Redes Industriais Sem Fio

Introdução: Redes Industriais Sem Fio

A história das redes industriais começou quando os primeiros sistemas de automação foram desenvolvidos no inicio do século XIX durante a revolução industrial, funções de controle foram automatizadas por dispositivos mecânicos que automatizavam algumas tarefas críticas ou repetitivas. Com o advento do CLP (Controlador Lógico Programável) na década de 70, começaram a sair os primeiros equipamentos de comunicação e controle industriais. A batalha das redes industriais nãoo se limita a ser um sistema confiável e , ele tem que estar preparado para atender as altas demandas de otimizaçãoo, quanto mais e melhor uma planta opera melhor ela atende as demandas e mais produtos e com isso mais lucro ela gera.

Com o desenvolvimento da tecnologia de rede diversos protocolos de comunicação começaram a nascer alguns dos protocolos serão comentados abaixo, mas para se ter uma noção a previsão de mercado para esses protocolos está ilustrado.

Apesar da padronização e da diversidade, as normas estão convergindo para a SP100 e WirelessHART, da ISA e HCF, respectivamente.

As redes sem fio não substituem as redes fixas, elas ajudam para quando precisamos de mobilidade e enviar dados para centrais de controle elas tem alguns problemas que o padrão ISA100 ajuda bastante a combater de segurança, geralmente são feitos de forma que a perda de dados seja minimizada e portanto as ondas de rádio impõe uma série de desafios.

Seu alto custo de implementação, problemas de segurança, alto custo tecnológico e problemas de AcessPoints prejudicam a imagem dessa tecnologia. Escolher uma rede sem fio industrial requer sempre cuidado com ambiente de transmissão, interferencias eletromagnéticas dentre outras coisas.

Tecnologia ISM (Industrial, Scientific and Medical)

As frequências de uso livre, ou ISM, são frequencias de comunicação de uso liberado. Esse tipo de comunicação é regido pela resolução n365 de 10 de maio de 2004 que determina as faixas de frequência para seu uso.

Esse tipo de frequencia não exige licença e possibilita transmissão de dados em banda larga, necessitando apenas de espalhamento espectral que consiste em uma técnica de dividir uma grande faixa de canais.

O espalhamento espectral é feito de duas formas: Espalhamento Espectral em Seqüência Direta (DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum) serve basicamente para o uso de banda larga e Espalhamento Espectral em Seqüência Pseudo-Aleatória (FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum) uso para bandas estreitas que movem poucos bits por segundo. Esse tipo de comunicação é basicamente usado para comunicação WLAN.

Existem três bandas ISM licenciadas pela Anatel as bandas: 900MHz, 2.5GHz e 5.8GHz. A banda de 900MHz é usada para wireless faixa de freqüências de 902 a 928 MHz com largura de 26MHz, Banda de 2,4 GHz é usada por dispositivos compatíveis com 802.11b, 802.11g e 802.11. A banda é definida na faixa de frequências de 2.4 até 2.5 GHz tendo largura de 100 MHz. , somente a faixa de 2.400 GHz a 2.485 GHz tem sido usada por equipamentos sem fio, já a Banda de 5,8 GHz ou 5GHz ISM, é usa a faixa de freqüências de 5.725 até 5.875 GHz com largura de banda de 150 MHz.

Tecnologia Bluetooth

O Bluetooth é uma tecnologia sem fio de comunicação entre dispositivos como computadores, celulares, tablets, entre outros. Se trata de uma tecnologia de baixo custo, baixo consumo de energia, além de possuir um alto nível de segurança. A limitação do sistema se deve ao fato de que a distância máxima para conseguir utilizar a tecnologia depende do tipo de tecnologia aplicada. Por se tratar de uma comunicação sem fio, os dispositivos não precisam estar em contato direto, caso a distância esteja dentro do alcance da tecnologia utilizada.

Existem 3 classes de dispositivos bluetooth, classificados de acordo com o seu alcance máximo: A classe 1 permite conexões a uma distância de ação de 100 metros, a classe 2 permite conexões a uma distância de ação de 10 metros, já a classe 3 consegue alcançar apenas 1 metro. Classes diferentes de dispositivos conseguem se comunicar desde que seja respeitado o menor alcance entre elas.

O sinal de transmissão dessa tecnologia opera na faixa de 2,4 GHz - 2,485 GHz, faixa centrada em 2,45 GHz. Por se tratar de uma faixa padronizada, é necessario garantir que o sinal não vá sofrer ou gerar interferências eletromagnéticas. Essa tecnologia utiliza comunicação FH-CDMA (Frequency Hopping - Code Division Multiple Acess, dividindo a frequência em diversos canais que permitem a proteção de ruídos ao sistema.

Para realizar a conecção, a tecnologia trabalha com o grupo de rede Piconet. Esse sistema permite que um dispositivo bluetooth, chamado de mestre, consiga se conectar com sete outros dispositivos, chamados de dispositivos escravos, informações podem ser transferidas do mestre para seus escravos a todo momento. [3]

Protocolo Miwi

A tecnologia Miwi se trata de um protocolo de rede que foi padronizado pela Microship e é baseada no padrão IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineer) 802.15.4, que tem como objetivo a geração de aplicações mais simplificadas para conectar dispositivos em curtas distâncias, com baixa taxa de informações e que não precisem de um número elevado de nós.

Existem aspectos nos quais é vísivel a diminuição de funcionalidades, tais como quantidades de dispositivo da rede, nível de segurança oferecido, processos de associação de dispositivos e sistemas de roteamento. entretanto, a tecnologia Miwi exige menor tempo de processamento e pode ser implementado com processadores simples, como microcontroladores de oito bits.

O Protocolo Miwi possui três versões, Miwi P2P, Miwi e Miwi Pro. O protocolo Miwi P2P abrange as comunicações 'ponto-a-ponto' e 'ponto-multiponto', o protocolo mediano Miwi permite pequenas redes em formato small cluster tree (redes estrelas organizadas de maneira similar à uma árvore), podendo realizar saltos e rotear pacotes. Já a versão Miwi Pro tem por objetivo a criação de redes extensas com dispositivos variados e possui otimização de roteamento de pacotes, diagnóstico de conexões e associação de dispositivos.[3]

ISA-SP100

A ISA-SP100 é um padrão que está sendo desenvolvido para aplicações na área industrial utilizando redes sem fio, voltado para a utilização em ambientes hostis e suas aplicabilidades. Desenvolvido pela comissão SP100 em 2005 da ISA que suporta diversos protocólos de comunicação como HART, Profibus, CIP (Common Industrial Protocol e Foundation Fieldbus. Dois dos principais objetivos da norma ISA-SP100 consiste em estabelecer regras e relatórios técnicos sobre a estrutura de redes sem fio para aplicação na industria. A norma consiste em padrões relativos à redes sem fio indutrial, predial, na área de automação, relativos a transmissão, distruibuição de dados, e identificação por rádiofrequência. [3]

Protocolo ZigBee

O Protocolo ZigBee foi criado por empresas com interesse com promover uma maior conectividade entre seus produtos. Como eram diversas empresas com objetivos distintos, o projeto do ZigBee teve que ser bem amplo para que atendesse a todos os seus colaboradores.

A Tecnologia ZigBee foi criado com o objetivo de apresentar alto rendimento de energia e versatilidade de aplicações. Sua criação atende os critérios do IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.15.4, assim o hardware usado pode ser produzido por diversas indústrias de tecnologia. A conexão dos dispositivos podem estar dispostos da seguinte maneira: estrela, árvore e malha. Desta forma, é possível conectar diversos dispositivos, possuindo finalidadades como:

• Reconhecer a rede e diagnosticar a comunicação
• Frequência de operação de 2,4 GHz mas também pode ser utilizado a frequência da américa de 915MHz ou da europa de 868MHz
• O alcance pode variar de 10 até 100 metros, variando com as condições climáticas e potência do rádio utilizado.
• O número máximo de nós por rede pode ser maior que 64000.

No protozolo ZigBee é possível extender a rede utilizando Hops(saltos), tornando possível para um dispositivo rotear uma mensagem utilizando seus vizinhos. Desta forma, mesmo em transmissões de potência reduzida é possível atingir longas distâncias. [3]

Tecnologia WirelessHART

O WirelessHART é um protocolo para redes industriais baseadas no protocolo HART(Highway Addressable Remote Transducer), com novos recursos entre esses novos recursos, podemos destacar a possibilidade da realização de comunicação sem fio entre os elementos integrantes da rede. Apesar de algumas mudanças o protocolo WirelessHART manteve a compatibilidade com o protocolo HART.[3]

A camada física do protocolo WirelessHART é baseada no padrão IEEE 802.15.4. Assim, um rádio WirelessHART possui taxas de transmissão, técnicas de modulação e alcance silimares a um rádio IEEE 802.15.4, com a diferença de que apenas 15 canais são utilizados(canais de 11 a 25). Quanto ao seu alcance, a tecnologia WirelessHART suporta até 100 metros de distâncias, sendo possível utilizar amplificadores de potência para um alcance ainda maior.[4]

Esse protocolo é uma rede sem fio em malha, e pode ser composta por diversos nós que atuam como ponto de acesso ou roteador, desta forma o sistema de controle pode acessar um ponto da rede por diversos caminhos dintintos. Desta forma, existe uma maior mobilidade dos instrumentos para utilizações industriais críticas. Os três principais componentes dessa rede são:

• Dispositivos de Campo: Pontos de acesso que obedecem os comandos do sistema de controle e realizam os processos sobre os dispositivos de medida.
• Gerenciador de Rede: Estipula rotas redundantes, configura novos dispositivos e comanda a rede de comunicação.
• Gateway: É o encarregado de comunicar o sistema de controle e o ponto de acesso [3]

Normas IEEE

Abaixo estão algumas das normas que regem as redes industriais:

• [1] IEEE 802.11: A rede sem fio Wi-Fi ou wireless
• [2] IEEE 802.15: Padrão que especifica a camada física e efetua o controle de acesso para redes sem fio pessoais de baixas taxas de transmissão.