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Instrumentação WirelessHART: Segurança dos dados e coexistência com outros protocolos sem fios na indústria

Existem diferentes protocolos de comunicação wireless que tem como principal aplicação a utilização na industrias nos instrumentos de processo , alguns padrões de comunicação são fechados de determinados fabricantes, esse tipo de protocolo fechado hoje em dia não é vantajoso para seus clientes.  Na maior parte das aplicações são utilizados protocolos abertos, onde o cliente não fica amarrado a um determinado fabricante e com isso tem liberdade e opções em novas aplicações, além de existir fundações para o desenvolvimento desses protocolos.

Existem diferentes camadas para comunicação sem fio, vamos tratar mais especificamente da cama do tipo PAN (Personal Area Network) onde estão protocolos como Bluetooth, Zigbee, ISA100 e WirelesHART.

Tabela 1 - Diferentes camadas da aplicação wireless na indústria
Tabela 1 – Diferentes camadas da aplicação wireless na indústria

Em um estudo realizado pelo site ControlGlobal.com em 2013 com mais de 150 leitores,  verificou-se algumas questões de utilização de determinados protocolos wireless além da própria utilização da tecnologia dentro da indústria. A pesquisa mostrou que 57% dos leitores que responderam tem wireless aplicados em suas empresas e cerca de 47% ainda não possuem aplicações wireless, destes 57% com wireless ethernet aplicados aos processos industriais, os padrões de comunicação utilizados são:

Tabela 2 – Padrões de comunicação utilizados
Tabela 2 – Padrões de comunicação utilizados

Dentre os participantes, 47,5% dos que responderam tem projetos para utilizar a tecnologia wireless em suas empresas e 52,5% não tem projetos aprovados para próximos anos para wireless. Os protocolos mais populares para aplicação nesses próximos projetos são:

Tabela 3 – Protocolos mais populares
Tabela 3 – Protocolos mais populares

Os participantes têm intenção de utilizar a tecnologia wireless para:

Tabela 4 – Intenção de utilização de tecnologia wireless
Tabela 4 – Intenção de utilização de tecnologia wireless

O tempo de atualização dos equipamentos nas aplicações são frequentes questões dos clientes quando comentado sobre wireless, pois o tempo de atualização está ligado também ao tempo de vida de bateria dos equipamentos, na pesquisa realizada os participantes tem a inteção de ter o tempo de atualização de:

Tabela 5 – Tempo de atualização
Tabela 5 – Tempo de atualização

De acordo com uma pesquisa realizada pela On World 57% dos clientes finais estão utilizando testes pilotos com tecnologia wireless, 20% dos usuários finais tem configurado mais de 100 equipamentos de campo em wireless  e 75% das pessoas que adotaram a tecnologia wireless estão usando o protocolo mesh para uma parcela dos equipamentos de campo.  O relatório também mostrou que 39% dos usuários finais estão usando WirelessHART, um aumento de 13% a partir de pesquisa da On World de 2010. A pesquisa também mostrou que os usuários preferem uma tecnologia mesh, isso favorece o WirelessHART ou ambos WirelessHART e ISA100.11a.

WirelessHART

O protocolo wirelessHART teve seu início em 2004 e foi desenvolvido por 37 empresas que fazem parte do HART Communication Foundation ( HCF), a missão era fornecer uma relação de custo- benefícios, portfólio de alta qualidade para permitir uma fácil integração entre diferentes plataformas. Em 2007 o protocolo foi votado e aprovado pelos membos da HCF e em 2010 o protocolo recebeu a certificação da IEC com número IEC 62591.

Hoje o protocolo já possui mais de 1 bilhão de horas de funcionamento, com aplicações em todo mundo e vários tipos de processos indústriais. Sua aplicação trás muitas vantagens comparada as aplicações convencionais, além de reduzir muito os custos com projetos e instalação.

A tecnologia WirelessHART foi desenvolvida para aplicações de controle monitoramento, mas em sua grande maioria está aplicado em monitoramento por conta da postura conservadora de algumas empresas. Entretanto, este cenário está em constante mudança e a tecnologia tem evoluido muito na questão do controle de processos, possuindo agora um PID específico para controle utilizando tecnologia sem fio PIDPLUS.

Tabela 6 - Onde aplicar a tecnologia WirelssHART
Tabela 6 – Onde aplicar a tecnologia WirelssHART

O padrão de comunicação wirelessHART trabalha na frequência de 2.4 Ghz  utilizando uma rede “MESH” baseado no IEEE 802.15.4, utilizando método do tipo DSSS ( Espalhamento espectral com seguenciamento direto ) e salto de canais FHSS(Spread Spectrum) e TDMA ( Time Division Multiple Access) que garante uma comunicação segura e confiável, como também a comunicação sincronizada entre os dispositivos.

A rede “Mesh” faz com que os instrumentos comuniquem entre si estabelecendo caminhos redudantes até sua base, isso aumenta a confiabilidade na comunicação. Se um dos caminhos estiver bloqueado o instrumento sempre terá um caminho alternativo para que a informação chegue até a base, quanto maior a rede maior será a confiabilidade do sinal.

A rede possuí 3 elementos básicos, sendo eles  gateway, instrumentos de campo e network manager que pode estar aplicado dentro da gateway wireless.

Imagem 1 - Rede “Mesh” WirelessHART
Imagem 1 – Rede “Mesh” WirelessHART

Segurança dos dados

A rede WirelessHART foi desenvolvida para permitir a segurança industrial na sua rede, a segurança foi desenvolvida para não ser desabilitada, é implementado a encriptação dos dados utilizando o modo AES-128 oficialmente valido pelo NIST para privacidade. Esse método garante que só o receptor poderá interpretar os dados que estão sendo enviados, além do modo CCM para autenticação dos dados.

Existem regras entre os dispositivos , os instrumentos que são roteadores ou que estão provendo dados não tem autorização para serem gerenciadores da rede, além disso a comunicação não usa o modo de camada de rede do TCP/IP e isso a deixa a salvo de muitos ataques hackers.

Cada equipamento da rede recebe uma chave de acesso, sem essas chaves de acesso o instrumento fica impossibilitado de ter acesso a rede. O Security manager é resposável por gerar, armazenar e gerenciar essas chaves de acesso.

Imagem 2 - Dados são encriptografados para segurança da informação
Imagem 2 – Dados são encriptografados para segurança da informação

Coexistência da rede wirelessHART com outros procotolos wireless

A coexistência é a capacidade de um sistema executar tarefas em um ambiente compartilhado, podendo exercer as mesmas funções podendo ou não, usarem mesmo conjunto de regras. Para saber o sucesso de coexistência da rede é medida a confiabilidade da rede de entregar os dados para o destino desejado, sendo cada rede responsável por esse trabalho sem perturbar a capacidade de outras redes industriais no mesmo conviveo.

Podem existir problemas nessas transferências de dados quando dois ou mais pacotes são enviados e as frequências coliderem no mesmo espaço físico. Para minimizar e evitar esses problemas, existem várias técnicas que pode ajudar:

  • Channel hopping – mudar o canal de freqüência
  • Time Division Multiplexing – variando o tempo de comunicações
  • Power Modulation – transmissão de baixa potência
  • Direct Sequence Spread Spectrum
  • Redes Mesh suporta grande espaço físico com instrumentos de baixa potência
  • Blacklisting e channel assessment

Na camada de enlace de dados do protocolo WirelessHART, possui reconhecimento dos pacote com repetição automática assegurando os dados não serem  perdidos se a interferência ocorrer.

Gráfico 1 – Channel hopping
Gráfico 1 – Channel hopping

A tecnologia WirelessHART foi projetada especificamente para trabalhar na banda de 2.4GHz em um ambiente onde são esperadas outras redes sem fio. Usando técnicas tais como o channel hopping, Time Division Multiplexing, Power modulationg,  Mesh e Direct Sequence Spread Spectrum permitem que uma rede WirelessHART mantenha uma alta confiabilidade de dados e ao mesmo tempo minimizar, se não eliminar, qualquer efeito que tem sobre a outra redes sobrepostas.

Conclusão

Os estudos realizados mostram que cada vez mais a tecnologia wireless estará presente nos instrumentos de campo dentro da indústria e seu funcionamento assegura que os dados não serão perdidos e nem poderão ser roubados por conta da segurança envolvida na tecnologia. Sua convivência com outras tecnologia foi algo pensado e aplicado no protocolo, por conta disso não é necessário temer a interferência de sinal entre o wireless de campo com as demais tecnologia sem fio da empresa.

Referências

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10 Comentários
  1. Advair Diz

    Parabéns pelo artigo, . Um abraço, Advair

  2. Rubens Ramos Neto Diz

    Parabens, muito bom !

  3. César Rodrigues Diz

    Parabéns ao Fabrico pelo artigo. WirelessHart é a melhor forma de redução de custos e principalmente quando se utiliza a linha da Endress+Hauser, temos uma rede mais segura e com mais benefícios.

  4. André Diz

    Parabéns!

  5. Jose Luiz dos Santos Almada Diz

    Protocolo obsoleto. Matéria bem escrita, mas extremamente tendenciosa. Em momento nenhum é informado o protocolo ISA100. Faltou informar detalhes da interoperabilidade no WirelessHART. É possível integrar uma gateway de um fabricante com devices de outro fabricante, caso positivo quem faz essa homologação? Mais uma questão não informada estes dispositivos possuem drives DTM ou EDDL que permitam total integração com gerenciador de ativos?

    1. Fabrício Andrade Diz

      Olá Jose,

      O artigo está baseado em estudos atuais com usuários de instrumentação no mercado e que foi realizado por sites e empresa de pesquisa de mercado de grande competência no assunto automação industrial. Os usuários não citam em nenhum momento o protocolo ISA 100 e por conta disso não citei o protocolo, também por que o artigo é sobre wirelessHART. Além disso, quando falamos sobre empresas de instrumentação industrial a grande maioria está usando como padrão wirelessHART e isso é mais do que fato! Gentileza verificar as listas dos fabricantes de cada protocolo.
      Não entendi quando comenta sobre protocolo obsoleto? mesmo depois de muito tempo de criado, os protocolos “atuais” como FF, Profibus PA … não tem a quantidade de aceitação no mercado quanto a do “obsoleto” HART na instrumentação de campo. Esse protocolo oferece inúmeras vantagens que ainda são pouco exploradas e por conta disso o wirelessHART está ai no mercado, explorando seu potencial! Além da saída das gateways poderem ser aplicadas em redes como profibus DP e FF.
      Acho infundado chamar o protocolos com mais de 25 bilhões de instrumentos instalado e um sistema wireless com mais de 1 bilhão de horas de funcionamento de “obsoleto”.
      A artigo está focado em falar de segurança de dados e coexistência com outros protocolos sem fios e não em interoperabilidade e gerenciamento de ativos. Mas respondendo sua questão, a interoperabilidade é garantida entre os fornecedores da tecnologia wirelessHART, pois a fundação HART Foundation está por trás do protocolo, patronizando todos fornecedores deste tipo de tecnologia.
      Qualquer gerenciamento de ativos tem capacidade de ler as informações desse protocolo, pois ele trabalhará dependendo do fabricante com DD’s ou DTM, basta instalar para ter acesso as informações, além de permitir configuração via web browser para facilitar o acesso.

      Recomendo a leitura do artigo técnico também publicado aqui sobre wirelessHART, ele irá falar sobre funcionamento da rede e abordará suas dúvidas.

      1. Jose Luiz dos Santos Almada Diz

        Prezado, suas informações são no mínimo (para não polemizar) tendenciosas.
        A interoperabilidade entre devices wireless hart não é garantida nem tão pouco, certificada. O fato de desenvolverem produtos sobre a tecnologia WirelessHart não garante a integração dos dispositivos. Entendo que existe uma norma e um padrão para comunicação sem fio HART, mas não existe um instituto competente e independente que avalie e certifique a compatibilidade. No caso da ISA100, existe o grupo WCI que certifica a interoperabilidade e reúne sobre um selo de aprovação, garantindo a perfeita integração. Quanto a sua afirmação de que por ter uma grande base instalada o protocolo não seja obsoleto… infundado. Isso corresponde a dizer que se maior base instalada for de instrumentos pneumáticos essa tecnologia não estaria obsoleta? Muito provavelmente o que foi muito usado e aplicado já esta com os dias contados. O novo, a inovação essa sim tem quantidade menor pois esta ganhando espaço e atendendo aplicações onde a tecnologia obsoleta não apesentou soluções, algo como seu amado Wirelesshart não possuir integração com gerenciadores de ativos. Trabalho em uma empresa que possui um sistema de controle e gerenciador de ativos baseado em FDT/DTM, já estamos cobrando a integração dos devices wirelesshart a mais de 2 anos! Até agora o que obtivemos como respostas foi somente promessas e nenhuma solução. Entenda que não vivo no mundo comercial, de quem quer seduzir e produzir artigos tendenciosos, eu sou um usuário, líder de grupo de automação que investe grande parte do faturamento em novas tecnologias, aprecia as soluções sem fio, mas conhece, atesta e prova cada palavra. A tecnologia em questão é limitada. Quanto aos fabricantes, vejo grandes empresas em torno da ISA100, e outras tantas com produtos em desenvolvimento ou certificação. Para simplificar… de todo se o usurio desejar a tecnologia ISA100 pode operara exatamente como a Wirelesshart (nuvem de comunicação, auto organizada, baixo tempo de atualização…) mas a tecnologia pode ir além (redes determinísticas, tempos de resposta de até 0,5s, rotas fixas prioritárias ou auto organizadas…) em fim, cabe como formador de opinião definir os limites de cada tecnologia. Te digo mais, na empresa onde trabalho (química) estamos migrando dia a dia a tecnologia. Se assim desejarem posso redigir um artigo sobre ambas experiências, salientados as vantagens da tecnologia WirelessHart, mas explorando e comentando os diferenciais apresentados pela ISA100.

        1. Fabrício Andrade Diz

          Prezado,

          Acredito que esse tipo de discussão é sadia para troca de conhecimento de todos, mas é mesmo tipo de discussão técnica que já ocorreu quando falamos dos protocolos FF e Profibus ou talvez Ethernet/IP e profiNET. Cada tecnologia irá oferecer um tipo de vantagem e desvantagem, seja ela em sua arquitetura ou em configuração, caberá ao usuário definir a tecnologia que se aplica melhor ao seu processo.
          Ainda afirmo que protocolo HART não é obsoleto e que tecnologia wirelessHART vem explorando seu pontencial que não era utilizado pelos usuários, que basicamente esqueciam do HART e só utilizavam (ão) o 4 – 20mA. Dizer que HART tem diagnósticos em algumas empresas hoje em dia ainda é uma grande novidade, mas é claro que tem empresas que investem em tecnologia sempre!
          Como disse, todas referências que utilizei de estudo de mercados estão com seus devidos links, comprovando que a aceitação do mercado é pelo protocolo wirelessHART, isso pode ser verificado também no estudo atual que saiu a pouco tempo da ARC.
          Sobre gerenciamento de ativos, realizamos testes com gerenciamento de ativos em uma empresa de papel & celulose para aprovar a utilização da tecnologia utilizando software fieldcare (FDT/DTM) com a função condition monitoring e o sistema wirelessHART E+H em posicionadores Metso. Os resultados foram satisfatorios e o teste foi aprovado! O sistema funcionou sem problemas com gerenciamento de ativos monitorando continuiamente as condições da válvulas de controle, atendendo a expectativa do cliente final.
          A interoperabilidade deveria ser algo garantido 100% por “TODOS” protocolos, em visitas técnicas em diferentes empresas vejo que protocolos como FF e profibus tem problemas com interoperabilidade com sistemas de controle até hoje, mesmo sendo testados e aprovados pelas suas devidas organizações, igual a WCI!
          No final, a preferencia por protocolo ou marca fará o usuário usar wirelessHART ou ISA100, por conta disso as empresas oferecem diferentes protocolos em seus portfólios ( FF, HART, Modbus, Profibus, Ethernet/IP, ProfiNET etc) quem sabe também não irão oferecer wirelessHART e ISA100? Até o momento digo que não, mas no futuro eu não sei…
          Fico a disposição para testar nosso sistema no gerenciamento de ativos…

          Excelente discussão técnica.

          Abraços

  6. Viviane Leite Diz

    Bravo!!!

  7. Thiago Augusto Diz

    Caro José, escreva um artigo sobre o tema e aí sim veremos se você possui o know how que pensa ter.
    Grato.