Rádios na Automação Industrial: Como Aplicar Rádio Enlace em Sistemas de Aquisição de Dados e Controle Industrial

As necessidades na área de aquisição de dados e controle industrial não se limitam ao local do controlador ou de um operador de planta, as demandas da indústria desafiam, por exemplo, as distâncias. Uma planta industrial, normalmente tem setores que podem operar a quilômetros de distância e em época de automação das informações e elevação de rendimento operacional, se faz necessário “trazer” estas informações para um local centralizado, ou utilizar controles da planta principal, todavia, um sistema de cabeamento seria inviável.

Rádio na Automação Industrial

Os rádios de telecomunicação, para transmissão de dados no ambiente industrial, cada vez mais são aplicados, afim de atingir estes objetivos de ganhos operacionais e de segurança, atendendo os requisitos de um sistema de automação convencional, tais como, disponibilidade, integridade e segurança.

O objetivo deste texto é demonstrar de forma prática e direta a aplicação destes rádios na indústria, demonstrando elementos práticos e reais que são utilizados para especificar um sistema, lembrando que não há intenção de esgotar o assunto e muito menos de falar sobre telecomunicações, disciplina esta, fundamental, para entendimento pleno na aplicação destes projetos.

Para delimitar nosso tema, uma vez que há muita tecnologia e demanda envolvida neste contexto, vamos falar sobre:

  • Quais justificativas para utilização de RÁDIOS no Controle Operacional;
  • Quais benefícios que os RÁDIOS levam para o Controle Operacional junto com a Automação Industrial;
  • Quais tecnologias disponíveis e quais aplicações nos sistemas de Controle e Automação;

Nesta mesma linha, temos alguns cenários propostos para nosso campo demonstrativo no estudo:

  • É necessário estabelecer uma comunicação entre dois controladores a uma distância de 8Km entre eles, mas é inviável a utilização de mídia física;
  • Há um conjunto de dispositivos de comunicação móveis dentro de uma área limitada, como estabelecer uma comunicação entre eles;
  • Como intercomunicar diversos pontos em uma planta, com protocolos diferentes, com objetivo de aquisitar dados para uma sala de controle?

Os sistemas de telecomunicações estão em constante evolução, para datarmos alguns pontos importantes, podemos falar sobre Michael Faraday que, em 1831 descobriu a indução eletromagnética, iniciando os primeiros estudos nesta área.

A partir daí, temos Hertz, Marconi, Tesla, diversos cientistas que fizeram grandes descobertas neste campo, promovendo a revolução na área das telecomunicações, atentamos ao fato das tecnologias celulares 1G, 2G, 3G e 4G, relativamente novas em nossa área, mas que provocaram grande impacto em nossa sociedade e estamos no limiar de uma grande evolução, que é a tecnologia 5G, rompendo barreiras de velocidade, capacidade de comunicação e banda de interconexão para Internet das Coisas (IoT).

Para aplicação de rádios de telecomunicações, alguns desafios seguem em nosso campo, onde podemos descrevê-los:

  • Como especificar a faixa de frequência de trabalho em função da distância e quantidade de dados;
  • Como calcular antenas, infraestrutura de repetição de forma a equalizar o projeto de atenuação do sinal;
  • Como aplicar boas práticas para diminuição de interferências e aumento de disponibilidade do rádio.

Conceito sobre Transmissões por Rádio

O conceito de funcionamento dos rádios se refere a um transmissor de sinal (onda eletromagnética) e um receptor, onde através de um arranjo de antenas, estas ondas se interceptam, convertendo sinais eletromagnéticos (campo) em sinais elétricos e vice-versa, sendo este o conceito de funcionamento.

Em tecnologia da telecomunicação, devemos entender o termo rádio propagação, pois este dá forma a capacidade de enviar e receber informações no espaço, sendo este termo:

  • A propagação de ondas eletromagnéticas no espaço terrestre;
  • Uso de Transmissor e Receptor com Modulação e Demodulação (MODEM);
  • Uso de Antenas para Ampliação de Sinais;
  • Capacidade de comunicação dependente da Distância e Link de Dados (device);

Os principais benefícios no uso de rádio, aplicados principalmente na automação industrial, podemos descrever abaixo:

  • Aplicações Especiais
  • Mobilidade
  • Alcance
  • Flexibilidade
  • Confiabilidade
  • Implantação Rápida
  • Custo de Manutenção
  • Imunidade a Ruído
  • Custo Projeto / Instalação (viabilidade)
  • Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança

O funcionamento dos rádios eletromagnéticos, se deu pelo descobrimento de Hertz, físico alemão que em 1888, onde ele compreendeu a geração de ondas eletromagnéticas através a oscilação de um gerador de alta frequência.

As tecnologias e componentes que compõem basicamente um sistema de rádio são (lembrando que nosso foco são aplicações na automação industrial):

  • Rádio MODEM Transmissor / Receptor para Comunicação do Dados;
  • Antena para Amplificação e Direcionamento do Sinal e Link + acessórios;
  • Controladores ou Devices para Produção ou Consumo de Informações;

Um componente muito importante no sistema de rádio é a antena, que permite o direcionamento do sinal, bem como sua amplificação para transmissão e abertura da zona de recepção do sinal, abaixo alguns tipos de antenas:

ANTENA YAGIS

  • Fácil instalação
  • Normalmente instalada para ponto a ponto
  • Acima de 1,5 GHz

ANTENA SETORIAL

  • Enlace ponto a ponto e multiponto
  • O ganho depende do número de dipolos
  • Podem ser verticais ou horizontais

ANTENA PARÁBOLA

  • Antena (alimentador) ilumina o refletor
  • Ganho elevado
  • Usado em enlaces de grandes distâncias

ANTENA LOG-PERIÓDICA

  • Grande largura de banda
  • Ganhos menores que Yagis (comparadas)
  • Instalação vertical e horizontal

ANTENA OMNIDIRECIONAL

  • Irradiação uniforme no ângulo de uso
  • Vários dipolos instalados
  • Ganho varia de acordo com num dipolos e distância

Como objetivo de ser simples, não querendo ser simplista, pois como dissemos esta disciplina refere-se a Telecomunicações, muitas vezes não estudada na área de automação industrial, queremos dar uma noção de grandeza, para aplicações em nossa área.

Características e Aplicações de Rádio

Normalmente as aplicações de rádio dentro deste contexto, operam em faixa de frequência de 900 MHz, 2,4 GHz e 5GHz, sendo assim, na tabela da apresentação, demonstramos uma ordem de grandeza, totalmente teórica em termos de aplicação, podendo se expandir a depender do ambiente de aplicação e tecnologia empregada, mas é um bom referencial inicial.

O circuito de telecomunicação, composto basicamente de rádio, antena e acessórios, são elementos que influenciam a qualidade de sinal, podendo provocar perdas ou ganhos, lembrando que o ar, isto é, a distância entre as antenas, atenuam o sinal, a composição das somas e subtrações deste circuito, definem a capacidade de comunicação do sistema, veja no quadro o cálculo.

Para cálculos de implantação de sistemas de rádio, é de boa prática a aplicação de uma técnica chamada Site Survey, não é escopo deste texto explicar esta técnica, todavia, abaixo relacionamos os seus objetivos:

  • Analisar localização, distância, visada e frequências;
  • Definir quantidade de rádios base e repetidoras;
  • Especificar equipamentos de acordo com frequência e Throughput (taxa de Transferência);
  • Questões legais e de regulamentação ANATEL;
  • Plano de frequências;
  • Teste e validação do Enlace de Dados.

Também, para a implantação de um sistema de enlace de dados, mostramos alguns pontos básicos que devem ser levados em consideração, o material serve de referência para estudo em sequência, pois há muito material disponível na internet com detalhes de uso:

  • Definia sua necessidade (foco na distância e quantidade de dados de tráfego);
  • Faça um Site Survey teórico – para definir uma viabilidade básica (visada) use o Google Earth;
  • Analise opções (viabilidades) de mercado de Rádios, Antenas e Torres, se este for o caso;
  • Contrate um Site Survey profissional, faça o projeto de especificação e implantação;

É muito importante entender alguns itens, afim de complementar este estudo de referência:

  • A capacidade de distância do Link depende da frequência (quanto maior, menor a distância) e da quantidade de dados (quanto maior, menor a distância);
  • Os rádios têm potência de transmissão (dBm/mW) que atendem uma determinada velocidade e tem sensibilidade na recepção;
  • O que define o Enlace, é o cálculo gradual dos ganhos (antenas) e perdas (conexões e cabos).

Como dissemos, a área de telecomunicações está em franco desenvolvimento, abaixo relacionamos as principais tendências para os próximos anos:

  • Uso de Modens com VPN (Virtual Private Network) Segura (Cibersegurança);
  • Tecnologia – NB-IoT NarrowBand IoT – LTE Long Term Evolution;
  • Uso de Rádios como IaaS – (Infrasctruture as a Service).

Conclusão

Concluímos que os Links de Rádios permitiram a expansão do uso do comando e controle na automação industrial, viabilizando comunicação entre sistemas, obtendo ganhos de performance produtiva e segurança operacional.

Márcio Venturelli trabalha no Mercado de Automação Industrial há 25 anos, tendo trabalhado em departamentos, tais como, Assistência Técnica, Treinamentos, Engenharia e Negócios. Trabalhou em diversos Projetos de Implantação de Sistemas e Automação e Controle Operacional de Plantas de Bioenergia, Transformação e Manufatura, no Brasil e no Exterior. Atualmente trabalha em Desenvolvimento de Soluções e Tecnologias para Otimização e Convergência de Sistemas de Automação Industrial, como foco em Conectividade e Redes de Comunicação Industrial, desenhando Soluções que tenham Aderência para a Indústria 4.0. Professor Universitário de Pós-Graduação de Automação Industrial e Gerenciamento de Projetos. Membro Sênior da ISA (Sociedade Internacional de Automação), Diretor de Tecnologia da ISA Distrito 4 (Brasil) e Diretor de Tecnologia Safety Bus da PI (Profibus/Profinet Internacional). Graduado em Ciência da Computação, com Especialização em Controle e Automação Industrial, Pós-Graduado em Gestão Industrial, Pós-Graduado em Tecnologia do Petróleo e Gás e Possui MBA em Estratégia de Negócios. Técnico nas Áreas de Eletrônica e Eletrotécnica.

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