estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial
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estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial
0 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL VALCIR ANTONIO PILON ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO AMBIENTE INDUSTRIAL MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO CURITIBA 2009 1 VALCIR ANTONIO PILON ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO AMBIENTE INDUSTRIAL Monografia de conclusão do curso de Especialização em Automação Industrial do Departamento Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Especialista em Automação Industrial. Orientadora: M.Sc. Simone Massulini Acosta. CURITIBA 2009 2 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria do Campus Curitiba Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação Departamento Acadêmico de Eletrônica _______________________________________________________________ TERMO DE APROVAÇÃO Titulo da Monografia ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO AMBIENTE INDUSTRIAL Área de conhecimento: Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais por Valcir Antônio Pilon A presente monografia, requisito parcial para obtenção do título de ESPECIALISTA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL, foi avaliada pela banca examinadora, constituída pelos docentes abaixo discriminados, que considerou o trabalho Aprovado. ________________________________________ Prof. Msc. Guilherme Alceu Schneider _______________________________________ Prof. Dr. Sergio Leandro Stebel ______________________________________ Profa. Msc. Simone Massulini Acosta Orientador Curitiba, 10 de Novembro de 2009. Visto da coordenação _____________________________________ Prof. GUILHERME ALCEU SCHNEIDER 3 AGRADECIMENTOS A Deus, Em especial à minha esposa Ana Scatolin, Às minhas filhas Maria Fernanda e Gabriela, Aos meus pais, À minha orientadora Simone Massulini Acosta, A todo o corpo docente da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. 4 RESUMO PILON, Valcir A. Estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial. 2009. 52 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial), Departamento Acadêmico de Eletrônica, UTFPR, Curitiba. Novos equipamentos estão sendo aprimorados na tentativa de aumentar a velocidade de comunicação, reduzir os custos dos sistemas e aumentar a segurança e a confiabilidade dos processos. Este trabalho tem como objetivo apresentar a aplicação de redes sem fio no ambiente industrial, levando em consideração a aplicação, o grau de segurança que oferecem e a confiabilidade nos dados transmitidos pelas tecnologias Wireless, Wi-Fi e rádio frequência. O desenvolvimento tecnológico vem trazendo sistemas de comunicação sem fio cada vez melhores e compatível com sistemas cabeados, seja pelo custo ou pela tecnologia embarcada. Atualmente, têm-se aplicações em todos os setores, entre eles, na indústria, na segurança militar, em residências e, até mesmo, na agricultura, trazendo soluções apropriadas ao ambiente onde os equipamentos estão instalados. A elaboração de um projeto adequado e a reformulação de protocolos traz ótimos resultados quanto ao aumento da vida útil das baterias, redução de interferências eletromagnéticas e aumento na segurança de transmissão e recepção de dados das redes sem fio. Palavras-chaves: Redes sem fio. Redes industriais. Bluetooth. Wi-Fi. 5 ABSTRACT PILON, Valcir A. Estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial. 2009. 52 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial), Departamento Acadêmico de Eletrônica, UTFPR, Curitiba. New equipment are being enhanced in the attempt to increase the speed of communication, reduce costs and increase the safety and reliability of processes. This work aims to present application of wireless networks in the industrial environment, taking into account the application, the degree of safety and reliability in the data transmitted by the Wireless technologies, Wi-Fi and radio frequency. THE technological development comes bringing wireless communication systems each better and compatible with wired systems, is at cost or by flood technology. Currently, applications in all sectors, between they, in industry, in military security, in homes and even in Agriculture, bringing solutions appropriate to the environment where the equipment are installed. The establishment of an appropriate design and redesign protocols brings great results as regards the increase in the life of the batteries, reduction of electromagnetic interference, and increased security data transmission and reception of wireless networks. Keywords: Networks without wire. Networks industrial. Bluetooth. Wi-Fi. 6 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................8 1.1. TEMA ..............................................................................................................8 1.2. PROBLEMA E PREMISSAS.................................................................................9 1.3. OBJETIVOS .......................................................................................................10 1.3.1. Objetivo geral ..................................................................................................10 1.3.2. Objetivos específicos.......................................................................................10 1.4. JUSTIFICATIVA .................................................................................................11 1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO ...........................................................................11 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................12 2.1. SETOR INDUSTRIAL .........................................................................................12 2.2. REDES INDUSTRIAIS .......................................................................................12 2.3. SENSORES SEM FIO REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF) ...................14 2.4. PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO ..................................................................18 3. TRABALHOS RELACIONADOS A RSSF............................................................20 3.1. APLICAÇÔES DE RSSF.....................................................................................20 3.2. PROTOCOLOS PARA RSSF .............................................................................29 3.3. SEGURANÇA EM RSSF ....................................................................................34 3.4. PROJETO DE RSSF...........................................................................................36 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO .....................................................................................40 5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ...............................................................46 5.1. SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS.......................................................46 REFERÊNCIAS.........................................................................................................48 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Exemplo de redes industrial cabeada ....................................................... 13 Figura 2 - Exemplo de rede sem fio .......................................................................... 15 Figura 3 - Exemplo de rede sem fio ......................................................................... 16 Figura 4 - Sensores sem fio ..................................................................................... 17 Figura 5 - Receptor de sinal de satélite para GPS .................................................. 17 Figura 6 - Aplicação de redes sem fio na exploração de petróleo ........................... 21 Figura 7 - Aplicação de redes sem fio na extração de petróleo ............................... 22 Figura 8 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS .................... 23 Figura 9 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS .................. 24 Figura 10 - Utilização de satélites de comunicação para interligação de equipamentos ........................................................................................ 25 Figura 11 - Arquitetura típica de medição de nível com rede sem fio ...................... 26 Figura 12 - Medição e controle de nível com rede sem fio ....................................... 26 Figura 13 - Mestre rede sem fio conectando-se a múltiplos instrumentos rede fio escravos ............................................................................................ 26 Figura 14 - Aplicação rede sem fio na Usiminas ...................................................... 27 Figura 15 - Controle de sistemas de irrigação agrícola ............................................ 27 Figura 16 - Monitoramento remoto do desempenho de motores elétricos ............... 28 Figura 17 - Monitoramento remoto do nível de fluido em múltiplos tanques ............ 28 Figura 18 - Aplicação em estação de tratamento de água ....................................... 29 Figura 19 - Exemplo de rede ZigBee ........................................................................ 32 Figura 20 - Instalação Típica de WirelessHART ...................................................... 33 Figura 21 - Aplicação de redes sem fio na indústria ................................................ 34 Figura 22 - Redes auto-organizadas ........................................................................ 38 Figura 23 - Adaptador ABB WirelessHart ................................................................. 43 8 1. INTRODUÇÃO 1.1. TEMA O desenvolvimento industrial vem acontecendo desde a descoberta do carvão mineral, o que capacitou o surgimento das grandes indústrias. Gradativamente novas formas de produzir energia (termoelétricas, hidroelétricas, nuclear e outras) alavancaram o desenvolvimento industrial no mundo, com isto, a indústria transformou-se em um dos principais, ou até mesmo o principal produto econômico de cada país. Para um crescimento contínuo, os industriais foram à busca de novos mercados no exterior, criando uma corrida desenfreada ao crescimento econômico, surgindo assim uma concorrência muito forte entre as empresas. Para serem competitivas, as indústrias tiveram que buscar as formas de produzir com alta qualidade, baixo custo, volume e velocidade na fabricação. Uma das formas utilizadas para que as empresas sejam competitivas no mercado mundial, foi a automatização dos seus processos de produção, o que permitiu a redução de custos, o aumento do volume de produção e o controle de qualidade dos produtos. As primeiras máquinas automatizadas eram compostas de equipamentos autônomos, como por exemplo, o controle de nível com bóias e mediante controles pneumáticos localizados em campo, sem a integração com outros controladores. Com a necessidade de um controle mais detalhado englobando todo o processo, foi necessário integrar todos os equipamentos envolvidos na automação através de uma rede cabeada de comunicação usando sinais analógicos centralizando todo o processo em uma sala de controle (PANTONI, 2006). O desenvolvimento tecnológico resultou em redes sem fio, aplicadas principalmente em ambientes industriais agressivos, com elevada toxicidade e com certo perigo de explosão. Estas redes podem, também, ser empregadas na área de segurança militar e no monitoramento de fenômeno físicos e naturais (GINATTO, 2008), bem como em sistemas de automação predial, residencial e agrícola (MONTEBELLER, 2006). Para a aquisição, monitoramento e controle de dados existem a necessidade constante de pesquisas de novos sistemas de comunicação para aquisição e 9 transmissão de dados. Segundo Boaretto (2005), uma destas pesquisas é na área da tecnologia sem fio, que vem trazer maior flexibilidade na implantação de novos sistemas. A necessidade cada vez maior de obter informações da produção, seja quantitativamente ou qualitativamente, em diversos lugares distintos, até mesmo em regiões remotas de difícil acesso e distante do fornecedor das informações, estimula avanços na tecnologia sem fio na área industrial. Os sistemas de comunicação sem fio possuem emprego crescente em sistemas de automação na indústria, no comércio e até mesmo nas residências. A sua empregabilidade é bastante difundida, pois existem inúmeros dispositivos que utilizam as tecnologias bluetooth, Wi-Fi e outras, oferecendo segurança ao usuário e possuindo compatibilidade para integração com sistemas de automação cabeados. Outra característica de suma importância é a instalação e inclusão de novos dispositivos sem fio (sensores, atuadores e controladores), sem a necessidade de alterações físicas dos elementos construtivos e da rede cabeada, reduzindo consideravelmente a utilização de cabos de alimentação e comunicação na indústria, eliminando este custo e tornando ambientes limpos sem o congestionamento de cabos. A importância de redes sem fio cresce quando se trata de ambientes com risco de explosão, em ambientes tóxico, de difícil acesso e muito distante (MONTEBELLER, 2006). Os sistemas de comunicação sem fio são, hoje, uma realidade e estes estão vem se modernizando com muita rapidez. O monitoramento e controle de informações em tempo real, não se restringem mais à sala de controle, devem estar disponível a qualquer momento e em qualquer lugar, sendo isto possível através de equipamentos móveis, como laptops, celulares e outros (ROCHA, 2005). 1.2. PROBLEMA E PREMISSAS Supõe-se que a pouca aplicação de sistemas sem fio na indústria esteja vinculada basicamente na falta de conhecimento sobre estes sistemas. Um dos problemas apresentados em sistemas sem fio é a troca periódica de baterias, mas isto pode ser resolvido com alterações no meio físico ou, conforme Ginatto (2008), alterando-se o protocolo de comunicação, que implica aumento na vida útil das baterias em até 22%. 10 A segurança na transmissão e recepção de dados em redes sem fio também é vista como um impedimento ao seu uso, porém verifica-se que as redes para internet cabeadas estão disponíveis em todos os lugares, e também incide sobre estas a insegurança no uso. Mesmo assim, as redes para internet cabeadas são utilizadas em todos os ambientes, seja comercial, residencial e industrial. Através de sistemas criptografados nas redes sem fio, a segurança pode atingir patamares aceitáveis e até melhores do que as das redes cabeadas (ROCHA, 2005). As interferências eletromagnéticas podem ocasionar distorção em dados recebidos de determinada fonte, ocasionada por uso da mesma faixa ou por canais adjacentes, mas isto pode ser evitado através da reprogramação da frequência, pela análise daquelas existentes no local e reprogramação e pelo uso da técnica spread spectrum, um combate a faixas estreitas (ROCHA, 2005). 1.3. OBJETIVOS 1.3.1. Objetivo Geral Realizar o estudo da aplicação de redes sem fio no controle e no monitoramento de processos industriais. 1.3.2. Objetivos Específicos • Analisar as formas para alimentação de equipamentos sem fio na indústria, visando o aumento da vida útil ou a eliminação das baterias. • Levantar o efeito da interferência eletromagnética em redes sem fio existentes em ambientes industriais e o método para redução desta interferência. • Apresentar formas para tornar mais segura a transmissão e recepção de dados na indústria e impedir o acesso externos aos dados das redes sem fio. 11 1.4. JUSTIFICATIVA Existem várias tecnologias de comunicação de redes sem fio no mercado, porém a aplicação na indústria ainda é pequena. A eficiência do sistema no ambiente industrial é duvidoso, devido as fortes interferências magnéticas, segurança das informações trocadas entre os dispositivos e a dificuldade de manutenção na troca periódica de baterias. Existe a necessidade de um estudo mais específico de redes sem fio, com o objetivo de salientar sobre os meios de controle de cada empecilho existente, fornecendo subsídios para aplicação segura de sistemas sem fio em ambiente industrial. 1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO O Capítulo 1 refere-se à introdução, apresentando a proposta central do trabalho, o problema e premissas, os objetivos propostos e a justificativa de execução do mesmo. O Capítulo 2 relaciona-se ao embasamento teórico com os conceitos gerais do ambiente industrial e as tecnologias de redes sem fio. O Capítulo 3 apresenta as pesquisa em trabalhos técnicos sobre a utilização de sistemas de redes sem fio, abordando análise quanto ao segurança, interferências eletromagnéticas e a alimentação de dispositivos sem fio. O Capítulo 4 apresenta uma análise crítica sobre as redes sem fio quanto a sua aplicabilidade no setor industrial. No Capítulo 5 encontram-se as conclusões encontradas após uma análise crítica das tecnologias de redes sem fio. 12 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo serão apresentadas definições sobre o setor industrial e o que basicamente compõe uma rede industrial. 2.1. SETOR INDUTRIAL A difusão da automação na indústria vem crescendo e modernizando-se rapidamente nos últimos anos, passando do controle analógico, através das ligações a dois fios por relé até a tecnologia ethernet e redes sem fio (BALDO, 2009). A competitividade existente no setor industrial exige que as empresas utilizem e desenvolvam novas tecnologias a fim de reduzir o custo e aumentar a qualidade de seus produtos. A utilização de sistemas de transmissão sem fio encontra-se em expansão, uma vez que sua utilização apresenta boa confiabilidade, permitindo leituras instantâneas dos resultados com toda a mobilidade que somente as Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) podem oferecer, sendo utilizados em sistemas de controle, supervisão de processos industriais, estoque de matéria prima e produto final (REBELATO; LIDAK, 2006). Boaretto (2005), também descreve que as empresas necessitam cada vez mais de informações em tempo real diretamente do chão de fábrica, para um perfeito controle do processo, do volume do produto final produzido e da rastreabilidade do mesmo após a comercialização, para o controle de qualidade total de seus produtos. Pode-se dizer que uma das estratégias de competitividade das indústrias e a escolha correta da rede de comunicação a ser utilizada, a fim de obter-se a integração de todos os setores, tais como, o setor de compras, recepção de matéria prima, setor administrativo, faturamento, controle de estoque e outros (SOUZA; OLIVEIRA, 2003). 2.2. REDES INDUSTRAIS No final do século XIX, surgiram os primeiros relés. Neste mesmo tempo, Thomas Edson desenvolveu as primeiras válvulas, sendo que estas possibilitaram o 13 surgimento dos primeiros computadores, que eram grandes, pesados e lentos. Por volta de 1940 foram desenvolvidos os transistores a base de materiais semicondutores e na década de 1960, utilizando-se o silício, foi possível integrar vários transistores em circuitos integrados, sendo que hoje estes podem chegar até os quatorze milhões de transistores por centímetros quadrado. Desta forma, o advento dos transistores permitiu que o controle industrial fosse realizado através de sistemas com cabeamento serial, porém atualmente a rede ethernet, que também suporta a tecnologia sem fio, vem dominando o mercado da automação, com promessa de crescimento contínuo, desenvolvimento de novas tecnologias de integração e com perspectiva de sobrevida por um longo período (MARLETA, 2007; BALDO, 2009). As redes industriais permitem a comunicação entre estações de controle e monitoramento dos dispositivos de campo, seja através de cabos ou sem fio (MONTEIRO et al. 2007). A Figura 01 apresenta um exemplo de rede industrial cabeada. Figura 01 - Exemplo de redes industrial cabeada Fonte: Pantoni, 2006. As redes de comunicação, sejam cabeadas ou sem fio, são de suma importância em um ambiente industrial automatizado, principalmente na integração dos instrumentos e equipamentos do chão de fábrica aos sistemas de controle e, também, aos sistemas administrativos (SOUZA; OLIVEIRA, 2003). 14 Dentre as principais razões para a utilização da rede ethernet, está a ampla conectividade em todo o mundo, com suporte a tecnologia TCP/IP e IEEE. Outro ponto fundamental e que permite uma redução considerável nos custos, é a existência de uma infra-estrutura pronta, com velocidades de 10Mbps e podem chegar até 10Gbps, com inúmeros produtos que possuem interoperabilidade no mercado a valores relativamente baixo. Abrangendo quase em total as exigências de velocidade no transporte de dados atual, garantindo uma vida útil de pelo menos dez anos (BONADEO, 2009). 2.3. SENSORES SEM FIO E REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF) Sistemas de comunicação sem fio, que originam as RSSFs, vem da utilização de sistemas de comunicação sem a conexão física (cabos) entre equipamentos, primeiramente utilizada entre computadores. É mais comum a utilização de sistemas de comunicação sem fio através de rádio frequência, mas existem outros meios como o infravermelho e raio laser, mas são poucos utilizados, pois não pode haver barreira física entre os pontos de comunicação. Os sistemas de comunicação sem fio possuem uma tecnologia bastante promissora e novas tecnologias estão sendo empregadas na produção de novos equipamentos para RSSF, seja através da utilização de nova matéria prima, da tecnologia embarcada como também da redução de suas dimensões (SOBRINHO, 2007). Um exemplo de rede de sensores sem fio é apresentado na Figura 02. Hoje quase todas as tecnologias de rede sem fio, atendem a normas internacionais, garantindo plena conectividade (MALIMA, 2009). Existe uma trilogia do sistema de comunicação sem fio, sendo: • Bluetooth - desenvolvida para comunicação em distâncias de até 100m, individual e com velocidade baixa de 721kbps, mas com boa segurança a interferências e transmissão de dados mais seguros; • Wi-Fi - empregada em distâncias de até 1.000m, atendendo mais de um equipamento ao mesmo tempo, com maior velocidade na transmissão de dados; • UWB (banda ultra-larga) - de até 54 Mbps, aumentando a velocidade para mais de 100Mbps e a largura de banda de 3,1GHz a 10,6GHz, 15 uma vez que a Wi-Fi e Bluetooth possuem bandas fixas em 2,4GHz. Esta tecnologia de rádio funciona bem abaixo do nível de ruído; e • Temos ainda as tecnologias ZigBee e a WirelessHART bastante difundidas no setor industrial. Figura 02 - Exemplo de rede sem fio. Fonte: Campista, 2008. A ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society) está desenvolvendo o padrão ISA SP-100, para estabelecer as normas, práticas recomendadas, relatórios técnicos e outras informações que servirão para definir os procedimentos para a implantação dos sistemas sem fio no ambiente de automação e do controle de processos. Esta falta de padronização reduz a aceitação pelo setor industrial do uso de RSSF, pela falta de segurança e integração dos variados fornecedores. A Figura 03 apresenta uma rede sem fio típica nas indústrias de instrumentação e controle de processos (ALMEIDA, 2009; PELUSO, 2007). 16 Figura 03 - Exemplo de rede sem fio. Fonte: Peluso, 2007. Pesquisas de novos sistemas sem fio constituem sistemas eficazes e competitivos às redes cabeadas, reduzindo os custos para a implantação da rede e viabilizando o acesso da tecnologia por todas as pessoas e sendo aplicável em vários ambientes, como industrial, agrícola e outros (LOREIRO, 2009). Pesquisas estão sendo direcionadas na tentativa de sanar alguns dos problemas dos sistemas sem fio, tais como a alimentação através de baterias (que estão com maior vida útil e com tamanho menores) e a baixa velocidade de transmissão e recepção de dados (BARRETO, 2007). O sistema de funcionamento de uma RSSF é basicamente a comunicação de nó a nó, seja com a função de sensor, comunicação ou de processamento. A RSSF pode ser utilizada para monitoramento da fertilidade do solo, da temperatura, umidade, característica química do ar e outras; pela sua flexibilidade podem ser vista em várias áreas: seja na militar, monitorando estoques e também na frente de batalha estabelecendo estratégias de ataque ou defesa; seja na ambiental, no monitoramento de colônia de insetos, migração de aves e despejos de poluente nos rios; aplicações médicas, monitoramento dos batimentos cardíaco e nível de colesterol; nas usinas hidrelétricas e nucleares; nas indústrias, química, montadoras de automóveis e de petróleo e gás, no monitoramento de dutos, tanques, máquinas e equipamentos e outros (SILVA, 2006). Sobrinho (2007) enfatiza que as RSSF são aplicáveis nos lugares mais agressivos possíveis, como a exemplo: para monitorar furacões, vulcões, geleiras e até no fundo do mar. Além do desenvolvimento de novas tecnologias, proporcionando sensores cada vez menores e de baixo custo, grande parte dos sensores sem fio, possui tecnologia 17 de controle próprio, podendo trabalhar em conjunto ou individualmente (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2009). O desenvolvimento tecnológico de sensores sem fio teve início por volta de 1980, com sistemas de sensores sem fio, que possuíam o tamanho de uma caixa de sapatos, com sistemas de sensoriamento, processamento e comunicação separados, e que foram inicialmente empregados na área militar, para fins de localização de embarcações no mar e rastreamento de aviões. Hoje, os sensores são pequenos e utilizados em vários setores. A evolução dos sensores sem fio é apresentada na Figura 04 e Figura 05 (SILVA, 2006). Figura 04 - Sensores sem fio. Fonte: Silva, 2006. Figura 05 - Receptor de sinal de satélite para GPS Fonte: Lima, 2005 Conforme Konstantinova (2005) estão sendo desenvolvidas pesquisas de novos materiais para uso em sistemas eletrônicos, assim contribuindo para a miniaturização de sensores sem fio, entre eles novos compostos de carbono, encontrando materiais com estruturas mais densas que favorecem a passagem de sinais elétricos. A utilização de sensores sem fio pode ser visto em vários lugares. Silveira (2004) utilizou sistemas com sinal de rádio telemetria para o monitoramento de 18 onças na selva. Tais equipamentos operaram na frequência de 150 GHz com vida útil das baterias variando de 24 meses a 42 meses. Os sistemas eram compostos por sensores que indicavam a posição do animal e se o mesmo estava vivo ou morto. Segundo o autor, sem o uso de equipamentos sem fio para o monitoramento dos animais na floresta, seria praticamente impossível a coleta de dados importantes para o desempenho do trabalho, pois estes animais sendo carnívoros utilizam uma área muito extensa no meio da mata e muitas vezes de difícil acesso. 2.4. PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO As soluções da utilização de rede sem fio definem somente o meio físico por onde passam os dados e como enviar os dados através de diferentes meios: ondas de radiofreqüência, laser ou infravermelho. A linguagem utilizada para transmitir os dados, ou protocolos de comunicação, não é definida. Vários protocolos podem ser utilizados, tais como: Modbus serial, Modbus TCP/IP, Foundation Fieldbus, Hart, ProfiNet, e também protocolos proprietários. É muito importante verificar se a solução de rede sem fio escolhida é compatível e aceita o protocolo utilizado entre os equipamentos que se deseja conectar (FAYAD, 2003). Como cada fabricante de produtos com tecnologia sem fio utilizava uma linguagem de comunicação própria e levando em consideração que existe a necessidade de utilização de equipamentos de fabricantes diferentes para compor uma RSSF, estes fabricantes se organizaram e surgiu assim o padrão IEEE 1451. Além dos protocolos da família IEEE, existem vários outros protocolos, cabendo ao projetista definir por aquele que melhor se encaixa no projeto, adaptando-se ao sistema empregado, a infra-estrutura existente e aquela que será utilizada e o meio físico onde irão operar os equipamentos (MACEDO, 2006). Em redes de padrão IEEE 802.11, a utilização do algoritmo correto para implementação e controle da taxa da camada de enlace, reduz substancialmente o número de colisões e, com isto, há uma redução expressiva na perda de pacotes de dados. Em Cardoso (2009), é possível verificar que o bom desempenho de uma RSSF está vinculada não somente a tecnologia física do hardware a ser utilizado, mas também a estrutura de transmissão de dados através de um protocolo perfeitamente configurado, mesmo utilizando tecnologias iguais. Como exemplo, 19 duas RSSF utilizando um protocolo IEEE 802.11.g, podem possuir grande diferença no desempenho de uma para outra, pois o padrão IEEE não especifica qual algoritmo deve ser utilizado para o controle da taxa de enlace, afetando diretamente a velocidade e a qualidade dos dados envidados pela rede de comunicação sem fio. 20 3. TRABALHOS RELACIONADOS A RSSF 3.1. APLICAÇÕES DE RSSF Segundo Campista (2008), em sistemas de computares que trabalham em rede, a utilização de redes sem fio, é uma das melhores formas de transporte de dados com ótimo desempenho e com custo baixo. Redes sem fio utilizadas através de uma rede ad hoc (redes desprovidas de infra-estrutura ou organização central), possibilitam a ligação de qualquer equipamento que possua a tecnologia de comunicação sem fio, a qualquer momento e de qualquer ponto, sem a necessidade de um ponto físico para estabelecer a sua conectividade; podendo ser feita a inclusão do equipamento sem fio, sua configuração e calibragem em laboratório, antes mesmo de sua instalação. Esta mobilidade é um dos fatores de maior relevância para redes sem fio, pois estes sistemas reduzem consideravelmente os custos para a implantação da rede, pois não há necessidade da utilização de cabos. Deve-se levar em consideração, também, que em muitos ambientes onde se necessita de redes de comunicação de dados, não existe a infra-estrutura de tubulações e pontos definidos, pois geralmente as construções são antigas ou não foram previstos em projeto. Nesses casos, geralmente há a necessidade de quebra de paredes e lajes para uma implantação adequada ou uso de formas ou equipamentos provisórios, gerando instalações de má qualidade. A redução de custos também está na redução de manutenção da rede, pois não existe a conexão com redes cabeadas e pontos fixos para o acesso a rede e, com isto, a manutenção fica restrita ao servidor da rede. Conforme Silva (2006), no setor de petróleo e gás, a aplicação de RSSF apresentou melhores resultados em relação às redes cabeadas, estando entre eles: a facilidade de configurar equipamentos remotamente, em ambientes distintos; instalação e reconfiguração da rede após a instalação de novos equipamentos, sem a necessidade de intervenção física; inexistência de cabos, podendo ser instalados em ambientes de difícil acesso e ambientes hostis e, principalmente o monitoramento e coleta de dados remotamente em tempo real, a qualquer momento e de qualquer lugar, sem a necessidade de um local fixo para 21 conexão na rede. Sendo as RSSFs serem bastantes dinâmicas, podem ser empregadas para monitoramento de objetos e fenômenos físicos e químicos em vários ambientes, como no setor militar, agrícola, controle ambiental, industrial e outros. O sistema sem fio pode ser utilizado, conforme Figura 06, para monitoração e controle de poços remotos na exploração de petróleo. Estes poços normalmente possuem instrumentos de campo, sinais discretos e uma instrumentação específica, que fica instalada dentro do poço em profundidades de até 4.800 metros. Todos estes equipamentos são ligados a um controlador central, que transmite os dados a uma estação de supervisão central. Todo o conjunto é alimentado por painéis solares e bancos de baterias (FAYAD, 2003). Figura 06 - Aplicação de redes sem fio na exploração de petróleo Fonte: Fayad, 2003 As estações de vazão e bombeamento de petróleo podem estar em locais bem remotos e, também, podem utilizar sistemas sem fio para a transmissão dos valores de vazão e massa para um computador que agrupa, armazena e gera relatórios da transferência de material. A Figura 07 apresenta uma aplicação em estação de vazão e bombeamento (FAYAD, 2003). 22 Figura 07 - Aplicação de redes sem fio na extração de petróleo Fonte: Fayad, 2003 A existência de inúmeros tipos de sensores, com variada tecnologia de sensoriamento, a aplicação pode ser variada como o monitoramento de objetos, a variação do clima, umidade do solo e outras formas de monitoramento conforme a necessidade, pois os sensores são completos, formados por unidade de sensoriamento, transceptor, processador e memória. No setor industrial a aplicação de RSSF é verificada no sensoriamento de temperatura, nível, pressão, superaquecimento, vazamentos e outros (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2009). Rebelato e Lidak (2006), utilizaram o modelo Toyota de produção, que consiste em um sistema gestor de sucesso, na produção e qualidade de seus produtos, através da tecnologia de rede sem fio de comunicação, sendo utilizada em todos os setores da empresa, integrando o chão de fábrica com o controle de produção, manutenção, estoques e outros, com mobilidade total para a aquisição e controle de dados através de PDAs (Personal Digital Assitents – Assistentes Pessoais Digitais) apresentando um ótimo desempenho final, conforme o que era esperado. A utilização dos PDAs apresenta baixo custo, flexibilidade, facilidade de integração e possibilidade de compartilhamento com outros sistemas e produtos. Além disto, a redefinição do layout na produção e em outros setores facilita a utilização da RSSF devido a inexistência de pontos de contato fixos com a rede de automação. Segundo Boaretto (2005), o sistema de comunicação sem fio com espalhamento espectral é considerado uma solução segura e de custo relativamente 23 baixo, seja na implantação, como também no custo de manutenção da rede; garantindo qualidade, flexibilidade e mobilidade na supervisão e controle do que é realizado na produção das indústrias. Fazendo parte e ampliando esta rede de comunicação, Sobrinho (2007) salienta que os serviços de sinal por celular, hoje não são apenas serviços de telefone e voz. Todas as companhias que oferecem serviços de celular com tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio System) e 1xRTT (1xRadio Transmission Technology), oferecem em seus pacotes de produtos a opção para a transmissão de dados. O sistema GPRS cria uma rede de pacotes sobre a rede de telefonia celular GSM para o envio e recepção de dados. Neste sistema, um canal de radio só é utilizado quando o usuário está efetivamente enviando ou recebendo dados, ficando o canal livre para outros usuários do serviço que compartilham o mesmo canal, o que permite que um grande número de usuários utilize o sistema em uma mesma célula. A utilização de modem GPRS permite ainda acesso a outros serviços da rede de telefonia celular, sendo de interesse especial o sistema de mensagens curtas SMS (Short Message Servise) para ser usado na notificação de anormalidades às equipes de manutenção (DILLENBURG, 2003). Conforme a Figura 08, a unidade remota pode enviar dados diretamente a um ou mais computadores na internet. Uma aplicação rodando no servidor aguarda a requisição de conexão originada pela unidade remota, recebe e envia dados através desta conexão e armazena os dados recebidos. Figura 08 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS Fonte: Dillenburg, 2003 24 A Figura 9 apresenta a interligação de equipamentos de campo, como transmissores e válvulas, através de modem GSM (FAYAD, 2003). Figura 9 - Utilização de modem GSM para interligação de equipamentos de campo Fonte: Fayad, 2003 As redes que operam através do protocolo TCP/IP possuem suporte garantido para redes de comunicação sem fio rede sem fio, sendo este tipo de rede muito recomendada atualmente. Essa possui perfeita integração com outras redes, tornando-se uma solução de custo baixo para implantação de novos sistemas. Quando as redes sem fio trabalham em conjunto com a tecnologia de celulares, estas redes tornam-se globais, com o recebimento de informações através de programas para a supervisão dos serviços e controle dos processos e, também, a transmissão de dados através de sensores de qualquer parte do mundo em tempo real (ROZAS, 2004). Segundo Atos (2009), os sistemas redes sem fio integrados com tecnologia GSM/CDMA possuem a capacidade de comunicação remota em ambientes incapacitados de haver uma estrutura cabeada e fora do alcance do sinal de rádio do sistema de rede sem fio. Podem ser empregados em regiões próximas ou distantes, em locais de difícil acesso, apenas havendo a necessidade de cobertura de transmissão das operadoras de celular ou que possuam a comunicação via satélite. 25 Conforme Fayad (2003), além das soluções em radiofrequência, pode-se utilizar soluções que utilizam satélites de comunicação espalhados na órbita terrestre para obter comunicação com áreas afastadas, de difícil acesso, ou até em locais onde uma estrutura fixa não possa ser montada, conforme Figura 10. Figura 10 - Utilização de satélites de comunicação para interligação de equipamentos Fonte: Fayad, 2003 Estes sistemas também não necessitam de rede de energia, pois como o consumo é bastante baixo, podem ser alimentados através de baterias com longa duração e até mesmo com pequenos sistemas de fornecimento de energia solar. A largura de banda e a velocidade de transmissão de dados são limitadas, porém a grande vantagem é a comunicação remota de lugares inóspitos. Esta tecnologia também pode ser utilizada para comunicação de servidor com servidor e também com sistemas supervisórios, uma vez que existe compatibilidade com a comunicação de protocolo TCP/IP – rede sem fio. Outra aplicação em que se pode utilizar comunicação sem fio é na medição de nível. A rede sem fio levará os dados de pressão analógica até o sistema de controle, conforme Figura 11. Também se pode utilizar o controle do sistema através de rede sem fio, como por exemplo, quando o nível alcançar um nível baixo prédefinido, o sistema de controle gera um sinal para abrir a válvula que permite que o tanque seja reabastecido, conforme Figura 12. O mesmo mestre da rede sem fio pode se conectar a múltiplos instrumentos de rede sem fio escravos, como representado na Figura 13 (KIELBLOCK, 2009). 26 Figura 11 - Arquitetura típica de medição de nível com rede sem fio Fonte: Kielblock, 2009 Figura 12 - Medição e controle de nível com rede sem fio Fonte: Kielblock, 2009 Figura 13 - Mestre rede sem fio conectando-se a múltiplos instrumentos rede sem fio escravos Fonte: Kielblock, 2009 Na empresa Usiminas, o sistema de rede sem fio foi utilizada para supervisão e controle dos fornos de reaquecimento, que consistem de duas estações de controle e três interfaces homem-máquina (IHM) que se comunicam entre si em uma rede ethernet e com as estações de controle através do barramento de controle, denominado control bus, conforme Figura 14 (OLIVEIRA, 2009). 27 Figura 14 - Aplicação rede sem fio na Usiminas Fonte: Kielblock, 2009 Kielblock (2009) apresenta algumas aplicações para sistemas de sensores sem fio. Na Figura 15 é apresentada a aplicação para controle de irrigação agrícola, onde não seria prático a conexão com fios. A Figura 16 apresenta o monitoramento remoto do desempenho de motores elétricos para levantamento da necessidade de manutenção preventiva. A Figura 17 apresenta o monitoramento simultâneo do nível do fluido de múltiplos tanques. A Figura 18 apresenta uma aplicação em estações de tratamento de água, para que a água não tratada não seja transferida para o próximo reservatório de tratamento ou retornada a rios ou lagos. Figura 15 - Controle de sistemas de irrigação agrícola Fonte: Kielblock, 2009 28 Figura 16 - Monitoramento remoto do desempenho de motores elétricos Fonte: Kielblock, 2009 Figura 17 - Monitoramento remoto do nível de fluido em múltiplos tanques Fonte: Kielblock, 2009 29 Figura 18 - Aplicação em estação de tratamento de água Fonte: Kielblock, 2009 A utilização de RSSF no monitoramento e controle de diversos equipamentos em plataformas petrolíferas, é de extrema importância, pois reduz consideravelmente o custo sendo uma ótima opção do uso, pois o ambiente marinho é extremamente agressivo. Para aplicação de RSSF em plataformas de petróleo, devem ser bem robustas, pois no local existem inúmeros obstáculos: variação extrema de temperatura, várias superfícies de aço, a utilização de vários dispositivos sem fio emissores de diferentes faixas de frequência de uso pessoal e industrial e a segurança dos dados que muitas vezes são confidenciais. Segundo Birkemor et. Al (2008), o protocolo WirelessHART é bastante robusto para implantação em plataformas petrolíferas, pois possui baixo consumo de energia, velocidade de comunicação compatível com a necessidade do sistema de controle, ótima performance na transmissão e recepção de pacotes de dados e mensagens enviadas podem ser totalmente criptografadas (BIRKEMOE, 2008). 3.2. PROTOCOLOS PARA RSSF O bom desempenho das redes de sensores sem fio está relacionado diretamente com o protocolo de comunicação. Otimizar um protocolo apresenta excelentes resultados, na eficiência e na confiabilidade da transmissão e recepção dos dados gerados pelos nós de sistemas sem fio. Vários protocolos estão no 30 mercado para serem utilizados em comunicação sem fio, de acordo com a necessidade de cada rede. Macedo (2006), analisou o desempenho do protocolo PROC (Proactive ROuting with Coordination), que é um protocolo de roteamento desenvolvido para redes de sensores homogêneas e estacionárias, onde os nós enviam dados periodicamente para uma Estação Base. Nesta análise, verificou que houve um ganho de 12% na vida útil do sistema em relação aos outros protocolos e, também, a eficiência é verificada pela pouca memória utilizada, o que reduziu o consumo de energia na rede e a recuperação mais rápida de falhas eventuais de nós de comunicação. Utilizando-se um protocolo adequado, de acordo com utilização da rede, temse maior segurança nos dados trafegados por ela e o aproveitamento dos recursos disponíveis. Segundo Campista (2008), a avaliação da qualidade do protocolo deve ser criteriosa, visto que na maioria das vezes os protocolos possuem suas particularidades: uns voltados mais a segurança dos dados, mas que sobrecarregam a rede; outros se preocupam com o fluxo, mas esquecem da qualidade e, outros que fazem seu trabalho comum, sem melhorias de qualquer característica que seja. Dispositivos que utilizam comunicação sem fio são geralmente alimentados através de baterias. Utilizar um protocolo adequado e configurá-lo de forma eficiente traz economia de energia e automaticamente, ganho na vida útil das baterias e dos equipamentos utilizados na RSSF. Franciscani (2004) comparou a utilização de protocolos em RSSF e verificou que protocolos de redes cabeadas não apresentam um bom desempenho quando utilizados em RSSF, principalmente em relação ao consumo de energia dos sensores. Silva (2006) enfatiza que a escolha de um protocolo específico ao trabalho que será desempenhado pela RSSF é de vital importância para a vida útil e o sucesso do sistema utilizado. Segundo Sobrinho (2007), o protocolo de comunicação sem fio mais utilizado da família IEEE 802.11, através de transmissão por rádio frequência. Entre os mais utilizados encontra-se o IEEE 802.11.a que trabalha na faixa de 5 GHz, apresentando baixa interferência, devido a sua alta frequência e velocidade de transmissão de 54 Mbps, e com oito canais simultâneos. O protocolo IEEE 802.11.b é outro protocolo bastante utilizado, principalmente na comunicação entre computadores pessoais e seus periféricos, utiliza a faixa de 2,4 GHz e taxa de 31 transferência de até 11 Mbps, sendo três canais utilizados para comunicação simultânea. Quanto maior o número de canais, maior será o desempenho na troca de informações. O padrão IEEE 802.11.g é relativamente o mais novo existente no mercado, sendo compatível com o IEEE 802.11.b, que opera na mesma faixa de frequência de 2,4 GHz, porém com velocidade no tráfego de dados de 54 Mbps. Moraes, Marini e Boaretto (2006), apresentam os protocolos de comunicação sem fio IEEE 802.11 e suas especificações, como sendo os melhores meios de configuração de RSSF, apresentando ótimos resultados, tanto na comunicação entre os nós, como também a robustez da rede, redução no consumo de energia e aumento na vida útil do sistema. O Bluetooth citado por Malima (2009) que possui comunicação em distâncias de até 100m, sem obstáculos, com velocidade de 721kbps e boa segurança a interferências e transmissão de dados, também é uma boa opção para o setor industrial, embora devido a sua baixa velocidade e indicada para pequenas distâncias. O protocolo ZigBee é bastante recente, estando em fase de melhorias e aperfeiçoamento, mas está sendo bastante utilizado, com características promissoras no uso também industrial. Segundo Miafaya, Tomás e Souza (2005), em comparação com o Bluettoth, o ZigBee apresenta uma economia no consumo de energia com duração de suas baterias em até cem vezes superior, isto acontece porque o protocolo ZigBee faz entrar em operação o equipamento sem fio somente no momento em que é solicitado e o tempo restante fica em estado de dormência com baixíssimo consumo de energia, outra característica de extrema importância, que em apenas um canal de comunicação, poderá haver uma malha com mais de 65.000 dispositivos sem fio. O protocolo ZigBee trabalha em canais específicos de comunicação com as seguintes velocidades: 2,4 GHz a uma taxa de 250 kb/s; 915 MHz a uma taxa de 40 kb/s e, 868 MHz a uma taxa de 20 kb/s. A tecnologia ZigBee é bastante robusta com alta resistência a interferências eletromagnética. Segundo Vika Controls (2008), este protocolo conforme esquema da Figura 19 funciona basicamente através de três dispositivos: Coordenador, chamado de ZC (ZigBee Coordinator) que possui de 1 a 16 canis de comunicação, ele é responsável pela formação da red 32 através da escolha de um dos seus canais e o número lógico que irá operar, permitindo a integração dos roteadores e dispositivos finais a ela; Roteador, chamado de ZR (ZigBee Router) que tem a função de estabelecer a comunicação da rede entre o ZC e os dispositivos finais, quando estes estão situados em posições onde a comunicação com o ZC não pode ser direta, também é função dos ZRs a determinação da melhor rota de comunicação da rede; e Dispositivos finais, chamados de ZEB (ZigBee End Divice) podendo ser um sendor ou um atuador, que sempre deve estar ligado a um ZC ou ZR. Fonte 19 - Exemplo de rede ZigBee Fonte Vika Controls (2009) Um dos protocolos mais utilizados no ambiente industrial, segundo HART Communication Foundation (2009), é o protocolo WirelessHART, que foi desenvolvido para aplicação no setor industrial, sendo hoje empregado em 85% dos dispositivos que operam em comunicação sem fio no setor industrial no mundo, conforme visto uma aplicação típica na Figura 20. Possui velocidade de comunicação de 250 kbps, baseado no protocolo IEEE 802.15.4 de 2006, opera na frequência de 2,4 Ghz a 2,4835, alterando automaticamente, de forma aleatória, quando existe interferências na faixa que esta operando (Direct Sequence Spread Spectrum) , distância de comunicação até 250m (sem obstruções), os equipamentos podem ser alimentados por baterias ou diretamente da rede de energia além de apresentarem baixo consumo. 33 Figura 20 - Instalação Típica de WirelessHART Fonte: HART Communication Foundation (2007) A Figura 21 apresenta uma aplicação em que a estação se supervisão utiliza o protocolo Modbus RTU até o rádio mestre, e a comunicação com os rádios Modbus escravos em rádio freqüência (de 330 a 512 MHz), sendo que os escravos estão conectados aos equipamentos de campo (FAYAD, 2003). Figura 21 - Aplicação de redes sem fio na indústria Fonte: Fayad, 2003 34 3.3. SEGURANÇA EM RSSF Segundo Cabrini, Florido e Kofuki (2006), em uma RSSF destinada ao controle de temperatura em diversos ambientes, no laboratório de sistemas integráveis da Universidade de São Paulo, onde foram utilizados vários dispositivos como sensores e atuadores do tipo MICAZdot em uma rede de comunicação sem fio por rádio frequência, ao final do experimento esta apresentou um ótimo desempenho, uma boa robustez da rede e o nível de variação da temperatura ficou dentro da faixa inicialmente desejada. Através da análise dos dados gerados por diversas leituras de pontos diferentes, com situações em que havia equipamentos formadores de ondas eletromagnéticas, foi possível verificar que devido a tais ondas interferindo na comunicação entre os nós sensores, houve uma perde significativa de dados, concluindo que os meios de comunicação por rádio frequência apresentam alta sensibilidade em se tratando de ondas eletromagnéticas. A existência de barreiras como paredes e painéis também causam perdas na qualidade de sinal, embora bem menores que as interferências verificadas em fontes de ruído por ondas eletromagnéticas. Os meios de comunicação globalizados, especialmente através da internet, trazem novas perspectivas de comunicação de dados interligando quase todas as redes e pontos do planeta. Essa forma de comunicação global, por sua vez, é de extrema importância para o desenvolvimento tecnológico e humano, mas como praticamente tudo está interligado, torna-se um ambiente extremamente inseguro. Uma das formas de garantir a segurança dessas redes é a utilização de redes internas dedicadas (VPN), que podem ser cabeadas e sem fio, mas somente isto não basta. Marleta (2007), propôs a utilização de uma VPN criptografada fazendo com que a comunicação passe a ser pessoal, ou seja, tanto os transmissores quanto os receptores, devem estar vinculados com a mesma programação de criptografia, caso contrário, a comunicação não é estabelecida. O método de criptografia torna a rede com segurança relativamente elevada, sendo possível a comunicação de uma VPN através da internet com alto grau de segurança. A utilização de uma VPN criptografada, que pode ser cabeada ou sem fio, mostrou que é possível o controle de equipamentos remotamente, neste caso específico um robô controlado via internet, através de protocolo de comunicação TCP/IP, obteve ótimos resultados aliado a boa segurança, como se a rede estivesse isolada totalmente. 35 As RSSFs vieram também para permitir a mobilidade de instrumentos e equipamentos eletrônicos de trabalho e lazer, como por exemplo, a utilização de computadores pessoais e sensores. Sistemas que possuem tecnologia sem fio e que possuem redes do tipo ad hoc podem entrar formar ou sair de uma rede sem fio, ou até mesmo de uma RSSF, a qualquer momento que desejar. De uma maneira geral, redes sem fio são vistas como inseguras, pois podem ser acessadas livremente dentro do limite de seu alcance. Por isso, redes sem fio necessitam, sem dúvida, de um alto padrão de segurança, como autorização de acesso através de senhas, autenticação e comunicação com seus dados criptografados. Este sistema de segurança na rede pode ser de uso pessoal (DSP) utilizado em computadores e seus periféricos, e estendia (DSPE) onde poderá ser formada uma RSSF com alto padrão de proteção para um número de pessoas que acessam tal rede (SAKUAGUI, 2006). Segurança em redes, segundo Sobrinho (2007), a utilização teve início em redes de computadores que apresentam acesso remoto livre, mas também devem ser aplicadas em RSSF, uma vez que o sinal é aberto estando sempre pré-disposto a sofrer ataques externos e internos. A insegurança não está voltada apenas a ataques, mas também vinculada a perdas na transmissão e recepção de dados, decorrente de interferências na própria rede e até de interferência ambiental. Esta segurança que deve ser observada devidamente na fase de projeto, irá trazer como resultado a confiabilidade e integridade dos dados gerados. Um dos problemas vistos por muitas empresas, principalmente no nível de gerência, é a insegurança que a RSSF algumas vezes apresenta, sendo uma delas o recebimento de pacotes de dados incompletos, por falha na transmissão de dados. Essas falhas, geralmente, são devido a interferências do meio físico ou ondas eletromagnéticas oriunda de outros campos. Um bom projeto de layout da infraestrutura da RSSF, pode resolver em grande parte estes problemas, mas em alguns casos há obstáculos que não podem ser removidos. Sobrinho (2007) utilizou uma RSSF em ambiente marinho, que possui alta taxa de interferência além de ser bastante agressivo quimicamente e não ter como alterar as características do meio físico, as interferências existentes serão de convívio permanente para o sistema de comunicação empregado. Mas isto não torna inviável a utilização de uma RSSF neste ambiente sendo que, neste caso específico, a solução adotada foi a utilização de software adequado, juntamente com protocolo específico. Mesmo que o 36 equipamento a ser monitorado não admita falha no funcionamento, a configuração adequada do software e do protocolo, juntamente com a tecnologia escolhida, podem ser a uma solução eficaz do problema de perda de pacotes na transmissão e recepção de dados. 3.4. PROJETO DE RSSF Rebelato e Lidak (2006) salientam que para atingir o sucesso no uso de uma RSSF em ambiente fabril, deve-se levar em consideração, como resultado final da implantação, a qualidade dos dados coletados do processo, o monitoramento contínuo, o compartilhamento das informações com o setor de produção, a compatibilização eletrônica entre máquinas e equipamentos, o acesso remoto móvel de qualquer lugar e a qualquer instante no ambiente produtivo e administrativo. Altamente relevante é a elaboração de um projeto de automação industrial, principalmente quando se trata de RSSF. Em função do layout do ambiente a ser monitorado, o efeito de irradiações e os efeitos dos campos eletromagnéticos gerados por máquinas e equipamentos existentes no local, podem afetar significativamente a transmissão e a recepção de sinal de rádio frequência, que é o caso de RSSF. Estas interferências, segundo Moraes, Marini e Boaretto (2006), são causadas devido à reflexão em materiais condutivos na composição de máquinas, equipamentos, móveis, paredes e divisórias. O estudo do layout do local a implantar a RSSF antes de iniciar o projeto é de extrema importância, pois o projetista deve ter a noção exata de onde serão instalados os transmissores e receptores e da necessidade ou não da utilização de amplificadores e antenas, bem como da altura a serem instalados, evitando obstáculos físicos e campos eletromagnéticos que possam interferir na transmissão e recepção de informações pelos sensores sem fio. Além da posição adequada dos transmissores e receptores, a escolha do tipo de modulação do sinal torna uma RSSF mais segura e menos suscetível a interferências, tornando-a robusta e aumentando a vida útil da rede empregada. Aplicações de RSSF quando projetadas com critério, podem trazer excelentes resultados. Seidel, Ferreira e Oliveira (2009), desenvolveram um projeto de pesquisa sobre o monitoramento de parte da floresta amazônica. Apenas monitorando a 37 umidade e a temperatura, foi possível definir: se no local estava havendo derrubada de árvores, devido à variação de umidade do solo pela incidência solar; queimadas, pelo aumento incomum da temperatura; e outras agressões sofridas pela floresta. O sistema instalado foi de grande sucesso, uma vez que aquilo que era analisado remotamente através dos dados enviados pelos sensores espalhadas na floresta, estavam realmente acontecendo no local. Instrumentos de campo, alimentados por baterias, podem se comunicar com gateways, que convertem os sinais recebidos em protocolos comumente utilizados pela indústria, tais como Modbus, Hart, Fieldbus etc. Para garantir que os instrumentos consigam se comunicar corretamente com o gateway, se ocorrer algum atraso na comunicação ou mesmo se algum obstáculo interromper o sinal de rádio, utiliza-se o conceito de redes auto-organizadas. Nessas redes, cada elemento ou nó da rede, é também um repetidor, conforme a Figura 22. Na figura, o gateway é instalado nas proximidades do sistema de controle e conectado ao mesmo através de Ethernet ou Modbus. A Ethernet pode suportar Hart, Profinet etc. Os instrumentos A e B possuem uma vista desimpedida do gateway e, considerando que a distância entre eles seja menor do que 250 metros, a comunicação ocorre sem empecilhos. O instrumento C não possui vista desimpedida, mas o sinal pode ser refletido por outro tanque e atingir o gateway e, também, pode se comunicar através dos instrumentos A ou B. Considerando que o instrumento D esteja muito longe do gateway, ele pode se comunicar através dos instrumentos A, B ou C, o mesmo ocorrendo com o instrumento E que não possui vista desimpedida (PELUSO, 2007). Como qualquer outro sistema, as RSSF estão sujeitas a falhas, principalmente porque a maioria dos sensores utilizam baterias para alimentação e, também por possíveis interferências eletromagnéticas. Para cada sistema a ser projetado existe uma tolerância aceitável à falhas, dentro de limites pré-estabelecidos. Cada projeto possui suas características e relevâncias e, como exemplo, quando está sendo monitorada a umidade no interior de uma residência, a ocorrência de falhas no sistema será praticamente insignificante, mas por outro lado, no monitoramento de possíveis vazamentos de tubulações de combustível não podem ocorrer falhas, devido aos sérios danos que poderão ocorrer. Mesmo em sistemas de detecção onde as falhas são intoleráveis, a utilização de programas de controle específicos e a duplicação da RSSF poderá ser a melhor alternativa técnica encontrada, com custos aceitáveis (SILVA, 2006). 38 Figura 22 - Redes auto-organizadas Fonte: Peluso, 2007 Algumas limitações vistas em RSSF, como a largura da banda, a capacidade energética das baterias, a segurança do sistema e as interferências eletromagnéticas, podem ser sanadas na fase de projeto. Este custo gerado para elaboração de um projeto adequado, é pequeno perante as características positivas que o sistema possui, tais como: acesso remoto, controle descentralizado, inúmeros caminhos de comunicação, o que reduz os custos na formação de uma malha de sensoriamento (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2006). A utilização de RSSF é um grande avanço na tecnologia de transmissão e recepção de dados, tornando o monitoramento do mundo físico cada vez mais eficaz, através da utilização de sensores cada vez menores. Esta redução no tamanho dos sensores afeta diretamente a quantidade de energia disponível para os mesmos existente em suas baterias que também são em tamanho reduzido, exigindo do projetista de RSSF uma atenção especial, pois a condição de operação de uma rede pode ser o fator determinante na vida útil do sistema. Souza (2007) otimizou uma RSSF, atribuindo papéis específicos para cada nó da rede, através de algoritmo genético e reconfiguração do sistema para operar em intervalos de tempo. Foi definido, também, que a tomada de decisão seria de modo cíclico entre os sensores, pois quando centralizado existe a necessidade de toda uma linha de sensores ficarem ativos a fim de estabelecer a comunicação. Mantendo vários 39 sensores ativos, aumenta-se significativamente o consumo de energia pelos mesmos. Vários fenômenos físicos, como pressão, umidade e temperatura, podem ser monitorados por RSSF. Um dos problemas encontrados, visto como restrição ao uso, é a largura de banda, onde o roteamento de uma quantidade elevada de informações ao mesmo tempo, acarreta em aumento do tempo de resposta do sistema, gerando problema no processamento dos dados. A solução adotada por Aquino (2008) é tratar os dados que chegam para processamento, utilizando somente aqueles mais relevantes, através da técnica stream de dados. Com a manipulação dos dados, foi possível manter uma representatividade suficiente dos dados, garantindo que os resultados gerados fossem satisfatórios e com qualidade, na solução dos problemas. 40 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO Neste capítulo será feita uma análise crítica dos diversos trabalhos vistos no Capítulo 3, visando à definição das características que as RSSF podem desempenhar em redes de automação industrial. As redes de automação industrial apresentam um grande marco no desenvolvimento mundial. Sendo compostas por sistemas cabeados ou sem fio, possuem os mesmos objetivos, que é o controle de fabricação de seus produtos, seja o controle de processos, o monitoramento da produção, controle de estoque entre outros. A concorrência existente em todos os setores, a velocidade, o volume de produção e a qualidade dos produtos podem ser fatores determinantes para a sobrevivência de várias empresas. Como citado por Montebeller (2006), as redes de automação são um fato crescente, podendo ser cabeada ou sem fio, em todos os setores, não apenas no industrial, mas também no comercial, no campo e nas residências. A utilização de RSSF pode ser considerada uma tecnologia que irá crescer ao longo do tempo (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2009). Conforme Silva (2006), o custo de implantação de uma RSSF não está ligado apenas ao custo do nó sensor especificamente, mas a todos os equipamentos da rede e a escolha do fornecedor certo pode ser o que definirá o uso da tecnologia sem fio. A utilização com sucesso de RSSF na indústria, é visto por vários autores como Barreto (2007), Monteiro (2007), Rebelato e Lidak (2006) e Silva (2006). Segundo Seidel, Ferreira e Oliveira (2006), a utilização de RSSF é bastante flexível, pois uma rede pode ser formada por dois sensores ou por vários, formando uma malha de sensoriamento, uma vez que geralmente cada sensor é autônomo, não necessita de fios e sua inclusão na rede é basicamente através de um sistema supervisório. Através de redes sem fio, existe uma grande facilidade de uso de equipamentos em lugares e situações provisórias e momentâneas. As redes sem fio estabelecem conectividade com redes cabeadas com simplicidade, segurança e baixo custo (MALIMA, 2009). Muitos empecilhos para o uso de RSSF são impostos, entre eles, segundo Baretto (2005), está a largura de banda existente para RSSF que são consideradas 41 baixas, pois variam de 11 a 54 Mbps. Mas, o que geralmente acontece na configuração das redes cabeadas industriais, que podem comportar velocidades de até 10 Gbps (BONADEO, 2009), é a fixação de uma velocidade de não mais de 9,6 kbps, ficando bem abaixo do menor valor que as RSSF comportam. Além disto, existem técnicas de projeto que podem resolver o problema da largura de banda, consistindo basicamente no estabelecimento de limites na transferência de dados, de acordo com a qualidade que se deseja do monitoramento, garantindo que mesmo sistemas que possuam pouca capacidade na transmissão de dados, comportem o serviço a que foram destinadas (AQUINO, 2008). A utilização de um protocolo adequado, também pode suprir a deficiência da largura de banda das RSSFs (SILVA, 2006). O tempo de duração das baterias, na maioria dos sensores, é outro ponto visto como relevante ao uso de RSSF. Ginatto (2008) salienta que uma das soluções para este problema é a reconfiguração do protocolo utilizado aumentando a vida útil do sistema em até 22%. Silva (2006), em seu trabalho de monitoramento florestal especificou que os sensores entrassem em operação de 50 em 50 minutos, reduzindo o consumo de energia. Souza (2007), através do sistema descentralizado de processamento e Aquino (2008) na relevância e quantidade de dados necessários para o processamento, trouxeram resultados excelentes para a redução no consumo de energia e o aumento na vida útil da rede. A alimentação dos sensores diretamente na rede elétrica pode ser uma alternativa viável para o uso de sensores sem fio, pois em alguns casos a dificuldade está na instalação de cabos de comunicação, seja devido a distâncias elevadas ou devido a ambientes com altas interferências eletromagnética e ataques químicos. Segundo Peluso (2007), as baterias podem durar vários anos, dependendo da taxa de comunicação. Em um projeto os transmissores se comunicam uma vez por minuto viabilizando a vida útil do sistema de três a sete anos, sem a necessidade de troca de baterias ou utilização de fontes alternativas de energia. Para prolongar a vida das baterias, é possível utilizar painéis solares, que fornecem energia para o instrumento e carregam as baterias para o período noturno. A utilização de fontes renováveis de energia é uma ótima opção para o aumento da vida útil das baterias, Junior (2008) em seu trabalho de monitoramento do nível de poços para o controle da variação do lençol freático, primeiramente utilizou apenas baterias convencionais para alimentação dos dispositivos sem fio, a 42 troca foi necessária 90 horas após o início do uso; a vida útil das baterias pôde ser estendida por todo o período do experimento, de três semanas, com implantação de células solares para o carregamento das mesmas, sem a necessidade de nenhuma substituição neste período. A segurança de uma rede de automação está diretamente relacionada com a qualidade dos dados gerados por ela, para que isto aconteça, a rede deve funcionar adequadamente. Um dos principais fatores que contribui para esta qualidade está na utilização de um protocolo e um software adequado e a configuração dos mesmos (SOBRINHO, 2007; MACEDO, 2006). Sendo as RSSF abertas, acessadas de qualquer lugar onde o alcance de sinal de rádio da mesma é possível e geralmente passando dos limites da indústria, as mesmas devem ser protegidas contra ataques externos. Uma das formas utilizadas por Marleta (2007) é a utilização de VPNs criptografadas garantindo, na maioria das vezes, a integridade da rede. Com a criptografia, as redes não necessitam de ser uma VPN e podem estar ligadas diretamente a uma rede externa, com grande segurança para a mesma. O uso de um protocolo adequado, conforme Cardoso (2009), bem como de sua configuração adequada, é um dos principais fatores que irá definir a qualidade dos serviços efetuados pela RSSF. Além da configuração, cada projeto possui características peculiares para a definição do tipo de protocolo a ser utilizado. Macedo (2006) em seu trabalho de pesquisa comparando alguns protocolos, concluiu que houve um ganho expressivo de 12% na vida útil do sistema apenas pelo uso de um protocolo adequado. No momento de definir a utilização de um protocolo de comunicação, deve ser levada em consideração a integração do sistema que será implantado com as redes existentes (BONADEO, 2009; SOBRINHO 2007). WirelessHART é um dos protocolos mais utilizados no mundo, em se falando de RSSF; existe no mercado componentes (adaptadores), conforme Figura 23, que podem ser acoplados diretamente sobre os transmissores com fio, já existente no chão de fábrica, reduzindo custos na remodelação do sistema e sendo uma ótima opção para testes de viabilidade técnica para implantação de RSSF (ABB LIMITED, 2005). 43 Figura 23 - Adaptador ABB WirelessHart Fonte: ABB Limited (2005) Em geral, como em toda a área técnica, o importante é um bom projeto. Para uma rede de automação industrial, e em especial para as RSSFs, devem ser levados em consideração inúmeros fatores. Além do conhecimento adequado do processo e da estrutura da empresa onde será implantada esta tecnologia, é necessário que o projetista faça um estudo adequado do layout do local a ser monitorado em relação aos tipos e disposição das máquinas, equipamentos e mobiliário em geral, a existência de obstáculos físicos como paredes, divisórias, lajes e, também, a disposição onde ficarão os sensores sem fio que farão a comunicação entre os equipamentos e as centrais de controle e operação. Em termos de estudo do local, também deve ser verificado se existe alguma agressividade química. Além do layout, deve ser levado em consideração o tipo de rede que será utilizada, o padrão e a marca dos equipamentos, os protocolos que melhor se adaptarão aos equipamentos e ao monitoramento que será executado, o software indicado e os melhores parâmetros a serem utilizados para uma programação adequada do sistema (SOBRINHO, 2007; MORAES, MARINI, BOARETTO, 2006; REBELATO, LIDAK, 2006; SEIDEL, FERREIRA, OLIVEIRA, 2009). Os pontos positivos para a aplicação de RSSF são vistos por todos os autores, sejam referentes a aplicabilidade ou sejam pela qualidade dos serviços que pode oferecer. Barreto (2007) indica que a utilização de sistemas de monitoramento com sensores sem fio é aplicável em todos os ambientes como, por exemplo, a indústria, em operações militar, na proteção do meio ambiente, em residências e outros vários lugares onde se deseja o controle de equipamentos e sistemas. Segundo Savells e McAdams (2008), algumas das vantagens das redes sem fio sobre as redes com fiação de cobre são: 44 Economia na instalação: redução de trabalho e custos do material requerido para a fiação, bem como a velocidade da montagem; Economias de escalas: montar pontos adicionais em redes sem fio depende somente da instalação de equipamentos escravos adicionais, visto que os equipamentos mestres podem ser compartilhados, ou seja, não existe a necessidade de deixar uma reserva instalada como ocorreria nos projetos com fiação; Segurança contra falhas: sistemas com fio tendem a ter fios cortados durante a construção ou mesmo durante uma manutenção de rotina. Ataques por ferrugem, corrosão, vapor, sujeira, poeira, água etc. podem afetar um sistema de instrumentação com fio. Os alarmes de sistemas sem fio permitem aos usuários saber se os dados não estão mais vindo do instrumento devido a uma perda de sinal entre um equipamento escravo e o mestre; Flexibilidade: a rede sem fio pode ser implementada lentamente e integra-se a sistemas cabeados já existentes, possui facilidade para expansão da rede e para a reconfiguração desta, com a realocação de instrumentos; Confiabilidade: os sistemas rede sem fio precisam ser tão confiáveis quanto os sistemas cabeados; Monitoração do diagnóstico: a medida que o sensor de um instrumento rede sem fio opera, o sistema monitora o sinal a procura de anormalidades em termos de sinal, barulho, tensão, temperatura, energia refletida etc., sendo que o usuário pode determinar em que níveis deve ser dado um aviso; Baixo consumo de energia: apesar de não ser uma vantagem específica em relação aos sistemas cabeados, o baixo consumo de energia se traduz em baterias menores e painéis solares, tornando a montagem remota realizável em áreas antes consideradas impraticáveis para monitoramento e controle. Quanto à abrangência das redes, Sobrinho (2007) e Atos (2009) citam que as RSSFs são aplicáveis em todos os lugares e sua abrangência torna-se global, quando utilizada com o serviço de dados via celular, formando uma rede de longo alcance, com acesso remoto de sensores que podem estar inseridos em pontos diferentes e distantes uns dos outros, desde que exista sinal de celular ou sistema por torre ou via satélite. Outra característica bastante marcante das RSSF é a mobilidade total, pois segundo Silva (2006), o controle e supervisão de serviços ou até mesmo de uma 45 planta, pode ser efetuado através de um PDA ou de um laptop de qualquer lugar, a qualquer instante. Segundo Sakuragui (2006), sensores sem fio são de uma flexibilidade inigualável, pois os sensores sem fio, que na maioria dos casos são completos, com alimentação, sensoriamento, processamento e comunicação, possuem a característica de poderem sair ou entrar e formar ou desfazer uma rede a qualquer momento que se desejar. A viabilidade do uso de RSSF em ambiente industrial é sem dúvida possível, pois todas as barreiras impostas aos sistemas de comunicação sem fio podem ser contornadas utilizando equipamentos adequados a tarefa que irá desempenhar o sistema bem como a utilização de protocolos e programas de gerenciamento e controle que podem ser modelados de acordo com o objetivo e necessidade do sistema. Esta viabilidade de uso de sistemas sem fio também pode ser concluída devido sua alta escala de utilização em diversos setores como no militar, ambiental e outros, não ficando apenas restrito ao uso industrial, sendo empregados em ambientes com características peculiares e todos apresentando ótimos resultados. 46 5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As RSSF estão sendo aplicadas em todos os setores, inclusive o industrial, possuindo ótimas perspectivas para seu crescimento, em função de novos estudos e o desenvolvimento de novos equipamentos. Inúmeros são os pontos positivos que as RSSFs podem apresentar, sendo os principais, a mobilidade completa da rede e a aplicação de sensores em qualquer lugar com acesso remoto, por mais complicado que seja. Na área de automação industrial, a utilização de RSSF sofre resistência quanto à qualidade do sistema em si e quanto a qualidade dos dados transmitidos e recebidos, principalmente quanto a interferências eletromagnéticas e ataques externos. Mas isso pode ser resolvido se forem considerados alguns detalhes na implantação destas redes, tornando-as seguras e com alta qualidade. O projeto bem elaborado é um dos fatores de maior relevância para a implantação da RSSF. Devem-se utilizar equipamentos adequados, de acordo com a agressividade do meio, as distâncias e outros fatores. O uso de um protocolo adequado, assim como do software que melhor se adapta ao sistema que será implantado e, também, ao meio físico com suas interferências, recurso energético limitado das baterias e obstáculos físicos e eletromagnéticos. Devem-se levar em consideração a configuração e programação do sistema com parâmetros adequados, levando em consideração possíveis ataques externos, área de alcance do sensoriamento e outros. 5.1. SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS Existe deficiência de trabalhos relacionados com RSSF, sobre o assunto de transferência de dados através de infravermelho e raio laser. Pesquisas poderiam ser efetuadas neste assunto podendo ser utilizados cabos de fibra ótica para a transferência de sinal. Pouco é falado sobre problemas que ondas de rádio podem causar ao ser humano e seus limites aceitáveis. 47 A relação de custos entre sistemas cabeados e sem fio, de uma planta com as mesmas características, é de grande relevância para a decisão de qual rede utilizar. Um nicho bastante interessante é o uso de energia solar empregada especificamente em sensores sem fio. 48 REFERÊNCIAS ABB LIMITED. Wireless Instrumentation Jargon Buster. 2005. Disponível em: http://library.abb.com/global/scot/scot203.nsf/veritydisplay/be00ec76ef07e978c12575 6e003157b9/$File/IB_INST-018_1.pdf. Acesso em: 26 nov. 2009. ALMEIDA, Felipe B. Padronização da comunicação sem fio em ambientes industriais: ISA SP-100. Monografia. Universidade Federal da Bahia. Salvador. 2009. AQUINO, André L. L. Redução de dados em redes de sensores sem fio baseda em stream de dados. Monografia. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte: 2008. ATOS. Automação industrial: CLP com modem celular GSM/CDMA e modem celular GSM/CDMA. Disponível em: http://www.atos.com.br. Acesso em: 23 mar 2009. BALDO, Mauro. Strumenti di misura per l’automazione industriale. Disponível em: http://www.ameqmi.org/files/resourcesmodule/@random498acb9599c45/123624346 4-fluke.pdf. Acesso em: 26 mai 2009. 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