gerenciador de segurana

O gerenciador de segurana o responsvel pelas funes de segurana da rede,

como autenticao e criptografia dos dados enviados e pelas funes de acesso rede.


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Os pontos de acesso, geralmente incorporam em um mesmo equipamento, as

funes de prover acesso dos devices rede, de gerenciar o trfego de rede e sua

segurana. Na Figura 3.6 mostra-se a configurao de uma rede tpica, com seus

equipamentos incorporados, enquanto que na Figura 3.7 apresentam-se possveis

equipamentos deste tipo.

Figura 3.6 - Configurao de uma rede tpica (RIEGO, 2009)

Figura 3.7 - Exemplos de pontos de acesso (RIEGO, 2009)


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3.2.2 Topologia das redes

As redes sem fio podem ser categorizadas pela sua topologia, da mesma forma

que as redes fiadas. Entretanto, esta definio no se baseia na simples interconexo

entre os dispositivos de campo, mas sim pela conexo lgica existente entre estes

dispositivos.

3.2.2.1Ponto a ponto

Consiste na conexo direta entre dispositivos individuais. Como um exemplo na

indstria, h o acesso aos dados de instrumentos e vlvulas, assim como a realizao de

operaes de calibrao e manuteno via handheld, conforme ilustrado na Figura 3.8.

Esta topologia a base para todas as outras formas de conexo entre equipamentos, uma

vez que quaisquer outras topologias so ramificaes e ampliaes dela.

Figura 3.8 - Topologia ponto a ponto (RIEGO, 2009)


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3.2.2.2Estrela

A topologia mais difundida e simples de implementar. Os devices se

interconectam com o provedor de acesso somente, sem se comunicarem entre si. Sua

topologia se encontra representada na Figura 3.9.

Figura 3.9 - Topologia estrela (RIEGO, 2009)

Segundo RIEGO (2009), as principais vantagens e desvantagens da topologia

so:

Vantagens:

Fcil manuteno;

Fcil implementao e configurao;

Caso um device pare de funcionar, o sistema continua em operao.

Desvantagens:

Quantidade limitada do nmero de dispositivos conectados, devido ao

aumento do trfego e, conseqentemente, aumento do tempo de latncia

e aumento do consumo de energia;

Perda da rede caso o provedor de acesso central pare de funcionar.


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Como a comunicao ocorre diretamente, sem intermedirios, possui a mais alta

taxa de transferncia entre todos os tipos de topologia. Uma confiabilidade maior pode

ser obtida utilizando dois provedores de acesso, instalados em modo de redundncia.

3.2.2.3rvore

Da mesma forma que a topologia anterior, nesta configurao os instrumentos se

comunicam com o ponto de acesso que realiza as mesmas funes de prover acesso

rede e tambm de gerenciar e prover segurana. Sua diferena consiste em cada ponto

de acesso possuir comunicao com um grupo seleto de instrumentos e que as demais

configuraes sejam realizadas nos pontos de acesso. Esta configurao utilizada

quando h a necessidade de atender uma grande rea de cobertura com instrumentos

geograficamente espalhados pela unidade de processo, ficando invivel a topologia

simples do tipo estrela. Sua topologia se encontra representada na Figura 3.10.

Figura 3.10 - Topologia rvore (RIEGO, 2009)


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so:

Vantagens:

Caso um device pare de funcionar, o sistema continua em operao;

No ocorre a perda total da rede caso o provedor de acesso local pare de

funcionar;

Desvantagens:

O aumento do nmero de ramificaes pode representar um aumento de

trfego entre provedores de acesso, o que diminui a taxa de transferncia

e o tempo de latncia;

O aumento da rede pode significar a necessidade de se adquirir novos

provedores de acesso, o que impacta em custo maior de implantao.

3.2.2.4

Mesh

As redes meshso definidas pela capacidade que seus dispositivos possuem de

se comunicar diretamente com os dispositivos adjacentes, sem a necessidade de

comandos de controle central, dada pelo ponto de acesso. Em virtude disto, a topologia

de uma rede mesh dinmica e est em constante alterao, pois depende da adio ou

subtrao de dispositivos na rede, ou na perda de comunicao com o ponto de acesso

por parte de algum deles. Isso caracteriza uma grande vantagem para a indstria, pois h

a reduo dos custos de instalao de um instrumento a praticamente custos individuais.

Entretanto, a capacidade de roteamento entre dispositivos requer que cada um

comunique sua informao de roteamento a cada dispositivo, assim que algum

dispositivo se conecte ou deixe uma rede. Esta funcionalidade, embora acrescente rede


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caractersticas de confiabilidade devido ao seu auto-roteamento, aumenta o trfego da

rede e, portanto, sua concepo deve prever este aumento do fluxo de informaes

trafegadas. Sua topologia se encontra representada na Figura 3.11.

Figura 3.11 - Topologia mesh(RIEGO, 2009)


so:

Vantagens:

Reduo dos custos de instalao de um instrumento a praticamente seu

custo individual;

Aumento da confiabilidade devido s funes de auto-roteamento, que

garante a rede caractersticas de sistemas redundantes;

Desvantagens:

Aumento do consumo de energia devido s funes de auto-roteamento;

Aumento do trfego da rede devido s funes de auto-roteamento;


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Dependendo do caminho encontrado para um novo roteamento, pode

ocorrer aumento do tempo de latncia.

3.2.2.5

Hbridas

As redes hbridas possuem a capacidade de funcionar integrando as redes fiadas

e sem fio. Podendo ser construdas atravs de qualquer uma das topologias

anteriormente citadas, sua utilizao justificada caso a implantao das redes sem fio

seja feita de forma parcial, alterando de maneira gradativa as redes fiadas j instaladas.

Possuem as combinaes de vantagens e desvantagens das topologias descritas e deve

ser projetadas com a finalidade de se obter as melhores caractersticas de cada arranjo.

Sua topologia se encontra representada na Figura 3.12.

Figura 3.12 - Topologia de redes hbridas (RIEGO, 2009)


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3.3 TECNOLOGIAS ATUAIS

Existem atualmente vrias tecnologias no mercado. Dentre as mais usuais

podemos citar o WirelessHart, a ISA 100.11a (2008) e o ZigBee. Todas as tecnologias

so baseadas na norma IEEE 802.15.4 (2007).

3.3.1 IEEE 802.15.4

Desenvolvido sob a chancela de WPAN, possui como principais objetivos, o uso

de redes de baixo consumo de energia e baixo custo para aplicaes como automao

residencial, industrial entre outras.

Atuando apenas nas camadas fsica e de ligao (esta ltima parcialmente) da

estrutura ISO-OSI, define que seus dispositivos da rede podem operar em duas

topologias distintas, a estrela e a ponto a ponto, assumindo duas configuraes

possveis:

FFD (Full Function Device): dispositivos com total capacidade dentro da

rede, com funes de roteamento e coordenao.

RFD (Reduced Function Device): dispositivos com restries de capacidade

dentro da rede, seja ela fixa ou configurada. Quando nesta funo, o

dispositivo no capaz de realizar roteamento ou coordenao, ou mesmo

assumir a coordenao caso o coordenador venha a apresentar problemas.

So funes do coordenador da rede, ou seja, do dispositivo com as funes de

FFD, de estabelecer e gerenciar o acesso e a distribuio das chaves de identificao de

grupo, assim como garantir o correto funcionamento da rede, seja ela em modo sncrono

ou assncrono, seja ela em modo de auto-roteamento e auto-organizao.


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Conforme definio da prpria norma, auto-roteamento consiste na habilidade

da rede de detectar, e se recuperar, de falhas que possam vir a aparecer, sejam elas

localizadas nos ns de comunicao ou nos provedores de acesso, sem que necessite de

interveno humana; e auto-organizao consiste na habilidade dos ns da rede de

detectar a presena de outros ns e de se organizar dentro de uma rede estruturada e

funcional, sem que necessite de interveno humana (IEEE 802.15.4, 2007).

Para realizar as funes e auto-roteamento e auto-organizao, os dispositivos

devero estar se comunicando da forma dispositivo a dispositivo, sendo ambos do tipo

FFD. Vale ressaltar que nesta forma de comunicao, uma estrutura ponto a ponto pode

ser configurada, com capacidades de realizar em sua totalidade as funes de uma rede

inteiramente interligada.

Entretanto, caso a comunicao da rede se realize entre dispositivo e

coordenador de rede ou vice-versa, sendo um dispositivo do tipo FFD e outro RFD, em

virtude de um deles possuir recursos limitados, o alcance dentro da rede de suas funes

tambm se encontrar limitado.

O coordenador controla os dispositivos com relao ao momento de

transmitirem seus dados atravs do CSMA-CA e pode operar sua rede em modo

assncrono, possibilitando colises ocasionais e retransmisses, ou pode operar em

modo sncrono, gerenciando o trfego da rede, evitando colises. Neste modo, caso haja

necessidade de se garantir a comunicao de um dado dispositivo em um determinado

tempo, este pode ser gerenciado a transmitir em uma faixa de tempo garantida, evitando

a perda de tempo atribuda a colises ocasionais.

Independente do modo de transmisso, os dispositivos podem assumir sua

funo de hibernao (modo de baixo consumo de energia) sempre que no estiverem

agendados para enviar ou receber dados durante o perodo de tempo de transmisso da


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rede completa, ou quando no existirem dados novos a serem enviados. Durante este

perodo de hibernao, eventualmente pode ser necessrio verificar a existncia de uma

mensagem direcionada ao dispositivo.

Sua topologia e propriedades esto representadas na Figura 3.13 e na Tabela 3.2,

respectivamente, enquanto que as funes especficas de cada camada so ilustradas na

Tabela 3.3.

Figura 3.13- Topologia bsica da norma IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4, 2007)

Propriedades da TecnologiaTaxa de Transferncia 250 kbpsAlcance 10 300m

FrequnciaISM(900MHz/2,4GHz)

Modo de Transmisso DSSS/FHSS

Controle de trfego Sncrono/AssncronoTopologia Estrela/Ponto a pontoComplexidade deImplementao

Baixa

Nmero mximo de ns No definidoTempo Latente 10 a 50msBateria (consumo de energia) Baixo consumo

Tabela 3.2 - Propriedades da tecnologia IEEE 802.15.4 (RIEGO, 2009)


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Camada fsica Camada de Ligao

Ativar e desativar o transmissorSincronizar os dispositivos e astransmisses

Detectar a energia do canal de transmissoOferece suporte s entradas e sadas dosdispositivos

Indicar a qualidade dos dados recebidosOferece suporte segurana dosdispositivos

Selecionar a frequncia dos canais detransmisso

Emprega e gerencia o CSMA-CA

Enviar e receber os dados transmitidos Mantm e coordena o GTSTabela 3.3 - Funes de cada camada (IEEE 802.15.4, 2007)

3.3.2 ZIGBEE

Formada por uma aliana, tem o patrocnio de mais de 150 empresas, com

destaque das empresas como Motorola, Intel, Sony, Samsung, Philips. Mitsubishi

Eletric e Honeywell. um protocolo projetado para efetuar comunicao sem fio

confivel, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmisso para aplicaes

de monitoramento e controle (BRANDO, BONIFCIO e PANTONI, 2009).

A especificao zigBee define as camadas de rede e aplicao e o servio de

segurana entre elas. A definio das camadas fsicas e de acesso ao meio baseada no

padro IEEE 802.15.4 (2007).

Ao nvel fsico ozigbeeopera em trs bandas de rdio ISM, as quais, como dito

anteriormente, esto isentas de licenciamento. Consoante banda, varia a taxa de

transmisso possvel: em 2.4GHz, podendo ser obtidas taxas de transmisso de

250kbps, com 16 canais disponveis e alcance de transmisso em visada direta de

1600m. Os dispositivos zigbee utilizam modulao DSSS. Outra caracterstica

importante que o protocolo do zigbee praticamente no limita o tamanho da rede,

podendo utilizar mais de 65.000 ns.


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Dispositivos de varias funes, FFD, so responsveis pelo encaminhamento das

mensagens entre os ns da rede, conectados nos terminais da rede atravs do mundo

real. Estes dispositivos podem funcionar em toda a topologia do padro,

desempenhando a funo de coordenador da rede e conseqentemente ter acesso a todos

os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construo mais complexa.

Dispositivos de funes reduzidas, RFD, so terminais usados pelo padro para

as portadoras com funcionalidades limitadas. So dispositivos normalmente simples,

onde a comunicao feita apenas entre dois ns. Controlam especialmente custos e

complexidade da rede. Esto impossibilitadas a fazer roteamento por isso so utilizados

nas margens das redes. Limitam-se a uma configurao com topologia em estrela, no

podendo atuar como um coordenador da rede e pode comunicar-se apenas com um

coordenador de rede. So dispositivos de construo mais simples. A Tabela 3.4

resume as funes de cada dispositivo.

Classe do Dispositivo Tipo de Dispositivo Funo

Coordenador FFD

Formar a rede, atribuirendereos, guardar endereodos vizinhos. nico em umarede.

Roteador FFD

Permite que mais ns sejuntem rede, ao aumentar oseu alcance fsico. Podetambm efetuar funes decontrole ou monitoramento. A

sua existncia opcional.

Endpoint FFD ou RFD

Efetua aes de controle oumonitoramento atravs dodispositivo que lhe estejaassociado (sensor,controlador, atuador, etc.).

Tabela 3.4 - Dispositivos zigbee e suas funcionalidades (BRANDO, BONIFCIO ePANTONI, 2009)

Aplicaes desenvolvidas com base no padro IEEE 802.15.4 (2007) podem

suportar as topologias estrela e ponto a ponto, como explicitado no item 3.3.1. Esta


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ltima proporciona a formao de redes mais complexas tais como rvore em cluster, e

malha (mesh). Na topologia estrela, a comunicao estabelecida entre dispositivos e

um nico controlador central, chamado coordenador PAN. O coordenador PAN pode

ser alimentado por energia contnua, enquanto os outros dispositivos normalmente

seriam alimentados por bateria. Aps um FFD ser ativado pela primeira vez, ele pode

estabelecer sua prpria rede e tornar-se o Coordenador PAN. Cada rede inicializada

escolhe um identificador PAN, que no concorrentemente usado por alguma outra

rede dentro da esfera de influncia do rdio. Isto permite que cada rede estrela opere

independentemente.

Uma vez que escolhido o identificador PAN, o coordenador permite que outros

dispositivos se liguem sua rede. Todos os dispositivos operando na rede, em qualquer

topologia tero cada, um nico endereo estendido de 64 bits. Este endereo poder ser

utilizado para comunicao direta dentro da PAN, ou pode ser trocado por um endereo

curto alocado pelo coordenador PAN quando o dispositivo se associa.

A topologia ponto a ponto (peer to peer) tambm tem um coordenador PAN,

contudo, difere da topologia em estrela pelo fato de que qualquer dispositivo FFD pode

se comunicar com outro desde que ele esteja no seu raio de alcance de transmisso. Esta

topologia permite a implementao de redes mais complexas, tais como formao em

redes de malha ou em rvore (cluster-tree). Uma rede ponto a ponto pode tambm

permitir mltiplos saltos para rotear mensagens de qualquer dispositivo para algum

outro da rede. Tais funes so executadas pela camada de rede.

A rede cluster-tree um caso especial de uma rede ponto a ponto, onde a

maioria dos dispositivos so FFDs e um dispositivo RFD pode conectar-se no final de

um ramo. Qualquer FFD pode agir como um coordenador e prover servios de

sincronizao para outros dispositivos e coordenadores, porm somente um destes


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coordenadores ser o coordenador PAN. A Figura 3.14 ilustra as topologias de redes

disponveis para o padrozigbee.

Figura 3.14 - Topologias para oZigBee(CSAR, 2008)

Ozigbee indicado para a transferncia de pequenos pacotes atravs de grandes

redes, que sejam mais estticas com uso no muito frequente. Alm disso, o fato de ser

um protocolo para aplicaes de baixo consumo e de baixo custo o tornam ideal para

sistemas de monitoramento e sensorizao como o caso dos sistemas de automao

domstica, segurana e controle de iluminao e de acessos. No muito utilizado em

redes nas indstrias de processo.


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3.3.3 Wirelesshart

A norma IEC/PAS 62591 (2008) foi a primeira norma desenvolvida para redes

sem fio na indstria de processo. Desenvolvida com o intuito de estabelecer um

protocolo de comunicao que permitisse sua integrao com os sistemas existentes no

mercado, principalmente a substituio dos sistemas fiados que j se utilizam do

protocolo HART.

O wirelessHartfornece um robusto protocolo padro sem fios para toda a gama

de processo de medio, controle e aplicaes de gesto de ativos. Baseado no familiar

protocolo HART, o wirelessHartpermite aos usurios de forma rpida e fcil ganhar os

benefcios da tecnologia sem fios, mantendo a compatibilidade com dispositivos,

instrumentos de campo e ferramentasHARTj instalados.

O wirelessHartutiliza as mesmas ferramentas e prticas que o HARTcabeado,

incluindo a estrutura de comandos HART, o que o torna compatvel com qualquer

controle HART habilitado ou sistema de gerenciamento de recursos com suporte a

tecnologia EDDL. Esta caracterstica faz com que ambas as tecnologias, tanto com fios

como a sem fios, possam ser configuradas utilizando as mesmas ferramentas.

Seus principais objetivos so:

Garantir que as redes implementadas tinham baixo tempo de latncia;

Definir aplicaes e requisitos de gerenciamento de rede que fossem

funcionais e que permitissem aumento de escala;

Garantir robustez nas comunicaes com presenas de interferncias

encontradas em ambientes industriais;

Garantir a coexistncia com outros protocolos de rede no mercado, assim

como o protocolo fiadoHART;


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Garantir a interoperabilidade entre os dispositivos, para que dispositivos de

diversos fabricantes operem na mesma rede.

Uma rede wirelessHartbasicamente consiste de um network manager(gerente

de rede), pelo menos um gateway e instrumentos wirelessHart.. Juntos formam uma

rede meshonde hospedeiros e instrumentos de campo comunicam-se bidirecionalmente.

As funes de cada componente da rede meshso:

Instrumentos WirelessHart: podem ser instrumentos de campo ligados ao processo,

equipamentos da planta como programadores portteis (hand helds), roteadores ou

adaptadores. Os roteadores so instrumentos que estendem a rede e que so capazes

de encaminhar pacotes de dados de outros instrumentos de campo. Os adaptadores

so instrumentos especialmente projetados para permitir que um instrumento HART

sem wireless de estar conectado a uma rede wirelessHart. Os programadores

portteis so utilizados na instalao, configurao, monitoramento e manuteno de

qualquer dispositivo wirelessHart.

Gateways: conectam a rede wirelessHart com o sistema da planta de automao

(host). Isto fornece ao sistema hostacesso aos dispositivos da rede wirelessHart, e

se necessrio a traduo entre diferentes protocolos. Desta forma um instrumento

que interfaceia os instrumentos de campo wirelessHart com o host via canal de

comunicao serialEthernetou Wi-Fipor exemplo. Em uma rede meshpode existir

apenas um Gatewayou Gatewaysredundantes.

Network Manager: o crebro de um rede wirelessHart. uma aplicao que

gerencia a rede mesh e os instrumentos da rede. responsvel por distribuir as

chaves de segurana, configurar e coordenar os instrumentos e a rede, como

programao das comunicaes entre os dispositivos, gesto da mensagem e rotas,

alm do monitoramento do bom desempenho da rede. O network manager nico


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por rede mesh e pode ser integrado no gateway, no host ou no controlador do

processo da automao.

A Figura 3.15 ilustra um rede mesh wirelessHart.

Figura 3.15 - Rede mesh wirelessHart (BRANDO, BONIFCIO e PANTONI, 2009)

Quanto topologia uma rede wirelessHartpode ser do tipo estrela, malha (mesh)

e estrela-malha. Na topologia estrela h somente um roteador conectado a vrios

instrumentos finais e indicada para pequenas aplicaes. A topologia mesh por possuir

todos os ns roteadores representa um tipo de rede muito confivel, com redundncia de

caminhos e alta disponibilidade. A Figura 3.16 ilustra as topologias para uma rede

wirelessHart.


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Figura 3.16 - Topologias possveis de uma rede wirelessHart (BRANDO,BONIFCIO e PANTONI, 2009)

As propriedades da norma IEC/PAS 62591 (2008) podem ser resumidas nas

caractersticas da Tabela 3.5.

Propriedades da TecnologiaTaxa de Transferncia 250 kbpsAlcance Indeterminado11

Frequncia ISM 2,4GHzModo de Transmisso FHSSControle de trfego Sncrono (TDMA)Topologia Estrela/MeshComplexidade deImplementao

Mdia

Nmero mximo de ns No definidoTempo Latente < 150msBateria (consumo de energia) Baixo consumo

Tabela 3.5 - Propriedades da tecnologia IEC/PAS 62591 (2008) (RIEGO, 2009)

3.3.4 NORMA ISA 100.11a

A norma ISA 100.11a (2008) foi desenvolvida com o intuito de estabelecer o

protocolo de comunicao referncia na indstria de processo e permitir sua integrao

com os demais protocolos existentes no mercado sejam eles fiados ou sem fio.

Seus principais objetivos so:

Ponto a ponto at mais ou menos 200m; alcance total da tecnologia indeterminado.


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Garantir que os dispositivos tenham um baixo consumo de energia;

Garantir que as redes implementadas tivessem restries ao tempo de

latncia;

Definir infra-estrutura e interfaces, aplicaes, segurana e requisitos de

gerenciamento de rede que fossem funcionais e que permitissem aumento

de escala, em todas as classes de operao (1 a 5) definidas na norma e

ilustradas na Erro! Fonte de referncia no encontrada.;

Garantir robustez nas comunicaes com presenas de interferncias

encontradas em ambientes industriais;

Garantir a coexistncia com outros protocolos de rede no mercado, como

o wirelessHart, o 802.11x, etc.;

Garantir a interoperabilidade entre os dispositivos, para que dispositivos

de diversos fabricantes operem na mesma rede;

Segurana Classe 0: Ao Emergencial Sempre crtico

Controle

Classe 1: Controle em malha fechada regulatrio

s vezes crtico

Classe 2: Controle em malha fechadaUsualmentecrtico

Classe 3: Controle em malha abertaInterveno dooperador

MonitoraoClasse 4: Alertas

Baixasconsequncias

Classe 5: Registradores de informaesSemconsequncias

Tabela 3.6 - Classes de operao definidas pela ISA 100.11a (ISA 100.11a, 2008)

Basicamente, possui as mesmas funes da norma wirelessHart. (IEC/PAS

62591, 2008), com relao ao gerenciamento do sistema, com suas funes de controle

de entrada e sada de dispositivos da rede, configurao de comunicao e

monitoramento dos dispositivos, monitoramento e otimizao da performance da rede.


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Sua principal diferena o gerenciador de segurana inerente ao protocolo, que no caso

do wirelessHart. somente existe como polticas de segurana implementadas nas

camadas de ligao, de transporte e de aplicao.

O protocolo permite que sejam criadas inmeras sub-redes com o propsito de

aumentar o controle e permitir uma maior troca de informaes sem perda de tempo

latente. Outra diferena consiste na conceituao dos dispositivos. Apesar de utilizar as

primitivas da IEEE 802.15.4 (2007), os dispositivos sofreram algumas alteraes e

restries de funes realizadas nas camadas superiores da estrutura ISO-OSI e so

caracterizados conforme segue e ilustrados na Figura 3.17.

Dispositivos de campo sem regra de roteamento:

Caracterizam-se como dispositivos, como sensores, com funo

apenas de se comunicar com outros dispositivos com regra de roteamento ou

dispositivos de infra-estrutura.

Dispositivos de campo com regra de roteamento:

Caracterizam-se como dispositivos com capacidade de se comunicar

com outros dispositivos, sejam eles com ou sem regra de roteamento. So

atravs destes dispositivos que as redes do tipo meshso formadas.

Dispositivos de campo com regra de proviso de acesso:

Caracterizam-se como dispositivos com capacidade de prover acesso

a um dispositivo novo integrando a rede. Possui todas as funes e diretrizes

de segurana necessrias para realizar esta ao, validando o ingresso do

novo integrante na rede atravs de chaves de criptografia e informando ao

sistema de gerenciamento central seu mais novo integrante.

Dispositivos de infra-estrutura com regra de proviso de acesso

(gateway):


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So dispositivos que realizam a interface entre os dispositivos fsicos

no campo e o sistema de controle. Muitas vezes, incorpora as funes de

gerenciamento do sistema, o gerenciamento de segurana e o gerenciamento

dos tempos da rede, que podem ser implementados por dispositivos

dedicados a estas funes.

Dispositivos de infra-estrutura com regra de roteamento (backbone):

So dispositivos utilizados para realizar a funo de roteamento da

rede, muitas vezes instalado no centro da rede ou sub-rede, coletando seus

sinais e direcionando para outras sub-redes ou at mesmo ao gateway.

Figura 3.17 - Funes dos dispositivos da rede ISA 100.11a (2008) (ISA 100.11a, 2008)

As propriedades da norma ISA 100.11a (2008) podem ser resumidas nas

caractersticas da Tabela 3.7.

Propriedades da TecnologiaTaxa de Transferncia 250 kbpsAlcance Indeterminado12Frequncia ISM 2,4GHzModo de Transmisso FHSS

Ponto a ponto at mais ou menos 200m; alcance total da tecnologia indeterminado.


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Controle de trfegoSncrono (TDMA)/Assncrono (CSMA-CA)

Topologia TodasComplexidade deImplementao

Alta

Nmero mximo de ns No definidoTempo Latente 100ms (mximo)Bateria (consumo de energia) Baixo consumo

Tabela 3.7 - Propriedades da tecnologia ISA 100.11a (2008) (RIEGO, 2009)


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4 REQUISITOS DA TRANSMISSO DIGITAL SEM FIO

Um projeto de uma rede wirelesspara um ambiente industrial deve se concentrar

em otimizar todos os requisitos listados na Figura 4.1, tentando obter a melhor relao

entre cada um deles. Este no um trabalho fcil e deve ser feito por uma equipe que

entenda no somente da estrutura da rede de comunicao, mas tambm do processo

produtivo como um todo.

Figura 4.1 - Requisitos de uma rede sem fio (MANGES, 2007)

Um grande desafio para qualquer rede sem fio em um ambiente industrial a

questo da energia, ou alimentao dos dispositivos. Nas redes fiadas, esta alimentao

era provida pelos cabos que chegavam ao instrumento e no chegava a ser um ponto de

grande preocupao. No entanto, em uma rede wireless, a questo energtica se torna

um ponto que deve ser olhado com bastante ateno, uma vez que no se tem mais

cabos que chegam ao instrumento. Baterias, alimentao solar e outros meios so os


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mais comuns para alimentos dos dispositivos de uma rede wirelesse so discutidas ao

longo deste captulo.

Alm dos itens de fundamental importncia na concepo da rede, como

confiabilidade, tempo de latncia, taxa de transferncia e segurana, a

interoperabilidade entre seus dispositivos deve ser considerada. Esta interoperabilidade

pode ser denominada como a compatibilidade entre os produtos de diversos

fornecedores, o protocolo de comunicao.

A Figura 4.2 ilustra de que forma deve ser escolhido o protocolo de

comunicao, passando pelas fases de se definir uma aplicao, que por consequncia

demandar requisitos de desempenho que podero ser suplantados por servios de rede.

Alguns requisitos da aplicao, assim como restries do protocolo, auxiliam nos

parmetros para a definio do tipo de sensor a ser utilizado e de que forma todo este

conjunto ser implementado.

Figura 4.2 - Definio do protocolo em uma aplicao (RIEGO, 2009)


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Para se definir da melhor maneira possvel o melhor protocolo para uma

aplicao, deve-se levar em considerao em quais camadas da rede de comunicao

este protocolo vai atuar. Uma vez que todos os protocolos so baseados na tecnologia

ISO-OSI, mais de um protocolo podem rodar sobre a mesma camada de rede, com

diferentes requisitos, mas com caractersticas que podem se complementar. tambm

por esta razo que servios de controle de trfego e qualidade de servio muitas vezes

podem ser implementados independentemente do protocolo, pois residem nas camadas

mais altas da estrutura ISO-OSI, chamada de camada de aplicao. A Figura 4.3 ilustra

as camadas de rede ISO-OSI e suas funes.

Figura 4.3 - Tecnologia de camadas ISO-OSI e suas funes (ISA 100.11a, 2008)

Apesar de nem todos os protocolos de transmisso utilizar na totalidade as

camadas de rede definidas na Figura 4.3, sua aplicao de extrema utilidade, uma vez

que permite aos fornecedores desenvolverem produtos de aplicaes diferentes sobre


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um mesmo meio fsico de transporte. Conforme RACKLEY (2007), uma vez que as

conexes lgicas operam sobre links fsicos, ambas as arquiteturas (lgica e fsica) se

suportam e possuem um alto grau de independncia, conferindo capacidade rede de

manter uma arquitetura lgica, mesmo tendo sua arquitetura fsica alterada, alm de

suportar, em uma mesma arquitetura fsica, diferentes conjuntos de padres e

protocolos.

A Figura 4.4 ilustra o caminho seguido por uma comunicao entre o sensor e o

sistema de controle, passando pelo roteador e o provedor de acesso. Repare-se que as

funes do roteador podem estar sendo realizadas por outro dispositivo de rede, em uma

topologia de rede mesh, conforme elucidada no captulo anterior.

Figura 4.4 - Exemplo do caminho seguido em uma aplicao (ISA 100.11a, 2008)

Os conceitos e caractersticas dos requisitos de rede encontram-se detalhados no

decorrer deste captulo.

Confiabilidade:

a capacidade de garantir que uma informao transmitida por um

dispositivo chegue ao sistema de controle, passando por toda a estrutura de

rede existente.

Tempo de Latncia:


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o tempo decorrido entre o incio da transmisso de uma

informao e sua chegada ao sistema de controle, passando por toda a

estrutura de rede existente.

Segurana:

toda a estrutura necessria para garantir a proteo, a autenticao

e o sigilo dos dados transmitidos.

Taxa de Transferncia:

a taxa mdia de transmisso de informaes por um determ

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