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O Protocolo WirelessHART (Parte 1)

Hello amigos do blog Automação Industrial, é um imenso prazer estar aqui! Vamos falar um pouco sobre os protocolos wireless para redes industriais. Tentar trocar conhecimento a respeito, pois esse é o assunto do momento e ainda há muito o que aprendermos. No artigo de hoje, falaremos um pouco mais sobre o WirelessHART™.

WirelessHART (Parte 2)

Quando cursei a disciplina Redes para Automação Industrial na USP de São Carlos no 1º semestre de 2011, eu e meu parceiro de seminário Eng. Ricardo Artheman, da Faber-Castell, escrevemos esse artigo para apresentação do seminário: WirelessHART – Tecnologia sem fio aplicada a controle de processos industriais, o qual tenho imenso prazer de compartilhá-lo com vocês.

Então vamos nessa? E nos divertir.. rsrs.

A necessidade de agilidade na obtenção de dados e a facilidade na instalação dos equipamentos de campo têm feito com que a indústria tenda a utilizar sistemas de redes sem fio (wireless) para aquisição de dados ou até mesmo controle de processos em locais de difícil acesso. Esse artigo descreve um dos protocolos que a indústria pode adotar para execução de controle de processos com significativos benefícios referentes à manutenção e a segurança operacional, o WirelessHART™.

1. Introdução

As redes sem fio (wireless) se tornam cada vez mais difundidas em todos os ambientes, seja ele industrial ou residencial. As transmissões das estações de rádio, de televisão através de torres e satélites, os telefones sem fio e os celulares, as LANs (Local Area Network) de shoppings e bibliotecas, são exemplos típicos de aplicações wireless. A indústria, por sua vez, ainda utiliza muito pouco dessa tecnologia. No entanto, com o surgimento das necessidades por dados e informação em tempo real, mobilidade e economia nos custos com cabos (redes físicas) a tecnologia wireless, apesar de algumas resistências e dúvidas (principalmente relacionadas à confiabilidade e à segurança) começa a ser observada com mais atenção quanto aos benefícios que pode fornecer. O mundo da automação industrial, em alguns casos, já esta se familiarizando, quebrando paradigmas e adotando essa tecnologia através do WirelessHART™, protocolo que descrevemos a seguir.

2. Histórico do WirelessHART

O protocolo HART foi desenvolvido pela fundação americana HART Communication Foundation (HCF), no final da década de 80. Esse protocolo veio se desenvolvendo com o passar dos anos até chegar a uma evolução significativa em meados de 2007, a especificação do HART 7. Além do aperfeiçoamento das revisões anteriores, houve a inclusão do WirelessHART™, um padrão aberto e interoperável que endereça a comunicação wireless – com simplicidade, robustez e segurança entre instrumentos de campo HART. Veja Figura 1.

Evolução do protocolo HART
Figura 1 – Evolução do protocolo HART através dos anos (atualmente existe, aproximadamente, 32 milhões de instrumentos instalados).

Apesar de existir outras tecnologias wireless como Infrared, Bluetooth e ZigBee, o WirelessHART™ (HART 7) é o mais adequado para ser instalado em ambientes industriais. Pois referente ao infrared e Bluetooth, a distancia do WirelessHART™ é bem maior. E referente ao ZigBee, existe uma camada de segurança e outra de distribuição de dados padrão da HART que é muito mais confiável e segura.

3. Características do WirelessHART™

O uso da tecnologia wireless na indústria deve seguir algumas recomendações citadas pela NAMUR NE 124 com relação a alguns requisitos da automação:

3.1. Interoperabilidade/Intercambiabilidade

A aplicação wireless deve garantir interoperabilidade e intercambiabilidade. Recomenda-se que não haja uso de soluções wireless proprietárias e sim redes não proprietárias, uniformidade da tecnologia de conexões (antenas), das medidas de segurança e das fontes de alimentação (baterias).

3.2. Disponibilidade e Confiabilidade

A aplicação wireless adotada necessita ter alta disponibilidade e confiabilidade. Fabricantes e usuários estão envolvidos nesse processo e são responsáveis por elas.

3.3. Tempo real

Em suas áreas de aplicação, a capacidade da rede em atender cenários de tempo real deve expor com clareza os termos de parâmetros determinísticos e de latência, por exemplo.

3.4. Segurança

É recomendado que a aplicação wireless tenha medidas de segurança como a codificação dos dados transmitidos, controle de acesso à rede wireless através de autenticação e autorização e que a solução possua links seguros com a rede mestre (master network).

3.5. Coexistência

É recomendado a coexistência de tecnologias (Bluetooth, ZigBee e WLAN, por exemplo), quanto a de aplicações (rede wireless de sensores e terminais de controle portáteis, por exemplo) sem que uma possa interferir na outra.

3.6. Fonte de alimentação

Geralmente os instrumentos wireless utilizados como elementos finais são energizados por baterias. Recomenda-se que para minimizar os custos gerados pela operação com baterias que a substituição delas seja fácil e os procedimentos sejam seguros, que existam previsões precisas quanto à carga residual das baterias bem como haja proteção contra explosões. Também pode-se utilizar como fontes de alimentação um pequeno painel de energia solar e ainda, alimentação de 24V, ligando o transmissor à tomada. Porém, neste último caso, perde-se a mobilidade da tecnologia, já que não se poderá levar o transmissor para qualquer lugar. Veja Figura 2:

Tipos de fontes de alimentação dos equipamentos WirelessHART
Figura 2 – Tipos de fontes de alimentação dos equipamentos WirelessHART

3.7. Auto-monitoração e diagnóstico

É recomendada a disponibilização de informações / estatísticas sobre o nível de potência de transmissão, carga da bateria, a identificação de erros ou ataques de usuários não autorizados, a carga da rede wireless e a latência.

3.8. Integração transparente com sistemas de automação

Recomenda-se que a solução wireless adotada não impeça ou dificulte a integração dos instrumentos aos sistemas de automação.

Baseadas nessas recomendações, seguem as principais características do WirelessHART:

  • É baseado no protocolo HART, com isso há a compatibilidade com instrumentos de campo, aplicações e ferramentas HART já instalados;
  • A camada física e de controle ao meio de acesso (MAC) são baseados no padrão IEEE 802.15.4-2006;
  • Sua faixa de operação de frequência ISM1 de 2,4 GHz à taxa de 250 Kbps;
  • Características similares de protocolos de barramento de campo:
    • publicação de variáveis de processo;
    • notificação espontânea de exceções;
    • transferência automática de dados muito grandes por meio de bloco de dados segmentados;
    • variáveis de processo passam a ter, além do valor, também o estado.
  • Utiliza encriptação e autenticação para garantir que a comunicação seja segura;
  • Facilidade na operação e instalação de rede e instrumentos de campo.
  • Utiliza topologias estrela (star), malha (mesh) e estrela – malha (star – mesh);
  • A rede WirelessHART™ organiza-se e recupera-se de falha automaticamente. Isso significa que os instrumentos de campo são roteadores por natureza e tem a capacidade de encontrar nós vizinhos e mensurar as intensidades de sinal de rádio frequência (RF) para estabelecer caminhos e links com os instrumentos vizinhos. Quando ocorre falha um caminho alternativo é ativado aumentando assim a disponibilidade do instrumento.
  • Na camada de enlace a comunicação na rede WirelessHART™ usa Time Division Multiple Access (TDMA) e é fortemente sincronizada. Cada instrumento armazena um senso de tempo de rede preciso e mantém sincronizado com todos os instrumentos vizinhos. Existe um tempo periódico no qual são alocadas todas as comunicações cíclicas e acíclicas entre os instrumentos conhecido como superframe. Esse tempo garante a inexistência de colisões na rede e uma forma eficiente dos instrumentos terem baixo consumo, tendo em vista que permanecem em modo de espera até o momento de transmissão / operação;
  • Possui técnicas para garantir a coexistência entre instrumentos instalados baseados em outras tecnologias wireless:
    • Potência de transmissão ajustável – um instrumento pode ajustar a potência de transmissão, para manter a comunicação com outro instrumento;
    • Frequency hopping – os pacotes são transmitidos em diferentes canais de frequência. Desse modo a potência do sinal é distribuída por canal, o que ameniza a interferência na comunicação;
    • Clear Channel Assessment (CCA) é a função lógica na camada física que determina o estado de utilização de um meio wireless. É usado para decidir o melhor momento para transmissão de um pacote e através da existência ou não de atividade do meio sem fio;
    • Blacklisting – quando ocorre a interferência em um canal, este canal começa a fazer parte de uma lista de canais inoperantes. A comunicação continuará através dos outros canais que não presentes nesta lista, não utilizando assim os canais com interferência.
  • Todas as suas mensagens têm uma prioridade definida. Garantindo qualidade do serviço e permitindo que se reserve largura de banda para as comunicações de alta prioridade e cíclicas;
  • Seus instrumentos podem ser alimentados através de baterias, energia solar e por potência retirada da própria malha de controle ou linha;
  • Envia diagnósticos relacionados à tensão atual das baterias e tempo de vida delas.

Recapitulando sobre as características do WirelessHART™

É simples…

  • Coexistência com outras redes;
  • Facilidade de instalação;
  • Rede auto-organizável;
  • Interoperabilidade.

É confiável…

  • Frequency hopping;
  • Blacklisting;
  • Clear Channel Assessment.

É seguro…

  • Autenticação do equipamento;
  • Chaves de segurança;
  • Indicações de falhas/tentativas de autenticação.

É construído sobre uma plataforma operacional IEEE 802.15.4 rádio na faixa ISM que não requer licença para funcionamento, incluindo a faixa de 2,4 GHz. WirelessHART™ é um padrão globalmente disponível com um transmissor de rádio 10 mW. Utiliza o recurso Blacklinsting para ignorar frequencias contaminadas, que não pode ser utilizada em determinada região. Veja Figura 3:

Blacklisting em WirelessHART
Figura 3 – Ilustração de uma Blacklinsting

WirelessHART™ emprega Time Division Multiple Access (TDMA) para gerir a forma como o espectro é usado ao longo do tempo. Cada transmissão ocorre em uma janela de 10 ms chamado de “time slot” e em um dos 15 canais com sincronismo muito preciso. Se a comunicação não for necessária, os dispositivos entram em modo hibernação para economizar energia. Veja Figura 4:

Time slot (WirelessHART)
Figura 4 – Time slot

A tecnologia wireless oferece muitos outros benefícios para o mundo industrial e tudo se adequa. Por exemplo, se na indústria existem equipamentos, já instalados, que transmitem sinal somente 4 a 20 mA ou façam parte da família HART5 e 6, estes equipamentos podem ser  facilmente adaptados para o WirelessHART™ (HART7). Basta instalar um adaptador específico para converter o sinal desses equipamentos em sinal WirelessHART™ e transmitir (disponibilizar) este sinal para a rede WirelessHART™. Veja Figura 5:

Adaptador WirelessHART
Figura 5 – Exemplo de adaptador WirelessHART disponível no mercado.

Lembra-se, quando houver esta adequação, apenas a transmissão do sinal será WirelessHART™, e não haverá a mesma mobilidade que os instrumentos com tecnologia WirelessHART™ possuem por natureza, já que estes equipamentos, anteriormente instalados, não podem ser alimentados por bateria ou energia solar, como é o caso dos equipamentos WirelessHART™.

Por enquanto é isso. Espero a colaboração de vocês, afinal, a crítica construtiva é sempre bem vinda. No próximo post vou falar sobre a Arquitetura do WirelessHART™. Pela big cooperação, agradeço aos meus colegas de trabalho: Engª. Rafaela Castelhano Souza, Eng. Lellis do Amaral Campos Junior, Eng Evandro Raphaloski e Eng. Alex Leal Ginatto.

Valeu gente!

Leia aqui a segunda parte deste artigo.

Referências

Gareth Johnston, 2010, Liberando as informações deixadas de lado A evolução do adaptador WirelessHART™ da ABB. C&I Controle & Instrumentação. São Paulo, Brasil, pp.51-56.

Lellis do Amaral Campos Junior, 2009, WirelessHART – Tecnologia Wireless Aplicada a instrumentos de campo. C&I Controle & Instrumentação. São Paulo, Brasil, pp.74-78.

Jianping Song, Song Han, Aloysius K. Mok “et al”. WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control. IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium. 1080-1812/08  © 2008 IEEE DOI 10.1109/RTAS.2008.15.

Wireless HART Technology. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_technology.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

Wireless HART – How it works. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_how_it_works.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

Wireless HART Applications. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_applications.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

The Components of WirelessHART technology. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_components.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

Getting Started. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_getting_started.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

WirelessHART Training Resources. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/training/training_resources_wihart.html. Acessado em: 11 de jun. de 2011.

César Cassiolato. WirelessHART™. Disponível em: http://www.smar.com/newsletter/marketing/index98.html. Acessado em: 01 de jun. de 2011.

Wireless Applications. Disponível em: http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_applications.html. Acessado em: 06 de jun. de 2011.

WirelessHART TM – Rede de comunicação HART sem fios Pepperl + Fuchs!. Disponível em: http://www.ffonseca.com/artigo.aspx?lang=pt&id_object=33674&name=WirelessHART-TM—Rede-decomunicacao-HART-sem-fios-Pepperl-+-Fuchs. Acessado em: 01 de jun. de 2011.

About HART – Part 1. Disponível em: http://www.analogservices.com/about_part1.htm. Acessado em: 01 de jun. de 2011.

Alex Ginatto – Eng. de Desenvolvimento Eletrônico Smar.

Evandro Raphaloski – Eng. de Desenvolvimento  Eletrônico Smar.