quinta-feira, 27 de março de 2014

O PROTOCOLO WIRELESSHART

 No artigo de hoje, falaremos um pouco mais sobre o WirelessHART™.

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.
 

Arquitetura do WirelessHART™

Baseado no modelo OSI, o protocolo WirelessHART é composto por cinco camadas: aplicação, transporte, rede, enlace e física. A camada de rede foi incluída para suportar a topologia mesh, pois na arquitetura “com fio” do HART esta camada não existia.
E também, houveram algumas alterações nas camadas de enlace e física.
Modelo OSI e Comparativo entre Protocolo HART e WirelessHART
Figura 1 – Modelo OSI e Comparativo entre Protocolo HART e WirelessHART™.
FONTE: JUNIOR, L. A.C. (2009). WirelessHART – Tecnologia Wireless Aplicada a instrumentos de campo. C&I Controle & Instrumentação. São Paulo, Brasil, pp.74-78.
 
Uma rede WirelessHART™ possui basicamente três dispositivos principais, veja Figura 2:
  • Instrumentos (Wireless Field Devices): equipamentos de campo que se comunicam bidirecionalmente;
  • Porta de Ligação (Gateways): permitem a comunicação entre os equipamentos de campo e as aplicações de controle;
  • Gerente de Rede (Network Manager): responsável pela configuração da rede, gerenciamento da comunicação entre os dispositivos, rotas de comunicação e monitoramento do estado da rede. O Network Manager também pode ser integrado em um gateway, aplicação no host ou em um controlador de processo.
Estrutura de uma rede WirelessHART
Figura 2 – Estrutura de uma rede WirelessHART™
FONTE: JUNIOR, L. A.C. (2009). WirelessHART – Tecnologia Wireless Aplicada a instrumentos de campo. C&I Controle & Instrumentação. São Paulo, Brasil, pp.74-78.
 
O que diz respeito à topologia, uma rede WirelessHART™ pode ser do tipo estrela (star), malha (mesh) e estrela-malha (star-mesh):
Topologias de rede suportadas pelo WirelessHART
Figura 3 – Possíveis topologias de rede suportadas pelo WirelessHART™
FONTE: JUNIOR, L. A.C. (2009). WirelessHART – Tecnologia Wireless Aplicada a instrumentos de campo. C&I Controle & Instrumentação. São Paulo, Brasil, pp.74-78.
  • A topologia malha (mesh) é onde todos os nós são roteadores e, por isso, torna-se uma rede muito confiável, com alta disponibilidade e redundância de caminhos.
  • A topologia estrela (star) é caracterizada por possuir apenas um roteador conectado a vários instrumentos e é geralmente utilizada para pequenas aplicações.
  • A topologia estrela-malha (star-mesh) é uma combinação das topologias estrela (star) e malha (mesh).

Recapitulando sobre a Arquitetura do WirelessHART™

Baseado no modelo OSI, o protocolo WirelessHART™ é composto por cinco camadas:
  • Aplicação;
  • Transporte;
  • Rede,
  • Enlace;
  • Física.
Uma rede WirelessHART™ possui basicamente três dispositivos principais:
  • Instrumentos (Wireless Field devices);
  • Porta de Ligação (Gateways);
  • Gerente de rede (Network Manager).
O que diz respeito à topologia, uma rede WirelessHART™ pode ser do tipo:
  • malha (mesh);
  • estrela (star) e;
  • estrela-malha (star-mesh).
Rede WirelessHART (topologia mesh)
Figura 4 – Exemplo de uma rede WirelessHART™ com a topologia mesh.
 
Lembrando que todo instrumento WirelessHART™ é um roteador por natureza. Esta é uma particularidade deste protocolo que não permite que esta funcionalidade seja desabilitada. (Mais um assunto para ser abordado quando estudarmos sobre o ISA100).
 

1. Comissionamento

Comissionar é estabelecer a missão do equipamento na planta. Consiste em dedicar um equipamento qualquer a um uso específico na aplicação industrial. Ou seja, comissionamento de um instrumento é o processo de assegurar que os sistemas e componentes de uma rede estejam projetados, instalados, testados, operados e mantidos de acordo com as necessidades e requisitos operacionais pré-estabelecidos.
Em uma rede WirelessHART esse processo é simples e é realizado através dos seguintes procedimentos: Inicialização e Conexão de um instrumento WirelessHART à rede.

1.1. Inicialização

Esse procedimento, o Gateway – deve ser o primeiro instrumento conectado à rede – recebe o identificador da rede wireless, a senha da rede e o nível de segurança. Em contra partida, o instrumento de campo deve ser configurado em bancada por um programador portátil onde é configurada a senha da rede, o identificador da rede e a taxa de atualização.
Inicialização dos equipamentos realizada na bancada:
Procedimento de inicialização (WirelessHART)
Figura 1 – Procedimento de inicialização

1.2. Conexão do instrumento de campo à rede Wireless

Logo após efetuar o procedimento de inicialização, o instrumento de campo já pode ser inserido ao processo onde ele realizará medição ou monitoramento. Utilizando-se ainda o programador portátil, passa-se ao procedimento de conexão do instrumento de campo à rede WirelessHART. No instante em que o gateway emite um anúncio, o instrumento de campo solicita uma conexão à rede, da qual necessita conter o identificador de rede (TAG) e a senha anteriormente configurados. Caso a autenticação seja positiva, o instrumento de campo é autorizado a conectar-se à rede, assim como chaves de segurança e informações respectivas ao agendamento e roteamento. Após esse procedimento, o instrumento de campo já está “comissionado” e pode enviar dados pela rede. Veja Figura 2:
Procedimento de conexão do instrumento de campo à rede (Wirelesshart)
Figura 2 – Procedimento de conexão do instrumento de campo à rede Wireless

Dependendo do tamanho da rede WirelessHART, por exemplo, com baixa quantidade de instrumentos de campo conectados, a topologia da rede pode ser do tipo estrela, que tem como característica a baixa latência e possui uma linha direta entre os instrumentos (devices) e o Gateway. Veja Figura 3:
Topologia estrela, baixa quantidade de instrumentos de campo (WirelessHART)
Figura 3 – Topologia estrela, baixa quantidade de instrumentos de campo

De forma que mais instrumentos sejam conectados à rede, a topologia tende de forma automática migrar para o tipo mesh, na qual terá possivelmente uma maior latência, contudo terá também maior robustez, confiabilidade e disponibilidade. Veja Figura 4:
Topologia mesh com uma quantidade maior de instrumentos de campo (WirelessHART)
Figura 4 – Topologia mesh com uma quantidade maior de instrumentos de campo

2. Aplicações

A tecnologia sem fio propicia um grande leque de aplicações, desde a adição de medidas que se encontravam fora do alcance físico ou econômico, até o monitoramento de toda a planta, tais como ativos e acompanhamento de pessoas, segurança e produtividade do funcionário. Entretanto, a equipe de especificação WirelessHART reconheceu que nenhuma tecnologia é capaz de atender todas as aplicações.
Sua abordagem foi se concentrar em funções básicas de automação de processos, onde não havia nenhum padrão wireless apropriado. Assim como a tecnologia HART com fios, WirelessHART, portanto, suporta a gama completa de aplicações de controle e acompanhamento de processos, incluindo:
  • Equipamentos e acompanhamento do processo;
  • Monitoramento ambiental, gestão de energia, de conformidade regulamentar;
  • Gestão de ativos, manutenção preventiva, diagnósticos avançados;
  • Circuito fechado de controle (quando apropriado).

3. Considerações

A rede sem fio, ao nível de instrumento, não pretende substituir 4 a 20 mA cabeado ou nenhuma outra rede de campo 100% digital. O WirelessHART foi desenvolvido para complementar redes cabeadas em situações onde a instalação é difícil e os custos são elevados ou quando uma segunda rede de manutenção é benéfica.
O desempenho dos dispositivos e das redes sem fio são insuficientes para as exigências de controle de processo crítico e de intertravamentos. Os instrumentos somente sem fio (à bateria) teriam uma qualidade limitada de energia disponível e consequentemente taxas de atualização do processo (embora variáveis) estão geralmente na faixa de 30 s ou vários minutos.
Apesar de existirem outras tecnologias Wireless como Infrared, Bluetooth e ZigBee, o WirelessHART é o mais adequado para ser instalado em ambientes industriais, pois ele é apenas a junção das tecnologias que já existiam. O que houve foi a junção do HART + Wireless, tecnologias consolidadas, padronizadas e difundidas em seus respectivos ambientes, fato esse que propicia mais confiabilidade e segurança para adoção do WirelessHART no meio industrial. O WirelessHART é também uma tecnologia flexível, pois pode ser instalada com alimentação via bateria (menor autonomia na atualização de dados) ou com alimentação convencional. Opcional com adaptador Wireless externo (disponível em diversos modelos e de diferentes fabricantes), para aproveitar os equipamentos já instalados, ou com novos equipamentos que possuem o Wireless embarcado. Atua em controle simples ou complexos (rede mesh, mais segura). Todo device é um roteador. Possui a capacidade de organizar-se e recuperar-se de uma falha, automaticamente. WirelessHART possui 16 canais.
A comunicação entre os devices é criptografada, por tanto segura, com senhas individuais ou comuns. O equipamento é identificado na rede pelo TAG (32 caracteres).

3.1 Baterias

Perguntas que devem ser feitas referente a bateria para especificação de um processo:
  • Qual é a temperatura ambiente que o device será submetido?
  • Quantos vizinhos cada device tem ou terá interoperabilidade?
  • De quanto em quanto tempo a informação do processo será atualizada?
Concluindo, as redes sem fio para instrumentação têm seu lugar ao lado das versões cabeadas e devem ser consideras com certos cuidados.

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.
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